第五章 5-2 厌氧发酵机制
5发酵机制PPT课件
理论转化率106.7%, 实际转化率80~90%, 产酸12 ~ 14%,发酵时间60 ~ 80 hr.
1.发酵菌种: 黑曲霉(Asp.niger)和解脂假 丝酵母(Candida lipolytica)
2.发酵原料:糖蜜、薯干粉（木薯粉）、葡 萄糖母液、玉米（小麦）淀粉（TD-01）、 玉米粉（Co827）
* 磷酸果糖激酶
(3)
ATP - ADP
6
2.裂解（lysis)——磷酸丙糖的生成：
一分子F-1,6-BP裂解为两分子可以互变的磷
酸丙糖（triose phosphate)，包括两步反 应：
-
7
⑷ F-1,6-BP 裂解为3-磷酸甘油醛
和磷酸二羟丙酮
⑸ 磷酸二羟丙酮异构为3-磷酸甘油
(4)
醛缩酶 醛
-
14
第一节 糖嫌气性发酵产物积累机制
糖的无氧酵解（glycolysis)是指葡萄糖经EMP途径
生成丙酮酸后，在无氧条件下继续降解并释放出能 量的过程。
NADH2在此过程中将氢交给不同的有机物，形成各 种不同的代谢产物（在不同的微生物机体和不同条件下，
H2的受体不同，因而丙酮酸的去路也不同）。
-
-
3
葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸：
此阶段在细胞胞液(cytoplasm)中进行，一
分子葡萄糖(glucose)分解后净生成2分子丙 酮酸(pyruvate)，2分子ATP，和2分子
（NADH +H+）。糖酵解途径广泛存在于各 种细胞中，它的任何一个反应均不需要 氧。
-
4
1. 活化(activation)——己糖磷 酸酯的生成：
谷氨酸
-
34
（二）、细胞膜的通透性与谷氨酸的积累
厌氧发酵原理
厌氧发酵是一种在缺氧环境下进行的生化反应，通过微生物在缺氧条件下代 谢有机物质产生能量和废物。
厌氧发酵的定义
厌氧发酵是指在缺氧的条件下，微生物在有机物质分解过程中产生能量和废物。
厌氧发酵反应过程
1
底物分解
有机物质通过分解产生底物。
2
能量产生
底物在缺氧条件下被微生物代谢产生能量，并生成废物。
废物处理
厌氧发酵可以降解废物，减 少对环境的污染。
灵活性
厌氧发酵适用于不同类型的 有机废料，具有很高的灵活 性。
厌氧发酵的限制因素
1 缺氧环境
厌氧发酵需要在没有氧气的环境中进行。
2 特定温度要求
不同的厌氧发酵过程需要适当的温度条件。
3 微生物种类限制
不同类型的厌氧发酵需要不同种类的微生物参与。
厌氧发酵的关键要素
厌氧发酵在生物科技领域具有 广阔的应用前景。
Hale Waihona Puke 底物有机物质作为底物供给厌氧 发酵反应。
微生物
特定种类的微生物扮演着厌 氧发酵过程中的关键角色。
环境条件
提供适宜的温度、pH和氧气 等条件来维持厌氧发酵反应。
厌氧发酵的意义和前景
绿色能源
厌氧发酵可以作为替代化石燃 料的绿色能源选择。
废物管理
厌氧发酵可以帮助实现废物的 高效处理和资源回收利用。
生物科技
3
废物生成
废物可能是气体、酸、醇或其他有机化合物。
厌氧发酵的应用领域
1 生物燃气产生
厌氧发酵被用于生物燃气产生来替代化石燃料。
2 污水处理
厌氧发酵在污水处理中用于去除有机物质和产生沼气。
3 食品加工
厌氧发酵被用于食品加工来产生酸乳酸和醋酸等物质。
厌氧发酵原理 ppt课件
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厌氧生物处理——原理
厌氧消化装置的负荷率是怎样确定的呢？
一个重要的原则是：在两个转化（酸化和气化）速 率保持稳定平衡的条件下，求得最大的处理目标 （最大处理量或最大产气量）。
一般而言，厌氧消化微生物进行酸化转化的能力强， 速率快，对环境条件的适应能力也强；而进行气化 转化的能力相对较弱，速率也较慢，对环境的适应 能力也较脆弱。这种前强后弱的特征使两个转化速 率保持稳定平衡颇为困难，因而形成了三种发状 态。
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厌氧生物处理——原理
高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为-500~-600mV； 中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原
电位应低于-300~-380mV。
产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在 +100~-100mV的兼性条件下生长繁殖；
甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为-350mV或更低。
有机物
Ⅱ
酸化（1）
酸化（2）
小分子溶解态 有机物转化为 （H2+CO2）及 A、B两类产物
B类产物转化为 （H2+CO2）及
乙酸等
Ⅲ 气化
CH4、CO2等
发酵细菌
产氢产乙酸细菌 甲烷细菌
发酵工艺
甲烷发酵 酸发酵
——
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厌氧生物处理——原理
二、发酵的控制条件 （以下重点讨论甲烷发酵的控制条件。） （一）营养与环境条件
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厌氧生物处理——原理
一、厌氧消化的生化阶段 复杂有机物的厌氧消化过程要经历数个阶段，由不同的
细菌群接替完成。根据复杂有机物在此过程中的物态及物 性变化，可分三个阶段（如表所示）。
固体废物处理与资源化-第五章 第二节 厌氧消化
主要有机物的水解反应：
蛋白质+nH2O→氨基酸＋脂肪酸＋NH3＋CO2＋H2S
C3H5(RCO)3O3H2OC3H5(OH)33RCOOH
(脂肪）
（甘油） （脂肪酸）
2(C6H10O5)nnH2OnC12H22O112nC6H12O6 （碳水化合物）（双糖） （单糖）
70(CH4)+30(C02)
5950
700
67(CH4)+33(C02)
5650
a. 理论产气量的计算
在计算沼气发酵原料的理论产气量时，必须首先分别测定 各种发酵原料中碳水化合物(A)、蛋白质(B)和脂肪(C)的 含量，然后用下式计算出每克发酵原料的CH4和CO2的理论 产量。 CH4产量E（L）＝0.37A+0.49B+1.04C CO2产量D（L）＝0.37A+0.49B+0.36C 式中的A、B、C可在表中查到。
例 ， 以 稻 草 为 原 料 ， 其 A 、 B 、 C 值 分 别 为 ： 0.6026 ， 0.0316，0.0321。则： E=0.37×0.6026+0.49×0.0316+1.04×0.0321=0.2718(L/g) D=0.37×0.6026+0.49×0.0316+0.36×0.0321=0.2500(L/g)
发酵原料料浆的配制计算
将所需的各种发酵原料配制成料浆，可根据料浆中所 要求的总固体百分含量计算出加水量。
MTSXXM W10% 0
式中：MTS一发酵料浆中总固体Wt％； M 一各种原料的总固体Wt％； X一各种原料的重量(kg)； W一需加入的水量(kg)
厌氧发酵的原理
厌氧发酵的原理
厌氧发酵是一种在缺氧条件下进行的生物过程，其原理是微生物在缺氧环境下，利用有机物质进行能量代谢和产生有用化合物的过程。
厌氧发酵可以在无氧或低氧条件下进行，其中微生物利用有机物质作为底物，通过代谢途径将其转化为所需的产物。
厌氧发酵的原理涉及以下主要过程：
1. 无氧条件：厌氧发酵是在缺氧环境下进行的，即没有游离氧气存在。
这是与其他类型的发酵过程（如乳酸发酵和酒精发酵）的主要区别之一。
2. 底物降解：在厌氧发酵中，微生物利用有机物质作为底物进行降解。
底物可以是多种有机物质，如葡萄糖、乳酸、酒精等。
微生物通过代谢途径将底物转化为能量和产物。
3. 能量产生：微生物通过底物降解产生能量。
在没有氧气的情况下，微生物采用其他能量产生途径，如乳酸发酵产生酸和少量ATP，或者通过产生氢气、甲烷等气体来释放能量。
4. 产物生成：厌氧发酵产生的产物取决于微生物的种类和底物的类型。
常见的产物包括乳酸、酒精、氮气、二氧化碳、甲烷等。
这些产物在农业、食品工业、能源等领域具有重要的应用价值。
总的来说，厌氧发酵是一种在无氧或低氧条件下微生物利用有
机底物进行代谢和能量转化的过程。
通过这种发酵过程，可以产生有用的产物，并且在一些特殊的环境条件下具有重要的应用价值。
厌氧发酵的原理
厌氧发酵的原理
首先，厌氧发酵需要有机物作为底物。
在缺氧条件下，生物体无法利用氧气来氧化有机物，因此需要利用其他氧化剂来进行有机物的氧化反应。
常见的有机物包括葡萄糖、乳酸、乙醇等。
这些有机物可以在厌氧条件下被微生物或其他生物体利用，产生能量。
其次，厌氧发酵需要存在适当的微生物或生物体。
厌氧发酵通常是由厌氧微生物完成的，这些微生物可以在缺氧条件下生存并进行代谢活动。
常见的厌氧微生物包括厌氧菌、厌氧古菌等。
它们可以利用有机物进行代谢，产生ATP等能量物质。
另外，厌氧发酵需要适当的环境条件。
缺氧条件是厌氧发酵的基本要求，因此需要在没有氧气的环境中进行。
此外，厌氧发酵的环境pH值、温度等因素也会影响其进行。
最后，厌氧发酵产生的产物通常包括乳酸、乙醇、甲烷等。
这些产物可以在工业生产、食品加工、能源生产等方面得到应用。
因此，厌氧发酵具有重要的应用价值。
总的来说，厌氧发酵是一种在缺氧条件下进行的发酵过程，它
需要有机物作为底物，适当的微生物和环境条件，产生的产物具有重要的应用价值。
厌氧发酵的原理对于理解生物体内能量代谢过程具有重要意义，也为工业生产和生物能源开发提供了重要的理论基础。
简述厌氧发酵的基本原理
简述厌氧发酵的基本原理
厌氧发酵是一种在缺氧条件下进行的生化过程，通过微生物的代谢产生能量。
其基本原理是在缺氧的环境中，微生物利用有机物质作为底物，运用不同的代谢途径将底物分解，产生代谢产物和能量。
在厌氧发酵过程中，微生物主要利用有机物质进行糖酵解来产生能量。
首先，底物经过糖酵解途径分解成为各种代谢产物，如乳酸、乙醇、丙酸、丁酸等。
这个过程常见于乳酸菌和酵母菌等微生物。
此外，还有一些厌氧微生物可以利用底物进行发酵产生气体，如甲烷。
这个过程称为甲烷发酵，常见于甲烷菌等微生物。
甲烷发酵在废水处理、沉积物降解等领域应用广泛。
值得注意的是，厌氧发酵与好氧呼吸相比，效率较低且产生的能量较少。
因此，一些厌氧微生物需要通过产生大量的代谢产物来维持其代谢能量的需求。
总的来说，厌氧发酵是一种在缺氧条件下利用有机物质进行代谢产能的过程。
微生物通过糖酵解或甲烷发酵等不同途径分解底物，产生代谢产物和能量。
该过程应用广泛，但效率相对较低。
第五章 发酵机制与代谢调控
高级醇（higher alcohol）
（1）杂醇油的生成 杂醇油是C原子数大于2的脂肪族醇类的统称， 主要由正丙醇、异丁醇（2-甲基-1-丙醇）、异戊醇 （3-甲基-1-丁醇）和活性戊醇（d-戊醇、2-甲基-1丁醇）组成。 氨基酸氧化脱氨作用：早在1907年Ehrlish提出了 高级醇的形成来自氨基酸的氧化脱氨作用。后来 Sentheshani Nuganthan（1960）根据以啤酒酵 母无细胞抽出液研究从氨基酸形成高级醇的机理， 提出以下途径： 转氨基是在α-酮戊二酸间进行。天冬氨酸、异 亮氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪 氨酸等均有此转氨作用。根据此机制，由缬氨酸产 生异丁醇、异亮氨酸产生活性戊醇、酪氨酸产生酪 醇，苯丙氨酸产生苯乙醇等。
3 酒精发酵中副产物的形成 主产物（product） ：酒精（alcohol）
副产物（by product ）： 二氧化碳（carbon dioxide） 甘油（glycerol） 乙醛（acetaldehyde） 琥珀酸（ succinic acid ） 乙酸（acetic acid） 酯（ester）
（1）好氧性发酵(aerobic fermentation)：在发酵过 程中需要不断地通入一定量的无菌空气，如利用黑曲霉进 行柠檬酸的发酵、利用棒状杆菌进行谷氨酸的发酵、利用 黄单孢菌进行多糖的发酵等等。
（2） 厌氧性发酵(anaerobic fermentation) ：在发酵 过程中不需要供给无菌空气，如利用乳酸杆菌引起的乳酸 发酵、梭状芽孢杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等等。 （3）兼性发酵 (facultative fermentation) ：酵母菌 是兼性厌氧微生物 (facultative aerobe) ，它在缺氧条件 下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧条件下则进行好氧 发酵，大量繁殖菌体细胞。
厌氧发酵原理
厌氧发酵原理
厌氧发酵是一种在缺氧条件下，微生物在有机物质中产生能量的过程。
它通过一系列复杂的化学反应来转化有机物质，并产生产物。
厌氧发酵的过程涉及到许多微生物，如细菌和真菌。
这些微生物利用有机物作为它们的碳源和能源。
在缺氧条件下，它们通过代谢途径来分解有机物质，并将其转化为不同的化合物。
厌氧发酵的过程包括以下几个主要步骤：
1. 底物降解：有机物质被微生物降解为简单的化合物，如有机酸、醇和气体等。
2. 发酵产物生成：在降解过程中，微生物产生各种形式的代谢产物，如酒精、乳酸、醋酸等，这些产物可以进一步用于其他工业过程或食品生产中。
3. 能量生成：在发酵过程中，微生物通过代谢途径产生能量。
这种能量产生主要是通过有机物质的氧化还原反应释放出的能量来实现的。
厌氧发酵的原理是基于微生物对缺氧环境下氧化还原反应的利用。
在缺氧的条件下，微生物无法利用氧气来进行呼吸作用，因此它们通过其他一些氧化还原反应来产生能量。
总体来说，厌氧发酵是微生物在缺氧条件下利用有机物质产生
能量的一种过程。
通过这种过程，可获得多种有用的产品，如酒精、乳酸和醋酸等。
这种过程被广泛应用于医药、食品和能源工业等领域。
《厌氧发酵原理》课件
作用
01
特点
02
应用
03
厌氧球菌
厌氧球菌是一类非常普遍的厌氧微生物，能够利用多种有机物作为碳源和能源。 作用 厌氧球菌具有较高的耐酸性和耐氧化剂的能力，能够在酸性环境和含有较高浓度氧化剂的环境中生长。 特点 厌氧球菌在食品工业、制药工业、污水处理等领域有广泛应用，也是厌氧消化过程中常见的微生物之一。 应用
产氢产乙酸阶段
VS
产甲烷阶段是厌氧发酵过程中的最后一个阶段，主要将乙酸和氢气转化为甲烷和水。
详细描述
在产甲烷阶段，乙酸和氢气在甲烷菌的作用下被转化为甲烷和水。这一阶段的进行需要严格的厌氧环境，因为甲烷是易燃易爆的气体，且对环境有温室效应。产甲烷阶段的产物甲烷是重要的能源物质，可用于生产天然气或作为燃料。
溶氧控制
提高微生物活性
厌氧发酵的未来发展
点击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅的阐述您的观点。
通过改进发酵工艺，提高厌氧发酵的能源转化效率，降低能耗和成本。
优化发酵工艺
选育具有高转化效率和耐受性的菌种，提高厌氧发酵的产率和质量。
高效菌种选育
采用新型生物反应器技术，提高微生物与底物的接触面积和混合度，促进微生物的生长和代谢。
氧化还原电位控制
控制厌氧发酵过程中的氧化还原电位，以满足不同厌氧菌的生长需求。
控制反应条件
1
2
3
选择活性强、适应性好的厌氧菌种，并控制适当的接种量，以提高厌氧发酵过程中的微生物活性。
接种量与接种质量
根据微生物的生长需求，补充适量的氮、磷等营养物质，促进微生物的生长和代谢。
营养物质添加
在适当范围内控制厌氧发酵过程中的溶氧量，避免对厌氧菌产生抑制作用，同时促进好氧菌的代谢活动。
第五发酵机制
H2C O
1，3-二磷酸 甘油酸
P H2C O P H2COOH
3-磷酸甘油酸
2-磷酸甘油酸
CH2
磷酸烯醇 式丙酮酸
CH3
丙酮酸
Glu E1 G-6-P
F-6-P
E2 F-1, 6-2P
ATP ADP
ATP ADP
磷酸二羟丙酮
3-磷酸甘油醛
E1:己糖激酶
NAD+ NADH+H+
代 E2: 6-磷酸果糖激酶-1 谢 E3: 丙酮酸激酶
此时，乙醛因得不到足够的氢而积累，2个乙醛分子间 会发生歧化反应，1分子乙醛作为氧化剂被还原成乙 醇，另一个则作为还原剂被氧化为乙酸。
因此，第三型发酵除了有第二型发酵的甘油外，还有 乙醇和乙酸。
2．细菌的乙醇发酵
不同的细菌进行乙醇发酵时，其发酵途径也各不相同 。如运动发酵单胞菌(zymomonas mobilis)和 厌氧发酵单胞菌(Zymomonas anaerobia)是利 用ED途径分解葡萄糖为丙酮酸，丙酮酸脱羧生成乙 醛，乙醛又被还原生成乙醇。由于发酵是经ED途径 ，所以每分子葡萄糖只能产生1分子ATP，产能是酵 母乙醇发酵的一半，产生的乙醇仍是2分子。
微生物直接利用
生物 氧化
能量 储存在高能化合物（如ATP）中
以热的形式被释放到环境中
自养微生物利用无机物 异养微生物利用有机物
第二节 微生物代谢（发酵）主要途径
一、 EMP 途径
①活化
G
CH2O O
P
②异构
P OCH2O CH2OH
HO
③活化
葡萄糖 HO
6-磷酸葡萄糖
OH 6-磷酸果糖
6
1
厌氧发酵原理与工艺设计
厌氧发酵原理与工艺设计厌氧发酵是指在缺氧条件下微生物通过分解有机物质产生能量的过程。
厌氧发酵原理主要包括产气、产醇和产酸。
产醇是厌氧发酵的另一个产物。
在缺氧条件下，部分微生物会将有机物质分解为乙醇、丙醇等醇类化合物。
产醇的过程通常需要较高的温度和适宜的pH值，并且会消耗较多的能量。
由于产醇所需的条件较为苛刻，因此在实际工艺设计中往往会更多地关注产气和产酸等方面。
产酸是厌氧发酵的另一个主要产物，通过微生物的代谢作用，有机物质被分解为有机酸，例如乙酸、丙酸、丁酸等。
产酸的过程需要适宜的环境条件，如适宜的温度和pH值等。
产酸不仅可以作为能源的产物进行利用，也可以进行其他化学工艺的反应前体。
厌氧发酵的工艺设计需要综合考虑不同因素，如废料的种类、质量、处理能力、发酵反应的温度、pH值等。
下面是一些常见的工艺设计步骤：1.废料的预处理：包括废料的分类、粉碎和除杂等。
废料的预处理可以提高发酵反应的效率和产物的质量。
2.反应槽的选择：根据废料的特性和发酵反应的要求，选择适当的反应槽。
常见的反应槽包括固定床反应槽、流化床反应槽、喷射式反应槽等。
3.菌种的培养和投料：选择适宜的菌种进行培养，培养出足够数量的活性菌种，然后将菌种投入到反应槽中。
4.控制发酵条件：根据废料的特性和发酵反应的要求，控制反应槽中的温度、pH值、搅拌速度等条件。
适宜的发酵条件可以提高产气和产酸的效率。
5.产物的回收和利用：根据产物的性质和用途，选择适当的回收和利用方法。
常见的方法包括甲烷的捕集和利用、醇类化合物的提取和纯化等。
总之，厌氧发酵是一种能够将有机废物转化为能源和化学品的重要工艺。
工艺设计需要考虑废料特性、发酵条件的控制和产物的回收利用等因素，以提高发酵反应的效率和产物的质量。
厌氧发酵书
厌氧发酵书摘要：1.厌氧发酵的定义和原理2.厌氧发酵的过程和应用3.厌氧发酵的重要性和前景正文：一、厌氧发酵的定义和原理厌氧发酵是一种在缺氧环境下进行的生物化学反应过程，主要由厌氧微生物参与。
这些微生物在缺乏氧气的环境下，通过分解有机物质释放能量，产生一系列的代谢产物。
厌氧发酵过程中，微生物将有机物质转化为甲烷、氢气、二氧化碳等可利用的能源，实现了有机物的降解和资源的循环利用。
二、厌氧发酵的过程和应用1.厌氧发酵过程厌氧发酵过程可以分为三个阶段：液相发酵、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。
在液相发酵阶段，有机物质被水解为小分子物质，如葡萄糖、氨基酸等。
在产氢产乙酸阶段，某些厌氧细菌将葡萄糖等小分子物质转化为氢气、乙酸等中间产物。
最后，在产甲烷阶段，产甲烷菌将氢气与二氧化碳反应生成甲烷。
2.厌氧发酵应用厌氧发酵技术在许多领域都有广泛应用，如环境保护、能源生产、农业生产等。
其中，最为典型的应用是沼气池。
沼气池通过收集人畜粪便、农作物秸秆等有机废弃物，利用厌氧发酵原理将其转化为甲烷气体，用于照明、取暖等，同时减少环境污染。
此外，厌氧发酵还被用于污水处理、生物质能开发等领域。
三、厌氧发酵的重要性和前景1.环境保护方面厌氧发酵技术可以有效地降解有机物，减少环境污染。
随着我国环境保护意识的不断增强，厌氧发酵技术在污水处理、垃圾处理等领域的应用将得到更广泛的推广。
2.能源生产方面厌氧发酵可以产生清洁能源甲烷，有助于减少对化石能源的依赖。
在全球气候变化日益严重的背景下，发展厌氧发酵技术具有重要的战略意义。
3.农业生产方面厌氧发酵技术在农业生产中可促进有机肥料的转化，提高土壤肥力，有助于农业可持续发展。
厌氧沼气发酵原理公式
厌氧沼气发酵原理公式第一步：有机物的降解有机物的降解是厌氧沼气发酵的首要步骤。
在厌氧环境中，有机物通过一系列的微生物反应被分解为小分子有机物，如脂肪酸、醋酸和酒精等。
这些小分子有机物作为产生沼气的前体物质。
有机物的降解过程可以用以下简化的化学反应表示：C6H12O6→3CH3CH2OH+3CO2其中，C6H12O6代表六碳的糖分子，如葡萄糖。
这个化学方程式表明，一个葡萄糖分子在厌氧环境中被分解成三个乙醇分子和三个二氧化碳分子。
第二步：产气微生物代谢产气微生物是厌氧沼气发酵过程中最重要的微生物种群。
它们能够使用小分子有机物作为能源，通过代谢产生沼气的主要组成成分甲烷和二氧化碳。
产气微生物还包括两个主要的代谢途径，即乙酸型和氢气型发酵。
在乙酸型发酵中，产气微生物将乙酸、醋酸等小分子有机物转化为甲烷和二氧化碳。
在氢气型发酵中，产气微生物利用产生的氢气和二氧化碳生成甲烷。
产气微生物的代谢过程可以用以下化学反应表示：CH3CH2OH→CH4+CO2H2+CO2→CH4+H2O第三步：沼气的生成沼气是厌氧沼气发酵的主要产物。
它主要由甲烷和二氧化碳组成，还含有少量的氢气、硫化氢等气体。
甲烷是沼气中的主要成分，具有高热值和可燃性。
沼气的生成是由产气微生物的代谢过程产生的，通过产气微生物的代谢作用，小分子有机物被转化为甲烷和二氧化碳。
这些气体会在厌氧条件下积聚并被收集起来形成沼气。
厌氧沼气发酵原理公式总结了厌氧沼气发酵的关键步骤和化学反应。
这个原理公式为将有机废物转化为可再生能源提供了科学依据，并对沼气发酵过程的优化和控制提供了理论指导。
通过研究和应用这个原理公式，我们可以更好地理解和利用厌氧沼气发酵技术，促进可持续能源的发展。
厌氧发酵基本原理与工程技术
国内沼气工程实例
安阳中丹生物能源大型车用燃气项目
复合原料产沼——牛粪、公厕粪污、市政污泥、青储、屠宰废物 厌氧消化技术——高温CSTR工艺 生物脱硫技术——硫细菌、硫酸盐细菌、氧化还原 化学脱碳技术——醇胺法、活性炭吸附、规整填料塔 压缩加气技术——CNG压缩、分子筛脱水、余热回收 在线监控技术——SCADA、PID控制、远程传输、集中控制
VEG
不同生物原料的成分混合
SIN FAN LEM HOD HAS THO
其他工业垃圾 浓缩脂肪垃圾 (>60%) 医疗.其他 医疗. 黏膜 皮革厂垃圾 榨油机, 漂白土 Pektinin污泥 乳业垃圾 烘焙垃圾 鱼类垃圾.浮选 污 留泥 数饲料生产 脂肪/浮选污泥 胃里物质–屠宰场 其他粪便 猪粪 牛粪
河北君乐宝乳业集团奶牛场、牧场
一般畜禽养殖、秸秆类沼气工程采用中温厌氧即可； 公厕粪污、餐厨垃圾等对灭菌消毒有要求的应采用高温厌氧！
干式厌氧发酵 适合生活垃圾、粪污+秸秆、对沼液产生量有限制的项目； 干发酵技术目前尚不够成熟，国内尚在应用试点！
国外沼气工程实景
沼气工程实例
——典型的德国沼气工厂
② 产氢产乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的物质均不能被产甲烷菌所 利用，所以必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙
酸、氢和二氧化碳 酸
化 反应过程如下：
阶 段
CH3CH2COOH + 2H2O ——→ CH3COOH + CO2 + 3H2 CH3CH2CH2COOH + 2H2O ——→ 2CH3COOH + 2H2
2亿吨农产品加工废弃物
1.8亿吨城市生活垃圾
6000万吨市政污泥
4000万吨餐厨垃圾
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乙醛 HSO3
磷酸丙糖 异构酶
NADH+H+
Pi
磷酸二 羟丙酮
NADH+H+
α-磷 酸甘油
NAD+ H2O
甘油
发酵工艺原理及设备
不加亚硫酸氢钠时，磷酸二羟丙酮也可作为还原辅酶I的氢受体，形成磷酸 甘油，因此正常的酵母菌也有极少量的甘油生成。
C H 2O P C O +NADH+H
+
C H 2O P C HO H C H 2O H
发酵工艺原理及设备
双歧发酵
两个关键酶 ：6-磷酸果糖酮解酶和5-磷酸木酮糖磷酸酮解酶；
�双歧反应
2葡萄糖→3乙酸＋2甘油醛-3-P；（非氧化脱氢） 甘油醛-3-P→甘油酸-3-P→PEP→丙酮酸→乳酸（氧化脱氢）
�总反应式
葡萄糖＋2ADP＋2Pi→乳酸＋乙酸＋CO2＋2ATP
�理论转化率：50% �主要菌种：两歧双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum）
C H 2O H C HO H C H 2O H
C H 2O H
不加亚硫酸氢钠
发酵工艺原理及设备
(二) 碱法甘油发酵（酵母菌的Ⅲ型发酵）
酒精酵母的发酵液在保持碱性(pH值7.6以上)的条件下，发酵产生的乙 醛不能作为正常的受氢体，而是2分子乙醛之间发生歧化反应，相互氧 化还原，生成等量的乙醇和乙酸。此时，由3-磷酸甘油醛脱氢生成的 NADH2用来还原磷酸二羟丙酮，并进而生成甘油。
发酵工艺原理及设备
发酵类型 同型乳酸 发酵
途径 EMP
产物 乳酸
菌种代表 保加利亚乳杆 菌、乳酸链球 菌
异型乳酸 发酵
HMP 双歧
乳酸、乙酸、 乙醇、CO2等
肠膜明串珠菌、 短乳杆菌、双 歧杆菌等
发酵工艺原理及设备
沼气发酵
生物化学本质来说，就 是一种由产甲烷菌进行 的甲烷形成过程。分为 四个阶段
3、巴斯德效应的机制： （1）PFK的调节 � PFK受ATP、柠檬酸、其他高能化合物的抑制与AMP、 ADP的激活 � 有氧条件下，大量生成柠檬酸、ATP，反馈阻遏PFK 的合成和活性； � F -６-P积累，导致６－磷酸葡萄糖积累； � G-６-P反馈抑制己糖激酶，导致葡萄糖利用率降低 （2）丙酮酸激酶的活性降低 � 好气条件下，１,６－二磷酸果糖减少，丙酮酸激酶 活性降低，导致磷酸烯醇式丙酮酸积累，己糖激酶 的活性被反馈抑制。
发酵工艺原理及设备
利用Z.mobilis等细菌生产酒精
优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成少 代谢副产物少；发酵温度高；
缺点：pH5较易染菌；耐乙醇力较酵母低
发酵工艺原理及设备
三 甘油的发酵机制
(一) 亚硫酸盐法甘油发酵（酵母菌的Ⅱ型发酵）
在发酵液中加入亚硫酸氢钠(NaHS03)，乙醛就与NaHS03起加 OH 成作用，生成难溶的结晶状亚硫酸钠加成物( CH CHOSO Na )，这 样就使乙醛不能作为受氢体，而迫使磷酸二羟丙酮作为受氢 体，在α-磷酸甘油脱氢酶(NAD为辅酶)催化下生成α-磷酸 甘油，α-磷酸甘油水解便生成α-甘油，
CH2OH 2C6H12O6+H2O 2CHOH +C2H5OH+CH3COOH+2CO2 CH2OH
发酵工艺原理及设备
2ATP 2ADP 2ATP 2ADP CO2
乙酸 乙 醇
葡 萄 糖
1,6-二 磷酸 果糖
3-磷酸 甘油醛
NAD+
丙酮酸
乙 醛
磷酸丙糖 异构酶
NADH+H+
加Na2CO3或NaOH
发酵工艺原理及设备
①酵母型酒精发酵 ②同型乳酸发酵 ③丙酸发酵 ④混合酸发酵 ⑤2,3—丁二醇发酵
丙酮酸的发酵产物
⑥丁酸发酵
发酵工艺原理及设备
二 酒精发酵机制
葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸 丙酮酸脱羧生成乙醛 乙醛脱氢生成乙醇
发酵工艺原理及设备
酵母菌的乙醇发酵：
C6H12O6
2ATP
EMP
NAD
2CH3COCOOH NADH2
+H+
+H+
6
NAD NADH 9 AT P ADP NAD NADH 乳酸 +H + +H +
发酵工艺原理及设备
葡萄糖
ATP ADP
1. 6-磷酸果糖解酮酶 2. 转二羟基丙酮基酶
6－磷酸果糖
6－磷酸果糖
1
4－磷酸赤藓糖
Pi
3. 转羟乙醛基酶 4. 5－磷酸核糖异构酶
乙酰磷酸
2
3－磷酸甘油醛 7－磷酸景天庚酮糖
2CH3CHO -2CO2
2CH3CH2OH
乙醇脱氢酶
※该乙醇发酵过程只在pH3.5~4.5以及厌氧的条件下发生。
发酵工艺原理及设备
EMP途径，酵母菌的Ⅰ型发酵 C6H12O6+2ADP+2H3PO4→2C2H5OH+2CO2+2ATP
①葡萄糖分解为乙醇的过程是一个无氧呼吸过程 ②携带还原当量的辅酶I通过乙醛反应而重新被氧化的 ③反应中净的2分子ATP ④葡萄糖无氧分解时放出热量 ⑤需辅酶和辅酶因子参与
1．水解阶段 2．发酵阶段 3．产乙酸阶段 4．产甲烷阶段
发酵工艺原理及设备
其他厌氧代谢产物的发酵
1. 2.
丙酮丁醇发酵 己酸的发酵
发酵工艺原理及设备
C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2+ATP
两者途径不同，产能水平也不同
发酵工艺原理及设备
菌种：运动发酵单胞菌等 ED途径:(Enter-Doudorff Pathway)
葡萄糖 +ATP
2H 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂 解途径 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸
3-磷酸甘油醛 2H 2ATP 丙酮酸 2CO2 乙醛
丙酮酸
乙醛
2乙醇
发酵工艺原理及设备
�☆酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵 ~ 脱羧酶 丙酮酸 乙醛 ~ 脱氢酶 乙醇
通过EMP途径产生乙醇，总反应式为： C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP
�☆细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵 通过ED途径产生乙醇，总反应如下： 葡萄糖+ADP+Pi 2 乙醇+2CO2+ATP
2、影响杂醇油形成的条件
①菌种：杂醇油的生成量与菌种的醇脱氢酶活性 有关，该酶活力高，杂醇油的生成量大。 工程菌（缺少氨基酸转移酶基因、支链氨基 酸营养缺陷型）高级醇产量低。 ②培养基组成： 培养基中有分支链氨基酸存在，有利于高级 醇的生成。 培养基中氮的水平高，杂醇油生成量降低， 因为无机氮将酮酸转化为氨基酸。 培养基中氨基酸组成也有关，玉米中异亮氨 酸、亮氨酸多，生成的异戊醇多。 ③发酵条件：温度高，有利于高级醇的生成。
Pi
磷酸二 羟丙酮
NADH+H+
α-磷 酸甘油
NAD+ H2O
甘油
发酵工艺原理及设备
四 乳酸的发酵机制
分为： 同型乳酸发酵 异型乳酸发酵
两者发酵菌种不同，发酵机制不同，发酵产物也不同。
发酵工艺原理及设备
乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。 由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为 同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。 同型乳酸发酵：（经EMP途径） 异型乳酸发酵：（经PK途径） 双歧杆菌发酵: （经HPK途径—磷酸己糖解酮酶途径）
发酵工艺原理及设备
葡萄糖
异型乳酸发酵 两条途径： 1. 6-磷酸葡萄糖酸 途径
1
AT P ADP 乙醇 NAD 8 NAD NADH +H + 乙醛 NAD 7 NADH 乙 酰 CoA +H
+
6-磷 酸 葡 萄 糖 © 2 NADH 6-磷 酸 葡 萄 糖 酸 á NAD 3 NADH 5-磷 酸 核 酮 糖 乙酰磷酸 4 5 5-磷 酸 木 酮 糖 3-
�
发酵工艺原理及设备
（2）由葡萄糖直接生成
�
糖代谢→α-酮酸（C原子较低的）→α-酮酸 （C原子较高的） α-酮酸脱羧、加氨形成少一个碳原子的高级 醇 或α-酮酸加氨缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸等 →相应的醇。
�
�
（3）正丙醇的形成
�
苏氨酸→α-氨基-2-丁烯酸→α-丁酮酸→醛 →正丙醇
发酵工艺原理及设备
发酵工艺原理及设备
二、琥珀酸的形成： � 发酵液中加入谷氨酸，有利于琥珀酸的形成 � 总反应：葡萄糖 + 谷氨酸 → 琥珀酸+ 2甘油+CO2+NH3 三、酯类的生成： 醇与酸酯化 四、糠醛、甲醇： 淀粉水解为葡萄糖的分解反应 果胶水解反应
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2. 细菌的酒精发酵(假单胞菌，ED途径）
发酵工艺原理及设备
同型乳酸发酵
利用EMP途径生成的丙酮酸接受酵解代谢过程中产生的NADH，使NADH重新氧化为 NAD+，以确保反应的继续进行。
NADH+H+
NAD+
乳酸脱氢酶
发酵工艺原理及设备
葡萄糖 2AT P 2AD P 3-磷 酸 甘 油 醛 2N AD 2N AD H +H + 1,3-二 磷 酸 甘 油 酸 4AD P 4AT P 丙酮酸 NADH + H + NAD 乳酸
1,6-二-磷酸-果糖 ●——— ———1,6-
草酰乙酸
柠檬酸
发酵工艺原理及设备