沼气发酵

常见的同型产乙酸细菌
• 伍迪乙酸梭菌 • 威林格乙酸梭菌 • 乙酸梭菌 • 威林格乙酸杆菌
2、产甲烷菌
产甲烷菌是一群形态多样，具有特殊细胞成 分，可以代谢H2和CO2及少数几种简单有 机物生成甲烷的严格厌氧古菌。 ➢食氢产甲烷菌 ➢是乙酸产甲烷菌
产甲烷菌在厌氧条件下将前三群不产甲烷 细菌代谢的产物，在没有外源氢受体的情 况下，把乙酸和H2/CO2---CH4、CO2和水， 使有机物在厌氧条件下的分解作用得以顺 利完成。
能偏绿。 CH4+O2=CO2+2H2O+890KJ
（2）二氧化碳 常温下是一种无色无味气体，密度比空气 略大，能溶于水。
（3）硫化氢 有毒气体，微量时具有恶臭，沼气中的臭 味主要来自硫化氢。
二、微生物学原理
（一）沼气产生中的厌氧微生物及其作用 五大生理类群的细菌参与发酵过程： ➢发酵性细菌 ➢产氢产乙酸菌 ➢耗氢产乙酸菌 ➢食氢产甲烷菌 ➢食乙酸产甲烷菌
第一阶段 水解酸化阶段：复杂的大分子、 不溶性有机物在微生物胞外酶作用下水解 成简单的可溶性小分子有机物，然后这些 简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧 发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等挥 发性有机酸和醇类、醛类等。
➢第二阶段，产氢产乙酸阶段。产氢产乙酸 菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段 产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸 和醇类转化成乙酸、H2和CO2。
1、不产甲烷菌及其作用
（1）发酵性细菌 ➢发酵性细菌将可溶性物质吸收进入细胞后，
经发酵作用将其转化为乙酸、丙酸、丁酸 脂肪酸和醇类，同时产生一定数量的氢和 二氧化碳。 ➢参与水解反应的发酵性细菌是复杂的混合 菌群，种类繁多。
发酵性细菌的主要功能：
➢部分水解细菌分泌的胞外水解酶的催化作 用下，将大分子不溶性有机物水解成小分 子的水溶性有机物。
• 产甲烷阶段：又称碱性发酵阶段。产甲烷 菌（专性厌氧菌）利用前一阶段的中间产 物，并将其分解转化为CH4和CO2，同时系 统中有NH4+的存在，使发酵液的pH不断升 高。
2、三阶段理论
该理论认为产甲烷细菌只能利用一些简单有 机物作为基质，其中主要是一些简单的一 碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2、 CO2等，二碳物质中只有乙酸，而不能利用 其他二碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇 类。长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙 酸菌转化为乙酸、 H2、CO2等，才能被产 甲烷菌利用。
➢发酵细菌将水解产物吸入细胞内，经细胞 内复杂的酶系统的催化下将一部分有机物 转化为代谢产物，排入细胞外的溶液，成 为参与下一阶段生化反应的细菌菌群吸收 利用的基质。
（2）产氢产乙酸细菌
发酵性细菌将复杂有机物分解发酵产生的有 机酸和醇类，除乙酸、甲酸和甲醇外均不 能被产甲烷菌所利用，其余的发酵产物必 须由产氢、产乙酸菌将其分解转化成乙酸、 氢和二氧化碳。
主要反应过程
• 丙酸 CH3CH2COOH+2H2O---CH3COOH+CO2+3H2
• 丁酸 CH3CH2CH2COOH+2H2O---2CH3COOH+2H2
• 乙醇 CH3CH2OH+2H2O----CH3COOH+2H2 • 乳酸 CH3CHOHCOOH+H2O----
CH3COOH+CO2+H2
第二节 沼气发酵原理
各种有机质（包括农作物秸秆、畜禽粪便 以及农业排放废水中所含的有机物等）在 厌氧及其他适宜的条件下，通过微生物的 作用，做种转化成沼气，完成这一复杂的 过程，即为沼气发酵。
一、沼气的理化性质
（1）甲烷
• 甲烷是无色、无味、可燃和微毒气体。 • 甲烷燃烧产生明亮的蓝色火焰，然而有可
产甲烷菌具有以下特性
• 生长在严格厌氧环境 • 营养特性：利用简单的碳素化合物；利用
铵态氮为氮源；需要某些维生素和微量元 素。 • 偏中性的pH环境 • 生长繁殖缓慢
3、产甲烷细菌与不产甲烷菌的相互作用
① 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底 物。
② 不产甲烷菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还 原电位。
产氢产乙酸菌主要有： ➢脱硫弧菌 ➢普通脱硫弧菌 ➢沃尔夫互营单胞菌 ➢沃林互营杆菌
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（3）产氢产乙酸细菌
也称同型乙酸菌，这是一类既能自养生活 又能异氧生活的混合营养型细菌。它们既 能利用H2+CO2生成乙酸，也能代谢糖类产 生乙酸。 2CO2+4H2----CH3COOH+2H2O C6H12O6-----CH3COOH
③ 不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质。 ④ 产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除了
反馈抑制。 ⑤ 不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的
适宜pH。
（二）沼气产生的生理生化机理 1、两阶段理论
• 酸性发酵阶段：主要功能是复杂的有机物 如糖类、脂肪和蛋白质等，在产酸菌（厌 氧或兼性厌氧）的作用下被分解成低分子 的中间产物。
第九章 沼气发酵
1. 地球上甲烷的产生和分解循环 2. 沼气发酵原理 3. 沼气工程技术 4. 讨论与展望
第一节 地球上甲烷的产生和分解循环 一、地球上甲烷的循环过程
二、地球上甲烷的产生和分解过程
产甲烷菌主要有两种途径利用底物生成甲烷：
• 利用乙酸：H3C-COOH----CH4+CO2 • 利用氢和二氧化碳：4H2+CO2--CH4+2H2O
➢第三阶段，产甲烷阶段。产甲烷菌利用乙 酸、乙酸盐、H2和CO2产生甲烷。
三、沼气发酵条件
1、严格的厌氧环境 ➢建造一个不漏水、不漏气的密闭沼气池。
是人工制取沼气的关键。 ➢厌氧程度用氧化还原电位来表示。
• 常温消化 • 中温消化 • 高温消化
2、发酵温度
3、发酵原料
（1）总固体和挥发性固体
➢ 总固体：又称干物质，是指发酵原料除去水分后 剩下的物质。测定方法：把样品放在105℃的烘 干箱中烘干至恒重，此时物质的质量就是该样品 的总固体重量。
甲烷的消耗有两种途径，在大气中与对羟自 由基反应被清除，在土壤中被甲烷氧化菌 氧化。
三、地球上甲烷的产生和分解量
在自然环境条件下，甲烷含量应处于“源 汇”平衡的状态。但在过去200年中，大气 中甲烷含量增长了一倍多，对流层甲烷浓 度呈线性上升趋势。
四、地球上甲烷引起的温室效应
温室效应是指大气中能使太阳短波辐射达 到地面，但地表向外放出的长波热辐射却 被大气吸收，这样就使得地表与低层大气 温度增高。