微生物產(chǎn)甲烷原理

1、微生物產(chǎn)甲烷微生物產(chǎn)甲烷目錄一一. .甲烷的簡介甲烷的簡介二二. .微生物產(chǎn)甲烷的生化機理微生物產(chǎn)甲烷的生化機理三三. .厭氧降解九大步驟厭氧降解九大步驟四四. .厭氧反應熱力學分析厭氧反應熱力學分析五五. .甲烷生產(chǎn)應用甲烷生產(chǎn)應用一一. .甲烷的簡介：甲烷的簡介： 甲烷在自然界分布很廣，是天然氣、沼甲烷在自然界分布很廣，是天然氣、沼氣、坑氣及煤氣的主要成分之一。它可用作氣、坑氣及煤氣的主要成分之一。它可用作燃料及制造氫、一氧化碳、炭黑、乙炔、氫燃料及制造氫、一氧化碳、炭黑、乙炔、氫氰酸及甲醛等物質(zhì)的原料。甲烷氣可產(chǎn)生機氰酸及甲醛等物質(zhì)的原料。甲烷氣可產(chǎn)生機械能、電能及熱能。械能、電能及熱能

2、。 目前甲烷已作為一種燃料源，并通過管目前甲烷已作為一種燃料源，并通過管道輸送到用戶，供給家庭及工業(yè)使用或轉(zhuǎn)化道輸送到用戶，供給家庭及工業(yè)使用或轉(zhuǎn)化成為甲醇作為內(nèi)燃機的輔助性燃料。成為甲醇作為內(nèi)燃機的輔助性燃料。二二. .微生物微生物產(chǎn)甲烷的生化機理產(chǎn)甲烷的生化機理 .早期二階段理論早期二階段理論 .三階段三階段( (四階段四階段) )理論的提出理論的提出.四階段理論 . . 早期理論早期理論二階段理論二階段理論 對復雜有機物的厭氧降解過程的解釋，早對復雜有機物的厭氧降解過程的解釋，早期通行的是二階段理論，認為有機物的厭期通行的是二階段理論，認為有機物的厭氧消化過程分為兩個階段氧消化過程分為兩

3、個階段酸性發(fā)酵和酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵階段，其中堿性發(fā)酵階段，其中 酸性發(fā)酵酸性發(fā)酵產(chǎn)酸菌利用胞外酶將復雜的產(chǎn)酸菌利用胞外酶將復雜的大分子水解成小分子大分子水解成小分子，并進一步轉(zhuǎn)化為，并進一步轉(zhuǎn)化為有有機酸機酸。此階段也稱產(chǎn)酸階段。此階段也稱產(chǎn)酸階段。 堿性發(fā)酵堿性發(fā)酵甲烷細菌利用上階段產(chǎn)生的甲烷細菌利用上階段產(chǎn)生的有機酸為底物，有機酸為底物，生成甲烷生成甲烷和和COCO2 2。此階段又。此階段又稱為甲烷發(fā)酵階段。稱為甲烷發(fā)酵階段。 .三階段（四階段）理論提出三階段（四階段）理論提出 二階段理論作為厭氧處理的基本理論，二階段理論作為厭氧處理的基本理論，多年來一直為人們所認可。直到多年來一直為人們

4、所認可。直到6060年代末年代末期，人們對厭氧過程進行了深入的研究，期，人們對厭氧過程進行了深入的研究，尤其是對其中發(fā)揮重要作用的甲烷細菌的尤其是對其中發(fā)揮重要作用的甲烷細菌的研究表明，甲烷細菌在厭氧處理過程中發(fā)研究表明，甲烷細菌在厭氧處理過程中發(fā)揮了極其重要的作用，它只能以乙酸、甲揮了極其重要的作用，它只能以乙酸、甲酸氫等極少數(shù)的物質(zhì)為底物。因此，厭氧酸氫等極少數(shù)的物質(zhì)為底物。因此，厭氧過程中還應該有過程中還應該有產(chǎn)生甲烷菌底物產(chǎn)生甲烷菌底物的步驟。的步驟。于是，厭氧處理理論發(fā)展為三階段（或四于是，厭氧處理理論發(fā)展為三階段（或四階段）理論。階段）理論。.四階段理論1、水解階段 2、酸化階段

5、3、產(chǎn)乙酸階段 4、甲烷化階段 三階段（四階段）理論見三階段理論圖備注：與二階段理論相比較，三階段理論增加了產(chǎn)備注：與二階段理論相比較，三階段理論增加了產(chǎn) 氫產(chǎn)乙酸過程；四階段理論則是在三階段理論的氫產(chǎn)乙酸過程；四階段理論則是在三階段理論的基礎上增加了同型產(chǎn)乙酸細菌把基礎上增加了同型產(chǎn)乙酸細菌把H H2 2和和COCO2 2轉(zhuǎn)化為乙轉(zhuǎn)化為乙酸的過程。酸的過程。1.水解階段水解階段 兼性和部分專性厭氧細菌發(fā)揮作用，復雜的兼性和部分專性厭氧細菌發(fā)揮作用，復雜的大分子有機物被胞外酶水解成小分子的溶解性有大分子有機物被胞外酶水解成小分子的溶解性有機物機物 。如葡萄糖、氨基酸等如葡萄糖、氨基酸等 補充知

6、識：水解是指有機物進入微生物細胞前、在胞外進行補充知識：水解是指有機物進入微生物細胞前、在胞外進行的生物化學反應。微生物通過釋放胞外自由酶或連接在細胞的生物化學反應。微生物通過釋放胞外自由酶或連接在細胞外壁上的固定酶來完成生物催化反應。外壁上的固定酶來完成生物催化反應。 2.酸化階段酸化階段 溶解性有機物由兼性或?qū)Ｐ詤捬跫毦?jīng)發(fā)溶解性有機物由兼性或?qū)Ｐ詤捬跫毦?jīng)發(fā)酵作用轉(zhuǎn)化為有機酸、醇、醛、酵作用轉(zhuǎn)化為有機酸、醇、醛、COCO2 2和和H H2 2。 有時將上述兩個階段合為一個階段，稱水有時將上述兩個階段合為一個階段，稱水解酸化階段。解酸化階段。補充知識：酸化是一類典型的發(fā)酵過程，微生物的代補

7、充知識：酸化是一類典型的發(fā)酵過程，微生物的代謝產(chǎn)物主要是各種有機酸。謝產(chǎn)物主要是各種有機酸。水解酸化的目的水解酸化的目的是為混合是為混合厭氧消化過程的甲烷發(fā)酵厭氧消化過程的甲烷發(fā)酵提供底物提供底物。 水解酸化階段參與的菌落：水解酸化階段參與的菌落：水解酸化菌落水解酸化菌落 在厭氧消化系統(tǒng)中，水解酸化細菌的在厭氧消化系統(tǒng)中，水解酸化細菌的功能表現(xiàn)在兩個方面：功能表現(xiàn)在兩個方面： 將大分子不溶性有機物在水解酶的催化將大分子不溶性有機物在水解酶的催化作用下作用下水解水解成小分子的水溶性有機物；成小分子的水溶性有機物； 將水解產(chǎn)物吸收進細胞內(nèi)，經(jīng)細胞內(nèi)復將水解產(chǎn)物吸收進細胞內(nèi)，經(jīng)細胞內(nèi)復雜的酶系統(tǒng)催化

8、轉(zhuǎn)化，將一部分供作能源雜的酶系統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化，將一部分供作能源使用的有機物使用的有機物轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物，排入細胞為代謝產(chǎn)物，排入細胞外的水溶液里，成為參與下一階段生化反外的水溶液里，成為參與下一階段生化反應的細菌群及可利用的基質(zhì)，主要是產(chǎn)氫應的細菌群及可利用的基質(zhì)，主要是產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌和脂肪酸、醇類等。產(chǎn)乙酸細菌和脂肪酸、醇類等。3.產(chǎn)乙酸階段產(chǎn)乙酸階段 專性厭氧的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌將上階段的專性厭氧的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌將上階段的產(chǎn)物進一步利用，產(chǎn)物進一步利用，生成乙酸生成乙酸和和H H2 2、COCO2 2；同時；同時同型產(chǎn)乙酸細菌將同型產(chǎn)乙酸細菌將H H2 2和和COCO2 2合成乙酸，有時也合成乙

9、酸，有時也將乙酸分解成將乙酸分解成H H2 2和和COCO2 2。產(chǎn)乙酸產(chǎn)乙酸階段參與的菌落：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌落產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌落 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌是厭氧消化過程中一組產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌是厭氧消化過程中一組重要的微生物類群重要的微生物類群, , 它參與丙酸它參與丙酸, , 丁酸等中丁酸等中間的代謝產(chǎn)物的間的代謝產(chǎn)物的降解生成乙酸降解生成乙酸、H H2 2和二氧化和二氧化碳。碳。 補充知識：發(fā)酵性細菌將復雜有機物分解發(fā)酵所產(chǎn)生的有機酸補充知識：發(fā)酵性細菌將復雜有機物分解發(fā)酵所產(chǎn)生的有機酸和醇類，除甲酸、乙酸和甲醇外和醇類，除甲酸、乙酸和甲醇外 ，均不能被產(chǎn)甲烷菌所利用，均不能被產(chǎn)甲烷菌所利用，必須由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸

10、菌將其分解轉(zhuǎn)化為乙酸、氫和二氧化碳。必須由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將其分解轉(zhuǎn)化為乙酸、氫和二氧化碳。產(chǎn)乙酸產(chǎn)乙酸階段參與的菌落：同型產(chǎn)乙酸菌落同型產(chǎn)乙酸菌落 補充知識：在厭氧條件下能產(chǎn)生乙酸的細菌有兩類：一類補充知識：在厭氧條件下能產(chǎn)生乙酸的細菌有兩類：一類是異養(yǎng)型厭氧細菌，能利用有機基質(zhì)產(chǎn)生乙酸；另一類是是異養(yǎng)型厭氧細菌，能利用有機基質(zhì)產(chǎn)生乙酸；另一類是混合營養(yǎng)型厭氧細菌，既能利用有機基質(zhì)產(chǎn)生乙酸，也能混合營養(yǎng)型厭氧細菌，既能利用有機基質(zhì)產(chǎn)生乙酸，也能利用分子氫和二氧化碳產(chǎn)生乙酸。前者是酸化細菌，后者利用分子氫和二氧化碳產(chǎn)生乙酸。前者是酸化細菌，后者就是同型產(chǎn)乙酸細菌。就是同型產(chǎn)乙酸細菌。 這是一類既能

11、自養(yǎng)生活能異養(yǎng)生活的混合營這是一類既能自養(yǎng)生活能異養(yǎng)生活的混合營養(yǎng)型細菌。它們既能利養(yǎng)型細菌。它們既能利用用H2+ +CO2生成乙酸生成乙酸 ，也，也能代謝產(chǎn)生乙酸。通過上述微生物的活能代謝產(chǎn)生乙酸。通過上述微生物的活 動，各種動，各種復雜有機物可生成有機酸和復雜有機物可生成有機酸和H H2 2/CO/CO2 2等。等。 4.產(chǎn)甲烷階段產(chǎn)甲烷階段 產(chǎn)甲烷菌（最嚴格的專性厭氧菌）利用產(chǎn)甲烷菌（最嚴格的專性厭氧菌）利用乙酸、乙酸、H H2 2、COCO2 2和一碳化合物產(chǎn)生甲烷。轉(zhuǎn)化和一碳化合物產(chǎn)生甲烷。轉(zhuǎn)化的途徑為：的途徑為： CHCH3 3COOH CHCOOH CH4 4 + CO + CO

12、2 2 CO CO2 2 + 4H+ 4H2 2 CH CH4 4 + 2H + 2H2 2O O產(chǎn)甲烷菌落產(chǎn)甲烷菌落 產(chǎn)甲烷菌包括產(chǎn)甲烷菌包括食氫食氫產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌和食乙酸食乙酸產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷菌兩大類群。在沼氣發(fā)酵過程中，甲烷兩大類群。在沼氣發(fā)酵過程中，甲烷 的形成是由的形成是由一群生理上高度專業(yè)化的古細菌一產(chǎn)甲烷菌所引起一群生理上高度專業(yè)化的古細菌一產(chǎn)甲烷菌所引起的，產(chǎn)甲烷菌包括食氫產(chǎn)甲烷菌和食乙酸產(chǎn)甲烷菌，的，產(chǎn)甲烷菌包括食氫產(chǎn)甲烷菌和食乙酸產(chǎn)甲烷菌，它們是厭氧消化過程食物鏈中的最后一組成員，盡它們是厭氧消化過程食物鏈中的最后一組成員，盡管它們具有各種各樣的形態(tài)，但它們在食物鏈中的管

13、它們具有各種各樣的形態(tài)，但它們在食物鏈中的地位使它們具有共同的生理特性。它們在厭氧條件地位使它們具有共同的生理特性。它們在厭氧條件下將前三群細菌代謝終產(chǎn)物，在沒有外源受氫體的下將前三群細菌代謝終產(chǎn)物，在沒有外源受氫體的情況下把乙酸情況下把乙酸 和和 H H2 2/CO/CO2 2。轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)。轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn) 生生- -CHCH4 4/CO/CO2 2，使有機物在厭氧條件下的分解作用以順利，使有機物在厭氧條件下的分解作用以順利完成。目前已知的甲烷產(chǎn)生過程由以上兩組不同的完成。目前已知的甲烷產(chǎn)生過程由以上兩組不同的產(chǎn)甲烷菌完成。產(chǎn)甲烷菌完成。 補充知識：補充知識： 由由C0C02 2和和H H2

14、2產(chǎn)生甲烷反應為產(chǎn)生甲烷反應為 ： C0C02 2+4H+4H2 2CHCH4 4+ H+ H2 20 0 由乙酸或乙酸化合物產(chǎn)生甲烷反應為：由乙酸或乙酸化合物產(chǎn)生甲烷反應為： CHCH3 3C00HCHC00HCH4 4+CO+CO2 2 ; CH ; CH3 3COONHCOONH4 4+ H+ H2 20CH0CH4 4+ NH+ NH4 4HCOHCO3 3 產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷菌三三. .總結(jié)總結(jié) 厭氧降解九大步驟：厭氧降解九大步驟：1.1.不溶性有機高分子不溶性有機高分子可溶性有機單體可溶性有機單體2.2.有機物單體有機物單體氫氣氫氣+ +甲酸甲酸+ +重碳酸鹽重碳酸鹽+ +丙酮酸鹽丙酮

15、酸鹽+ +乙醇乙醇+ +各類揮發(fā)性低級脂肪酸各類揮發(fā)性低級脂肪酸3.3.簡單有機物簡單有機物氫氣氫氣+ +乙酸乙酸4.4.重碳酸鹽重碳酸鹽乙酸乙酸5.5.簡單有機物簡單有機物重碳酸鹽重碳酸鹽+ +乙酸乙酸6.6.乙酸鹽乙酸鹽碳酸鹽碳酸鹽7.7.氫氣或甲酸的氧化氫氣或甲酸的氧化8.8.乙酸發(fā)酵產(chǎn)甲烷量占總甲烷量的乙酸發(fā)酵產(chǎn)甲烷量占總甲烷量的70%70%9.9.重碳酸鹽還原產(chǎn)甲烷量占總甲烷量的重碳酸鹽還原產(chǎn)甲烷量占總甲烷量的30%30%四.厭氧反應熱力學分析 微生物降解有機物的過程，在本質(zhì)上是微生物降解有機物的過程，在本質(zhì)上是一系列的氧化還原生物化學反應。生物降解一系列的氧化還原生物化學反應。生物

16、降解有機物過程中，微生物通過各種形式的氧化有機物過程中，微生物通過各種形式的氧化劑（電子受體）氧化有機物，釋放出可供其劑（電子受體）氧化有機物，釋放出可供其利用的能量。各種氧化劑有機物所能釋放出利用的能量。各種氧化劑有機物所能釋放出的能量差別很大，由高到低依次是的能量差別很大，由高到低依次是 O2NO3 MnO2OH SO4CO2 好氧生物處理中的氧化劑是氧氣，而厭好氧生物處理中的氧化劑是氧氣，而厭氧生物處理中的氧化劑則以氧生物處理中的氧化劑則以COCO2 2為主，這正是為主，這正是厭氧過程中微生物細胞的產(chǎn)率系數(shù)遠小于好厭氧過程中微生物細胞的產(chǎn)率系數(shù)遠小于好氧過程。氧過程。五五.甲烷生產(chǎn)應用甲

17、烷生產(chǎn)應用沼氣：有機物質(zhì)在厭氧環(huán)境中，通過微生物發(fā)酵作用產(chǎn)生沼氣：有機物質(zhì)在厭氧環(huán)境中，通過微生物發(fā)酵作用產(chǎn)生的一種以甲烷為主的可燃混合氣體。這種氣體最早發(fā)現(xiàn)于的一種以甲烷為主的可燃混合氣體。這種氣體最早發(fā)現(xiàn)于沼澤、池塘等地。沼澤、池塘等地。 安徽懷寧：沼氣安徽懷寧：沼氣“點亮點亮”新家園新家園 懷寧縣積極推行無公懷寧縣積極推行無公害化畜牧養(yǎng)殖，引導害化畜牧養(yǎng)殖，引導規(guī)模養(yǎng)殖場、養(yǎng)殖大規(guī)模養(yǎng)殖場、養(yǎng)殖大戶大力發(fā)展沼氣工程，戶大力發(fā)展沼氣工程，形成了形成了“豬豬沼沼秸秸”、“豬豬沼沼菜菜”、“豬豬沼沼糧糧”等多種生態(tài)循環(huán)模式，等多種生態(tài)循環(huán)模式，現(xiàn)已建設戶用沼氣池現(xiàn)已建設戶用沼氣池6600660

18、0口，節(jié)柴灶口，節(jié)柴灶20002000個。圖為該縣平山鎮(zhèn)個。圖為該縣平山鎮(zhèn)牧之金養(yǎng)殖場的工人牧之金養(yǎng)殖場的工人正在往大型沼氣池里正在往大型沼氣池里裝運原料。裝運原料。沼氣在養(yǎng)殖業(yè)的應用沼氣在養(yǎng)殖業(yè)的應用云南洱源縣三營鎮(zhèn)太陽能加熱中溫發(fā)酵沼氣站云南洱源縣三營鎮(zhèn)太陽能加熱中溫發(fā)酵沼氣站工程位于云南省洱源縣，整個工程由農(nóng)業(yè)部沼氣科學研究所設計與工程位于云南省洱源縣，整個工程由農(nóng)業(yè)部沼氣科學研究所設計與啟動調(diào)試。工程采用高濃度畜禽廢物高效厭氧消化技術處理啟動調(diào)試。工程采用高濃度畜禽廢物高效厭氧消化技術處理200200頭頭奶牛產(chǎn)生的鮮牛糞奶牛產(chǎn)生的鮮牛糞3.46 t/d3.46 t/d，尿及沖洗廢水，尿及沖洗廢水4.2 t/d4.2 t/d，年產(chǎn)沼氣約，年產(chǎn)沼氣約7.37.3萬萬m3m3，沼氣作為生活用能集中供給當?shù)?，沼氣作為生活用能集中供給當?shù)?070多戶村民和養(yǎng)殖場職多戶村民和養(yǎng)殖場職工使用，沼渣沼液還田利用，年節(jié)約標準煤約工使用，沼渣沼液還田利用，年節(jié)約標準煤約50 t50 t