微生物產甲烷培訓課件

微生物產甲烷目錄一.甲烷的簡介二.微生物產甲烷的生化機理三.厭氧降解九大步驟四.厭氧反應熱力學分析五.甲烷生產應用2微生物產甲烷一.甲烷的簡介：

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。它可用作燃料及制造氫、一氧化碳、炭黑、乙炔、氫氰酸及甲醛等物質的原料。甲烷氣可產生機械能、電能及熱能。

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)使用或轉化成為甲醇作為內燃機的輔助性燃料。

3微生物產甲烷二.微生物產甲烷的生化機理<一>.早期二階段理論<二>.三階段(四階段)理論的提出<三>.四階段理論4微生物產甲烷<一>.早期理論——二階段理論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，認為有機物的厭氧消化過程分為兩個階段——酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵階段，其中酸性發(fā)酵──產酸菌利用胞外酶將復雜的大分子水解成小分子，并進一步轉化為有機酸。此階段也稱產酸階段。堿性發(fā)酵──甲烷細菌利用上階段產生的有機酸為底物，生成甲烷和CO2。此階段又稱為甲烷發(fā)酵階段。5微生物產甲烷6微生物產甲烷<二>.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，多年來一直為人們所認可。直到60年代末期，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、甲酸氫等極少數的物質為底物。因此，厭氧過程中還應該有產生甲烷菌底物的步驟。于是，厭氧處理理論發(fā)展為三階段（或四階段）理論。7微生物產甲烷8微生物產甲烷<三>.四階段理論1、水解階段2、酸化階段3、產乙酸階段·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氫產乙酸過程；四階段理論則是在三階段理論的基礎上增加了同型產乙酸細菌把H2和CO2轉化為乙酸的過程。9微生物產甲烷2.酸化階段溶解性有機物由兼性或專性厭氧細菌經發(fā)酵作用轉化為有機酸、醇、醛、CO2和H2。有時將上述兩個階段合為一個階段，稱水解酸化階段。補充知識：酸化是一類典型的發(fā)酵過程，微生物的代謝產物主要是各種有機酸。水解酸化的目的是為混合厭氧消化過程的甲烷發(fā)酵提供底物。

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水解酸化階段參與的菌落：

水解酸化菌落在厭氧消化系統(tǒng)中，水解酸化細菌的功能表現在兩個方面：①將大分子不溶性有機物在水解酶的催化作用下水解成小分子的水溶性有機物；②將水解產物吸收進細胞內，經細胞內復雜的酶系統(tǒng)催化轉化，將一部分供作能源使用的有機物轉化為代謝產物，排入細胞外的水溶液里，成為參與下一階段生化反應的細菌群及可利用的基質，主要是產氫產乙酸細菌和脂肪酸、醇類等。12微生物產甲烷3.產乙酸階段專性厭氧的產氫產乙酸細菌將上階段的產物進一步利用，生成乙酸和H2、CO2；同時同型產乙酸細菌將H2和CO2合成乙酸，有時也將乙酸分解成H2和CO2。13微生物產甲烷產乙酸階段參與的菌落：

產氫產乙酸菌落產氫產乙酸細菌是厭氧消化過程中一組重要的微生物類群,它參與丙酸,丁酸等中間的代謝產物的降解生成乙酸、H2和二氧化碳。補充知識：發(fā)酵性細菌將復雜有機物分解發(fā)酵所產生的有機酸和醇類，除甲酸、乙酸和甲醇外，均不能被產甲烷菌所利用，必須由產氫產乙酸菌將其分解轉化為乙酸、氫和二氧化碳。14微生物產甲烷產乙酸階段參與的菌落：

同型產乙酸菌落補充知識：在厭氧條件下能產生乙酸的細菌有兩類：一類是異養(yǎng)型厭氧細菌，能利用有機基質產生乙酸；另一類是混合營養(yǎng)型厭氧細菌，既能利用有機基質產生乙酸，也能利用分子氫和二氧化碳產生乙酸。前者是酸化細菌，后者就是同型產乙酸細菌。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。它們既能利用H2+CO2生成乙酸，也能代謝產生乙酸。通過上述微生物的活動，各種復雜有機物可生成有機酸和H2/CO2等。15微生物產甲烷4.產甲烷階段產甲烷菌（最嚴格的專性厭氧菌）利用乙酸、H2、CO2和一碳化合物產生甲烷。轉化的途徑為：

CH3COOH→CH4+CO2CO2+4H2

→CH4+2H2O16微生物產甲烷產甲烷菌落

產甲烷菌包括食氫產甲烷菌和食乙酸產甲烷菌兩大類群。在沼氣發(fā)酵過程中，甲烷的形成是由一群生理上高度專業(yè)化的古細菌一產甲烷菌所引起的，產甲烷菌包括食氫產甲烷菌和食乙酸產甲烷菌，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物，在沒有外源受氫體的情況下把乙酸和H2/CO2。轉化為氣體產生-CH4/CO2，使有機物在厭氧條件下的分解作用以順利完成。目前已知的甲烷產生過程由以上兩組不同的產甲烷菌完成。

補充知識：①由C02和H2產生甲烷反應為：C02+4H2—CH4+H20②由乙酸或乙酸化合物產生甲烷反應為：CH3C00H—CH4+CO2;CH3COONH4+H20—CH4+NH4HCO3

17微生物產甲烷產甲烷菌18微生物產甲烷三.總結厭氧降解九大步驟：1.不溶性有機高分子→可溶性有機單體2.有機物單體→氫氣+甲酸+重碳酸鹽+丙酮酸鹽+乙醇+各類揮發(fā)性低級脂肪酸3.簡單有機物→氫氣+乙酸4.重碳酸鹽→乙酸5.簡單有機物→重碳酸鹽+乙酸6.乙酸鹽→碳酸鹽7.氫氣或甲酸的氧化8.乙酸發(fā)酵產甲烷量占總甲烷量的70%9.重碳酸鹽還原產甲烷量占總甲烷量的30%19微生物產甲烷20微生物產甲烷四.厭氧反應熱力學分析

微生物降解有機物的過程，在本質上是一系列的氧化還原生物化學反應。生物降解有機物過程中，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

O2>NO3

ˉ>MnO2>OHˉ>SO42ˉ>CO2

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CO2為主，這正是厭氧過程中微生物細胞的產率系數遠小于好氧過程。21微生物產甲烷22微生物產甲烷五.甲烷生產應用

沼氣：有機物質在厭氧環(huán)境中，通過微生物發(fā)酵作用產生的一種以甲烷為主的可燃混合氣體。這種氣體最早發(fā)現于沼澤、池塘等地。

23微生物產甲烷安徽懷寧：沼氣“點亮”新家園懷寧縣積極推行無公害化畜牧養(yǎng)殖，引導規(guī)模養(yǎng)殖場、養(yǎng)殖大戶大力發(fā)展沼氣工程，形成了“豬—沼—秸”、“豬—沼—菜”、“豬—沼—糧”等多種生態(tài)循環(huán)模式，現已建設戶用沼氣池6600口，節(jié)柴灶2000個。圖為該縣平山鎮(zhèn)牧之金養(yǎng)殖場的工人正在往大型沼氣池里裝運原料。沼氣在養(yǎng)殖業(yè)的應用24微生物產甲烷云南洱源縣三營鎮(zhèn)太陽能加熱中溫發(fā)酵沼氣站工程位于云南省洱源縣，整個工程由農業(yè)部沼氣科學研究所設計與啟動調試。工程采用高濃度畜禽廢物高效厭氧消化技術處理200頭奶牛產生的鮮牛糞3.46t/d，尿及沖洗廢水4.2t/d，年產沼氣約7.3萬m3，沼氣作為生活用能集中供給當地70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50t，年減排COD18t，CO2當量44t，TN10t，TP2t。沼氣在養(yǎng)殖業(yè)的應用25微生物產甲烷蒙牛澳亞示范牧場沼氣發(fā)電綜合利用工程工程位于內蒙古自治區(qū)呼和浩特市和林格爾縣盛樂經濟園區(qū)（蒙?？偛浚?，由農業(yè)部沼氣科學研究所進行總體設計與啟動調試。工程采用高濃度畜禽廢棄物高效厭氧消化技術處理牧場存欄10000頭奶牛的鮮牛