第6章生物质能转化的生物学方法试卷.pptx

第6章 生物质能转化的生物学方法 第1节 概述 燃烧、热解、汽化和液化等热化学方法，是利用外部的热量将生物质转化为有用的燃料。 与热化学方法不同，用生物学(或称生物化学)方法转化生物质能，是利用微生物来进行的。因此该方法也叫微生物方法。 微生物对生物质内的碳和水的还原通常发生在缺少空气的水环境中，该过程分若干步骤，并产生多种代谢产物。 生物质在缺少空气的情况下的消化称为厌氧消化，主要靠厌氧菌； 在有空气的情况下的消化(腐烂)称为需氧消化，主要靠好氧菌。有机质在有氧情况下的腐烂，比如堆肥，温度可以达到90℃。在生物圈的二氧化碳循环中，好氧菌起到了很大的作用。 微生物对有机质的还原也称为发酵。 从技术和能量的角度，有两种最重要的生物质能生物学转化方法： (1)生物质发酵制甲烷(沼气)； (2)生物质发酵制乙醇。 第2节 沼气的生产 在自然界中，沼气的生成是一种古老的现象。 由于人们最先注意到在湖泊和沼泽中常常有气泡从水底的污泥中冒出，这些气体收集起来可以点燃，便称这种气体为“沼气”。 沼气是多种微生物在厌氧条件下对有机物质进行分解代谢的产物，其主要成分是甲烷(约60%)和二氧化碳(约35%)，还有少量的水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氢气、氮气等其他气体。 沼气的生产过程也称为沼气发酵。 沼气发酵是有机物质在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，经过沼气菌群发酵(消化)，生产沼气、消化液和消化污泥的过程。 沼气发酵产生的三种物质应用价值都很高。 沼气以甲烷为主，可作燃料，是一种清洁能源。 消化液(沼液)含有可溶性氧、磷、钾速效肥分，是优质肥料。 消化污泥(沼渣)的主要成分是菌体、难分解的有机残渣和无机物，是一种优良迟效有机肥，并有改良土壤的功效。 一、沼气发酵的基本过程 沼气发酵是一个复杂的微生物学过程。 沼气发酵在自然界中广泛存在，如在人和动物的肠道，腐烂树木的木质部，河流、湖泊和海洋的沉积物中，水淹的土壤、沼泽、污水、粪坑中都有沼气发酵微生物的存在。 修建沼气池就是模仿自然环境为沼气发酵微生物创造合适的生存条件，使沼气池内能够生长繁殖出更多的沼气发酵微生物，从而用人工的办法生产沼气。 1、沼气发酵的三个阶段 沼气发酵的有机物种类很多，如畜禽粪便、食品加工的有机废物和废水、居民生活的有机废物和废水、作物秸秆等。 这些有机物的化学成分主要为多糖、蛋白质和脂类。 它们变为沼气的整个过程通常分为三个阶段，即液化(水解)阶段、产酸阶段、产甲烷阶段。 液化阶段和产酸阶段合称为不产甲烷阶段，有时也简称为产酸阶段。 第一阶段是液化阶段，也称为水解发酵阶段。 各种固形有机物通常不能进入微生物体内而为微生物所利用。 许多微生物能分泌各种胞外酶(大多是水解酶类)。在这些胞外酶的作用下，固形有机物被水解成分子量较小的可溶性物质。 经过水解作用之后，多糖分解为可溶性单糖，蛋白质分解为肽或氨基酸，脂肪分解为甘油和脂肪酸。这些可溶性物质就可以进入细胞之内而被微生物利用。 第二阶段是产酸阶段。 进入细胞的各种可溶性物质在各种胞内酶的作用下进一步分解代谢，生成各种挥发性脂肪酸，其中主要是乙酸(CH3COOH)，同时也有氧、二氧化碳和少量其他产物。 由于有机酸的生成是其主要特点，故称为产酸阶段。 第三阶段是由甲烷菌所完成的产甲烷阶段。 甲烷菌分解乙酸形成甲烷和二氧化碳，或利用氢还原二氧化碳形成甲烷，或转化甲醇形成甲烷。 在形成的甲烷中，约30%来自氢还原二氧化碳，70%来自乙酸的分解。 乙酸(盐)的降解在甲烷形成过程中具有重要作用，是主要代谢途径。 和液化阶段相比较，这一阶段进行得较快。 不同的有机基质物生成甲烷的速度也不相同。 沼气发酵中几种典型的产生甲烷的反应如下： 甲酸的分解： 乙酸的分解： 甲醇的分解： 二氧化碳的还原： 乙醇的氧化使二氧化碳还原： 纤维素(C6H10O5)n 也是沼气发酵的一种多糖原料。其发酵最终生成甲烷的过程分几个阶段： ①首先被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性的葡萄糖(C6H12O6)； ②葡萄糖被吸收进发酵性细菌的细胞，经发酵转化为乙酸(CH3COOH)、丙酸(CH3CH2COOH)、丁酸(CH3CH2CH2COOH)和一定量的氢、二氧化碳； ③丙酸和丁酸由产氢产乙酸菌分解转化为乙酸、二氧化碳及/或氢； ④乙酸在产甲烷菌的作用下转化为甲烷和二氧化碳。 纤维素发酵产生沼气的总反应式为 上述沼气发酵的三个阶段中，液化阶段是沼气发酵速度的限速步骤。 因为液化阶段是由水解反应来完成的，这些水解反应大多需要能量，而不能为微生物提供能量，所以成为沼气发酵的限速步骤。 固体物质水解的快慢直接影响沼气生成的速度，而且水解的程度也直接影响沼气的产量。 大多数发酵原料，尤其是各种农作物剩余物，其固形物含量高，可溶性成分少，因此必须采用某些预处理方法来加快