《微生物能源》PPT课件.ppt

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1、第六章第六章 微生物在能源上的应用微生物在能源上的应用第一节第一节 沼气发酵沼气发酵第二节第二节 乙醇发酵乙醇发酵第三节第三节 煤炭脱硫煤炭脱硫第四节第四节 微生物絮凝剂微生物絮凝剂v沼气多产生于污水处理厂、垃圾填埋场、酒厂、食沼气多产生于污水处理厂、垃圾填埋场、酒厂、食品加工厂、养殖场等。沼气是在厌氧条件下由有机品加工厂、养殖场等。沼气是在厌氧条件下由有机物经多种微生物的分解与转化作用后产生的可燃气物经多种微生物的分解与转化作用后产生的可燃气体，属于生物质能范畴，主要成分是甲烷和二氧化体，属于生物质能范畴，主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷含量约为碳，其中甲烷含量约为5070，二氧化碳含量，

2、二氧化碳含量为为3040(容积比容积比)，还含有少量的硫化氢、氮、，还含有少量的硫化氢、氮、氧、氢等气体，约占总含量的氧、氢等气体，约占总含量的1020。甲烷在。甲烷在空气中遇火燃烧，转变成二氧化碳和水，并释放出空气中遇火燃烧，转变成二氧化碳和水，并释放出热量，其化学反应方程式为：热量，其化学反应方程式为：CH4+202=2H2O+CO2+890kJmol第一节第一节 沼气发酵沼气发酵v从环保角度讲，沼气中的甲烷是一种作用强烈的温从环保角度讲，沼气中的甲烷是一种作用强烈的温室气体，其导致温室效应的效果是二氧化碳的室气体，其导致温室效应的效果是二氧化碳的32倍，倍，因此，有效控制沼气排放已成为环

3、保领域关注的重因此，有效控制沼气排放已成为环保领域关注的重要问题之一。从能源角度讲，沼气是性能良好的燃要问题之一。从能源角度讲，沼气是性能良好的燃料，燃气热值约为料，燃气热值约为2198MJm3(甲烷含量甲烷含量60%、二氧化碳等其他含量为二氧化碳等其他含量为40)时，属中等热值燃料，时，属中等热值燃料，因此，开发利用沼气不仅有助于温室效应的减轻和因此，开发利用沼气不仅有助于温室效应的减轻和生态良性循环，而且可替代部分石油、煤炭等化石生态良性循环，而且可替代部分石油、煤炭等化石燃料。燃料。v近年来我国随着国民经济的快速发展，已建成大、近年来我国随着国民经济的快速发展，已建成大、中型沼气池近千座

4、，形成年产沼气数亿立方米的能中型沼气池近千座，形成年产沼气数亿立方米的能力。由于这些气源相对稳定、供气量大力。由于这些气源相对稳定、供气量大(如规模较大如规模较大的污水处理厂、垃圾填埋场一般日产沼气为的污水处理厂、垃圾填埋场一般日产沼气为1万万m3以上，中型的沼气工程日产气也可达数千立方米以上，中型的沼气工程日产气也可达数千立方米)，采用燃气装置进行沼气发电，是国际上趋同的技术采用燃气装置进行沼气发电，是国际上趋同的技术路线。路线。（一）沼气发酵原理及发酵条件（一）沼气发酵原理及发酵条件 1.原理原理v沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵或甲烷发酵，是指有机物质(如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等)在一

5、定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体(沼气)的复杂生物化学过程。（1）沼气发酵的三个阶段v液化阶段。在液化阶段，复杂有机物液化阶段。在液化阶段，复杂有机物(纤维素、蛋纤维素、蛋白质、脂肪等白质、脂肪等)在兼性微生物及少数厌氧微生物的在兼性微生物及少数厌氧微生物的酶催化作用下降解至基本结构单位或简单有机酸、酶催化作用下降解至基本结构单位或简单有机酸、醇等。醇等。v产酸阶段。液化产物被微生物吸收到菌体内，并产酸阶段。液化产物被微生物吸收到菌体内，并在胞内酶的催化作用下，将它们转化为低分子化在胞内酶的催化作用下，将它们

6、转化为低分子化合物，如乙酸、丙酸、丁酸及乳酸等，还有乙醇、合物，如乙酸、丙酸、丁酸及乳酸等，还有乙醇、甲醇以及氢等。乙酸数量最大，约占甲醇以及氢等。乙酸数量最大，约占80。v产甲烷阶段。经过前两个阶段的分解作用后，有产甲烷阶段。经过前两个阶段的分解作用后，有机溶液中产甲烷的基质已很丰富以及产氨细菌的机溶液中产甲烷的基质已很丰富以及产氨细菌的活动，使氨态氮浓度不断增高，使发酵液中的氧活动，使氨态氮浓度不断增高，使发酵液中的氧化还原电势降低。为产甲烷细菌提供了适宜的环化还原电势降低。为产甲烷细菌提供了适宜的环境条件，促使产甲烷细菌迅速生长繁殖，将乙酸、境条件，促使产甲烷细菌迅速生长繁殖，将乙酸、甲

7、酸、甲醇、氢气及二氧化碳等转化为甲烷。产甲酸、甲醇、氢气及二氧化碳等转化为甲烷。产甲烷菌的营养物质与产甲烷基质都是来自各类分甲烷菌的营养物质与产甲烷基质都是来自各类分解菌对有机物进行分解而形成的代谢产物。分解解菌对有机物进行分解而形成的代谢产物。分解菌不断地提供乙酸、菌不断地提供乙酸、H2、CO2和和NH3等基质，产等基质，产甲烷菌则利用这些物质进行代谢活动并产生甲烷，甲烷菌则利用这些物质进行代谢活动并产生甲烷，使产甲烷菌与不产甲烷菌的生长和产甲烷与产酸使产甲烷菌与不产甲烷菌的生长和产甲烷与产酸都达到平衡。都达到平衡。（2）沼气制取的基本条件 保证沼气池能够持续产气要满足以下基本条件：保证沼气

8、池能够持续产气要满足以下基本条件：保证沼气池的密闭性保证沼气池的密闭性v在有机物质发酵产生沼气的过程中，起主导作用在有机物质发酵产生沼气的过程中，起主导作用的厌氧细菌的厌氧细菌(群群)需要严格厌氧，不能在有氧环境中需要严格厌氧，不能在有氧环境中生存，所以沼气池应保证严格的密闭性。当沼气生存，所以沼气池应保证严格的密闭性。当沼气池施工完毕，池体各部位达到一定强度后，应检池施工完毕，池体各部位达到一定强度后，应检验沼气池是否漏水和漏气。验沼气池是否漏水和漏气。v观察池内各部位的抹灰层有无开裂和脱落现象，表观察池内各部位的抹灰层有无开裂和脱落现象，表面有无蜂窝和明显毛细孔，并敲击表面有无空洞声。面有

9、无蜂窝和明显毛细孔，并敲击表面有无空洞声。若有蜂窝和明显毛细孔，应继续刷浆，孔洞和开裂若有蜂窝和明显毛细孔，应继续刷浆，孔洞和开裂部位要敲掉重做。此外，还应注意导气管和池体连部位要敲掉重做。此外，还应注意导气管和池体连接必须牢固。总之，修建一个严格密闭、隔绝空气接必须牢固。总之，修建一个严格密闭、隔绝空气的沼气池，以保证严格的厌氧环境，对沼气池稳定的沼气池，以保证严格的厌氧环境，对沼气池稳定产气十分关键。产气十分关键。发酵原料应保持合适的碳氮比v发酵原料是产生沼气的物质基础，产沼气细菌从发酵原料是产生沼气的物质基础，产沼气细菌从原料中需吸取的主要营养物质是碳元素、氮元素原料中需吸取的主要营养物

10、质是碳元素、氮元素和一些无机盐等。碳元素多来源于碳水化合物，和一些无机盐等。碳元素多来源于碳水化合物，是细菌进行生命活动的主要能量来源；氮元素多是细菌进行生命活动的主要能量来源；氮元素多来源于蛋白质、亚硝酸盐和氨等无机盐类，是制来源于蛋白质、亚硝酸盐和氨等无机盐类，是制造细菌细胞结构、细菌细胞原生质和遗传物质的造细菌细胞结构、细菌细胞原生质和遗传物质的主要成分。在细菌的生命活动中，其利用碳素的主要成分。在细菌的生命活动中，其利用碳素的速度比其利用氮素的速度快速度比其利用氮素的速度快2030倍，因此，发倍，因此，发酵液中碳素和氮素应维持适当的比例。试验证明，酵液中碳素和氮素应维持适当的比例。试验

11、证明，在其他条件都具备的情况下，碳氮在其他条件都具备的情况下，碳氮=(2030)1是满足正常发酵的最佳比例，而碳氮比高于或低是满足正常发酵的最佳比例，而碳氮比高于或低于这一比例，都会使发酵速度下降。于这一比例，都会使发酵速度下降。保持适宜和稳定的发酵温度保持适宜和稳定的发酵温度v沼气发酵是一种喜温发酵，温度对沼气的产生有沼气发酵是一种喜温发酵，温度对沼气的产生有很大影响。产甲烷菌的生长和繁殖对温度要求较很大影响。产甲烷菌的生长和繁殖对温度要求较高，最适宜温度绝大多数在高，最适宜温度绝大多数在30以上，理想的温以上，理想的温度为度为35，沼气的发酵温度范围为，沼气的发酵温度范围为860，在此，在

12、此范围内，沼气产量可随着温度的升高而增加。沼范围内，沼气产量可随着温度的升高而增加。沼气发酵温度可分为高温、中温和低温三类。一般气发酵温度可分为高温、中温和低温三类。一般认为认为4560为高温发酵，为高温发酵，3045为中温发酵，为中温发酵，而农村家用沼气池多采用低温发酵而农村家用沼气池多采用低温发酵(也叫常温发酵也叫常温发酵或自然发酵或自然发酵)，温度为，温度为825。常温发酵的产气。常温发酵的产气量往往随气温变化而变化，很不稳定。量往往随气温变化而变化，很不稳定。v另外，厌氧细菌不能承受过度的温度波动，一天另外，厌氧细菌不能承受过度的温度波动，一天内允许的温度波动不能超过内允许的温度波动不

13、能超过1。在农村，采取将。在农村，采取将沼气池建在地下的方法，沼气池内的温度波动可沼气池建在地下的方法，沼气池内的温度波动可保持在这个范围内。春季和冬季的环境温度低，保持在这个范围内。春季和冬季的环境温度低，对沼气池可采取一些保温措施，如在沼气池周围对沼气池可采取一些保温措施，如在沼气池周围设置保温层，在沼气池上覆盖保温材料设置保温层，在沼气池上覆盖保温材料(作物秸秆作物秸秆和杂草等和杂草等)，还可利用太阳能加热等。，还可利用太阳能加热等。保持适当的料液浓度v在沼气发酵过程中，控制适当的料液浓度，可以有在沼气发酵过程中，控制适当的料液浓度，可以有效地提高产气率，料液太稀和太浓对产气都不利。效地

14、提高产气率，料液太稀和太浓对产气都不利。料液含水太多会降低沼气池单位容积产气率，不能料液含水太多会降低沼气池单位容积产气率，不能充分利用沼气池的有效容积；料液中含水过少，则充分利用沼气池的有效容积；料液中含水过少，则会造成有机酸的大量积累，使发酵作用受到阻碍。会造成有机酸的大量积累，使发酵作用受到阻碍。沼气发酵液的浓度应随季节变化而有所不同。春、沼气发酵液的浓度应随季节变化而有所不同。春、秋季节发酵液浓度应稍大，为秋季节发酵液浓度应稍大，为1015；夏季发；夏季发酵液浓度可以低一点，为酵液浓度可以低一点，为89；冬季寒冷，发；冬季寒冷，发酵液浓度应在酵液浓度应在1520。对农村家用沼气池来说，

15、。对农村家用沼气池来说，沼气发酵最合适的料液浓度是沼气发酵最合适的料液浓度是79。发酵原料应进行堆沤预处理v为了加快原料的发酵速度、增加沼气产量，原料为了加快原料的发酵速度、增加沼气产量，原料应进行预处理，尤其是麦秸、谷草、玉米秆等纤应进行预处理，尤其是麦秸、谷草、玉米秆等纤维性物质，必须进行堆沤预处理。堆沤前，要先维性物质，必须进行堆沤预处理。堆沤前，要先将原料铡短，分层放在坑内，每层厚约将原料铡短，分层放在坑内，每层厚约50cm，两，两层之间撤一层层之间撤一层25的石灰或草木灰，再泼洒的石灰或草木灰，再泼洒一些人畜粪尿或污水，表面用稀泥封闭。夏季一一些人畜粪尿或污水，表面用稀泥封闭。夏季一

16、般堆沤般堆沤710d，冬季堆沤，冬季堆沤1个月左右。堆沤后的个月左右。堆沤后的发酵原料，表皮蜡质受到破坏，加快了纤维素的发酵原料，表皮蜡质受到破坏，加快了纤维素的腐烂分解，增大了与甲烷菌等细菌的接触面，加腐烂分解，增大了与甲烷菌等细菌的接触面，加快了在沼气池中发酵分解的速度。快了在沼气池中发酵分解的速度。保持适宜的酸碱度v沼气发酵的适宜酸碱度为中性偏碱沼气发酵的适宜酸碱度为中性偏碱(pH=78.5)。为了保持沼气发酵所需的酸碱环境，在进料及整为了保持沼气发酵所需的酸碱环境，在进料及整个发酵期间，要经常观察和调节发酵液的酸碱度。个发酵期间，要经常观察和调节发酵液的酸碱度。v为保证沼气制取能够稳定

17、地进行，除需注意上述为保证沼气制取能够稳定地进行，除需注意上述技术要点外，还应采取一些其他措施，如经常搅技术要点外，还应采取一些其他措施，如经常搅动池液、合理加料和采用正确的加料方法，在沼动池液、合理加料和采用正确的加料方法，在沼气池内适量添加一些能促使有机物质分解并提高气池内适量添加一些能促使有机物质分解并提高产气的添加剂产气的添加剂(纤维酶类、尿素、稀土元素等纤维酶类、尿素、稀土元素等)，防，防止工业废水和农药止工业废水和农药(主要是含有农药的作物秸秆主要是含有农药的作物秸秆)进进入沼气池等。总之，保证沼气制取的基本条件，入沼气池等。总之，保证沼气制取的基本条件，对沼气池稳定产气是十分重要

18、的。对沼气池稳定产气是十分重要的。（二）沼气发酵微生物（二）沼气发酵微生物v沼气发酵微生物是人工制取沼气最重要的因素，沼气发酵微生物是人工制取沼气最重要的因素，只有存在大量的沼气微生物，并保证各种类群的只有存在大量的沼气微生物，并保证各种类群的微生物的基本生长条件，发酵原料才能在微生物微生物的基本生长条件，发酵原料才能在微生物的作用下转化为沼气。的作用下转化为沼气。1.沼气微生物种类沼气微生物种类v沼气发酵是一种极其复杂的微生物作用和化学反沼气发酵是一种极其复杂的微生物作用和化学反应过程，这一过程的发生和发展是五大类群微生应过程，这一过程的发生和发展是五大类群微生物生命活动的结果。它们是：发酵

19、性细菌、产氢物生命活动的结果。它们是：发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌。这些微生物按照各自的营养需要，酸产甲烷菌。这些微生物按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。从复杂有机物的降解，起着不同的物质转化作用。从复杂有机物的降解，到甲烷的形成，是微生物群分工合作和相互作用到甲烷的形成，是微生物群分工合作和相互作用的结果。的结果。v（1）不产甲烷菌不产甲烷菌 在沼气发酵过程中，不能直接在沼气发酵过程中，不能直接产生甲烷的微生物统称为不产甲烷菌。不产甲烷产生甲烷的微生物统称为不产甲烷菌。不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物

20、变成简单的小分子量菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。它们的种类繁多，现已观察到的包括细的物质。它们的种类繁多，现已观察到的包括细菌、真菌和原生动物三大类，其中以细菌种类最菌、真菌和原生动物三大类，其中以细菌种类最多，目前已知的有多，目前已知的有18个属个属51个种，随着研究的深个种，随着研究的深入和分离方法的改进，还在不断发现新的种群；入和分离方法的改进，还在不断发现新的种群；根据微生物的呼吸类型可将其分为好氧菌、厌氧根据微生物的呼吸类型可将其分为好氧菌、厌氧菌、兼性厌氧菌三大类型。菌、兼性厌氧菌三大类型。v 其中，厌氧菌数量最大，比兼性厌氧菌、好氧菌其中，厌氧菌数量最大，比兼

21、性厌氧菌、好氧菌多多100200倍，是不产甲烷阶段起主要作用的菌倍，是不产甲烷阶段起主要作用的菌类；根据作用基质来分，可划分为纤维分解菌、类；根据作用基质来分，可划分为纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和其他一些特殊的细菌，如产氢菌、产肪分解菌和其他一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。乙酸菌等。v（2）产甲烷菌产甲烷菌 在沼气发酵过程中，利用小分子在沼气发酵过程中，利用小分子量化合物形成沼气的微生物统称为产甲烷菌。如量化合物形成沼气的微生物统称为产甲烷菌。如果说微生物是沼气发酵的核心，那么产甲烷菌又果说微生物是沼气发酵的核

22、心，那么产甲烷菌又是沼气发酵微生物的核心，产甲烷菌是一群较特是沼气发酵微生物的核心，产甲烷菌是一群较特殊的微生物，它们对氧和氧化剂非常敏感，适宜殊的微生物，它们对氧和氧化剂非常敏感，适宜在中性或微碱性环境中生存繁殖。它们依靠二氧在中性或微碱性环境中生存繁殖。它们依靠二氧化碳和氢气生长，并以废物的形式排出甲烷，是化碳和氢气生长，并以废物的形式排出甲烷，是对生长物质要求最简单的微生物。对生长物质要求最简单的微生物。2.产甲烷菌的特性产甲烷菌的特性v（1）产甲烷菌的生长要求严格的厌氧环境。如甲）产甲烷菌的生长要求严格的厌氧环境。如甲烷八叠球菌暴露于空气中时会很快死亡，其数量烷八叠球菌暴露于空气中时会

23、很快死亡，其数量半衰期仅为半衰期仅为4min。v（2）产甲烷菌的食物简单，将）产甲烷菌的食物简单，将H2CO2、甲酸、甲酸、甲醇和乙酸等少数几种底物代谢为甲烷，其中乙甲醇和乙酸等少数几种底物代谢为甲烷，其中乙酸是厌氧消化器中最重要的产甲烷前驱体物质。酸是厌氧消化器中最重要的产甲烷前驱体物质。v（3）产甲烷菌适于生长的）产甲烷菌适于生长的pH值在中性范围，如值在中性范围，如甲酸甲烷杆菌最适生长的甲酸甲烷杆菌最适生长的pH值为值为6.67.8。v（4）产甲烷菌生长缓慢。产甲烷菌以产酸菌代谢）产甲烷菌生长缓慢。产甲烷菌以产酸菌代谢产物为食，如乙酸、甲酸、产物为食，如乙酸、甲酸、H2CO2、等结构简、

24、等结构简单且含能量少的物质，又生活于严格厌氧条件下，单且含能量少的物质，又生活于严格厌氧条件下，其代谢产物甲烷中含很高能量，生长繁殖缓慢。其代谢产物甲烷中含很高能量，生长繁殖缓慢。所以，在发酵启动时，需加入大量甲烷菌种。所以，在发酵启动时，需加入大量甲烷菌种。v产甲烷菌在自然界广泛分布，如土壤、湖泊、沼产甲烷菌在自然界广泛分布，如土壤、湖泊、沼泽、反刍动物泽、反刍动物(牛羊等牛羊等)的肠胃道、淡水或碱水池塘的肠胃道、淡水或碱水池塘污泥中、下水道污泥、腐烂秸秆堆，牛马粪以及污泥中、下水道污泥、腐烂秸秆堆，牛马粪以及城乡垃圾堆中都有大量的产甲烷菌存在。由于产城乡垃圾堆中都有大量的产甲烷菌存在。由于

25、产甲烷菌的分离、培养和保存都有较大的困难，迄甲烷菌的分离、培养和保存都有较大的困难，迄今为止，所获得的产甲烷菌的纯种不多。今为止，所获得的产甲烷菌的纯种不多。3.沼气发酵微生物的作用及特点沼气发酵微生物的作用及特点v(1）作用作用v在沼气发酵过程中，不产甲烷菌与产甲烷菌相互在沼气发酵过程中，不产甲烷菌与产甲烷菌相互依赖，互为对方创造维持生命活动所需的物质和依赖，互为对方创造维持生命活动所需的物质和适宜的环境条件；同时又相互制约，共同完成沼适宜的环境条件；同时又相互制约，共同完成沼气发酵过程。主要表现在下列几个方面：气发酵过程。主要表现在下列几个方面：v不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养。原料中的碳不

26、产甲烷菌为产甲烷菌提供营养。原料中的碳水化合物、蛋白和脂肪等复杂有机物不能直接被水化合物、蛋白和脂肪等复杂有机物不能直接被产甲烷菌吸收利用，必须通过不产甲烷菌的水解产甲烷菌吸收利用，必须通过不产甲烷菌的水解作用，使其形成可溶性的简单化合物，并进一步作用，使其形成可溶性的简单化合物，并进一步分解，形成产甲烷菌的发酵基质。一方面不产甲分解，形成产甲烷菌的发酵基质。一方面不产甲烷菌通过其生命活动为产甲烷菌源源不断地提供烷菌通过其生命活动为产甲烷菌源源不断地提供合成细胞的基质和能源；合成细胞的基质和能源；v另一方面，产甲烷菌连续不断地将不产甲烷菌所另一方面，产甲烷菌连续不断地将不产甲烷菌所产生的乙酸、

27、氢和二氧化碳等发酵基质转化为甲产生的乙酸、氢和二氧化碳等发酵基质转化为甲烷，使厌氧消化中不致有酸和氢的积累，不产甲烷，使厌氧消化中不致有酸和氢的积累，不产甲烷菌也就可以继续正常的生长和代谢。由于不产烷菌也就可以继续正常的生长和代谢。由于不产甲烷菌与产甲烷菌的协同作用，使沼气发酵过程甲烷菌与产甲烷菌的协同作用，使沼气发酵过程达到产酸和产甲烷的动态平衡，维持沼气发酵的达到产酸和产甲烷的动态平衡，维持沼气发酵的稳定运行。稳定运行。v不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧生态环不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧生态环境。在沼气发酵启动阶段，由于原料和水的加人，境。在沼气发酵启动阶段，由于原料和水的加人，在

28、沼气池中随之进入了大量的空气，这显然是对在沼气池中随之进入了大量的空气，这显然是对产甲烷菌有害的，但是由于不产甲烷菌类群中的产甲烷菌有害的，但是由于不产甲烷菌类群中的好氧和兼性厌氧微生物的活动，使发酵液的氧化好氧和兼性厌氧微生物的活动，使发酵液的氧化还原电位还原电位(氧化还原电位越低，厌氧条件越好氧化还原电位越低，厌氧条件越好)不断不断下降，逐步为产甲烷菌的生长和产甲烷创造厌氧下降，逐步为产甲烷菌的生长和产甲烷创造厌氧生态环境生态环境。v不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质。在以工业不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质。在以工业废弃物为发酵原料时，其中往往含有酚类、苯甲酸、废弃物为发酵原料时，其中往往

29、含有酚类、苯甲酸、氰化物、长链脂肪酸和重金属等物质，这些物质对氰化物、长链脂肪酸和重金属等物质，这些物质对产甲烷菌是有毒害作用的，而不产甲烷菌中有许多产甲烷菌是有毒害作用的，而不产甲烷菌中有许多菌能分解和利用上述物质，这样就可以解除对产甲菌能分解和利用上述物质，这样就可以解除对产甲烷菌的毒害作用。此外，不产甲烷菌发酵产生的硫烷菌的毒害作用。此外，不产甲烷菌发酵产生的硫化氢化氢(H2S)可以与重金属离子作用，生成不溶性的金可以与重金属离子作用，生成不溶性的金属硫化物而沉淀下来，从而解除了某些重金属的毒属硫化物而沉淀下来，从而解除了某些重金属的毒害作用害作用。v不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持环境中适

30、宜的不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持环境中适宜的酸碱度。在沼气发酵初期，不产甲烷菌首先降解酸碱度。在沼气发酵初期，不产甲烷菌首先降解原料中的淀粉和糖类等，产生大量的有机酸。同原料中的淀粉和糖类等，产生大量的有机酸。同时，产生的二氧化碳也部分溶于水，使发酵液的时，产生的二氧化碳也部分溶于水，使发酵液的酸碱度酸碱度(pH)下降。但是，由于不产甲烷菌类群中下降。但是，由于不产甲烷菌类群中的氨化细菌迅速进行氨化作用，产生的氨的氨化细菌迅速进行氨化作用，产生的氨(NH3)可可中和部分有机酸。同时，由于甲烷菌不断利用乙中和部分有机酸。同时，由于甲烷菌不断利用乙酸、氢和二氧化碳形成甲烷，而使发酵液中有机酸、氢和

31、二氧化碳形成甲烷，而使发酵液中有机酸和二氧化碳的浓度逐步下降。通过这两类群细酸和二氧化碳的浓度逐步下降。通过这两类群细菌的共同作用，就可以使菌的共同作用，就可以使pH稳定在一个适宜的范稳定在一个适宜的范围。因此，在正常发酵的沼气池中，围。因此，在正常发酵的沼气池中，pH始终能维始终能维持在适宜的状态而不用人为的控制。持在适宜的状态而不用人为的控制。(2)特点特点v理论和实践证明，沼气发酵过程实质上是多种类群理论和实践证明，沼气发酵过程实质上是多种类群微生物的物质代谢和能量代谢过程，在此过程中，微生物的物质代谢和能量代谢过程，在此过程中，沼气发酵微生物是核心，其发酵工艺条件的控制都沼气发酵微生物

32、是核心，其发酵工艺条件的控制都以沼气发酵微生物学为理论指导。具有以下特点：以沼气发酵微生物学为理论指导。具有以下特点：v分布广，种类多。沼气微生物在自然界中分布很分布广，种类多。沼气微生物在自然界中分布很广，特别是在沼泽、粪池、污水池以及阴沟污泥中，广，特别是在沼泽、粪池、污水池以及阴沟污泥中，存在有各种各样的沼气发酵微生物，种类达存在有各种各样的沼气发酵微生物，种类达200300种，它们是可利用的沼气发酵菌种的源泉。种，它们是可利用的沼气发酵菌种的源泉。v繁殖快，代谢强。在适宜条件下，微生物有很繁殖快，代谢强。在适宜条件下，微生物有很高的繁殖速度。产酸菌在生长旺盛时，高的繁殖速度。产酸菌在生

33、长旺盛时，20min或或更短的时间内就可以繁殖一代，产甲烷菌繁殖速更短的时间内就可以繁殖一代，产甲烷菌繁殖速度较慢，约为产酸菌的度较慢，约为产酸菌的115。微生物所以能够出。微生物所以能够出现这样高的繁殖速度，主要因为它们具有极大的现这样高的繁殖速度，主要因为它们具有极大的表面积和体积比值，例如直径为表面积和体积比值，例如直径为1m的球菌，其的球菌，其面积和体积的比值为面积和体积的比值为6104，所以它能够以极快的，所以它能够以极快的速度与外界环境发生物质交换，具有很强的代谢速度与外界环境发生物质交换，具有很强的代谢能力。能力。v适应性强，容易培养。与高等生物相比，多数微适应性强，容易培养。与

34、高等生物相比，多数微生物适应较强，并且容易培养。在自然条件下，成生物适应较强，并且容易培养。在自然条件下，成群体状态生长的微生物更是如此。例如，沼气池里群体状态生长的微生物更是如此。例如，沼气池里的微生物的微生物(主要是厌氧和兼性厌氧两大菌群主要是厌氧和兼性厌氧两大菌群)在在1060条件下，可以利用多种多样的复杂有机物进行条件下，可以利用多种多样的复杂有机物进行沼气发酵。有时经过驯化培养后的微生物可以加快沼气发酵。有时经过驯化培养后的微生物可以加快这种反应，从而更有效地达到生产能源和保护环境这种反应，从而更有效地达到生产能源和保护环境的目的。的目的。第二节第二节 乙醇发酵乙醇发酵v乙醇是一种清

35、洁能源，其特点为产能效率高、燃乙醇是一种清洁能源，其特点为产能效率高、燃烧过程不产生有毒的烧过程不产生有毒的CO、污染程度低，可通过微、污染程度低，可通过微生物大量发酵、生产基质种类多、资源丰富、成生物大量发酵、生产基质种类多、资源丰富、成本相对较低。据不同产能工艺经济技术的比较分本相对较低。据不同产能工艺经济技术的比较分析表明，乙醇很可能是未来的石油替代物。析表明，乙醇很可能是未来的石油替代物。v乙醇发酵作为一种传统工艺，过去大多采用糖蜜、乙醇发酵作为一种传统工艺，过去大多采用糖蜜、淀粉作为原料，在酵母菌的作用下进行厌氧发酵淀粉作为原料，在酵母菌的作用下进行厌氧发酵产生。近年来采用有机废物作

36、为乙醇发酵原料，产生。近年来采用有机废物作为乙醇发酵原料，已成为国际上研究的热点，并取得重大进展。已成为国际上研究的热点，并取得重大进展。（一）乙醇发酵微生物（一）乙醇发酵微生物v乙醇发酵是葡萄糖在乙醇发酵微生物的作用下转化乙醇发酵是葡萄糖在乙醇发酵微生物的作用下转化成乙醇的过程。由于淀粉、纤维素成乙醇的过程。由于淀粉、纤维素v半纤维素等多聚物不能直接进入细胞，只有通过酶半纤维素等多聚物不能直接进入细胞，只有通过酶或其他方法预处理形成双糖、单糖之后，才能被利或其他方法预处理形成双糖、单糖之后，才能被利用，发酵产生乙醇。所以乙醇发酵过程包括原料多用，发酵产生乙醇。所以乙醇发酵过程包括原料多糖降解

37、产生单糖与双糖以及糖发酵生成乙醇两大过糖降解产生单糖与双糖以及糖发酵生成乙醇两大过程。程。v在自然界里，能过进行乙醇发酵的微生物种类很多，在自然界里，能过进行乙醇发酵的微生物种类很多，但真正得到广泛应用的主要是酵母菌；霉菌和细菌但真正得到广泛应用的主要是酵母菌；霉菌和细菌主要用作淀粉的糖化。近主要用作淀粉的糖化。近30年来，研究者发现，一年来，研究者发现，一些细菌也能直接进行乙醇发酵，但至今尚未用于大些细菌也能直接进行乙醇发酵，但至今尚未用于大规模生产。规模生产。1.酵母菌酵母菌v乙醇生产中常用酵母有酿酒酵母、葡萄汁酵母和栗乙醇生产中常用酵母有酿酒酵母、葡萄汁酵母和栗酒裂殖酵母等。他们均属于兼

38、性厌氧菌。酒裂殖酵母等。他们均属于兼性厌氧菌。v酿酒酵母是国内外普遍使用的乙醇发酵菌种，生酿酒酵母是国内外普遍使用的乙醇发酵菌种，生产菌株有产菌株有Rasse、RasseX、K字酵母、南洋字酵母、南洋1300和和1308等，能利用葡萄糖、麦芽糖、半乳糖、等，能利用葡萄糖、麦芽糖、半乳糖、蔗糖及蔗糖及1/3棉子糖发酵产生乙醇，不能利用乳糖、棉子糖发酵产生乙醇，不能利用乳糖、蜜二糖发酵产生乙醇，不同化硝酸盐。蜜二糖发酵产生乙醇，不同化硝酸盐。v葡萄汁酵母能发酵葡萄糖、麦芽糖、半乳糖、蔗葡萄汁酵母能发酵葡萄糖、麦芽糖、半乳糖、蔗糖及全棉子糖产生乙醇，不同化硝酸盐，能稍微糖及全棉子糖产生乙醇，不同化硝

39、酸盐，能稍微利用乙醇。许多研究者用它作为乙醇发酵研究的利用乙醇。许多研究者用它作为乙醇发酵研究的出发菌株。出发菌株。v栗酒裂殖酵母能发酵葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、棉子栗酒裂殖酵母能发酵葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、棉子糖产生乙醇，但不能利用乳糖、半乳糖和蜜二糖。糖产生乙醇，但不能利用乳糖、半乳糖和蜜二糖。以半纤维素水解液进行乙醇发酵，其发酵速度和发以半纤维素水解液进行乙醇发酵，其发酵速度和发酵效率比酿酒酵母好。酵效率比酿酒酵母好。v新近的研究表明，假丝酵母、毕赤酵母等能直接利新近的研究表明，假丝酵母、毕赤酵母等能直接利用木糖发酵产生乙醇，是半纤维素乙醇发酵的新菌用木糖发酵产生乙醇，是半纤维素乙醇发酵的新菌

40、种资源。种资源。2.霉菌霉菌v霉菌在乙醇发酵中应用有两个发面，一是有些霉菌霉菌在乙醇发酵中应用有两个发面，一是有些霉菌本身能进行乙醇发酵，可作为乙醇发酵菌种；二是本身能进行乙醇发酵，可作为乙醇发酵菌种；二是霉菌能产生高活性的淀粉酶和纤维素酶，用来水解霉菌能产生高活性的淀粉酶和纤维素酶，用来水解淀粉和纤维素产生单糖。淀粉和纤维素产生单糖。v根霉是具有高活性的淀粉酶，酿酒工业中用它作为根霉是具有高活性的淀粉酶，酿酒工业中用它作为淀粉糖化菌。生产与研究中所用的主要菌种有：匐淀粉糖化菌。生产与研究中所用的主要菌种有：匐枝根霉、米根霉、华根霉、少根根霉等。枝根霉、米根霉、华根霉、少根根霉等。v曲霉如淀粉

41、酶、蛋白酶、果胶酶等酶系，工业上曲霉如淀粉酶、蛋白酶、果胶酶等酶系，工业上用它作为糖化酶、蛋白酶、果胶酶、柠檬酸生产用它作为糖化酶、蛋白酶、果胶酶、柠檬酸生产菌种，同时也应用于甾组化合物转化。乙醇发酵菌种，同时也应用于甾组化合物转化。乙醇发酵中，常用菌种有：黑曲霉、宇佐曲霉、泡盛酒曲中，常用菌种有：黑曲霉、宇佐曲霉、泡盛酒曲霉、米曲霉及黑曲霉的变异菌种。霉、米曲霉及黑曲霉的变异菌种。v木霉同样有多种酶系，尤其是纤维素酶活性很高，木霉同样有多种酶系，尤其是纤维素酶活性很高，它还用于柠檬酸生产，核黄素合成和甾体转化。它还用于柠檬酸生产，核黄素合成和甾体转化。代表菌种有康氏木霉和绿色木霉，其中绿色木

42、霉代表菌种有康氏木霉和绿色木霉，其中绿色木霉及其变种被广泛应用于纤维素酶的生产，目前世及其变种被广泛应用于纤维素酶的生产，目前世界闻名的菌株有界闻名的菌株有T.reesiQM9411和和T.reesiRut-NG-14。木霉对以纤维素为原料的乙醇生产而言，。木霉对以纤维素为原料的乙醇生产而言，具有特别重要的意义。具有特别重要的意义。3.细菌细菌v多年来，枯草芽孢杆菌，如枯草杆菌多年来，枯草芽孢杆菌，如枯草杆菌BH7658及其及其变异菌种等只限于生产液化性淀粉酶，用于淀粉变异菌种等只限于生产液化性淀粉酶，用于淀粉质乙醇发酵的糖化。质乙醇发酵的糖化。20世纪世纪70年代，人们开始研年代，人们开始研

43、究利用细菌进行糖质原料与纤维原料的乙醇发酵。究利用细菌进行糖质原料与纤维原料的乙醇发酵。v运动发酵单胞菌是迄今为止唯一通过运动发酵单胞菌是迄今为止唯一通过ED途径进行途径进行糖代谢产生乙醇的厌氧菌。它是糖代谢产生乙醇的厌氧菌。它是Linder从墨西哥从墨西哥Pulgue酒（植物浆汁发酵而成）中分离得到的，酒（植物浆汁发酵而成）中分离得到的，革兰氏阳性，能利用葡萄糖、果糖、蔗糖发酵生革兰氏阳性，能利用葡萄糖、果糖、蔗糖发酵生成乙醇、二氧化碳，耐乙醇能力成乙醇、二氧化碳，耐乙醇能力117130g/L,但但它不能利用麦芽糖、乳糖。它不能利用麦芽糖、乳糖。v其生长速率、底物消耗速率、产物生成速率其生长

44、速率、底物消耗速率、产物生成速率都高于酵母，细菌产率则低于酵母，因此具都高于酵母，细菌产率则低于酵母，因此具有实际利用价值。正常发酵温度为有实际利用价值。正常发酵温度为3637，比酵母发酵温度高，比酵母发酵温度高67，适宜于高温发，适宜于高温发酵。酵。v美国麻省理工学院（美国麻省理工学院（MIT）研究人员发现热）研究人员发现热解纤维梭菌能利用细微素发酵产生乙醇。国解纤维梭菌能利用细微素发酵产生乙醇。国内也有一些单位研究细菌直接发酵纤维素产内也有一些单位研究细菌直接发酵纤维素产生乙醇，蹦筛选获得产乙醇的细菌菌株。生乙醇，蹦筛选获得产乙醇的细菌菌株。（二）乙醇发酵工艺及应用v根据乙醇发酵所用的原料

45、不同，其发酵过程主要有根据乙醇发酵所用的原料不同，其发酵过程主要有下列几个工序：原料的准备；原料的处理，其中糖下列几个工序：原料的准备；原料的处理，其中糖质原料可直接利用，而淀粉和纤维素原料需先进性质原料可直接利用，而淀粉和纤维素原料需先进性酸或酶水解转化成糖质；制醪；发酵和蒸馏。从发酸或酶水解转化成糖质；制醪；发酵和蒸馏。从发酵方式来分，分为分批式、半连续式和连续式三种酵方式来分，分为分批式、半连续式和连续式三种乙醇发酵工艺。乙醇发酵工艺。v下面以纤维素和半纤维素类原料乙醇发酵为例下面以纤维素和半纤维素类原料乙醇发酵为例介介绍有关工艺及其应用。绍有关工艺及其应用。1.纤维原料制乙醇纤维原料制

46、乙醇v纤维素乙醇发酵主要有三种工艺：水解纤维素乙醇发酵主要有三种工艺：水解-发酵、混合发酵、混合糖化发酵和直接发酵。糖化发酵和直接发酵。（1）水解）水解-发酵发酵v该工艺纤维素的酶水解和糖化液的乙醇发酵在不同该工艺纤维素的酶水解和糖化液的乙醇发酵在不同发酵反应器进行。纤维素酶的生产主要以去木质素发酵反应器进行。纤维素酶的生产主要以去木质素的纤维素做碳源，玉米浆做氮源，添加适量的营养的纤维素做碳源，玉米浆做氮源，添加适量的营养盐后，在盐后，在30及及PH4.8条件下通风培养，过滤所得条件下通风培养，过滤所得的酶液即可作用于纤维素的水解。的酶液即可作用于纤维素的水解。v在目前研究的水平，木霉纤维素

47、酶可将在目前研究的水平，木霉纤维素酶可将95以上的以上的纤维素转化成糖，再经酵母发酵约纤维素转化成糖，再经酵母发酵约95葡萄糖转化葡萄糖转化为乙醇，发酵成熟醪的乙醇含量可达为乙醇，发酵成熟醪的乙醇含量可达10.3。vKling采用采用BIOFERM S/A生产的酶制剂，对预处理生产的酶制剂，对预处理后甘蔗渣进行了糖化实验，其最适条件为：后甘蔗渣进行了糖化实验，其最适条件为：PH4.8，温度，温度50，酶，酶/底物比为底物比为25FPU/克原料，适量的克原料，适量的-糖苷酶具增效作用。酶解底物发酵工艺的优化条糖苷酶具增效作用。酶解底物发酵工艺的优化条件研究发现在件研究发现在PH5.5，温度，温度

48、30，压榨酵母接种量，压榨酵母接种量1.5时，发酵的率可达时，发酵的率可达94。（2）混合糖化发酵v混合糖化发酵是将纤维素原料竟预处理制成木浆，混合糖化发酵是将纤维素原料竟预处理制成木浆，加纤维素酶水解后，直接接入酵母进行发酵。该工加纤维素酶水解后，直接接入酵母进行发酵。该工艺具有操作简单、节省糖化设备投资等优点。艺具有操作简单、节省糖化设备投资等优点。v在纤维素混合糖化发酵乙醇中一个重要问题是酵母在纤维素混合糖化发酵乙醇中一个重要问题是酵母菌和酶之间的协调，即细胞溶解所释放物质影响酶菌和酶之间的协调，即细胞溶解所释放物质影响酶活，酶制剂组分对酵母菌细胞的溶解而降低细胞活活，酶制剂组分对酵母菌

49、细胞的溶解而降低细胞活性。性。v因此，该工艺的应用有局限性。为解决这一问题，因此，该工艺的应用有局限性。为解决这一问题，筛选耐热耐酶菌株有一定意义。筛选耐热耐酶菌株有一定意义。Szczodrak等筛选等筛选到到7株同时糖化和发酵纤维素的耐热酵母菌种，在株同时糖化和发酵纤维素的耐热酵母菌种，在40下，对原料的利用率大下，对原料的利用率大100，其中脆壁克鲁，其中脆壁克鲁维酵母维酵母FT23和豆孢酵母和豆孢酵母CCY51-1-1两个菌株在两个菌株在43和和46时，竟时，竟48h发酵，原料利用率仍达发酵，原料利用率仍达83和和63以上。这些能在以上。这些能在4046条件下生长、发酵，条件下生长、发酵

50、，耐纤维素酶的酵母菌株，为混合糖化发酵生产乙醇耐纤维素酶的酵母菌株，为混合糖化发酵生产乙醇带来了希望。带来了希望。v随着固定化细胞的出现，尤其是共固定化技术，将随着固定化细胞的出现，尤其是共固定化技术，将纤维酶产生菌与乙醇发酵菌经行细胞共固定，纤维酶产生菌与乙醇发酵菌经行细胞共固定，Hartmeior和和Hangerkal等人研究共固定纤维素酶等人研究共固定纤维素酶与酵母细胞乙醇发酵过程，提出能使酶与细胞相协与酵母细胞乙醇发酵过程，提出能使酶与细胞相协调的供氧、调的供氧、PH、温度、营养等条件。此外，、温度、营养等条件。此外，-D-葡葡萄糖苷酶与运动发酵单胞菌共固定进行纤维素乙醇萄糖苷酶与运动