沼氣發酵

自然界中綠色植物經光合作用合成碳水化合物，主要形成糖、澱粉、纖維素等。纖維素合成的數量最大，貯量也最多，是地球上很難被微生物分解的物質。在好氧條件下，纖維素可被少數微生物氧化分解，最終產生CO2和H2O。目前所知綠色木霉是分解纖維素最強的微生物。

（C6H10O5）n+6nO2→6nCO2+5nH2O

在厭氧條件下，纖維素經厭氧微生物 發酵作用最終產生CH4。

在 自然界形成 甲烷的地方主要有沼澤地、水稻田、井地、河湖淤泥及反芻動物瘤胃。反芻動物瘤胃具有產 甲烷的良好條件，所以瘤胃被稱為產甲烷的天然高效能的連續發酵罐。

第一階段是含碳有機聚合物的水解。纖維素、半纖維素、果膠、澱粉、脂類、蛋白質等非水溶性含碳有機物，經細菌水解發酵生成水溶性糖、醇、酸等分子量較小的化合物，，以及氫氣和二氧化碳；

第二階段是各種水溶性產物經微生物降解形成甲烷底物，主要是乙酸、氫氣和二氧化碳；

第三階段是產甲烷菌轉化甲烷底物生成CH4和CO2。另外，在沼氣發酵過程中還存在某些逆向反應，即由小分子合成大分子物質的微生物過程；

從有機物質厭氧發酵到形成甲烷，是非常複雜的過程，不是一種細菌所能完成的，是由很多細菌參與聯合作用的結果。

（1）聯合作用 從有機物到 甲烷形成，是由很多細菌聯合作用的結果。甲烷細菌在合成的最後階段起作用。它利用伴生菌所提供的代謝產物H2、CO2等合成甲烷。整個過程可分以下幾個階段：

以上幾個階段不是截然分開的，沒有明顯的界限，也不是孤立進行的，而是密切聯繫在一起互相交叉進行的。

（2）種間H2的轉移作用在沼氣發酵過程中，產酸菌、伴生菌發酵有機物產H2，H2又被甲烷細菌用於還原CO2合成CH4。

伴生菌和 甲烷細菌在發酵過程中形成了 共生關係，S-菌系分解乙醇產H2，H2對它繼續分解乙醇有阻抑作用，而MOH-菌系可利用H2，這樣又為S-菌系清除了阻抑，兩者在一起生活互惠互利，單獨存在都生活不了。

（3）由 乙酸產生 甲烷乙酸是有機物在 厭氧發酵過程中主要中間代謝產物，也是形成 甲烷的重要中間產物。McCarty實驗證明，有機物發酵分解產生 乙酸形成甲烷，約佔甲烷總生成量的72%，由其他產物形成甲烷約佔28%。由 乙酸形成甲烷過程也是很複雜的，用14C 示蹤原子試驗表明，由 乙酸形成 甲烷有兩種途徑：

①由 乙酸的 甲基形成甲烷

②由 乙酸轉化為CO2和H2形成 甲烷

沼氣發酵是一個極其複雜的生物化學過程，包括各種不同類型微生物所完成的各種代謝途徑。這些微生物及其所進行的 代謝都不是在孤立的環境中單獨進行，而是在一個混雜的環境中相互影響。它們之間的互相作用包括有不產甲烷細菌和產甲烷細菌之間的作用；不產甲烷細菌之間的作用和 甲烷細菌之間的作用。

瓦斯爆炸產生的高溫高壓，促使爆源附近的氣體以極大的速度向外衝擊，造成人員傷亡，破壞巷道和器材設施，揚起大量煤塵並使之參與爆炸，產生更大的破壞力。另外，爆炸後生成大量的有害氣體，造成人員中毒。

1、主要為CH4燃燒，化學方程式為：CH4+2O2 = CO2+2H2O

2、礦井瓦斯爆炸是一種熱一鏈式反應（也叫鏈鎖反應）。當爆炸混合物吸收一定 能量（通常是引火源給予的熱能）后，反應分子的鏈即行斷裂，離解成兩個或兩個以上的遊離基（也叫自由基）。這類遊離基具有很大的化學活性，成為反應連續進行的活化中心。在適合的條件下，每一個遊離基又可以進一步分解，再產生兩個或兩上以上的遊離基。這樣循環不已，遊離基越來越多，化學反應速度也越來越快，最後就可以發展為燃燒或爆炸式的 氧化反應。所以，瓦斯爆炸就其本質來說，是一定濃度的甲烷和空氣中的氧氣在一定溫度作用下產生的激烈氧化反應。

氫的儲存和運輸

氫在一般條件下是以氣態形式存在的，這就為貯存和運輸帶來很大的困難。氫的貯存有三種方法：高壓氣態貯存；低溫液氫貯存；金屬 氫化物貯存。

高壓氣態貯存

氣態氫可貯存在地下庫里，也可裝人鋼瓶中。為減小貯存體積，必須先將氫氣壓縮，為此需消耗較多的壓縮功。一般一個充氣壓力為20MP的高壓鋼瓶貯氫重量只佔1.6%；供太空用的鈦瓶儲氫重量也僅為5%。為提高貯氫量，目前正在研究一種微孔結構的儲氫 裝置，它是一微型球床。微型球系薄壁（1～1Oμm），充滿 微孔（10～100μm），氫氣貯存在微孔中。微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金屬製造。

低溫液氫貯存

將氫氣冷卻到-253℃，即可呈液態，然後，將其貯存在高 真空的絕熱容器中。液氫貯存工藝首先用於宇航中，其貯存成本較貴，安全技術也比較複雜。高度絕熱的貯氫容器是研究的重點。一種間壁間充滿中孔微珠的絕熱容器已經問世。這種二氧化硅的微珠直徑約為30～150μm，中間是空心的，壁厚l～ 5μm。在部分微珠上鍍上厚度為1μm的鋁。由於這種微珠導熱係數極小，其顆粒又非常細可完全抑制顆粒間的 對流換熱；將部分鍍鋁微珠（一般約為3%～5%）混入不鍍鋁的微珠中可有效地切斷輻射傳熱。這種新型的熱絕緣容器不需抽真空，其絕熱效果遠優於普通 高真空的絕熱容器，是一種理想的液氫貯存罐，美國宇航局已廣泛採用這種新型的貯氫容器。

金屬氫化物貯存

氫與氫化金屬之間可以進行可逆反應，當外界有熱量加給金屬氫化物時，它就分解為氫化金屬並放出氫氣。反之氫和氫化金 屬構成氫化物時，氫就以 固態結合的形式儲於其中。用來貯氫的氫化金屬大多為由多種 元素組成的合金。世界上已研究成功多種貯氫合金，它們大致可以分為四類：一是 稀土鑭鎳等，每公斤鑭鎳合金可貯氫153L。二是鐵一鈦系，它是目前使用最多的貯氫材料，其貯氫量大，是前者的4倍，且價格低、活性大，還可在常溫常壓下釋放氫，給使用帶來很大的方便。三是鎂系，這是吸氫量最大的金屬元素，但它需要在287℃下才能釋放氫，且吸收氫十分緩慢，因而使用上受限制。四是釩、鈮、鋯等多元素系，這 類金屬本身屬稀貴金屬，因此只適用於某些特殊場合。在金屬氫化物貯存方面存在的主要問題是：貯氫量低，成本高及釋氫溫度高。因此進一步研究氫化金屬本身的化學物理性質，包括平衡壓力一溫度曲線、生成食轉化 反應速度、化學及機械穩定性等，尋求更好的貯氫材料仍是 氫能開發利用中值得注意的問題。帶金屬氫化物的貯氫裝置既有固定式也有移動式，它們既可作為氫燃料和氫物料的供應來源，也可用於吸收廢熱，儲存太陽 能，還可作氫泵或氫壓縮機使用。

氫氣的運輸

氫雖然有很好的可運輸性，但不論是氣態氫還是液氫，它們在使用過程中都存在著不可忽視的特殊問題。首先，由於氫特別輕，與其他燃料相比在運輸和使用過程中單位 能量所佔的體積特別大，即使液態氫也是如此。其次，氫特別容易泄漏，以氫作燃料的汽車行駛試驗證明，即使是真空密封的氫燃料箱，每24h的泄漏率就達2%，而汽油一般一個月才泄漏1%。因此對貯氫容器和輸氫管道、接頭、閥門等都要採取特殊的密封措施。第三，液氫的溫度極低，只要有一點滴掉在皮膚上就會發生嚴重的凍傷，因此在運輸和使用過程中應特別注意採取各種安全措施。

沼氣發酵又稱厭氧消化，是指各種有機物在一定的水分、溫度、厭氧條件下，被各類 沼氣發酵微生物 分解轉化，最終生成沼氣的過程。

(說明：① I、I I為三階段理論，②I、II、II、IV、為四類群理論 )

沼氣發酵過程的液化階段

用作沼氣發酵原料的有機物種類繁多，如禽畜糞便、作物秸稈、食品加工廢物和廢水，以及酒精廢料 沼氣發酵中食物鏈和 能量分配圖等，其主要化學成分為多糖、蛋白質和脂類。其中多糖類物質是發酵原料的主要成分，它包括 澱粉、纖維素、半纖維 素、果膠質等。這些複雜有機物大多數在水中不能溶解，必須首先被發酵細菌所分泌的胞外酶水解為可溶 性糖、肽、氨基酸和 脂肪酸后，才能被 微生物所吸收利用。發酵性細菌將上述可溶 性物質吸收進入細胞后，經過 發酵作用將它們轉化為乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇類及一定量的氫、二氧化碳。在沼氣發酵測定過程中，發酵液中的乙酸、丙酸、丁酸總量稱為中揮發酸(TVA)。蛋白質類物質被發酵性細菌分解為 氨基酸，又可被細菌合成細胞物質而加以利用，多餘時也可以進一步被分解生成脂肪酸、氨和 硫化氫等。蛋白質含量的多少，直接影響沼氣中氨及硫化氫的含量，而氨基酸分解時所生成的有機酸類，則可繼續轉化而生成 甲烷、二氧化碳和水。脂類物質在細菌脂肪 酶的作用下，首先水解生成甘油和脂肪酸，甘油可進一步按糖代謝途徑被分解，脂肪酸則進一步被 微生物分解為多個乙酸。

沼氣發酵過程的產酸階段

產氫產 乙酸菌 發酵性細菌將複雜有機物分解發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。

耗氫產 乙酸菌 耗氫產乙酸菌也稱同型乙酸菌，這是一類既能自養生活能異養生活的混合營養型細菌。它們既能利用 Hz+c0z生 成 乙酸，也能 代謝產生乙酸。通過上述微生物的活 動，各種複雜有機物可生成有機酸和Hz/c0z等。

沼氣發酵過程中的產甲烷階段

產甲烷菌的類群 產甲烷菌包括食氫產甲烷菌和食乙酸產甲烷菌兩大類群。在沼氣發酵過程中，甲烷 的形成是由一群生理上高度專業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 食物鏈中的最後一組成員，盡 管它們具有各種各樣的形態，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。已知的甲烷產生過程由以上兩組不同的產甲烷菌完成。