厌氧甲烷生产过程中的质量和能量守恒

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1、厌氧甲烷生产过程中的质量和能量守恒摘要：研究了微生物生产过程中的质量和能量守恒机理，尤其是关于厌氧甲烷生产过程中的守恒机理。描绘了生物工程参数的相互作用如基质质量、可生物降解性和复杂的有机废物基质在厌氧处理过程中的生物降解效率。并将此种方法应用于工业实例。急速攀升的能源价格影响了很多方面，如能源的合理消耗和二次能源的探寻。在农业上，多余的废水如泥浆、肥料、家禽的粪便等会用来厌氧处理来生产甲烷作为能源。甲烷生产技术的效率依赖于以下几个方面：工艺条件（pH、温度等）微生物种类、基质的类型和它的品质、可降解性等。合理的管理过程决定了

2、厌氧消化过程中的基本工艺参数，然后以此评价厌氧的品质和复杂有机基质的可生物降解性和评估整个生物过程中的生物学效率。Buswell和Mueller在1952年描述了甲烷生产过程中的化学计量关系：然而，这个公式不包括化学态的氮元素的的效果，这会对厌氧过程产生消极的影响。然而，废水中化合态的氮的含量是相当大的而且含量是一直变化的。氮含量的上升会引起收率系数的下降，以上的平衡通过氮元素和其他元素来增补。进一步完善了Buswell的化学方程式如下：Boyle:Minkevich和Eroshin（1973A，B）推导出宏观通式镜下质量-微

3、生物的过程，也可以使用的能量平衡导出厌氧过程的平衡。他们补充了基本质量平衡的离子平衡（Fe3+，SO32-，NO2-，H2PO4-等）;离子行为作为供体或自由电子在氧化还原反应的受体，从而影响明显的屈服系数YCH4/S，例如在硫的还原硫化氢。它们基于其计算的事实是，在氧化还原反应中的C，H，P和Fe捐赠，分别为，4，1，5和3个电子，而O，N和S是2,3和2的电子（维生素c），分别为受体。电子受体负面结合这些发酵过程的影响电子;每个基板YCH4/S的甲烷产率系数后减小。氧化还原的一般的基板的转换的电子天平式CnHaObNz然后

4、由术语4n+1a-2b-3z描述其中，称为1c原子，表示所谓的还原性的程度一个基板γ或者，换句话说，在有机材料中提供电子的等效简称为1克碳原子。式意味着，氮气，作为受体在氧化还原反应的电子，具有负效应和更高水平的氮化合物降低了产量系数。在较高浓度的情况下其它元素（P，Fe，S等）可以充当电子给体或在氧化还原底物的转化受体，所述电子天平的组成由这些元素补充。但是，氮的含量，并氧作为电子受体是有机材料是压倒性的和平衡是令人满意的，即使它包含仅含有C，H，N和O。因此厌氧降解葡萄糖的质量-能量平衡，9可以被写成如下形式还原的程度是最

5、大的CH4（γ=8）和最小C02（γ=0）。所有的有机底物还原的程度属于由两个限制给定的范围内。然而，产率系数取决于C在有机衬底和在产品中的质量分数，由定义为其中M是摩尔质量;产物或者代表的自由电子的数量表一纯有机基质参数基质最简化学式rσYYexpη引用甲酸HCOOHCH2O22.00.2610.0869---醋酸CH3COOHCH2O4.00.4000.2670.250+0.00597.0+2甲醇CH3OHCH4O6.00.3750.37500.375100乳酸CH3CHOHCOOHCH2O4.00.4000.2670--

6、-葡萄糖C6H12O6CH2O4.00.4000.26700.26499.0蔗糖C12H22O11CH1.83O0.9174.00.4210.2500---淀粉（C6H10O5）nCH1.667O0.8334.00.44440.29630.24783.4纤维素（C6H10O5）nCH166.7O0.8334.00.44440.29630.0563+0.00919.0+39表Ⅱ：氨基酸的参数基质化学式γσY（CH4/s）理论值g/g亮氨酸CH2.17O0.333N0.1675.0000.5490.450赖氨酸CH2.333O0.

7、333N0.3334.6670.4930.384每个基质或者产物的摩尔质量能够用于计算每克基质产生甲烷的理论产量系数知道Y的实验值后，我们能够计算出厌氧过程中的生物效率在葡萄糖Yexp=0.264g/g的条件下，η=99%。基质和产物的γ和σ的值可以由质量和能量平衡以及产量系数YCH4/s的理论实验值进行测定，可以评估基质的质量、生物降解能力和过程中的生物效率；这些值可以用于基质的选择，模拟一个必需的C:N:O的比例。表Ⅰ显示了一些纯有机基质的特征，这些中间体在厌氧降解中形成或者用在实验室研究规模的厌氧过程的动力学。热镀不溶混

8、性γ的程度，例如甲酸，乙酸和甲醇的发现不同于2的因子，因此，甲醇是最合适的基质。该产品γσ值是最有利于甲醇（2.25）和Y（CH4/s）的理论值。另一方面，乙酸、乳酸和葡萄糖的比较表明，所有三种化合物具有相同的还原度和产量的系数，但是，对于一个C元素来说，乙酸是葡萄糖或乳酸的