沼气生产中的奥秘黑盒

全球的能源需求自工业化时代伊始便呈迅疾增长之势，而且未来仍会大幅提高。当前约90%的能源需求均来源于化石燃料。然而根据可靠估算，50年后石油、煤炭和天然气资源的剩余储量将难以满足能源需求。同时，对化石燃料高强度的开采利用还会导致大量的二氧化碳进入大气层中。沼气政策旨在扩大可再生能源的利用以保护大气环境，并通过可持续的能源产出保障供给。将沼气作为不排放CO2的、能够产生电流和热力的可再生能源载体。

截至2011年底，德国共有7300座沼气设备投入运行（如图1所示），累计产生电能3000MW，相当于2.5座核电站的发电量，产生的余热还可用于热站供热。相对于其他可再生能源，沼气具有更多的优点。该政策旨在提高生物量生产沼气的规模。政府计划：到2020年沼气生产量达到60亿m3/年，到2030年有100亿m3沼气储存于天然气管网中，这意味着必须将现有的生物质转化流程加以扩展和优化。

图1. 带发酵罐和后续发酵的沼气设备。

生物质发酵生成沼气

沼气设备通常由一个发酵罐（发酵器）、一个二次发酵罐以及终端储存罐组成（如图1所示）。当前德国主要采用动物粪便（45%）和专门种植的能源型植物（46%）用作沼气设备中的转化基质，此外还有生物废料（7%）以及工业和农业的剩余物料（2%）投入应用。在热电联产发电站（BHKW）中，借助沼气燃烧的内燃机推动发电机的运行，产生的废热还可用于热力站供热。此外，将沼气输入至天然气管网以提高其在混合能源中比例的预处理工艺，对能源供应的保障具有重要意义（如图2所示）。

图2. 沼气制备和利用的流程图。

沼气发电厂是通过对各种微生物的活性来实现将生物质转化为沼气的（如图3所示），产生的初级沼气是由甲烷（50~75%）、二氧化碳（25~45%）、水蒸气（2~7%）以及微量气体（N2,NH3,H2S，H2）所组成的混合物。从生物质形成沼气是一种包含各种微生物共同作用的复杂过程。该过程可划分为4个相互依存的步骤（如图3所示）。在第1步水解过程中，复杂的有机化合物（多糖、脂肪和蛋白质）分解为糖、氨基酸和脂肪酸等较为简单的化合物；其他微生物族群则于酸化过程中将化合物发酵成为有机酸和醇类以及副产物氢和二氧化碳（初级发酵）；第3步可标示为乙酸化过程（二级发酵），产生乙酸、氢和二氧化碳；最后一步则是生产沼气的甲烷化过程，甲烷的制造者属于古细菌组群，它们将此前几步的最终产物转化为甲烷和二氧化碳，作为沼气进一步加以利用。甲烷为沼气中可燃性部分，其他无法被微生物进一步降解的发酵残渣，则可用作耕地肥料。

沼气设备中的过程控制

沼气生产过程分析中，要掌握沼气设备中发酵物质的多种参数，如pH值、缓冲容量、挥发性有机酸、微量元素、氨以及（有机）干燥物质。这些具定位作用的参数都是实际的研究对象，能通过不同的分析方法为沼气设备运营者提供沼气生产的机会，重要的特征数据（如气体的产生和组成）决定了发电站的生产效率。而哪种反应或者哪些参数是限制沼气生产速率的瓶颈，则成为了备受争议的问题。通过促进其生化作用，能够对整个沼气生产过程予以优化，从而提高总产量和单位时间内的电流产率。

对速度具有限制作用的是甲烷化过程，形成甲烷的微生物根据其基质光谱可划分为两个生物组。其共同之处在于，对其能量物质的交换无需复杂的有机化合物（如葡萄糖）和氧气，且能从二级发酵追溯到最终产物。甲烷形成者的一个大组利用了氢气和二氧化碳（有几种类别还利用甲酸）作为甲烷生产的底料。制造甲烷的古细菌的第2组具有较复杂的能原物质代谢，除氢和二氧化碳之外，还有简单的甲基化化合物（甲基噻吩或者甲基胺）或乙酸可用于甲烷的形成。对经济有重要意义的是甲烷八叠球菌属和甲烷鬃菌属等能够将乙酸转变为甲烷的独特菌属，其对全球大部分采用生物学途径生产的甲烷以及由此产生的温室效应负有责任。由此可知，在沼气设备中由乙酸生成甲烷便成为主导方法了。

图3. 沼气设备微生物作用步骤的示意图。

从微生物到酶

科研人员已在过程分析、物理化学参数以及沼气设备中特种生物种属的组成方面做了许多研究。但重要的参数却仍未进行充分的研究。因此沼气设备往往被视为只知其然不知其所以然的“黑盒”，对其详细过程并无深入细致的了解。虽然对于有机物料厌氧降解的不同类型的基础代谢已经清楚，但所涉及有机物类典型菌种的微生物纯培养，而通常情况下沼气设备中并非涉及典型菌种，而是非特性化应用的或者完全未知的微生物，人们对其在沼气设备中的催化活性知之甚少。准确地了解生化进程和沼气设备中的微生物的需求，将有助于避免气体生产中的副作用，预防生产过程的事故。

上述问题已列入德国教研部（BMBF）支持的研究项目Bio-Para中，项目的重点在于通过对关键酶活性的量化，对生物聚合物转化为CH4和CO2的过程进行深入研究，并针对沼气-微生物集群进行基因组的研究。研究的开端围绕着一系列参数的测定。科研人员拟进行旨在确定生物多样性的特定种群和宏基因组范围的分析，并通过宏基因组和宏转录组以及元蛋白质组分析来研究基因表达谱和酶产物，以掌握尽可能多的生物参数及其在沼气设备中与产物效率的相关性。科研人员还计划开发新型传感器，显示关键酶的活性，以便在设备产率降低前就能检测微生物导致的生产故障。

小结

本文研究的焦点在于对乙酸降解生产甲烷从而在沼气生产过程中起关键作用的古细菌，特别是要研究该有机物组群在沼气生产中的代谢活性，同时有针对性地分析其基质和产物以及对甲烷形成活性作为抑制剂和活化剂的单个关键性酶。此外还要借助于定量PCR和蛋白质印迹法来掌握信使核糖核酸转录和蛋白质，以此获得物质代谢选择性的广泛而准确的描述，以及能够跟踪在沼气设备中形成甲烷的各步骤中酶的特征。此外，还要查明一些生产过程局限性的原因，以便尽可能建立起对应的措施。开发改善基质物流的战略，提高沼气设备的生产效率。

生物质生成沼气的优点

沼气生产及其发电可不受气候条件、日常性或季节波动的制约，这意味着沼气可用于电流需求的固定负荷中。还可将沼气经由预处理后供应到天然气管网之中。该技术可从时间和空间分别进行沼气的生产和利用。