メタンガスはどのように発酵していますか。
メタンガス発酵過程は、実は微生物の物質代謝とエネルギー転換過程である。代謝を分解する過程でメタンガス微生物はエネルギーと物質を得て、自分の成長繁殖を満たすと同時に、大部分の物質はメタンと二酸化炭素に転化した。科学的な検査分析により、有機物質の約90%がメタンガスに変換され、10%がメタンガス微生物によって自身の消費に使用されていることが明らかになった。発酵原料からメタンガスを生成することは、一連の複雑な生物化学反応によって実現される。
有機物質がメタンガスに転化するには3段階が必要である
ほとんどの有機物質は嫌気的に分解してメタンガスを生成することができる。固体形状有機物質のメタンガスへの変化は液化、酸産生、メタン産生の3段階に分けることができる。
一つは液化段階である。液化段階は加水分解段階とも呼ばれ、この段階は微生物の作用の下で水に溶けない固体形状の有機物質を水に可溶な物質に転換する。多くの微生物は各種のエキソメラーゼを分泌することができ、エキソメラーゼの作用の下で、固体形状有機物質は分子量の小さい可溶性物質に加水分解される。セルラーゼ、アミラーゼ、蛋白質酵素、リパーゼなどのように、有機物質を体外酵素分解することによって、多糖類を単糖類または二糖類に加水分解し、蛋白質をポリペプチドとアミノ酸に分解し、脂肪をグリセリンと脂肪酸などに分解する。これらの分子量の小さい可溶性物質は、微生物細胞内に入り込んでさらに分解利用することができる。
第二に、酸生産段階である。液化段階で生成された各種可溶性物質（単糖、アミノ酸、脂肪酸）は細胞内に入った後、セルロース細菌、タンパク質細菌、脂肪細菌、ペクチン細菌などの各種細菌細胞内酵素の作用の下で分解代謝を続け、酪酸、プロピオン酸、酢酸、アルコール、ケトン、アルデヒドなどの簡単な有機物質に転化した。この段階では主に各種の揮発性脂肪酸が生成され、最も主要な生成物は酢酸で約70%以上を占め、同時に一部の水素、二酸化炭素、アンモニアと少量の他の生成物もある。だからこの段階を酸発生段階と呼ぶ。
液化段階と酸生成段階は連続と交差の過程である。嫌気性条件下で、多種の微生物の協同作用を経て、原料中の炭水化物、蛋白質と脂肪などを簡単な小分子化合物に分解し、二酸化炭素と水素を同時に生成する。この2段階は、酢酸、酪酸、アルコール、二酸化炭素、水素などの合成メタンの基質のみを生成し、メタンを生成しないため、メタンを生成しない段階とも呼ばれる。メタンを生産しない段階は原料加工段階と見なすことができ、複雑な有機物質がメタンを生産する細菌に利用できる物質に転換し、メタン菌を生産して生命活動を行う必要を満たす。メタンを生産しない段階で作用する微生物は種類が多く、数量が大きく、発酵原料によって大きな違いがある。その中で専門性嫌気細菌の数が最も多く、兼性嫌気細菌と好気細菌より100〜200倍多く、この段階で主要な役割を果たす菌類である。水素産生細菌はメタンを産生しない段階の微生物の中で非常に重要な菌群であり、中国科学院成都生物研究所はすでにメタンガスプール汚泥から異種と属の水素産生細菌を濃縮し分離することに成功した。
第三に、メタン生産段階である。この段階はメタン産生菌によって完成し、この段階でメタン産生菌は前段階で発生した低分子化合物、例えば酢酸、ギ酸、水素、二酸化炭素をメタンに還元する。
メタンガス発酵の3段階の相互作用
メタンガス発酵過程において、3つの段階は相互依存と連続的に行われ、同時に相互接続と相互制約でもある。具体的には、発酵初期に揮発酸が大量に発生し、揮発酸濃度が急速に増加すると同時に、アンモニア態窒素濃度が急激に上昇した。アンモニア態窒素濃度がピークに達すると、揮発酸濃度が低下し、酸化還元電位が低下し、ガス発生量とガス中のメタン含有量が上昇し、ピークに達する。この連鎖反応が完了してからしばらくの間、PH値、酸化還元電位、ガス発生量、メタン含有量などはほぼ安定していたが、揮発酸濃度は明らかに低下した。この状況は：メタンガス発酵過程において、それぞれの生化学因子に明らかな変化があり、それらは互いに依存し合い、互いに拘束され、基質は絶えず分解され、メタンガスは絶えず形成され、発酵全体を動的平衡状態にする。しかし、メタンガス微生物は環境の変化にも敏感であり、一部の環境要素の変化はバランスに影響を与え、破壊されることもある。例えば：一回の供給が多すぎ、温度が突然2℃を超える変化が発生し、材料液中にある種の有毒物質が入るなどの状況は、酸塩基度、ガス発生量とガス発生成分が変化し、バランスを崩し、ガス発生に影響を与える。しかし、メタンガス微生物は環境にも一定の適応能力を持っており、環境要素の変化が一定の範囲を超えない限り、バランスが崩れても一時的であり、一定の時間の自己調節を経て新たなバランスを達成することができる。このような状況は一般的に人為的な調節を必要とせず、環境要素の変化が微生物の受容能力を超え、動的バランスが破壊されて自分で回復できない場合にのみ、必要な人為的な調節措置をとる必要がある。
固体物質とメタンガス発酵との関係
メタンガス発酵中、液化段階は加水分解反応によって行われ、これらの加水分解反応の多くは一定のエネルギーを必要とする。しかし、多くの場合、メタンガス発酵の液化段階で微生物にエネルギーを提供することができず、固体有機物質の液化進展が遅く、メタンガス発酵の制限速度ステップになることが多い。固体物質の液化の速度はメタンガス生成の速度に直接影響する。固体物質の液化度はガス発生量にも直接影響を与える。多くの発酵原料、特に各種農作物廃棄物原料の中には、固形物の含有量が高く、可溶性成分が少なく、一部の表層にはワックス質があるため、生産上では農作物廃棄物の前処理方法を採用して液化段階の進行を加速し、液化の程度を高めるべきであり、これにより発酵速度を相対的に加速させることができ、メタンガスの生産量を増加させることができる。農作物廃棄物の前処理は粉砕と堆積によって行うことができる。
もちろん、酒粕廃液、合成脂肪酸廃水、豆製品廃液などの発酵原料の中には可溶性有機物質が多く含まれており、池に入って発酵する前に液化段階が完了しており、その発酵速度は非常に速く、滞留期間は数十時間または数時間に短縮できるため、前処理を行う必要もない。