Theo Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt (2009) đã trích dẫn, tổng hợp nhiều nguồn tài liệu khác nhau để khái quát hóa các cơ chế sinh học của quá trình phân hủy yếm. Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp, liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên, ngƣời ta thƣờng đơn giản hóa chúng bằng phƣơng pháp sau đây:
Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + H2S
Quá trình phân hủy yếm khí đƣợc chia thành 3 giai đoạn: lên men
- Giai đoạn 1: Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử (thủy phân và lên men) - Giai đoạn 2: Tạo nên các acid hữu cơ trong đó chủ yếu là acid acetic. - Giai đoạn 3: Tạo methane
4% 28%
76% 52%
72%
Giai đoạn I Giai đoạn II Giai đoạn III
Thủy phân và lên men Tạo axit acetic, H2 Sinh CH4
Hình 2.6 Ba giai đoạn của quá trình lên men kỳ khí (Nguồn: Lê Hoàng Việt, 2003)
Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân
Các chất hữu cơ cao phân tử nhƣ protein, chất béo, carbonhydrates, cellulose, lignin sẽ bị phân hủy bởi các enzyme ngoại bào (sản sinh bởi các vi khuẩn). Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử nhỏ, hòa tan đƣợc sẽ làm nguyên liệu cho các vi khuẩn ở giai đoạn 2.
Các phản ứng thủy phân trong giai đoạn này biến đổi các protein thành các aminacit, cacbohyrate thành các đƣờng đơn, chất béo thành các acid béo chuỗi dài. Tuy nhiên các chất hữu cơ nhƣ cellulose, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản đây là một giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí. Bởi vì lúc đó các vi khuẩn ở giai đoạn 1 sẽ hoạt động chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 2 và 3. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nguyên liệu nạp, mật độ vi khuẩn trong hầm và các yếu tố môi trƣờng nhƣ là pH và nhiệt độ.
Giai đoạn 2: Giai đoạn sinh acid
Các chất hữu cơ đơn giản sản xuất ở giai đoạn 1 sẽ đƣợc chuyển hóa thành acid axetic, H2 và CO2 bởi vi khuẩn Acetic. Tỉ lệ của các sản phẩm này phụ thuộc vào hệ VSV trong hầm ủ và các điều kiện môi trƣờng.
Giai đoạn 3: Giai đoạn sinh methane
Ở giai đoạn này, các nhóm vi sinh vật methane sẽ chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn 2 thành CH4 và các sản phẩm khác. Vi khuẩn methane là những vi khuẩn yếm khí bắt buộc có tốc độ sinh trƣởng chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 1 và giai
24% 20% Chất hữu cơ cao phân tử Acid hữu cơ H2 Acid acetic Methane
đoạn 2. Methane đƣợc sản xuất từ hai cách: các vi khuẩn methane sử dụng acid acetic làm nguyên liệu chính và một số chất khác để sản xuất methane (70% methane đƣợc tạo ra từ đây), methane còn lại đƣợc sản xuất từ CO2 và H2, một ít từ acid formic nhƣng phần này không quan trọng.
Các phản ứng có thể đƣợc biểu diễn qua các phƣơng trình sau: Nguyên liệu CO2 + H2 + acetate
Nguyên liệu propionate + butyrate + ethnol CH3COO- + H2O CH4 + HCO3- + năng lƣợng 4H2 + HCO3- + H CH4 + 3H2O + năng lƣợng