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沼气发酵过程，实质上是微生物的物质代谢和能量转换过程。在分解代谢过程中沼气微生物获得能量和物质，以满足自身生长繁殖，同时大部分物质转化为甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）。科学测定分析表明：有机物约有90%被转化为沼气，10%被沼气微生物用于自身的消耗。发酵原料生成沼气是通过一系列复杂的生物化学反应来实现的，从有机物质进入沼气池到产出沼气经历了“（液化）水解→产酸→产甲烷”三个阶段。即：
复杂有机物细菌分解简单的有机酸、醇、CO2、H2等产甲烷细菌作用甲烷
→碳水化合物 →单糖类 →低级脂肪酸类（主要是乙酸）
发酵原料→ 蛋白质 →肽、氨基酸类 →醇、酮、醛等 →甲烷
沼气发酵
→脂 肪 →脂肪酸类、甘油 →氢气、二氧化碳 →二氧化碳
液化阶段 产酸阶段 产甲烷阶段
一、液化阶段 即水解阶段 。一些微生物的胞外酶，如纤维素酶、淀粉酶、蛋白质酶和脂肪酶等，对有机物质进行体外酶解，把固体有机物转变成可溶于水的物质。如将多糖水解成单糖或二糖，蛋白质分解成多肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和脂肪酸。这些分子量较小的可溶性物质就可以进入微生物细胞之内被进一步分解利用。
二、产酸阶段 各种可溶性物质（单糖、氨基酸、脂肪酸），在纤维素细菌、蛋白质细菌、脂肪细菌、果胶细菌胞内酶作用下继续分解转化成低分子物质，如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等简单的有机物质；同时也有部分氢（H2）、二氧化碳（CO2）和氨（NH4）等无机物的释放。但在这个阶段中主要的产物是乙酸，约占70%以上，所以称为产酸阶段。参加这一阶段的细菌称之为产酸菌。
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