Metanogenesis especifica

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En la Figura 2.1 se muestra esquemáticamente las distintas fases del proceso de digestión anaeróbica, los microorganismos que intervienen en cada una de ellas y los productos intermedios generados.

[pic 1]

El gas inflamable metano es el producto del metabolismo de generación de energía de la metanogénicas Archaea. La mayor parte de la metanogénesis en la tierra se produce en hábitats anaerobios donde intermedios en la descomposición de materia orgánica se convierten en metano. Se puede observar la acumulación de metano en sedimentos en el experimento de Volta.

Algunos metanogénesis en la tierra hoy en día (y tal vez la mayor parte de la tierra antigua) se encuentra en hábitats geotérmicos tales como las fuentes hidrotermales. En el diagrama de la metanogénesis a continuación, se muestra la vía con hidrógeno y dióxido de carbono o con formiato.

[pic 2]

- Hidrólisis. Este término indica la conversión de compuestos orgánicos complejos e insolubles (polisacáridos, proteínas y lípidos) en otros compuestos más sencillos y solubles en agua como los azúcares, los aminoácidos, los ácidos grasos y los alcoholes. Esta etapa es fundamental para suministrar los compuestos orgánicos necesarios para la estabilización anaerobia en forma que puedan ser utilizados por las bacterias responsables de las etapas siguientes.

La ecuación muestra un ejemplo de una reacción de hidrólisis, donde los residuos orgánicos se descomponen en un azúcar simple, en este caso, la

Glucosa.

C6H10O5 + 2H2O → C6H12O6 + 2H2

- Fermentación Ácida (Acidogenesis). Los compuestos orgánicos sencillos generados en la etapa anterior son utilizados por las bacterias generadoras de ácidos, como resultado se produce su conversión en ácidos orgánicos volátiles, fundamentalmente en ácidos acético, propiónico y butírico.

Estas ecuaciones representan tres reacciones acidogénesis típicas en las que la glucosa se convierte en etanol, propionato y ácido acético, respectivamente.

C6H12O6 ↔ 2CH3CH2OH + 2CO2

C6H12O6 + 2H2 ↔ 2CH3CH2COOH + 2H2O

C6H12O6 → 3CH3COOH

Esta etapa la pueden llevar a cabo bacterias anaerobias o facultativas. Hay una gran variedad de bacterias capaces de efectuar la etapa de formación de ácidos, y además esta conversión ocurre con gran rapidez.

- Acetogenesis. Los productos de fermentación son convertidos a acetato, hidrógeno y dióxido de carbono. El hidrógeno juega un papel de intermediario importante en este proceso, ya que la reacción sólo se producirá si la presión parcial de hidrógeno es lo suficientemente bajo para permitir que termodinámicamente la conversión de todos los ácidos. Tal disminución de la presión parcial se lleva a cabo por las bacterias eliminadoras de hidrógeno, por lo tanto la concentración de hidrógeno de un digestor es un indicador de su salud. Ecuación 1 representa la conversión de propionato de etilo, sólo es alcanzable a baja presión de hidrógeno. La glucosa (Ecuación 2) y etanol (Ecuación 3), entre otros también se convierten a acetato durante la tercera etapa de la fermentación anaeróbica.

CH3CH2COO- + 3H2O ↔ CH3COO- + H+ + HCO3- + 3H2 (1)

C6H12O6 + 2H2O ↔ 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2 (2)

CH3CH2OH + 2H2O ↔ CH3COO- + 2H2 +H+ (3)

4. Metanogénesis. Una vez que se han formado ácidos orgánicos, y acetato, una nueva categoría de bacterias entra en acción, y los utiliza para convertirlos finalmente en metano y dióxido de carbono. El metano es un gas combustible e inodoro, y el dióxido de carbono es un gas estable, que forma parte de la atmósfera.

Esta fase de la depuración anaerobia es fundamental para conseguir la eliminación de materia orgánica, ya que los productos finales no contribuyen a la DBO5 o DQO del medio.

A diferencia de lo que ocurría con la fase acidogénica, hay pocos microorganismos capaces de desarrollar la actividad metanogénica, su metabolismo es más lento y además, son mucho más sensibles a distintas condiciones ambientales.

Los productos finales de la degradación son:

- Metano

- Bióxido de Carbono

- Ácido sulfhídrico

- Agua

De los dos grupos de bacterias referidos anteriormente, las bacterias “formadoras de metano” son las más importantes para el proceso anaerobio.

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El contenido de agua de estas diversas materias primas varía entre 10 a 90% del peso fresco del residuo, dependiendo de la edad y órgano del residuo, formas de obtención. Los componentes orgánicos de estos residuos son variados y corresponden aproximadamente a un 50% del peso fresco, en función del contenido de agua y de las cenizas. Los principales grupos que se distinguen son (Tabla 3.2): carbohidratos (50% del total de la materia orgánica seca), compuestos nitrogenados (20%), lignina (10 a 40%) y el resto fracciones como cera, resinas, grasas. La composición promedio de la materia orgánica seca es: 48%C; 44%O; 7%H; 2%N. Los minerales presentes como (Tabla 3.3) calcio, potasio, magnesio, fósforo, azufre y elementos trazas son del orden de 1 a 10% del peso seco.

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- Bacterias que participan de la hidrólisis

Los microorganismos de muchos géneros son los responsables de la hidrólisis. Entre estos destacan: Bacteroides, Lactobacillus, Propioni- bacterium, Sphingomonas, Sporobacterium, Megasphaera, Bifidobacterium

- Bacterias que participan de la acidogénesis

La mayoría de los microorganismos acidogénicos también participan de la hidrólisis. El género Clostridium, Paenibacillus y Ruminococcus están presentes en todas las fases del proceso de fermentación, pero son dominantes en la fase acidogénica.

El grupo Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides representa el segundo grupo más grande de microorganismos durante las dos primeras fases de la descomposición. Sin embargo, en la fase

metanogénica representan menos del 5%