La digestión anaerobia es un proceso biológico en el cual se produce la degradación de materia orgánica compleja en ausencia de oxígeno. Más concretamente, se degradan los carbohidratos, proteínas y lípidos, en productos más simples en una serie de reacciones encadenadas que son realizadas por una población heterogénea de microorganismos bacterianos (Figura 1.11) a un pH en torno a 6,5-7,5. Como se muestra en la Figura 1.11, la digestión anaerobia de cualquier sustrato orgánico puede dividirse en cuatro fases, siendo estas la fase hidrolítica, acidogénica, acetogénica y por último, metanogénica.
- Hidrólisis: etapa en la que los biopolímeros insolubles que conforman la materia orgánica son metabolizados a sus componentes monoméricos mediante exo-enzimas (celulasas, amilasas, lipasas, y proteasas) excretadas por bacterias fermentativas que conforman los lodos anaerobios. Esta etapa puede resultar limitante cuando la biomasa empleada como sustrato de la digestión está compuesta por polímeros complejos, como es el caso de materiales lignocelulósicos (Čater et al., 2015) o microorganismo fotosintéticos (micro y macroalgas) (González-Fernández et al., 2015). Esta etapa se realiza por bacterias hidrolíticas, encargadas de la ruptura de los polímeros y la solubilización del material particulado.
- Acidogénesis: durante esta fase se produce la fermentación microbiana de los aminoácidos, azucares monoméricos y la β-oxidación de los ácidos grasos, que son transformados a compuestos intermedios o ácidos grasos volátiles (AGV) (acetato, butirato, propionato, lactato, etc), así como la producción de CO2 y H2. Las bacterias
involucradas en esta etapa son bacterias fermentativas, las cuales tienen un crecimiento rápido y toleran pH más bajos (5-6) (Stamatelatou et al., 2011).
- Acetogénesis: en esta etapa tiene lugar la oxidación anaerobia de los productos intermedios (AGVs) a acetato, CO2 y H2 por los microorganismos acetogénicos. En
dependen de la acción de otro grupo de bacterias para realizar la degradación de estos compuestos. Son metabólicamente activas cuando la presión parcial de hidrógeno en medio es baja, dado que este resulta tóxico para ellas, y dependen, por tanto de la acción de otras especies que empleen el H2 producido (Stamatelatou et al.,
2011). Si la presión parcial de hidrógeno aumenta, se produce la inhibición de las bacterias acetogénicas a pesar de que el H2 es un producto derivado de su propio
metabolismo. De este modo, la acción sintrófica con otras especies que emplean este hidrógeno ayuda a mantenerlo en baja concentración. Las bacterias involucradas en el proceso de acetogénesis suelen tener tiempos de duplicación lentos, del orden de días (Stamatelatou et al., 2011).
- Metanogénesis: esta última fase es llevada a cabo por archaeas y se produce la formación de CH4 mediante dos posibles vías: por transformación del acetato en CH4 a
través de microorganismos metanógenos acetoclásticos, o a partir del H2 y el CO2
realizado por los metanógenos hidrogenotrófos. Aproximadamente, un 70% de la producción de CH4 durante la digestión anaerobia viene principalmente dela vía
acetoclástica (Conrad, 2007). En casos en que la materia orgánica es fácilmente degradable, esta es la etapa limitante del proceso dado el lento crecimiento de este grupo de microorganismos y la posibilidad del lavado de las archaeas en el reactor cuando los tiempos de retención son menores que la tasa de duplicación de los mismos (Lee et al., 2011).
Las bacterias que intervienen en el proceso anaerobio, especialmente las archaeas productoras de CH4, son altamente sensibles a las condiciones ambientales
dentro del reactor. Más concretamente, los factores que afectan en mayor medida a la digestión anaerobia son:
- Temperatura: la temperatura óptima de operación de un digestor anaerobio viene determinado por la temperatura de crecimiento de los microorganismos que componen ese lodo. Se pueden clasificar en organismos psicrófilos (cuando su temperatura óptima de crecimiento es inferior a 25 ºC), mesófilos (cuando crecen entre 25-45 ºC) o termófilos (cuando su temperatura óptima de crecimiento es superior a 45 ºC) (Yenigün y Demirel, 2013). El proceso en el rango mesófilo es el más empleado puesto que emplea menos energía para el calentamiento del reactor anaerobio. Cuando se emplean menores temperaturas (psicrófilo), la tasa de hidrolisis del sustrato disminuye, limitando así la eficiencia del proceso (Vavilin et al., 1997). Por otro lado, la digestión anaerobia termófila se considera un proceso más eficiente en términos de eliminación de materia orgánica, y producción de energía, con el beneficio adicional de reducir en mayor medida el contenido de patógenos que en el proceso mesofílico. Sin embargo, los sistemas termofílicos son más propensos a acumular AGVs y más susceptibles ante cambios operacionales (Banks y Heaven, 2013). Además, son más sensibles a altas concentraciones de nitrógeno (Angelidaki y Ahring, 1994) ya que la disociación a NH3 está muy influenciada por el incremento del pH y la
temperatura.
- Nutrientes: durante el proceso de digestión anaerobia se requieren una serie de macro y micro nutrientes para garantizar el crecimiento de los microorganismos anaerobios. En cuanto a los macronutrientes, la concentración en que se encuentran disponibles ciertos elementos como el carbono y nitrógeno es de suma importancia para el correcto funcionamiento y estabilidad del proceso. De este modo, la relación óptima C/N del sustrato a degradar debe situarse en torno a 20-30 (Yen y Brune, 2007) y la relación de N/P se encuentra entre torno a 5 (Bohutskyi y Bouwer, 2013; Drosg et al., 2013). El nitrógeno y fósforo forman parte de proteínas y ácidos nucleicos de las microalgas y por lo tanto, su aporte está asegurado al emplear biomasa algal como sustrato para la producción de biogás.
En lo referente a los micronutrientes, son necesarios algunos metales tales como hierro, níquel, cobalto, puesto que forman parte de enzimas involucradas en el metabolismo de las bacterias anaerobias (Choong et al., 2016).
- Ácidos grasos volátiles: Son los productos finales generados en la etapa de acidogénesis, entre los cuales se encuentran principalmente el ácido acético, propionato y butírico (Stamatelatou et al., 2011). Son productos intermedios del proceso y su acumulación se considera como un indicador de desequilibrio en el reactor, pudiendo derivar en un mal funcionamiento del proceso (Stamatelatou et al., 2011). Su aumento suele ser indicativo de un exceso en la carga orgánica alimentada al reactor o bien por una acumulación de NH4+ (Mahdy et al., 2015a) que pueden
conducir a la disminución del pH e inhibición de las bacterias metanógenas (Franke- Whittle et al., 2014).
- Tiempo de retención hidráulico (TRH): se define como el tiempo que el influente permanece en el reactor, es decir el tiempo durante el cual la materia orgánica empleada como alimentación se encuentra en contacto con los microorganismos anaerobios. El aumento del TRH se traduce en un mayor tiempo de degradación y, por tanto, en un aumento del coste energético para llevar a cabo la digestión anaerobia. Este parámetro debe ajustarse en función de las necesidades del sistema anaerobio, determinadas por el tipo de materia orgánica a degradar, el tipo de reactor empleado, las condiciones de digestión, etc. El objetivo es emplear bajos TRH para tratar mayor cantidad de materia orgánica en menor tiempo y por tanto, reducir el coste económico maximizando la producción del biogás.
- Carga orgánica (VCO): se define como la carga de materia orgánica suministrada en el influente por unidad de volumen del reactor y tiempo. Si la carga orgánica empleada para alimentar el reactor anaerobio supera la tasa de producción de CH4 de la población de metanógenas, puede conducir a una acumulación de AGV,
disminuyendo el pH e inhibiendo el proceso. En el caso contrario, resultaría en una baja producción de biogás debido a una baja actividad de microorganismos anaerobios (González-Fernández y García-Encina, 2009). La carga de biomasa que puede emplearse depende del tipo de reactor empleado. Por ejemplo, en reactores de agitación continua (CSTR) se utilizan cargas de 1-6 g DQO ·L-1 ·día-1, mientras que en reactores de flujo ascendente (UASB) se emplean rangos entre 5 y 30 g DQO ·L-1·día-1 (González-Fernández et al., 2015), habituales en la digestión anaerobia de microalgas.
- Tóxicos: Existen varios compuestos químicos que pueden resultar tóxicos para el proceso de digestión y, por tanto, inhibir el proceso. Por ejemplo, el oxígeno es un elemento inhibitorio para las bacterias metanógenas estrictamente anaerobias, mientras que las bacterias hidrolíticas y acidogénicas son microorganismos tolerantes a su presencia (Stamatelatou et al., 2011). De forma análoga, concentraciones altas de sales, como NaCl, pueden resultar inhibitorias para la producción de CH4.
Concentraciones por encima de 8-10 g·L-1 se ha demostrado que son inhibitorias para inóculos que no han sido aclimatados (Anwar et al., 2016; Lefebvre et al., 2007). La presencia de metales pesados puede ser también un elemento causante de toxicidad cuando superan ciertos límites de concentración como por ejemplo Fe, Zn, Ni, Co, Mo o Cu (Chen et al., 2008).
El hidrógeno puede ser otro agente tóxico ya que su concentración afecta a la degradación de AGVs, pudiendo provocar su acumulación ya que se produce inhibición de las bacterias acetogénicas, que trabajan a presiones parciales de hidrógeno bajas (Fukuzaki et al., 1990).
El sulfato presente en el sustrato puede ser reducido en los digestores anaerobios dando lugar a sulfuros por parte de las bacterias sulfato-reductoras (SRB). La presencia de estos compuestos puede dar lugar a inhibición de los microorganismos anaerobios, bien por la competición de las SRB por el sustrato o por la toxicidad producida por los propios sulfuros (Chen et al., 2008). Existe discrepancia en la literatura con respecto a los niveles de azufre requeridos para la inhibición de la metanogénesis, estando este en el rango de 100-800 mg·L-1 para su forma disociada o de 50-400 mg·L-1 en su forma no disociada (H2S) (Colleran et al., 1995).
El NH3 es posiblemente uno de los inhibidores del proceso de digestión anaerobia más
frecuentemente mencionado (Angelidaki y Ahring, 1993; Robbins et al., 1989; Yenigün y Demirel, 2013). Su papel cobra especial relevancia cuando se emplean sustratos cuya materia orgánica contiene altas cantidades de proteínas (como ocurre en muchos casos al emplear microalgas como sustrato) (González-Fernández et al., 2011a; Mahdy et al., 2014a; Mendez et al., 2013). El equilibrio del NH4+ puede desplazarse a
NH3 en función del pH (Ec. 2). La concentración de NH4+ que las bacterias
metanógenas pueden tolerar varía entre 1,5-1,7 g·L-1 (Koster y Lettinga, 1984). El NH3
celular (Rajagopal et al., 2013; Yenigün y Demirel, 2013). Los mecanismos por los cuales el NH3 causa toxicidad están relacionados con el desequilibrio del pH
intracelular, deficiencia de potasio e inhibición de enzimas involucradas en el metabolismo (Bohutskyi y Bouwer, 2013). La concentración mínima de NH3 que resulta
inhibitoria del proceso de digestión anaerobia se encuentra en el rango 150-300 mg·L-1 (Braun et al., 1981; Yenigün y Demirel, 2013). Sin embargo, existe la posibilidad de aclimatar o adaptar a las poblaciones metanógenas, siendo así capaces de tolerar concentraciones de estos compuesto de hasta 3-4 g·L-1 nitrógeno amoniacal total (TAN) (Mahdy et al., 2017; Sung y Liu, 2003).