Fundamentos de la Fermentación Metanogénica
La fermentación metanogénica es una biotecnología versátil capaz de transformar a casi todos los tipos de materiales poliméricos orgánicos en metano, dióxido de carbono y otros gases, los cuales conformar el biogás, bajo condiciones anaeróbicas (sin la presencia de oxigeno)!sto se consigue como resultado de la descomposición bio"uímica consecutiva de polímeros orgánicos a biogás en un entorno en el "ue una diversidad de microorganismos, los cuales incluyen microo microorg rgani anismo smoss ferme fermenta ntativ tivos os (agent (agentes es acidog acidogéni énicos cos), ), bacter bacterias ias forma formador doras as de acetato acetato (agentes acetogénicos) y por #ltimo, los más importantes en este proceso, los productores de metano (agentes metanogénicos) $odo este proceso anaeróbico ofrece un medio eficaz de reducción de la contaminación, superior a la alcanzada a través de los procesos aeróbicos convencionales %un"ue practicado durante décadas, el interés por la fermentación anaerobia se &a centrado recientemente sobre su uso en la recuperación económica de gas combustible a partir de excedentes industriales y agrícolas La complejidad del proceso de formación de metano en medios anaeróbicos se debe tanto al n#mero de reacciones bio"uímicas, las cuales en su mayoría se dan simultáneamente, como por la cantidad de microorganismos implicados en este proceso 'iversos estudios acerca de la digestión anaeróbica lo dividen en etapas *) ) .) )
+idrolisis !tapa !tapa -erme -ermenta ntativ tivaa o %cid %cidogé ogénic nicaa !tap !tapaa %cet %cetog ogén énic icaa !tap !tapaa /etan /etanog ogén énic icaa
!l primer primer grupo grupo de microo microorg rgani anism smos os acidog acidogéni énicas cas o fermen fermentati tativas vas secret secretan an enzima enzimass "ue &idrolizan a moléculas complejas (proteínas, carbo&idratos y lípidos) a monómeros tales como azucares (glucosa, fructuosa, etc), aminoácidos y ácidos grasos (de cadena larga) "ue se convierten posteriormente a los ácidos ácidos grasos volátiles (de cadena corta), + y ácido acético, acético, los cuales fueron metabolizados por bacterias acidogénicas !n la tercera etapa, las bacterias acetogénicas transforman los ácidos grasos de de cadena corta en +, 01, y ácido acético acético 2or #ltimo, el cuarto grupo, las bacterias metanogénicas convierten el +, el 01 y el acetato en 0+ y 01 % continuación es"uemas de la digestión anaeróbica
1. La Hidrolisis
'ebido a "ue la materia orgánica es polimérica como por ejemplo los lípidos, proteínas e &idratos de carbono, estos no pueden ingresar directamente a través de la pared celular del microorganismo para ser metabolizados 2or esta razón se tienen "ue &idrolizar en compuestos solubles por acción de las &idrolasas (enzimas &idrolíticas) las cuales son excretadas por los microorganismos acidogénicos La &idrolisis tiene la función de transformar estos compuestos complejos en unos más simples conocidos como monómeros, los cuales si pueden atravesar la pared celular para ser consumidos por los microorganismos Formación de Monómeros:
!sta etapa puede ser muy lenta lo "ue significa "ue puede llegar a ser la etapa limitante de todo el proceso, ya "ue si la materia prima (sustrato) tiene un alto contenido de sólidos, estos tardan muc&o en &idrolizarse3 la duración de la &idrolisis también depende de la composición bio"uímica de la materia prima, ya "ue la &idrolasas van a re"uerir más tiempo en degradarlas 0ual"uier materia prima (sustrato) está compuesta principalmente, como se dijo antes, de &idratos de carbono, proteínas y lípidos Las proteínas son muy importantes debido "ue son la fuente principal de carbono y energía ya "ue sus aminoácidos, derivados de su &idrolisis, tienen un alto valor nutricional Las proteasas son las enzimas "ue se encargan de &idrolizar a las proteínas dando como resultado péptidos y aminoácidos3 muc&os de estos aminoácidos son utilizados como combustible de los microorganismos y el resto son degradados en ácidos grasos volátiles, dióxido de carbono, &idrogeno, y sulfuro en posteriores etapas del proceso Las lipasas, enzimas &idrolíticas, degradan a los lípidos transformándolos en ácidos grasos de cadena larga y glicerol Los materiales de naturaleza lignocelulósicos compuestos en su mayoría por lignina, celulosa y &emicelulosa se demoran muc&o en degradarse a comparación de las proteínas y los lípidos3 esto se debe a la lignina "ue es muy resistente a la degradación por parte delos microorganismos anaeróbicos Los principales productos de la &idrolisis de la celulosa son la celobiosa y glucosa3 de la &emicelulosa produce &exosas, pentosas y ácidos uránicos La &idrolisis está en función de los siguientes parámetros • • • • • •
$emperatura $ama4o de las partículas $iempo de retención &idráulico 0omposición bio"uímica del sustrato 5ivel de 2+ 0oncentración de 5+ 6
7i la &idrolisis no es la etapa limitante del proceso entonces la metanogénesis se convertiría en esta Microorganismos que participan de la hidrólisis
Los principales microrganismos "ue participan son 8acteroides, Lactobacillus, 2ropioni9bacterium, 7p&ingomonas, 7porobacterium, /egasp&aera, 8ifidobacterium
2. Etapa Fermentativa o Acidogénica
!s la etapa donde los monómeros productos de la &idrolisis son transformados en ácidos grasos volátiles, debido a "ue estos monómeros son solubles en compuestos "ue son utilizados directamente por los microorganismos metanogénecos, es decir son solubles en ácido acético, ácido fórmico e &idrogeno3 esta etapa es la fermentativa propiamente dic&a !n esta fase aparecen los productos intermedios, los cuales son los productos orgánicos más reducidos (:cido 2ropiónico, 8utírico, ;alérico, Láctico y !tanol en su mayoría)3 todos estos compuestos tienen "ue ser degradados (oxidados) por los microorganismo acetogénicos, los cuales act#an en la siguiente etapa del proceso
% continuación un ejemplo del origen del ácido butírico (producto intermedio)
La principal función de la presente fase es la de produce
acterias que participan de la acidogénesis
$ambién llamadas bacterias formadoras de ácidos La mayor parte de estas bacterias participan activamente en la &idrolisis Los siguientes géneros son los "ue se encuentran presentes en todas las fases, pero son más predominantes en la fase acidogénica • • •
0lostridium 2aenibacillus >uminococcusestán
1tro importante grupo es el de 0ytop&aga9-lavobacterium98acteroides, estas predominan en las primeras etapas de la descomposición, pero en la #ltima etapa, la de metanogénesis, solo representa menos del ?@ del total de bacterias $odo esto indica "ue estos son los grupos son los responsables de la degradación de los monómeros, productos de la fase de &idrolisis
!. Etapa Acetogénica
'urante la acetogénesis se transforman los compuestos intermedios (!tanol, ácidos grasos volátiles, :cido 2ropiónico, 8utírico, ;alérico, Láctico algunos compuestos aromáticos) en productos más sencillos como acetatos (0+.0119) e &idrógeno (+) E"emplos de la reacción acetogénica.
Los microorganismos &omoacetogénicos se caracterizan por producir #nicamente acetato (0+.0119) y usan de sustrato el &idrógeno (+), estas bacterias son muy importantes ya "ue permite mantener las presiones parciales del &idrógeno en un rango en el cual no afecten a los microorganismos acidogénicos y acetogénicos3 en los siguientes puntos del presente informe se mencionara por "ue el &idrogeno debe estar en un determinado rango y cómo influye en la predicción de inestabilidades "ue se puedan presentar $odos los productos finales mencionados en las anteriores etapas (ácidos volátiles sencillos) serán utilizados por las bacterias metanogénicas para producir metano
Esquema que muestra el origen del hidrogeno utili#ado por las $acterias metanogénicas:
acterias que participan de la acetogénesis
/icroorganismos %cetogénicos • •
7yntrop&omonas Aolfei 7yntrop&obacter Aolini
/icroorganismos +omoacetogénicos • •
%cetobacterium Aoodii 0lostridium aceticum
%. Etapa Metanogénica
Las bacterias "ue participan de este proceso son estrictamente anaeróbicas, estas bacterias se alimentan de los productos de las etapas anteriores (01, +, :cido %cético, etc) y su producto es el metano, por esta razón se consideran los más importantes dentro de los diferentes microorganismos anaeróbicos !stas bacterias usan de sustrato compuestos monocarbonados o con átomos de carbono por ejemplo • • • •
%cetato + y 01 /etanol /etil%minas
E"emplos de degradación metanogénica:
!xisten grandes grupos de microrganismo seg#n el sustrato "ue consumen a. Hidrogenotró&icos:
!stas se caracterizan por"ue consumen +B01, ácido fórmico $. Acetocl'sticos:
0onsumen acetato, metanol y algunas aminas
(omparación de de microorganismos Hidrogenotró&icos )*erecha+ , Acetocl'sticos )-#quierda+:
!l CD@ del metano producido se forma a partir de la descarboxilación de ácido acético, es decir de los microorganismos %cetoclásticos Los géneros importantes de este tipo de microorganismo metanogénico son • •
/et&anosarcina /et&anot&rix
or ultimo una $reve comparación entre el tiempo de regeneración de los microorganismos que participan en las di&erentes etapas de la digestión anaeró$ica:
