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2012 Volumen 4, No. 8
Revista Científica de la Universidad Autónoma de Coahuila
BIOESTIMULACIÓN DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA
Sergio Mancillas-Salas, José Antonio Rodríguez-de la Garza, Leopoldo Ríos-González*
Depto. de Biotecnología. Facultad de Ciencias Químicas. Universidad Autónoma de Coahuila.
Blvd. Venustiano Carranza, 25, 000. Saltillo, Coahuila, México. *Correo electrónico:
[email protected].
RESUMEN.
La digestión anaerobia es un proceso que en ausencia de oxígeno supone la descomposición de la materia orgánica,
mediada por enzimas, mediante un consorcio microbiano el cual a partir de moléculas orgánicas complejas forma el
denominado biogás; el cual consiste en una mezcla de gases entre los que destacan el metano y el dióxido de carbono.
El biogás libre de impurezas (biometano) representa una mejor alternativa energética que el gas natural.
Además de la ventaja energética que el proceso de digestión anaerobia implica, representa además; una opción para la
reutilización de residuos urbanos como fuente de materia orgánica y de este modo contribuye al medioambiente
disminuyendo la emisión de gases de efecto invernadero (metano y dióxido de carbono).
El interés por producir una mayor cantidad de biogás y una mayor calidad han llevado a modificar el proceso de digestión
anaerobia con el fin de obtener mejores resultados.
DIGESTIÓN ANAEROBIA.
La digestión anaerobia es una tecnología bioquímica bien establecida a nivel mundial para estabilizar los lodos
municipales, para el tratamiento de aguas industriales y para la digestión de residuos orgánicos tanto de hogares como
de granjas (Abu Qdais et al. 2009) por su bajo costo, su bajo impacto medioambiental, su baja producción de lodos
residuales (Morita, Sasaki; 2012), y sobretodo; la producción de energía renovable ya sea en forma de biogás o de
hidrógeno (Lianhua et al. 2010), reduciendo así; el uso de combustibles fósiles y por tanto, reduciendo la emisión de
gases de efecto invernadero (Francese et al. 2000).
La digestión anaerobia se ha reconocido como una tecnología amigable con el medio ambiente para convertir residuos
orgánicos sólidos y la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos en energía renovable (Li et al. 2010, Barlaz et al.
1992, Van Lier et al. 2001), la degradación y estabilización de esta materia orgánica compleja es llevada a cabo
mediante un consorcio de microorganismos (Raposo et al. 2011).
La digestión anaerobia es un proceso natural que ocurre en forma espontánea en la naturaleza y forma parte del ciclo
biológico (Hilbert, 2008), en este proceso intervienen numerosas enzimas como amilasas, proteasas, celulasas,
queratinasas y lipasas (Taherzadeh, Karimi; 2008). Resulta como consecuencia de una serie de interacciones
metabólicas entre varios grupos de microorganismos (Tippayawong, Thanompongchart, 2010).
Este proceso se lleva a cabo en tres pasos. El primer paso, la hidrólisis, involucra la transformación, mediada por
exoenzimas, de compuestos orgánicos insolubles y compuestos de alto peso molecular como proteínas, carbohidratos,
grasas y ácidos nucléicos en compuestos orgánicos solubles que sirven como fuente de carbono. La degradación de los
carbohidratos es mediada por celulasas que los degradan en monosacáridos, disacáridos y trisacáridos; la degradación
de proteínas se debe a la presencia de protesas y peptidasas que las transforman en aminoácidos; la catabolización de
lípidos es mediada por lipasas que los transforman en ácidos grasos de cadenas largas y glicerol. En el segundo paso, la
acidogénesis, otro grupo de microorganismos fermentan los productos de degradación en ácido acético. En el tercer
paso el ácido acético, el dióxido de carbono y el hidrógeno se convierten en una mezcla de metano y dióxido de carbono
por bacterias metanogénicas (Yadvika et al. 2004, Binner et al. 2011). Los efluentes sólidos y líquidos derivados de la
digestión anaerobia constituyen valiosos subproductos (Contreras et al. 2011); destacando el uso de los digestatos como
fertilizantes (Sänger et al. 2011).
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El requerimiento fundamental para la producción de biogás es la ausencia de oxígeno y la presencia de sustancias
orgánicas fácilmente oxidables, como lo son los desechos orgánicos, ya que estos son los principales productores de los
ácidos grasos volátiles (AGVs). Entre los principales AGVs se encuentran el ácido láctico, el ácido propiónico, el ácido
butírico, el ácido valérico y el más importante, el ácido acético; producidos por la hidrólisis enzimática de la materia
orgánica. Éstos ácidos son utilizados en la fase de la metanogénesis como compuestos orgánicos para la producción de
metano (Quispeg et al. 2005, Lata et al. 2002); sin embargo, la producción de biogás llega a ser inhibida por AGVs de
cadena ramificada como los ácidos isobutírico e isovalérico productos del mismo proceso de digestión (Kalle et al. 1985).
Los azúcares, almidones, lípidos y proteínas son la parte de más fácil biodegradación por parte de los microorganismos,
mientras que la lignocelulosa y la queratina son más difíciles de degradar. Pre tratamientos tales como la solubilización y
la biodegradación de la hemicelulosa y la lignina son necesarios para mejorar la producción de biogás facilitando la
hidrólisis (Zhong et al. 2011).
Otros aspectos a considerarse en una digestión anaerobia son la tasa de degradación y la biodegradabilidad de los
residuos utilizados, ya que; a mayor biodegradabilidad de los residuos hay una mayor producción de biogás y, por tanto,
una menor producción de residuos. Una elevada tasa de degradación reduce el tamaño requerido del bioreactor y lo
convierte en un proceso de un mayor atractivo económico (Contreras et al. 2011).
En el aspecto microbiológico, el proceso de digestión anaerobia se divide en tres grupos de microorganismos. El primero
corresponde al grupo de las bacterias degradadoras de polímeros, las cuales degradan macromoléculas
enzimáticamente. El segundo grupo corresponde a los acetógenos, los cuales utilizan los azúcares y oligosacáridos; los
cuales transforman en ácidos orgánicos donde se destaca el ácido acético. El tercer grupo, lo metanógenos, son los
encargados de producir metano a partir del acetato, el dióxido de carbono y el hidrógeno (Bagi et al. 2007).
BIOESTIMUACIÓN DEL PROCESO ANAEROBIO.
La fermentación anaerobia incluye grandes cantidades de reacciones químicas, bioquímicas y microbiológicas asociadas
al metabolismo de numerosos microorganismos. Por lo mismo requiere de macro y micronutrientes (González et al.
2011); así como trazas de algunos metales para el crecimiento y buen funcionamiento de los microorganismos (Feng,
2010; Pobeheim, 2010). Las trazas de determinados metales están involucradas en las actividades enzimáticas de la
acidogénesis y metanogénesis; en condiciones de depresión o estrés, la adición de elementos traza al proceso de
digestión anaerobia es indispensable para garantizar una buena producción de metano (Rossi, 2010).
METALES TRAZA.
Los metales están involucrados en los aspectos de crecimiento microbiano, metabolismo y diferenciación; se considera
de carácter esencial la presencia de metales como el Níquel (Ni), el Cobalto (Co) y el Hierro (Fe). El Calcio (Ca), el
Potasio (K), el Magnesio, el Manganeso (Mn), el Molibdeno (Mo), el Sodio (Na) y el Zinc (Zn) son considerados
importantes en diversos procesos celulares; otros metales como la Plata (Ag), el Aluminio (Al), el Cromo (Cr), el Mercurio
(Hg), el Plomo (Pb), el Estaño (Sn), el Estroncio (Sr) y el Talio (Tl) tienen funciones biológicas esenciales desconocidas
(Cooney, Gadd 1995). El Hierro como nutriente destaca por aumentar la conversión de ácido acético en metano, por
aumentar la producción de biogás (Preeti Rao, Seenayya 1994) y por su efecto positivo en la reducción de sulfatos
(Pereda et al. 2007). Otro metal de carácter esencial es el cobre; el cual es utilizado por los microorganismos en gran
variedad de procesos metabólicos (Virkutyte et al. 2006). Se han obtenido efectos positivos utilizando trazas de metales
principalmente el níquel, el cobalto, el tungsteno y el molibdeno, ya que constituyen cofactores, como los F420, F430, F432,
para enzimas procarióticas claves en la ruta bioquímica de la producción de metano (Zhang, 2003; Zandvoort, 2006;
Jansen, 2007; Fermoso, 2009; Uemura, 2010; Pobeheim et al. 2011, Pobeheim et al. 2010). El Hierro está involucrado
en el metabolismo energético como citocromo y ferredoxina en metanógenos y en algunas enzimas; mientras que el
Cobalto se encuentra presente en algunos derivados de la vitamina B12 involucrados en la metiltransferasa y en la codeshidrogenasa; el Níquel es constituyente de la metil coenzima M reductasa (F430) y de la hidrogenasa y cohidrogenasa
(Fang Shen et al. 1993, Kida et al. 2001).
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El Cobalto y el Tungsteno son componentes esenciales de cofactores de numerosas enzimas procarióticas involucradas
en una gran variedad de procesos metabólicos (Chellapandi, 2011). Además el Tungsteno juega un rol significativo en la
degradación del propionato (Demirel, Scherer, 2011).
La adición de micronutrientes se basa en los requerimientos nutricionales que poseen las bacterias metanogénicas,
debido a que, posiblemente, estos elementos no se encuentren presentes o en las cantidades adecuadas en el sustrato
empleado (Rossi, 2010). Otro aspecto a considerar es la inclusión de vitaminas, ya que estimulan en crecimiento de las
bacterias metanogénicas (Pereda, 2007). La presencia de iones libres de metales es otro aspecto importante a tener en
cuenta (Demirel, Scherer, 2011). Las bacterias metanogénicas tienen requerimientos especiales en cuanto a elementos
metálicos y a algunos cationes; en particular, todos los metanógenos requieren Níquel, Cobalto y Hierro para su
crecimiento y algunos tienen un gran requerimiento de Sodio (Basiliko, Yavitt; 2001). Otro aspecto importante es el
requerimiento de una fuente de Hidrógeno por parte de los metanógenos para llevar a cabo reacciones redox; esto
repercute directamente en la cantidad de biogás producido (Bagi et al. 2007).
De manera general los requerimientos de las bacterias metanogénicas van en el siguiente orden: Mg = Ca > Fe > Zn > Ni
> Co = Mo > Cu > Mn (Fang Shen et al. 1993).
La presencia de micronutrientes tales como Hierro, Níquel, Cobalto, Selenio, Molibdeno, Manganeso y Tungsteno
provocan estabilidad membranal, transferencia de nutrientes y ahorro de energía en bacterias productoras de metano
tales como las bacterias reductoras de azufre (Patidar, 2006).
Otro aspecto que se ve beneficiado con la adición de micronutrientes es la cantidad de biogás producida; siendo él Ni el
que más significancia aporta (Demirel, Scherer, 2011).
La adición de nutrientes como el Calcio, el Níquel, el Cobalto y Hierro facilita la remoción casi total de los AGVs en un
sistema termofílico (Zitomer et al. 2008).
Elementos como el Selenio (Se), el Molibdeno (Mo) y el tungsteno (W) son importantes en la oxidación del formato, un
producto de la ruptura del ácido propiónico, ya que forman parte de la enzima formato deshidrogenasa. Un exceso de
formato en el sistema puede intervenir con la oxidación del ácido propiónico (Banks et al. 2012).
Para la adición de micronutrientes se debe tomar en cuenta que las bacterias reductoras de azufre compiten por el
sustrato con los metanógenos, y que además el azufre que producen tiene un efecto tóxico sobre las mismas (Wang et
al. 2011).
El ácido nitriloacético (NTA) ha demostrado ser un quelante para metales traza y de este modo aumenta la
biodisponibilidad de Co y Ni y promueve la producción de metano (Jin et al. 2011).
Una baja adición de metales esenciales puede tener un efecto estimulatorio en sistemas biológicos, mientras que, la
presencia elevada de metales tiene un efecto tóxico a nivel celular, ya que causan estrés oxidativo al generar radicales
libres (Chellapandi, 2011).
Un balance nutrimental y las cantidades necesarias de nutrientes son esenciales para el buen funcionamiento y la
estabilidad dentro de un biorreactor (Cresson, 2006; Qing-Hao, 2008), una limitación en los metales traza esenciales
puede significar un decremento en la producción de metano y significar además un aumento en la inestabilidad del
sistema (Pobeheim et al. 2010).
IONES METÁLICOS.
La adición de iones de Cu2+, Ni2+, Fe2+, Co2+ a bajas concentraciones tiene efectos positivos en la producción de biogás in
vitro sin embargo, los iones de Zn2+ tienen un efecto inhibitorio en el proceso (Chakraborty et al. 2010).
Existen diferentes métodos para determinar la toxicidad de los iones metálicos tales como, la inhibición de las
actividades enzimáticas, de la actividad respiratoria de las bacterias y de las cinéticas de actividad bacteriana (Wang et
al. 2010).
Parámetros tales como la composición y concentración del sustrato, la temperatura, pH, concentración de sulfuros,
relación DQO/SO42-, toxicidad por los sulfuros, disponibilidad de los nutrientes, la presencia de inhibidores, etc.; afectan
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el rendimiento del sistema involucrando a varios grupos de bacterias incluyendo a los metanógenos y a las sulfatoreductoras (Rossi, 2010).
Actualmente la estimulación de la digestión anaerobia se lleva a cabo mediante sales, que son costosas y que se deben
aplicar de manera limitada (Pereda et al. 2007). La investigación sobre nuevas fuentes de metales traza y/o iones para
sistemas anaerobios ha conducido a minerales naturales (Gonzáles et al. 2011).
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