Cuatro etapas de la fermentación metanogénica: de la hidrólisis al metano

La fermentación metanogénica (digestión anaerobia) es un proceso de descomposición anaerobia de la materia orgánica en cuatro etapas: la hidrólisis descompone los polímeros en moléculas solubles, la acidogénesis las convierte en ácidos orgánicos y alcoholes, la acetogénesis transforma estos productos en acetato, hidrógeno y CO₂, y la metanogénesis genera metano a partir de ellos. Cada etapa es llevada a cabo por distintos grupos de microorganismos, que deben actuar en equilibrio —y es este equilibrio, no un único parámetro, el que determina la estabilidad de una planta de biogás—.

Etapa 1: hidrólisis

Las bacterias hidrolíticas secretan enzimas extracelulares que descomponen moléculas grandes en solubles: proteínas en aminoácidos, carbohidratos complejos en azúcares simples, y grasas en glicerol y ácidos grasos de cadena larga. Esta es la etapa limitante en materiales fibrosos, ya que la celulosa, las hemicelulosas y, especialmente, la lignina son de difícil acceso. La lignina, en condiciones anaerobias, prácticamente no se degrada y rodea a la celulosa, dificultando el acceso de las enzimas. Por ello, el triturado, el tiempo de retención hidráulica (TRH) y el pretratamiento (descrito en artículos separados) tienen mayor impacto precisamente en esta etapa.

Etapa 2: acidogénesis

Los productos de la hidrólisis se fermentan a ácidos grasos volátiles (acético, propiónico, butírico, valérico), alcoholes, hidrógeno y CO₂. Las bacterias acidogénicas crecen rápidamente y toleran amplios rangos de pH, por lo que, con una dosificación excesiva de sustrato fácilmente degradable, esta etapa "adelanta" a las siguientes. Los ácidos se acumulan y el pH desciende —este es el mecanismo de la mayoría de las acidificaciones—.

Etapa 3: acetogénesis

Las bacterias acetogénicas (sintróficas) oxidan los ácidos propiónico y butírico, así como los alcoholes, a acetato, hidrógeno y CO₂. Estas reacciones son termodinámicamente posibles solo cuando la presión parcial de hidrógeno es muy baja —la mantienen los metanógenos que consumen H₂—. Esta dependencia se denomina sintrofia interespecífica; por ello, el propionato suele ser la primera señal de alteraciones.

Etapa 4: metanogénesis

Los metanógenos son arqueas, no bacterias. Dos vías principales:

• Acetoclástica: descomposición del acetato en CH₄ y CO₂ (géneros como Methanosaeta, Methanosarcina); según estimaciones comúnmente citadas, es responsable de la mayor parte del metano producido.
• Hidrogenotrófica: reducción del CO₂ con hidrógeno a CH₄; predomina, por ejemplo, con altas concentraciones de amoníaco, cuando los acetoclásticos están inhibidos y el acetato se oxida sintróficamente a H₂ y CO₂.

Los metanógenos crecen lentamente (el tiempo de duplicación se cuenta en días), son sensibles a cambios de temperatura, pH, oxígeno e inhibidores. Su arrastre fuera de la cámara, con un tiempo de retención demasiado corto, interrumpe el proceso.

Qué implica esto en la práctica

Composición del biogás

En las plantas de biogás agrícolas, el biogás suele contener aproximadamente un 50–65 % de CH₄ y un 35–50 % de CO₂, además de trazas de H₂S (desde decenas hasta varios miles de ppm, dependiendo del sustrato), vapor de agua y pequeñas cantidades de NH₃. El contenido de metano depende de la composición del sustrato: las grasas y las proteínas generan un gas más rico en CH₄ que los carbohidratos.

Cómo aplicar este conocimiento

1. Dosifique gradualmente: introduzca cambios en la dosis y la composición de la mezcla en días, no en horas.
2. Mida varios indicadores a la vez (pH, FOS/TAC, ácidos, composición del gas), ya que cada uno señala una etapa distinta.
3. Adapte el pretratamiento al sustrato: el material fibroso requiere triturado y un tiempo de retención más largo; el fácilmente degradable, una menor carga y mayor capacidad tampón.
4. Cuide los microelementos: las enzimas de los metanógenos contienen, entre otros, níquel y cobalto; su deficiencia limita la última etapa.

El modelo ADM1 (Batstone et al., 2002) formaliza este esquema en ecuaciones y sigue siendo la base de la mayoría de las simulaciones del proceso.

Balance energético y másico en resumen

La degradación anaerobia conserva la mayor parte de la energía química del sustrato en el metano: solo una pequeña fracción se destina al crecimiento de la biomasa, por lo que el aumento de lodo en el digestor es reducido en comparación con los procesos aerobios. La composición del gas depende del sustrato: los carbohidratos generan un biogás más pobre en CH₄ que las grasas y las proteínas. Los métodos para estimar el potencial teórico (fórmula de Buswell) se describen en un artículo aparte sobre el BMP.

Errores comunes en la comprensión del proceso

• "Más sustrato significa más gas." Hasta cierto límite es cierto, pero la sobrecarga de la acidogénesis perturba la metanogénesis y el rendimiento disminuye.
• "Basta con un solo indicador." El pH, FOS/TAC, los ácidos y la composición del gas describen etapas distintas.
• "Los microbios se adaptan a todo." La adaptación es posible, pero requiere tiempo y cambios graduales.
• "La lignina se degrada con más tiempo." En condiciones anaerobias, prácticamente no se degrada; solo ayudan los procesos físicos y químicos.

Una buena comprensión de las etapas permite planificar la mezcla de sustratos, elegir el pretratamiento adecuado e interpretar los resultados de las pruebas BMP, en las que se observa tanto la fase de latencia (adaptación) como la liberación gradual de gas de las fracciones más difíciles de degradar.

Lista de verificación: ¿está el proceso en equilibrio?

• pH dentro del rango típico de la instalación y sin tendencia a la baja,
• FOS/TAC estable o en disminución tras cambios en la dosis,
• propionato por debajo del nivel de alarma establecido para la instalación,
• proporción de CH₄ en el biogás acorde con el historial para la mezcla utilizada,
• temperatura en la cámara mantenida con una precisión de aproximadamente ±1 °C,
• ausencia de espuma y capa de costra que dificulte la mezcla.