Usuario:DanielMorales

La metanogénesis (a menudo estudiada integralmente como el proceso de digestión anaerobia) es una serie de etapas biológicas en las que un consorcio de microorganismos descompone material biodegradable en ausencia de oxígeno. Este proceso es la base termodinámica fundamental para la operación de biorreactores y la estabilización de materia orgánica.

El proceso completo no ocurre en un solo paso, sino que se divide en cuatro etapas secuenciales y biocinéticamente interdependientes.

Etapas del proceso

Archivo:Biogas plant diagram.jpg

Diagrama de las 4 etapas ocurriendo de forma simultánea en un biorreactor continuo.

1. Hidrólisis

La materia orgánica compleja, compuesta por polímeros de alto peso molecular, no puede atravesar la membrana celular de los microorganismos. En esta fase, las bacterias hidrolíticas liberan enzimas extracelulares que rompen estos polímeros en compuestos más simples y solubles:

• Proteínas $\rightarrow$ Aminoácidos
• Carbohidratos complejos $\rightarrow$ Azúcares simples
• Lípidos $\rightarrow$ Ácidos grasos y glicerol

2. Acidogénesis

Los monómeros resultantes son metabolizados mediante fermentación por bacterias acidogénicas. Esta etapa es la más rápida del consorcio y produce una mezcla de subproductos críticos para el sistema:

1. Se generan Ácidos Grasos Volátiles (AGV), como el ácido propiónico y butírico.
2. Se libera gas hidrógeno ($H_{2}$) y dióxido de carbono ($CO_{2}$).
3. Ocurre una caída natural en el pH del medio que debe ser monitoreada.

3. Acetogénesis

Los ácidos orgánicos de cadena larga no pueden ser asimilados directamente por las arqueas. Las bacterias acetogénicas oxidan los AGV para producir los precursores directos del metano: acetato, $CO_{2}$ e $H_{2}$.

Esta reacción tiene una estequiometría termodinámicamente desfavorable (ΔG > 0) a menos que la presión parcial del hidrógeno se mantenga extremadamente baja, un fenómeno conocido como sintrofía.

4. Metanogénesis (estricta)

Es la etapa final, llevada a cabo exclusivamente por arqueas metanogénicas. Existen dos vías metabólicas principales para la síntesis de metano:

Vía acetoclástica

Cerca del 70% del metano generado en procesos industriales de estabilización anaerobia proviene del desdoblamiento del ácido acético:

$CH_{3}COOH\rightarrow CH_{4}+CO_{2}$

Vía hidrogenotrófica

El resto del gas se sintetiza mediante la reducción del dióxido de carbono, utilizando hidrógeno como donador de electrones:

$CO_{2}+4H_{2}\rightarrow CH_{4}+2H_{2}O$

Resumen cinético y operativo

Para el diseño, control y simulación matemática de sistemas de biometanización, se debe considerar el ritmo biológico de cada etapa:

Cuadro resumen del balance de las etapas

Etapa	Sustrato entrante	Producto saliente	Cinética de reacción
Hidrólisis	Polímeros orgánicos	Monómeros solubles	De primer orden (suele ser el factor limitante en sustratos sólidos)
Acidogénesis	Azúcares y aminoácidos	AGV, $CO_{2}$, $H_{2}$	Cinética muy rápida
Acetogénesis	Propionato, butirato	Acetato, $H_{2}$	Altamente sensible a la acumulación de $H_{2}$
Metanogénesis	Acetato, $CO_{2}$, $H_{2}$	Metano ($CH_{4}$)	Lenta (limitante en fase líquida; requiere tiempos de retención altos)

Véase también

• Ingeniería bioquímica
• Tratamiento de aguas residuales
• Simulación de procesos