A dixestión anaerobia é o conxunto de procesos polos cales os microorganismos degradan o material biodegradable en ausencia de oxíxeno.National Non-Food Crops Centre. "NNFCC Renewable Fuels and Energy Factsheet: Anaerobic Digestion" , Retrieved on 2011-11-22 O proceso utilízano de forma natual certos microorganismos no seu metabolismo e tamén se utiliza en moitas aplicacións industriais e domésticas para tratar o lixo e/ou producir combustibles. Moitas das fermentacións utilizadas industrialmente para producir alimentos e bebidas, e as fermentacións caseiras, utilizan a dixestión anaerobia.
A dixestión anaerobia prodúcese de forma natural nalgúns solos e en lagos e nos sedimentos das cuncas oceánicas, onde xeralmente se denomina "actividade anaerobia". Esta actividade é, por exemplo, a fonte do gas metano dos pantanos, como descubriu Volta xa en 1776.
O proceso de dixestión anaerobia empezou coa hidrólise bacteriana de materiais. Nela polímeros orgánicos insolubles, como carbohidratos, son degradados dando derivados solubles utilizables por outras bacterias. As bacterias acidoxénicas converten despois os azucres e aminoácidos en dióxido de carbono, hidróxeno, amoníaco, e ácidos orgánicos. Estas bacterias converten estes ácidos orgánicos resultantes en ácido acético, xunto con amoníaco adicional, hidróxeno, e dióxido de carbono. Finalmente, os metanóxenos converten estes produtos en metano e dióxido de carbono.Anaerobic digestion reference sheet , waste.nl. Retrieved 25.10.07. As poboacións de arqueas metanoxénicas xogan un indispensable papel nos tratamentos anaerobios de augas residuais.Meisam Tabatabaei, Raha Abdul Rahim, André-Denis G. Wright, Yoshihito Shirai, Norhani Abdullah, Alawi Sulaiman, Kenji Sakai and Mohd Ali Hassan. 2010. Importance of the methanogenic archaea populations in anaerobic wastewater treatments (Process Biochemistry- 45(8), pp: 1214-1225)
A dixestión anaerobia utilízase como parte do proceso de tratamento do lixo biodegradable e de lodos de augas residuais. A dixestión anaerobia, como parte dun sistema integrado de xestión do lixo, reduce a emisión á atmosfera de gases nos vertedoiros de lixo. Os dixestores anaerobios poden tamén ser alimentados con colleitas agrícolas enerxéticas cultivadas con ese propósito, como o millo.Agricultural Biogas , www.clarke-energy.com, accessed 08.11.11
A dixestión anaerobia utilízase amplamente como fonte de enerxía renovable. O proceso produce biogás, que consiste en metano, dióxido de carbono e trazas doutros gases "contaminantes". Este biogás pode utilizarse directamente como combustible, en motores de gas de electricidade e calor combinadosGE Jenbacher Biogas Engines , www.clarke-energy.com, accessed 15.04.11 ou ser mellorado a biometano de calidade de gas natural. O dixestato rico en nutrientes tamén producido pode utilizarse como fertilizante.
Coa reutilización do lixo como recurso e as novas estratexias tecnolóxicas que rebaixaron os custos de capital, a dixestión anaerobia está recibindo nos últimos anos unha atención crecente dos gobernos de varios países, como Reino Unido (2011)Anaerobic Digestion Strategy and Action Plan, defra.gov.uk. Accessed 19.01.2012 AlemañaPeter Weiland. Anaerobic waste digestion in Germany – Status and recent developments. Biodegradation 2000, Volume 11, Issue 6, pp 415-421. e Dinamarca (2011).Jyllands-Posten 29. December 2011. Accessed 19.01.2012 via Google Translate
Historia miniatura|150px|Alumeado público de gas. O interese científico na produción de gas a partir da descomposición natural de materia orgánica data do século XVII, cando Robert Boyle (1627-1691) e Stephen Hales (1677-1761) se decataron de que os sedimentos removidos en correntes de auga e lagos liberaban gas inflamable.Fergusen, T. & Mah, R. (2006) Methanogenic bacteria in Anaerobic digestion of biomass, p49 En 1808 Humphry Davy probou a presenza de metano no gas producido polo esterco de vaca.Cruazon, B. (2007) History of anaerobic digestion , web.pdx.edu. Retrieved 17.08.07.Anaerobic digestion , waste.nl. Retrieved 19.08.07. En 1859 unha leprosería de Bombai, India construíu o primeiro dixestor anaerobio. En 1895, desenvolveuse a tecnoloxía en Exeter, Inglaterra, utiizando un tanque séptico paa xerar gas para a iluminación. Tamén en Inglaterra, en 1904, instalouse o primeiro tanque bifuncional que servía para a sedimentación e á vez para o tratamento de lodos en Hampton, Londres. En 1907, en Alemaña, patentouse o tanque Imhoff,Water.me.vccs.edu . Retrieved 22 February 2010. un tipo inicial de dixestor.
A investigación na dixestión anaerobia empezou a facerse a fondo na década de 1930.Humenik, F. et al. (2007) , epa.gov. Retrieved 14.07.14.
Proceso
Moitos microorganismos realizan a dixestión anaerobia, incluíndo as bacterias do ácido acético (acetóxenos) e as arqueas produtoras de metano (matanóxenas). Estes organismos realizan diversos procesos químicos que converten a biomasa en biogás.National Non-Food Crops Centre. Evaluation of Opportunities for Converting Indigenous UK Wastes to Fuels and Energy (Report), NNFCC 09-012
Nestes procesos o oxíxeno está excluído. Os anaerobios utilizan aceptores de electróns distintos do oxíxeno. Estes aceptores poden ser a propia materia orgánica ou poden ser óxidos inorgánicos procedentes do material de entrada. Cando todo o oxíxeno presente nun sistema anaerobio deriva dos átomos de oxíxeno contidos na propia materia orgánica, os produtos finais "intermediarios" son principalmente alcohois, aldehidos, e ácidos orgánicos, xunto con dióxido de carbono. En presenza de microorganisos metanóxenos especializados, os intermediarios son convertidos nos produtos "finais" definitivos metano, dióxido de carbono e trazas de sulfuro de hidróxeno.Adapted from Beychok, M. (1967) Aqueous Wastes from Petroleum and Petrochemical Plants, First edition, John Wiley & Sons, LCCN 67019834 Nun sistema anaerobio, a maioría da enerxía química contida no material de partida utilízana as bacterias metanóxenas para producir e liberar metano.
Na súa aplicación ao tratamento de augas residuais prodúcese unha desnitrificación de ditas augas, na cal as bacterias anaerobias facultativas utilizan os nitratos e nitritos, en condicións anóxicas (condicións intermedias), con formación de CO2, auga e nitróxeno gasoso como produtos finais.Romero Rojas, Jairo A. Lagunas de estabilización de aguas residuales. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. 1994 ISBN 958 8060 50 8 Cap 4. páx. 99 e seguintes. Para o uso como aceptores de electróns de sulfatos e CO2 requírense condicións estritamente anaerobias, é dicir, ausencia total de oxíxeno (e de nitratos). Os carbohidratos conteñen oxíxeno que pode utilizarse como aceptor de electróns; unha porción do carbohidrato é oxidado a CO2 e ácidos orgánicos mentres que outra porción é reducida a aldehidos, cetonas e alcohois. Practicamente, a descomposición anaerobia é posible con todos os compostos orgánicos que conteñen oxíxeno nas súas moléculas.
As poboacións de microorganismos anaerobios tardan un período de tempo significativo en establecerse ata ser completamente efectivas. Por tanto, unha práctica común é introducir microorganismos anaerobios a partir de materiais que xa conteñan poboacións deles, un proceso denominado "sementar" os dixestores, realizado normalmente mediante a adición de lodos de augas residuais ou xurros de gando.The biogas plant , unu.edu. Retrieved 5.11.07.
Etapas do proceso miniatura|600px|Etapas clave do proceso da dixestión anaerobia.
Hai catro etapas claves biolóxicas e químicas na dixestión anaerobia, que son:
Hidrólise Acidoxénese Acetoxénese Metanoxénese
Na maioría dos casos, a biomasa está constituída por grandes polímeros orgánicos. Para que as bacterias dos dixestores anaerobios accedan á enerxía que potencialmente ten ese material, estas cadeas moleculares deben primeiro ser rotas nas súas partes constituíntes máis pequenas, que son monómeros como azucres (monosacáridos) facilmente utilizables por outras bacterias. O proceso de romper estas cadeas e de disolver as pequenas moléculas, que quedan en solución, chámase hidrólise. Por tanto, a hidrólise destes poímeros de alto peso molecular é un primeiro paso necesario para a dixestión anaerobia no que se orixinan azucres simples, aminoácidos e ácidos graxos.Sleat, R. & Mah, R. (2006) Hydrolytic Bacteria in Anaerobic digestion of biomass, p15
O acetato e o hidróxeno producido nas primeiras etapas pode ser utilizado directamente polos metanóxenos. Outras moléculas, como os ácidos graxos volátiles de cadea máis longa que o acetato deben ser primeiro catabolizadas en compostos que poden ser utilizados directamente polos metanóxenos.Boone, D. & Mah, R. (2006) Transitional bacteria in anaerobic digestion of biomass, p35
O proceso biolóxico da acidoxénese causa unha ulterior degradación do resto dos compoñentes por bacterias acidóxenas (fermentativas). Nela orixínanse os ácidos graxos volátiles, xunto con amoníaco, dióxido de carbono, e sulfuro de hidróxeno, xunto con outros subprodutos.What is anaerobic digestion, sop.inria.fr. Retrieved 24.10.07. O proceso da acidoxénese é similar ao modo en que o leite se pon ácido.
A teiceira etapa da dixestión anaerobia é a acetoxénese. Nela as moléculas simples creadas durante a fase de acidoxénese son dixeridas máis polos acetóxenos para producir principalmente ácido acético, xunto con dióxido de carbono e hidróxeno.Anaerobic digestion , biotank.co.uk. Retrieved 24.10.07.
A fase terminal da dixestión anaerobia é o proceso biolóxico da metanoxénese. Aquí,os metanóxenos utilizan os produtos intermediarios das fases precedentes para convertelos en metano, dióxido de carbono e auga. Estes compoñentes constitúen a maioría do biogás emitido no sistema. A metanoxénese é sensible tanto aos pHs altos coma aos baixos e ocorre entre os pHs 6,5 e 8.Martin, A.D. (2007) Understanding Anaerobic Digestion, Presentation to the Environmental Services Association, 16.10.07, esauk.org. Retrieved 22.10.07. O material restante indixerible polas bacterias e os restos de bacterias mortas constitúen o chamado dixestato.
Unha ecuación química xenérica simplificada do proceso consunto é a seguinte: <div style="text-align: center; margin: 1em 10%; border: 1px solid"> C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4 </center> </div>
Configuración dereita|miniatura|300px|Dixestor de millo de granxa situado preto de Neumünster, Alemaña, 2007. O contedor inflable verde do biogás está na parte superior do dixestor. Os dixestores anaerobios poden ser deseñados para operar utilizando varias configuracións diferentes: Procesado/adición da biomasa: Por lotes ou continuos. Temperatura: Mesofílicos ou termofílicos. Contido desólidos: Alto contido de sólidos ou baixo. Complexidade: Unha etapa ou multietapas.
En lotes ou continuos A dixestión anaerobia pode realizarse como un proceso por lotes ou continuo.
Nun sistema por lotes a biomasa engádese ao reactor ao principio do proceso. O reactor é despois selado durante o resto da duración do proceso.
Na súa forma máis simple para o procesado por lotes cómpre a inoculación con material xa procesado para iniciar a dixestión anaerobia. Nun escenario típico, a produción de biogás ten lugar co patrón da distribución normal en relación co tempo. Os operadores poden utilizar este feito para determinar cando se cre que se completou o proceso de dixestión da materia orgánica. Pode haber graves problemas de xeración de malos cheiros se se abre e baleira o reactor por lotes antes de que o proceso estea totalmente rematado.