Fases de la digestión anaeróbica

En esta fase se descomponen las cadenas largas de materia orgánica en otras más cortas, obteniéndose  productos intermedios.  La materia orgánica es descompuesta por la acción de un grupo de bacterias hidrolíticas que hidrolizan las moléculas solubles en agua, tales como grasas, proteínas y carbohidratos y las transforman en polímeros más simples. Los compuestos orgánicos son solubilizados por enzimas excretadas por bacterias hidrolíticas que actúan el exterior celular por lo que se consideran exoenzimas. La hidrólisis es por tanto, la conversión de polímeros en sus respectivos monómeros. Durante la hidrólisis ya hay producción de CO2.
El valor óptimo del pH en la etapa de la hidrólisis es de pH 5,3 y pH 6,7. Dependiendo del tipo de sustrato y del tiempo de retención el pH puede bajar hasta 4,5.

En esta fase se convierten los productos intermedios en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono.  Estas dos primeras fases son realizadas por un primer grupo de bacterias, las hidrolíticas-acidogénicas y las acetogénicas que hidrolizan y fermentan las cadenas complejas de la materia orgánica en ácidos orgánicos simples (acético mayormente). Son bacterias anaerobias facultativas que  pueden consumir oxígeno molecular para su metabolismo, no crecen en presencia de oxígeno molecular, el oxígeno resulta tóxico en mínimas cantidades.

El consumo del oxígeno molecular del aire produce el ambiente anaerobio ideal para el desarrollo de las bacterias. El crecimiento bacteriano en esta etapa es rápido. En esta primera etapa no hay una reducción significativa de la DQO del sustrato, puesto que las cadenas orgánicas más complejas se transforman en cadenas más cortas, sin consumo o reducción de la materia orgánica presente.

El valor optimo del pH para que se desarrolle la etapa de acidogenesis esta alrededor de 5,5 - 6,7. Según algunos autores el pH en esta fase puede estar en el orden de 6-7,5. Dependerá siempre del tiempo de retención y del tipo de sustrato. En esta etapa se empiezan a formar los gases como,  H2S, CO2 y amoniaco NH3.

Esta etapa es desarrollada bacterias acetogénicas que realizan la degradación de los ácidos orgánicos donde los alcoholes, ácidos grasos y compuestos aromáticos se degradan produciendo ácido acético, llevándolos al grupo acético CH3-COOH y liberando como productos hidrógeno y dióxido de carbono que son los elementos precursores de las bacterias metanogénicas.  Esta reacción es endoexergética pues demanda energía para su realización, gracias a la estrecha relación simbiótica con las bacterias metanogénicas que substraen los productos finales del medio minimizando la concentración de los mismos en la cercanía de las bacterias acetogénicas.
Las bacterias acetogénicas convierten ácido propiónico y butírico en ácido acético. Estas tienen un crecimiento relativamente lento (tiempo de duplicación mínimo de 1,5 a 4 días. Las reacciones que producen son muy complicadas energéticamente y se interrumpen fácilmente por acumulación de gas hidrógeno disuelto en el medio acuoso.

La metanogénesis es la ultima etapa en la descomposición de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas. Durante este proceso, aceptores de electrones (como el oxígeno, hierro, sulfato, nitrato y manganeso) se reducen, mientras que se acumulan hidrógeno (H2) y dióxido de carbono. También se acumulan compuestos orgánicos ligeros debido a la fermentación. Durante las fases avanzadas de la descomposición orgánica, todos los aceptores de electrones quedan reducidos excepto el dióxido de carbono.
 
La metanogénesis elimina con efectividad los productos casi finales de la descomposición: el hidrógeno, los compuestos orgánicos pequeños y el dióxido de carbono. Sin la metanogénesis se acumularía una gran cantidad de carbono (en forma de productos de la fermentación) en los ambientes anaeróbicos”.
Este es un proceso que lo realizan microorganismos conocidos como metanógenos (archaeas anaerobias estrictas) que usan el carbono (dióxido de carbono) como aceptor final de electrones para producir metano.
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O
En esta fase un segundo grupo de bacterias convierte los ácidos orgánicos en metano y dióxido de carbono. Se trata de bacterias metanogénicas estrictamente anaerobias, es decir que no sobreviven en  presencia de oxígeno molecular. Las más importantes son las que transforman los ácidos propanoico y acético, denominadas bacterias metanogénicas acetoclásticas.

En esta fase se produce el 90% del total del metano que se produce en el biodigestor.
Las tasas de crecimiento de las bacterias metanogénicas son cinco veces menores que las de la fase de acetogenesis, por ello, son las que limitarán el proceso de degradación anaerobia. Son también las que condicionarán el tiempo de retención de la biomasa en el digestor así como la temperatura del proceso.
Las bacterias metanógenicas  sólo pueden multiplicarse cuando está avanzada la fermentación de los sustratos primarios por acción de las bacterias anaerobias facultativas (por ejemplo Escherichia, Enterobacter, Klebsiella o Bacillus ) y se haya consumido todo el oxígeno disuelto, de manera que el potencial redox haya alcanzado en un valor entre que -350  y -550 mV. El valor optimo del pH para que ocurra  esta reacción esta en el rango de 6,8 - 7,5 llegando en algunos casos hasta valores del pH de hasta 8,00.