INTRODUCCIÓN
El metano es considerado una forma de energía renovable que se produce utilizando sistemas de bioingeniería a partir de la degradación de una amplia cantidad de sustratos orgánicos como aguas residuales, estiércol animal y residuos sólidos municipales e industriales. La recuperación de energía en forma de metano ocurre bajo condiciones libres de oxígeno a través del proceso de digestión anaerobia realizado por diferentes comunidades microbianas. Comparada con la digestión aerobia, la digestión anaerobia presenta diferentes ventajas como baja producción de sólidos y en consecuencia bajos requerimientos de nutrientes, opera con altas cargas orgánicas y permite la recuperación de energía en forma de biogás. Durante la última década se han estudiado e incluso aplicado diferentes estrategias para mejorar cada una de las etapas de la digestión anaerobia con el propósito de incrementar los rendimientos de metano (Kato et al., 2012; Liu et al., 2012; Zhao et al., 2015; Xu et al., 2020). Una de las estrategias más estudiadas es el uso de materiales conductores de electrones, que permiten mejorar las relaciones sintróficas entre bacterias fermentativas y arqueas metanogénicas durante la producción de metano. La adición de materiales conductores abióticos, como los materiales a base de carbón y materiales metálicos, facilita la transferencia de electrones, lo cual permite un aumento en la producción de metano. Varios estudios han demostrado que facilitar la transferencia directa de electrones entre especies (DIET por sus siglas en ingles) en la digestión anaerobia puede mejorar significativamente la cinética de la metanogénesis, por lo que aumenta las tasas de producción de metano (Liu et al., 2012a; Dang et al., 2016; Zhao et al., 2015; Chen et al., 2014; Rotaru et al., 2014), en comparación con los digestores convencionales (Zhao et al., 2015; Dang et al., 2016).
PRODUCCIÓN DE METANO MEDIANTE DIGESTIÓN ANAEROBIA
Etapas de la digestión anaerobia
La digestión anaerobia de materia orgánica es un proceso bioquímico con reacciones en serie y paralelo, que ocurre por grupos de bacterias fermentativas e hidrolíticas (1), bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno (2), bacterias acetogénicas consumidoras de hidrógeno (3), reductores de dióxido de carbono (4) y metanógenos acetoclásticos (5) (Figura 1). Van Lier et al. (2008) describen el proceso de digestión anaerobia que se divide en las siguientes cuatro etapas:
Hidrólisis: es realizada por exoenzimas provenientes de bacterias fermentativas que son responsables de convertir materiales complejos (proteínas, carbohidratos y lípidos) en compuestos solubles de menor peso molecular, que pueden ser capaces de atravesar membranas bacterianas.
Acidogénesis: los compuestos provenientes de la etapa hidrolítica son convertidos en compuestos más simples como ácidos grasos volátiles, alcoholes, ácido láctico, CO2, H2, NH3 y H2S.
Acetogénesis: algunos de los productos intermediarios de la etapa anterior se convierten en acetato, hidrógeno y CO2, con la producción de nuevas células.
Metanogénesis: su producto principal es el metano a partir de la conversión de acetato, bicarbonato, ácido fórmico o metanol.
Limitaciones de la digestión anaerobia
La digestión anaerobia es una de las tecnologías alternas que ayuda a enfrentar los problemas de abasto de energía y de contaminación, gracias a la gran capacidad para convertir contaminantes orgánicos complejos en un producto de valor energético como el metano. Este proceso permite tratar de manera efectiva residuos orgánicos sólidos y aguas residuales que se caracterizan por tener altas cargas orgánicas y otros componentes que los hacen complejos. Sin embargo, la digestión anaerobia presenta algunas limitaciones como requerir largos tiempos de retención y bajas tasas de eliminación de materia orgánica comparada con un tratamiento aerobio (Baek et al., 2015), que son ocasionadas por condiciones adversas como baja biodegradabilidad, acidez, alcalinidad, amonio, temperatura y diversos elementos, iones y compuestos químicos (Chen et al., 2008). Por tal motivo, diversos estudios relacionados con la digestión anaerobia están encaminados a mejorar la productividad de metano y buscar procesos que sean autosustentables (Li, Chen y Wu, 2019). Parte de las investigaciones se han centrado en comprender el proceso de transferencia directa de electrones entre especies (direct interspecies electron transfer, DIET) que ocurre durante la digestión anaerobia, en donde están involucrados diferentes tipos de microorganismos que tienen gran influencia en el rendimiento del proceso (Dang et al., 2016; Kato et al., 2012; Kato et al., 2015; Lovley, 2017).
La digestión anaerobia está sujeta a condiciones físicas como el pH y temperatura, que son críticas para que el buen desarrollo del proceso (Acosta y Obaya, 2005). En general, los factores físicos y químicos que más influyen en los procesos anaerobios son (Álvarez, 2003):
Composición del sustrato.
Tasas de carga orgánica y el tiempo de retención hidráulica.
Temperatura (óptima 35°C).
pH (óptimo 7.0)
Contenido de sólidos suspendidos
Los metanógenos trabajan efectivamente en un rango de pH de 6.5-8.2, con un pH óptimo de 7.0. Aunque se ha demostrado que el rango de pH óptimo para la máxima obtención de rendimiento de gas es 6.5-7.5 (Parra, 2015, p. 153). El amoniaco (NH3) y el amonio (NH4+) se acumulan durante el rompimiento de proteínas y son los principales inhibidor del proceso de digestión anaerobia, a concentraciones cerca de 1700-1800 mg/L pueden inhibir inóculos sin aclimatar; a través de la aclimatación, los niveles de amonio pueden ser de hasta 5000 mg/L (Yenigun y Demirel, 2013, p. 902).
Aplicación de la digestión anaerobia en la generación de energía
La producción de biogás es una biotecnología utilizada mundialmente para generar energía renovable; puede contener entre 50-70% de metano (Weiland, 2010). Además, su producción tiene un impacto ambiental positivo porque puede ser producido a partir de residuos agropecuarios, forestales, desechos de alimentos y residuos municipales e industriales. La producción de metano ha sido una buena medida utilizada por los granjeros para el tratamiento de residuos y la obtención de energía extra para cocinar o calentar aguar para uso familiar. En regiones más desarrolladas, la gran cantidad de residuos orgánicos generados hace de la producción de biogás o biometano una opción atractiva para tratar la contaminación y proveer energía de calidad, que puede aplicarse como combustible a vehículos, generación de electricidad y generación de calor (Münster y Lund, 2010). En algunas ciudades de Suecia, el uso de biometano casi ha reemplazado a los combustibles fósiles para satisfacer la mayoría de su demanda energética (Junginger et al., 2006; Teng et al., 2014). En México existen casos exitosos de generación de biogás. Uno de ellos se localiza en la zona metropolitana de Monterrey, Nuevo León, en donde se pueden generar hasta 7,300 m3 biogás/h a partir de la digestión de 19 Mt de residuos sólidos municipales. El biogás es convertido en energía eléctrica que permite abastecer el 40% del alumbrado público de la zona metropolitana, equivalente a 25,000 casas pequeñas (Prehn y Cumana, 2010).
TRANSFERENCIA DE ELECTRONES EN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA
Los microorganismos son capaces de intercambiar electrones vía H2 o formiato, entre células donadoras y aceptoras de electrones. El H+ es el principal aceptor de electrones de la digestión anaerobia, pero es de bajo potencial redox (EH+/H2 = -414 mV, pH = 7.0), lo que indica que es difícil oxidar la mayoría de los sustratos, incluyendo importantes intermediarios (ENaD+/NaDH = -320 mV, EFADH/FADH2 = -220 mV, EFd-ox/Fd-red = -398 mV, pH = 7.0) (Buckel y Thauer, 2013; Kracke, Vassilev y Kromer, 2015). Esta condición puede ocasionar lentitud en el metabolismo anaerobio y permitir la acumulación de H+ e intermediarios como ácidos grasos volátiles, lo que promueve un descenso del pH. Esta es una de las principales causas que ocasiona las bajas tasas de producción observadas durante la digestión anaerobia de compuestos orgánicos complejos (Yang et al., 2017). La estrategia más conocida de transferencia de electrones entre bacterias fermentativas y arqueas metanogénicas es la transferencia de H2 entre especies. Este proceso es frágil debido a que las arqueas metanogénicas hidrogenotróficas no son las especies dominantes, además de que la difusión de H2 entre productores y metanógenos es baja (Stams et al., 2006). Una ligera interrupción en el consumo de H2 puede romper el balance del metabolismo sintrófico. Durante la digestión anaerobia de materia orgánica, especialmente para compuestos complejos, se requiere una adecuada transferencia de electrones para acelerar la digestión y favorecer su conversión eficiente hasta metano. La DIET es un proceso sintrófico que promueve de manera efectiva la transferencia de electrones. Este proceso sintrófico que ocurre en diferentes comunidades anaerobias, incluyendo las metanogénicas, en donde los microorganismos son capaces de ceder y aceptar electrones de forma directa entre especies, incrementando la productividad de metano (Rotaru et al., 2014).
MECANISMOS DE LA DIET
La DIET es un proceso sintrófico que ocurre en comunidades microbianas anaerobias, en donde los electrones que son generados por microorganismos exoelectrogénicos son transferidos directamente hacia otros microorganismos vía 1) estructuras bióticas como proteínas de transporte localizadas en la membrana y pili conductivos, o 2) abióticamente mediante el uso de materiales conductores (Figura 2).
DIET vía interacciones bióticas
La capacidad de ciertos microrganismos para interactuar en sistemas de transporte de electrones es posible vía pili conductores de electrones (Figura 2a). La DIET, inicialmente descubierta en un co-cultivo de G. metallireducens (bacteria donadora de electrones) durante la oxidación de etanol y con la producción de acetato, que es posteriormente utilizado por G. sulfurreducens (bacteria aceptora de electrones) para reducir fumarato, fue el proceso responsable de proveer los electrones para sustentar el crecimiento de microbiano. Estas especies fueron capaces de formar agregados en donde, aunque no estuvieron en asociación cercana, tuvieron la capacidad de transferir electrones vía pili conductores (Summers et al., 2010). Estudios posteriores confirman que la transferencia de electrones en una biopelícula delgada de G. sulfurreducens es debida a una red densa de pili o nanocables conductores en forma similar a un conductor metálico (Malvankar et al., 2011). La participación de citocromos tipo-C, específicamente el citocromo OmcS, ha sido asociado con pili conductores (Leang et al., 2010) y es importante para la DIET, pues se sugiere que es el responsable de la transferencia de electrones entre pili de diferentes microorganismos (Summers et al., 2010). Un estudio posterior demostró que la DIET a través de pili conductores fue responsable de la producción de metano en gránulos anaerobios colectados de digestores para tratar residuos de la industria cervecera. En los agregados granulares se encontró que especies del género Methanosaeta fueron los metanógenos dominantes y especies del género Geobacter fueron las bacterias metabólicamente más activas, evidenciado por la conductividad en los agregados, en donde los pili conductores fueron los responsables para que ocurriera la DIET (Morita et al., 2011). Co-cultivos con Methanosaeta harundinacea, aislado de un digestor anaerobio y con G. metallireducens, demostraron la capacidad de reducir dióxido de carbono a metano por M. harundinacea (Rotaru et al., 2014).
Otro mecanismo de transporte de electrones biótico que participa en la DIET es a través de las proteínas de transporte de electrones localizadas en la membrana celular (Figura 2b). El citocromo tipo-c OmcZ localizado en la membrana externa de Geobacter sulfurreducens y Shewanella oneidensis, que es responsable de transferir electrones a electrodos (Martínez y Alvarez, 2018), ha sido asociado como posible responsable del proceso DIET vía proteínas de membrana (Lovley, 2017). Prosthecochloris aestaurii, una bacteria fotosintética, pudo recibir electrones para su crecimiento vía electrodos o acetato a partir de un cultivo de Geobacter sulfurreducens. Sin embargo, la bacteria fotosintética no creció en el co-cultivo con Geobacter sulfurreducens mutada carente de proteínas de transporte de membrana (Ha et al., 2017).
DIET vía interacciones abiótica: uso de materiales conductores
Las estructuras celulares conductoras de electrones como los pili pueden ser sustituidas por materiales abióticos conductores (Figura 2c) o bien materiales que pueden mejorar la efectividad de los pili y proteínas transporte en el proceso DIET. La primera evidencia del uso de materiales conductores para promover la DIET fue documentada con minerales de óxidos de hierro. En ese estudio, Kato et al. (2012) observaron que se acortó la fase lag y se incrementó la tasa máxima de producción de metano al usar hematita y magnetita. Tras el análisis de la comunidad microbiana de los cultivos, el incremento de la productividad metanógenica se debe a especies de los géneros Geobacter y Methanosaeta (Kato et al., 2012), que posteriormente fueron reportadas como responsables del proceso DIET (Lovley, 2017). Después, la producción de metano fue también demostrada en co-cultivos de Geobacter metallireducens y Methanosarcina barkeri mediante el uso de CAG utilizando etanol como sustrato (Liu et al., 2012b). La adición de CAG demostró ser más efectiva para la producción de metano en relación con la DIET vía pili conductores de electrones. Tras estos dos primeros hallazgos con hematita, magnetita y CAG, se han estudiado diferentes materiales metálicos como oxihidróxido de hierro, nanopartículas de óxido de hierro, ferrihidrita, hierro cero valente, acero inoxidable, manganeso, óxido de magnesio y nanopartículas de plata; y materiales a base de carbón como carbón negro, biocarbón, telas, fibras, grafito, nanotubos de pared simple y múltiple y grafeno (Martins et al., 2018). Las condiciones experimentales e impacto del uso de materiales a base de carbón activado y metálicos (con combinaciones) son diversos y se han conducido con sustratos modelo y residuos orgánicos, pero también con cultivos puros o consorcios anaerobios.
MATERIALES CONDUCTORES A BASE DE CARBÓN
Los materiales conductores a base de carbón se han utilizado ampliamente para estimular el proceso DIET para la producción de metano (Tabla 1). Entre los más utilizados se encuentran el carbón activado granular (CAG), carbón activado en polvo (CAP), biocarbón, tela de carbón, nanotubos de carbón de pared múltiple o simple, grafeno y grafito (Park et al., 2018). Sin embargo, los mecanismos específicos de transferencia de electrones en los cuales intervienen los materiales conductores aún no están claramente definidos (Zhao et al., 2017). La conductividad eléctrica, área superficial, capacidad para formación de biopelícula, resistencia contra la corrosión y capacidad de adsorción de sustancias potencialmente tóxicas, son algunas características de los materiales a base de carbón que se asocian a la producción de metano (Watanabe, 2008; Pham, Aelterman y Verstraete, 2009). En la Figura 3 se muestran los procesos en los que intervine el uso de materiales a base de carbón en la digestión anaerobia. La adición de 25 g/L de CAG y etanol como sustrato a un co-cultivo de Geobacter metallireducens y Methanosarcina barkeri, incrementó el metabolismo metanogénico, evidenciado el aumento de siete veces la concentración de metano producido, encontrando la adhesión de los microorganimos en la superficie del material (Liu et al., 2012). Posteriormente, otros estudios también documentaron que la adición CAG (Rotaru et al., 2014), biocarbón (Chen et al., 2014) y tela de carbón (Chen et al., 2014) aceleran el metabolismo del etanol a metano a través de DIET en co-cultivos con G. metallireducens y M. barkeri.
Material conductor a | Inóculo | Sustrato b | Resultado c | Referencia |
---|---|---|---|---|
CAG (25 g/L) |
G. metallireducens M. barkeri | Etanol | +2.5 TP CH4 FL menor | Liu et al., 2012 |
CAG, CAP
(5 g/L) |
Lodo anaerobio | AR industria cervecera | 64-70% producción CH4 FL menor | Xu et al., 2015 |
CAG (0.43-0.48 g/mL) |
Lodo anaerobio | AR sintética | +1.8 TP CH4 97% conversión CH4 | Lee, Lee, y Park, 2016 |
CAG
(27 g/L) |
Lodo anaerobio | Lodos activados de desecho | +13.1% producción CH4 +10% consumo DQO 76% conversión CH4 | Peng et al., 2017 |
CAG (0.5- 5.0 g ) |
Lodo anaerobio | Lodos activados de desecho | +37.2% producción CH4 | Yang et al., 2017 |
CAG
(0.1 g/10 ml) |
Sedimento anaerobio | Glucosa, butirato, acetato y metanol | + 82% asimilación de sustratos +1.9 concentración CH4 | Rotaru et al., 2018 |
CAG, FC, TCA, BG | Lodo anaerobio | Comida de perro | 65-82% consumo de AGV +85% conversión CH4 | Dang et al., 2016 |
CAG, FG, TCA
(10 g/ L) |
Lodo anaerobio | AR porcina con antibióticos | +3 producción CH4 +2 conversión CH4 | Burboa-Charis y Alvarez, 2020 |
Biocarbón | G. metallireducens, G. sulfurreducens y M. barkeri | Etanol | Alta eficiencia y rendimiento de conversión a CH4 | Chen et al., 2014 |
Biocarbón
(10 g/L) |
Lodo anaerobio granular | Glucosa | 11.4-21.6% decremento en FL +86.6% TP CH4 | Luo et al., 2014 |
Biocarbón (20 g/L) |
Lodo anaerobio | Ricos en N | +32% rendimiento CH4 | Mumme et al., 2014 |
Biocarbón
(2.5 g/L) |
Lodo anaerobio | AR sintética | +66.6% producción CH4 | Zhao et al., 2015 |
Biocarbón (35 g/L) |
Lodo anaerobio | Cáscaras de cítricos | FL menor +11.5% producción CH4 | Fagbohungbe et al., 2016 |
Biocarbón
(10 g/L) |
Lodo granular anaerobio | AR industria de papel | FL menor +18.6% TP CH4 | Lü et al., 2016 |
Biocarbón (1 y 10 g/L) |
Lodo anaerobio | Estiércol lácteo seco | FL menor +35.7% producción CH4 | Jang et al., 2017 |
Biocarbón
(15 g/L) |
Lodo anaerobio | Mezcla de agua, lodos activados y desperdicios de alimentos | FL menor +40.3% TP CH4 | Wang et al., 2018 |
TCA (10 piezas/100 cm2) |
Lodo anaerobio | Lixiviados | Mejor conversión AGV | Lei et al., 2016 |
Grafeno
(0.5, 1 y 2 g/L) |
Lodo anaerobio | Etanol y propionato/butir ato | +25% rendimiento CH4 +19.5% TP CH4 | Lin et al., 2017 |
Nanografeno (20 y 120 mg/L) |
Lodo activado | AR sintética | +51.4% TP CH4 | Tian et al., 2017 |
Nota: a CAG: carbón activado granular; fc: fieltro de grafito; tca: tela de carbón activado; bg: barras de grafito.
b ar: agua residual.
c “+” se refiere al incremento (veces o %) respecto al control; tp: tasa de producción; fl: fase lag.
Fuente: elaboración propia.
Después de los primeros hallazgos que demostraron el efecto del CAG sobre la producción de metano, también se encontró que la adicción de CAG a reactores anaerobios incrementa la tolerancia a altas cargas orgánicas (Xu et al., 2015; Dang et al., 2016; Lee et al., 2016), aumenta la tasa de producción de metano (Lee et al., 2016) y la tasa de consumo de ácidos orgánicos intermediarios (Peng et al., 2017). Además del CAG, el efecto de materiales como fieltro de carbón, tela de carbón y grafito fue evaluado en la producción de metano utilizando comida para perro comercial (Dang et al., 2016). Los resultados indican que en el reactor sin material la tasa conversión a metano disminuyó 43% y los ácidos grasos volátiles se acumularon ocasionando descenso en el pH <6.0. En contraste, los reactores adicionados con los materiales tuvieron un desempeño estable y eficiente, sin acumulación de ácidos orgánicos y tasas de conversión a metano superiores al 85%. El establecimiento de comunidades microbianas en los reactores correspondientes a los géneros Sporanaerobacter y Metanosarcina sobre la superficie de los materiales indica su capacidad para participar en el proceso DIET (Dang et al., 2016).
La evidencia indica que la estrategia de introducir materiales a base de carbón en digestores anaerobios ayuda a fortalecer las asociaciones sintróficas entre bacterias y metanógenos y, por lo tanto, a mejorar la eficiencia del digestor (Zhao et al., 2015). Xu et al. (2015) llevaron a cabo un estudio donde comparan diferentes tamaños de partícula de CAG (0.84-2.0 mm) y CAP (75-177 μm) para el tratamiento de agua residual sintética de cervecería, enriquecida con etanol y glucosa en reactores anaerobios de flujo ascendente (UASB por sus siglas en inglés) adicionando 5 g/L de cada material conductor. El control sin materiales tuvo una brusca disminución de pH de 7.8 a 5.5 debido a la acumulación de ácidos orgánicos, causando inhibición en la producción de biogás, mientras que los reactores con CAG y CAP permitieron amortiguar el pH con valores de 7.0 a 7.8. La producción de biogás en los reactores con CA aumentó simultáneamente con la carga orgánica, alcanzando una eficiencia de consumo superior al 90%. Una diferencia significativa entre ambos materiales fue el contenido promedio de metano en el biogás producido, para CAG fue de 64.1%, mientras que para CAP fue de 70.4% bajo la operación estable, lo que indica que la tasa de conversión de sustrato en metano fue ligeramente mayor con PAC, lo que podría ser el resultado de una cooperación sintrófica más eficiente. Sin embargo, el autor menciona que esta hipótesis necesita ser probada por investigaciones adicionales.
El biocarbón (BC) se produce a partir de biomasa derivada de plantas que se somete a tratamiento térmico en ausencia parcial o total de oxígeno (Qadeer y Hanif, 1994). Se ha reportado que el BC mejora el proceso de digestión anaerobia al reducir significativamente la fase lag (Luo y Lu, 2014; Fagbohungbe et al., 2016; Lü et al., 2016; Jang, Choi y Kan, 2018; Wang et al., 2018) y aumenta la producción de metano (Mumme et al., 2014; Zhao et al., 2015; Wang et al., 2018). Un estudio realizado por Fagbohungbe et al. (2016) fue el primero en utilizar como sustrato los residuos de cáscara de cítricos, que han mostrado tener un efecto inhibitorio sobre la digestión anaerobia. El estudio incluyó diferentes tipos de BC encontrándose una disminución en la duración de la fase lag y una mayor producción de metano (11.5%), en relación con las incubaciones de residuos de cáscaras de cítricos sin materiales. El BC mitiga la inhibición del amonio (N-NH4+) sobre la metanogénesis (Mumme et al., 2014; Lü et al., 2016) y permite ofrecer superficies que pueden ser colonizadas por microorganismos (Kato, Hashimoto y Watanabe, 2012). Chen et al. (2014) adicionaron BC a co-cultivos de G. metallireducens y G. sulfurreducens en un medio con etanol como donador de electrones y fumarato como aceptor de electrones, lo que estimuló el metabolismo sintrófico del etanol con la reducción de fumarato a succinato en dos días. En contraste, el co-cultivo control sin BC requirió 30 días para adaptarse al metabolismo del etanol. Las tasas de pérdida de etanol y producción de succinato con un extracto soluble en agua del biochar fueron solo ligeramente más rápidas que el control sin BC. Por tal motivo sugiere que la fracción de partículas del BC fue la principal responsable de estimular el metabolismo del cocultivo, debido a que las células se unieron al BC, lo que sugiere que los electrones probablemente se condujeron a través del BC, en lugar de las conexiones eléctricas biológicas. Dicho hallazgo indica que BC puede estimular la DIET y puede ayudar a explicar por qué el BC puede mejorar la producción de metano a partir de desechos orgánicos en condiciones anaerobias.
Materiales a base de carbón que no han sido ampliamente estudiados, como el grafeno, han demostrado ser una buena opción para el aumento en la producción de metano. Lin et al. (2017) evaluaron la oxidación de etanol al adicionar grafeno (1 g/L), dando como resultado un aumento del 25% del rendimiento de metano (695.0 ± 9.1 mL/g) y 19.5% más en la tasa de producción (95.7 ± 7.6 mL/g día). El análisis microbiano comprobó que especies electrogénicas de los géneros Geobacter y Pseudomonas junto con arqueas Methanobacterium y Methanospirillum podrían participar en la transferencia directa de electrones entre especies, indicando que el grafeno puede sostener un flujo de transferencia de electrones mucho mayor que la transferencia de hidrógeno convencional. Otro estudio reveló que las partículas de nanografeno tiene efectos significativamente positivos sobre la metanogénesis en la digestión anaerobia, ya que la tasa de producción de metano mostró aumentos desde 17.0% hasta valores por arriba de 50% con respecto al control (Tian et al., 2017).
MATERIALES CONDUCTORES DE ORIGEN METÁLICO
La magnetita (Fe3O4) es un óxido de hierro bien conocido (contiene Fe [II] y Fe [III] en una proporción de 1:2) que tiene propiedades electroquímicas distintas dependiendo de sus estructuras cristalinas con una eficacia para promover la DIET (Sharma, Mahajan y Goel, 2019). Distintas publicaciones destacan el papel de la magnetita (y otros materiales) como material conductor para promover la transferencia de electrones en asociaciones sintróficas con consorcios microbianos definidos y mixtos, diferentes sustratos, diferentes concentraciones y tamaño de partícula (Tabla 2). Una de las primeras investigaciones con materiales conductores de origen metálico fue llevada a cabo por Kato et al. (2012), quienes utilizaron nanopartículas de óxido de hierro con diámetro de 10-50 nm y suelo de un cultivo de arroz como inóculo para enriquecer la comunidad microbiana. Fueron utilizados tres óxidos de hierro: magnetita, hematita y ferrihidrita, con una concentración final de 20 mM con respecto al Fe. Los experimentos se dividieron en dos etapas de enriquecimiento, la primera etapa fue enriquecido con acetato o etanol (20 mM). Cuando la metanogénesis alcanzó la fase estacionaria, una parte del cultivo de enriquecimiento se transfirió a una botella que contenía medio fresco (segunda etapa). Los resultados mostraron que la adición de nanopartículas de hematita y magnetita estimulaba significativamente la metanogénesis durante la oxidación de acetato y etanol, evidenciado por la disminución en la fase lag y aumento en la tasa de producción en comparación con el control sin los materiales. Dicha investigación abrió paso al estudio del mecanismo de la DIET en presencia de materiales conductores de origen metálico. Zhuang et al. (2015) utilizaron también suelo de un arrozal enriquecido con óxidos de hierro y benzoato como sustrato, obteniendo incrementos en la producción de metano con hematita de 4.1% y magnetita de 7.6% con respecto al control. Por otro lado, la metanogénesis no cambió en presencia de ferrihidrita.
Material conductor a | Inóculo | Sustrato b | Resultado c | Referencia |
---|---|---|---|---|
Magnetita y hematita (20 mM) |
Mixto | Etanol, acetato | +1.4 producción CH4 | Kato et al., 2012 |
Magnetita
(25mM) |
Lodo anaerobio | Propionato | +1.3 producción CH4 62% decremento en fl | Cruz Viggi et al., 2014 |
Magnetita Oxihidróxido de Hierro iii (20mM) |
Lodo anaerobio | ar industria láctea | 27% decremento en fl +3.03 tp CH4 | Baek et al., 2015 |
Magnetita
(6.4 mM) |
Mixto | Butirato | +3.0 producción CH4 | Li et al., 2015 |
Magnetita, hematita (25 mM) |
Mixto | Benzoato | 29% decremento en fl | Zhuang et al., 2015 |
Magnetita
(27 g/L) |
Lodo anaerobio | ar | +7.3% producción CH4 | Peng et al., 2018 |
Magnetita (150-250 μm) |
Lodo anaerobio | ar Fischer-Tropsch | +48.6% producción CH4 | Wang et al., 2018 |
Magnetita
(10 g/L) |
Lodo anaerobio | ar sintética | +2.78 producción CH4 48% decremento en fl | Yin et al., 2018 |
Magnetita Urea con
Fe3O4 (25 a 75 mg/L) |
Efluente anaerobio | Residuos de comida | +1.45 producción CH4 | Ali et al., 2019 |
Magnetita
(1.5 g/L) |
Lodo mixto | Glicerol | +6% producción CH4 | Im et al., 2019 |
Magnetita (5-350 mmol) |
Lodo anaerobio | ar porcina | +16.1% producción CH4 | Zhang et al., 2019 |
Nanomagnetita
(10 mM) |
Mixto | Butirato | +90% producción CH4 | Zhang y Lu., 2016 |
Nanomagnetita (2.5 g/L) |
Lodo anaerobio | ar industria láctea | +2.3 producción CH4 | Ren et al., 2019 |
Magnetita-CAG
(25 g/L, 40 g/L) |
Lodo anaerobio | ar industria láctea | +80% tp CH4 +90% conversión CH4 | Zhao et al., 2017 |
Magnetita-CAG (13.5 g/L) |
Lodo anaerobio | Agua residual de ptar. | +20% producción CH4 | Peng et al., 2018 |
CAG-NanoFe0 (5 g/L) |
Lodo anaerobio | ar sintética con tetraciclina | +21.2% producción CH4 +27 % contenido de CH4 | Zhang et al., 2018 |
BC-NanoFe0 (2.5 g) |
Lodo anaerobio | Lodo residual | +115% producción CH4 | Zhang, Li, y Wang, 2019 |
CA magnético
(0-400 mg/L) |
Lodo anaerobio | Glucosa | +1.64 producción H2 | Fan et al., 2019 |
tc-óxido férrico | Lodo anaerobio | Propionato | +19.6% producción CH4 | Xu et al., 2020 |
Acero inoxidable
(0.2-0.8 g/L) |
Lodo anaerobio | Acetato | +4.5 producción CH4 | Li et al., 2017 |
Fierro, Fe 2+ (400 mg/L) |
Metanogénicos | ar porcina | +2.46 producción CH4 | Wang et al., 2020 |
Nota: a cag: carbón activado granular; bc: biocarbón; tc: tela de carbón.
b ar: agua residual.
c “+” se refiere al incremento (veces o %) respecto al control; tp: tasa de producción; fl: fase lag.
Fuente: elaboración propia.
La magnetita es un mineral abundante que podría desempeñar un papel crucial en los ciclos biogeoquímicos. Las partículas de magnetita han sido ampliamente utilizadas para el estudio de la DIET con diferentes matrices y sustratos, obteniendo resultados significativamente positivos. En un estudio utilizando propionato, lodo anaerobio y con una suspensión de partículas de magnetita (0.35 g Fe/L), permitió la degradación del propionato, con una fase lag ligeramente más corta (seis días frente a 16 días) y continuó hasta su finalización más rápidamente (48 días frente a 55 días) en comparación con el control no suplementado con magnetita. En presencia de partículas conductoras la tasa de producción de metano mejoró un 33%, comparado con control no modificado, a partir del propionato, un intermediario clave de la digestión anaerobia de materia orgánica y un sustrato modelo para estudiar comunidades sintróficas de energía. Los resultados sugieren que probablemente se debió al establecimiento de la DIET, basándose en que las partículas de magnetita sirven como conductores de electrones entre los acetógenos oxidantes de propionato y los metanógenos reductores de CO2 (Cruz Viggi et al., 2014). Además de sustratos modelo se han utilizado aguas residuales para evaluar el efecto de materiales metálicos. En un estudio realizado por Baek et al. (2015) utilizaron tres reactores anaerobios de 2 L para tratar aguas residuales de industria láctea operados en modo discontinuo por 30 días. Para estimular la producción de metano fueron adicionados con oxihidróxido férrico y magnetita. El consumo de DQO después de 30 días fue de 31.9%, 59.3% y 82.5% en los reactores control, con oxihidróxido férrico y magnetita, respectivamente. La DQO consumida se recuperó casi por completo como biogás con oxihidróxido férrico y magnetita, mientras que solo el 79% se recuperó en el control.
Los diferentes sustratos permiten tener diferencias marcadas en la producción de metano utilizando magnetita como conductor de electrones, ya que se reportan incrementos desde 7.3% (Peng et al., 2017), 15.4% (Yin et al., 2018), 16.1% (Zhang, Li y Wang, 2019) hasta valores que van de 50% (Zhao et al., 2017; Wang et al., 2018) a 90% [46]. Estas diferencias significativas también están relacionadas con las propiedades de la magnética tales como su cristalinidad y conductividad, así como también la concentración y tamaño de partícula. El uso de nanomateriales naturales o artificiales como conductores de electrones para acelerar la producción sintrófica de metano puede ayudar a los microorganismos a ahorrar energía para la biosíntesis de las conexiones extracelulares, biológicas y eléctricas (Zhang y Lu, 2016). Recientes estudios confirmaron que la adición de nanomagnetita mejoró la interacción entre microorganismos sintróficos y aceleró la producción de metano a partir de diferentes sustratos, como etanol, acetato, propionato y butirato (Martins et al., 2018). En un estudio llevado a cabo por Ren et al. (2019), utilizaron partículas de nanomagnetita por primera vez en un proceso de electrometanogénesis con aguas residuales de una granja lechera, mejorando la tasa de producción de metano 2.3 veces mayor que en el proceso de metanogénesis convencional y una fase lag casi nula. La conductividad de la nanomagnetita disminuyó efectivamente la resistencia de la biopelícula y facilitó la transferencia de electrones y la transferencia de masa durante la vía electroquímica de la metanogénesis, incluso cuando los metanógenos no estaban cerca de la superficie del electrodo.
En una investigación reciente se muestra el uso de materiales conductores como la magnetita aplicada a la etapa acidogénica y con CAG aplicado a la etapa acidogénica, utilizando agua residual sintética de la industria de lácteos como sustrato (Zhao et al., 2017). Los resultados indican que el reactor con magnetita tenía una ventaja considerable en la degradación de compuestos orgánicos complejos, con producción significativa de hidrógeno que permitió enriquecer la comunidad metanogénica hidrogenotrófica. Por otro lado, el reactor con CAG permitió la conversión sintrófica de los productos de la fermentación a metano vía DIET, obteniendo tasas de producción de metano superiores.
CONCLUSIÓN
El conocimiento fundamental y los avances tecnológicos de los procesos de digestión anaerobia han evolucionado significativamente en las últimas décadas. Por tal motivo, es necesario documentar los avances científicos y tecnológicos por medio de la revisión bibliográfica, que permite tener trabajos con datos actualizados que formen parte del conocimiento universal, que es el objetivo del presente documento. El metano es una fuente de energía renovable que se puede producir en sistemas controlados de bioingeniería a partir de una amplia gama de sustratos orgánicos, incluyendo residuos agroindustriales. El tipo de material conductor, el sustrato y el modo de operación de los sistemas de digestión anaerobia son los que definirán la producción de metano. Los mecanismos de producción de metano involucrados con el uso de materiales conductores no han sido completamente elucidados; sin embargo, algunas características como la conductividad eléctrica, potencial redox, área específica, capacidad de transferencia de electrones y la rugosidad de los materiales parecen ser factores importantes. El uso de materiales conductores permite establecer comunidades microbianas que soporten el proceso DIET y que permitan mejorar la productividad de metano como la fase lag, tasa de producción, cantidad y calidad del metano, acoplado a altas eficiencias de degradación de la materia orgánica. Además, la combinación de materiales es una solución prometedora para incrementar la eficiencia de la digestión anaerobia y fomentar la industria del biogás, con el fin de cumplir con la demanda de energía actual y en el futuro.