Microbiologia e metabolismo da digestão anaeróbia

A digestão anaeróbia envolve quatro etapas principais, a hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese, e depende de micro-organismos específicos para garantir uma completa degradação da matéria orgânica em biogás (KWIETNIEWSKA; TYS, 2014). O início do processo de digestão anaeróbia depende de grupos específicos de micro-organismos, de acordo com Carballa e colaboradores (2015) os micro-organismos envolvidos no processo podem ser divididos em dois grupos distintos, o primeiro contém bactérias responsáveis pela decomposição da matéria orgânica em ácidos graxos voláteis, CO2 e H2 e o segundo grupo com arqueas

metanogênicas responsáveis pela produção de metano. Para Kwietmiewska e Tys (2014) os micro-

organismos responsáveis pela DA compreendem bactérias hidrolíticas, acidogênicas, acetogênicas e metanogênicas. A descrição resumida deste processo é apresentada na Figura 4.

Compostos Orgânicos Complexos (Lípideos, Carboidratos, Proteínas)

Compostos Orgânicos Simples (Açúcares, Ácidos graxos, Aminoácidos)

Ácidos graxos voláteis, Álcoois e Cetonas Acetato CH4+CO2 H2+CO2 Bactérias Fermentativas (Hidrólise) Bactérias Fermentativas (Acidogênese) Bactérias Acetogênicas (Acetogênese) Arqueas Metanogênicas Acetoclásticas Arqueas Metanogênicas Hidrogenotróficas Bactérias acetogênicas produtoras de hidrogênio Bactérias acetogênicas produtoras de acetato Micro-organismos consumidores de hidrogênio e acetato

Figura 4 - Diagrama da digestão anaeróbia. Fonte: (MORAES; ZAIAT; BONOMI, 2015). Conforme descrito anteriormente a DA pode ser dividida em 4 etapas:

 Hidrólise: primeira fase do processo anaeróbio, nessa fase a matéria orgânica particulada mais complexa (polímeros) é transformada em materiais dissolvidos mais simples. Essa conversão se dá pela atividade das bactérias hidrolíticas, sendo necessária a produção de exoenzimas excretadas pelas bactérias fermentativas hidrolíticas que degradam compostos complexos como proteínas, aminoácidos e carboidratos em mono e dissacarídeos e também possibilitam a conversão de lipídeos em ácidos graxos de cadeia longa e glicerina (CHERNICHARO, 1997). Essa etapa é a mais demorada de todo o processo devido à formação de substâncias tóxicas ou compostos indesejáveis (ARIUNBAATAR et al., 2014). A hidrólise

também limita a velocidade da DA se o substrato utilizado está sob a forma de partículas (BOUALLAGUI et al., 2005), por outro lado, a intensificação da hidrólise pode levar ao aumento no desempenho da digestão (MA et al., 2011). Os pré- tratamentos biológicos, químicos, mecânicos ou uma combinação destes podem ser utilizados para acelerar a etapa da hidrólise, pois eles podem causar a lise ou desintegração das células de lodo e permitir a liberação de matéria intracelular permitindo maior acessibilidade dos micro-organismos anaeróbios, reduzindo assim o tempo de retenção no digestor (FERRER et al., 2008);

 Acidogênese: segunda fase da digestão anaeróbia que acontece devido à ação das bactérias fermentativas acidogênicas, as quais convertem produtos solúveis da hidrólise em compostos como ácidos graxos, álcoois, ácido lático, gás carbônico, hidrogênio, amônia e sulfeto de hidrogênio (ZHANG et al., 2014);

 Acetogênese: terceira fase, as bactérias acetogênicas convertem os compostos gerados na fase acidogênica, produzindo hidrogênio, dióxido de carbono e acetato. Durante a formação dos ácidos acético e propiônico, grande quantidade de íons de hidrogênio é formada, fazendo com que o valor do pH no meio aquoso decresça (CHERNICHARO, 1997; MORAES; ZAIAT; BONOMI, 2015; ZHANG et al., 2014);

 Metanogênese: na última etapa do processo, as arqueas metanogênicas promovem a degradação dos compostos orgânicos oriundos da fase acetogênica, estas arqueas

metanogênicas são divididas em dois grupos principais: as arqueas acetoclásticas

que degradam o ácido acético ou metanol para produzir metano e as arqueas

hidrogenotróficas que utilizam hidrogênio e dióxido de carbono para produzir

metano (MORAES; ZAIAT; BONOMI, 2015).

A digestão anaeróbia pode ser realizada em condições psicrotróficas (20°C), mesofílicas (35°C) e termofílicas (55°C). Em virtude dos gastos com energia e estabilidade do processo a digestão anaeróbia mesofílica é mais utilizada. No entanto, a digestão anaeróbia termofílica é mais eficiente em termos da remoção da matéria orgânica e produção de metano.

Além disso, gera um efluente livre de patógenos, possibilitando sua utilização para o enriquecimento do solo (FERRER et al., 2008).

A digestão anaeróbia pode ocorrer em sistemas com única fase ou em sistemas de duas fases. Nos sistemas de uma única fase todas as reações metabólicas envolvidas na DA ocorrem em um único reator, enquanto que nos sistemas de duas fases são necessários pelo menos dois reatores para dividir as principais reações envolvidas no processo de digestão anaeróbia (BOUALLAGUI et al., 2005).

A digestão anaeróbia configurada para ocorrer em duas fases sequencias consiste na fase hidrolítica-acidogênica seguida pela fase metanogênica (ARIUNBAATAR et al., 2014). No primeiro processo, polímeros, hidratos de carbono, proteínas e lipídeos são degradados em ácidos graxos voláteis e hidrogênio. Esses subprodutos formados na primeira fase são metabolizados por bactérias metanogênicas e convertidos em metano e dióxido de carbono (UENO ET AL., 2007; WANG; ZHAO, 2009). Em sistemas com esse tipo de configuração se tem uma maior estabilidade do processo com maior controle do pH, otimização das fases da DA levando a uma maior produção de biogás, aumento da atividade metanogênica que acarretará em um rendimento elevado de metano e maior remoção de agentes patogênicos (ARIUNBAATAR et al., 2014; LIU et al., 2006). Em contrapartida, esse sistema pode apresentar maiores custos operacionais, acúmulo de hidrogênio que resulta na inibição de bactérias formadoras de ácido, e pode contribuir para a eliminação de nutrientes necessários a bactérias formadoras de metano (ARIUNBAATAR et al., 2014).

Em uma digestão anaeróbia bem equilibrada todos os produtos obtidos em uma fase metabólica são convertidos na fase seguinte sem acumulação de produtos intermediários, resultando na completa degradação da matéria orgânica em produtos finais de interesse como metano, dióxido de carbono, sulfeto de hidrogênio e amoníaco (BOUALLAGUI et al., 2005). Para o sucesso na produção de hidrogênio através de processos fermentativos é importante inibir ou bloquear a atuação das bactérias metanogênicas, uma vez que elas consomem o hidrogênio para produzir metano. Esse bloqueio pode ser realizado através do controle da temperatura, pH ou até mesmo utilização de aditivos (WANG; ZHAO, 2009).