Entre las consideradas como fuentes de energía renovable se incluye la digestión anaerobia o metanización, un proceso biológico natural de degradación de la materia orgánica en el que, como metabolito del proceso, se genera gas metano de cuya combustión se obtiene energía. Tenemos por tanto tres ventajas potenciales: es un proceso natural (no necesitaría un aporte energético o material para producirse más allá de la materia orgánica), degrada los restos orgánicos completando el ciclo de la materia, y genera un gas combustible (metano) del que se puede obtener energía en forma de calor. El equilibrio entre la eficiencia de la degradación de la materia orgánica mediante digestión anaerobia y la rentabilidad económica de la energía producida es causa de polémica en la aplicación industrial de este proceso.

La principal característica definitoria de este proceso biológico es que sólo se produce en condiciones anaerobias (en ausencia de oxígeno). Por eso resulta incorrecto referirnos a él como “compostaje anaerobio”. En el compostaje actúan microorganismos aerobios, que necesitan de la presencia de oxígeno para desarrollar su actividad. Por el contrario, la presencia de oxígeno resulta mortal para las bacterias productoras de metano.
La atmósfera de nuestro planeta tiene aproximadamente un 21% de oxígeno, así que para que se produzca la metanización es necesario que el medio esté aislado de la atmósfera. Así en la naturaleza lo encontramos sobre todo en pantanos o en fondos marinos ricos en materia orgánica, medios líquidos donde es difícil que llegue el oxígeno y si lo hace este es muy rápidamente consumido. Cuando queremos reproducir este proceso de forma artificial la primera dificultad reside en que necesitamos aislarlo de la atmósfera. El recipiente en el cual aislamos de la atmósfera la materia orgánica que pretendemos metanizar se denomina digestor anaerobio.

La degradación de la materia orgánica por la digestión anaerobia tiene una serie de etapas consecutivas que implican diferentes grupos de bacterias que en su actividad van consumiendo la materia orgánica y generando diferentes metabolitos y nuevos individuos. Algunos de los metabolitos son utilizados por los microorganismos de la siguiente etapa, mientras que otros como el CO₂ y el metano (CH4) son liberados al medio constituyendo un biogás. Comúnmente se consideran tres etapas en el proceso, aunque por simplificar es habitual que se hable de dos etapas. En total intervienen cuatro grupos tróficos bacterianos diferentes hasta obtener el biogás.

La primera etapa es una hidrólisis de la materia orgánica, hasta solubilizarla en compuestos más simples que pueden ser absorbidos por los microorganismos. Intervienen bacterias hidrolíticas, que rompen las moléculas de carbohidratos, lípidos, proteínas, etc… y producen ácidos grasos. La tasa de actividad biológica de esos microorganismos es alta y tienden a acidificar el medio sin que sea un limitante para ellos.

La segunda etapa es una acetogénesis donde intervienen dos grupos tróficos de bacterias: las acetogénicas, que catabolizan principalmente los ácidos grasos generados en la hidrólisis y producen hidrógeno (H₂); y las homoacetogénicas, que catabolizan CO₂ y H₂ e hidrolizan polisacáridos hasta ácido acético (CH3COOH), aunque también se producen ácido butírico, ácido propiónico y etanol.

La etapa final del proceso es la metanogénesis, que implica la producción de CO₂ y CH4 a partir de la degradación del acético y la reducción del CO₂ por el H₂. Las bacterias metanogénicas pertenecen al grupo más antiguo (Archeas), ello hace que, entre otras cualidades, su mecanismo de fijación del CO₂ sea diferente del ciclo de Calvin. Otro detalle distintivo importante es que su pared celular (entre la cápsula y la membrana celular) carece de ácido murámico. Por esta causa presentan una elevada sensibilidad ante la presencia de los ácidos grasos. Este es un aspecto clave de la biología de estos microorganismos y de todo el proceso de metanización. Los grupos de bacterias metanogénicas no soportan ambientes ácidos, por lo que es necesario que haya un equilibrio entre su actividad biológica y la de las hidrolíticas, de tal manera que la mayor actividad de estas últimas no provoque la acidificación del medio, lo que resultaría letal para la metanogénicas. Las bacterias metanogénicas se clasifican en tres grupos: Hidrogenotróficas, Acetotróficas y Metilotróficas.



Dependiendo de la composición de la materia orgánica que está siendo degradada y de en las condiciones del medio, también se desarrollan otras bacterias que aprovechan metabolitos del proceso de metanización. Es el caso de las bacterias sulfatoreductoras, que generan ácido sulfhídrico (H₂S) y que será parte de la composición del biogás.

Uno de los condicionantes más importantes del proceso es la temperatura, pues influye en la actividad biológica de las bacterias metanogénicas, y en consecuencia en el rendimiento y la cantidad de CH4 generado. Se consideran tres intervalos de temperatura muy concretos: psicrófilo (inferiores a 30ºC), mesófilo (entre 35 y 37ºC) y termófilo (entre 50 y 55ºC). Dependiendo de la literatura científica y técnica que se consulte estos márgenes pueden ser más o menos amplios , pero estos son los valores que se emplean comúnmente a escala industrial, principalmente los correspondientes al intervalo mesófilo. La ventaja de este frente a los otros es que permite el desarrollo de una gran variedad de bacterias hidrolíticas y metanogénicas, lo que implica una mayor eficiencia, pero su productividad en CH4 es menor que en el caso de las bacterias termófilas. En cierta medida, el menor consumo energético que supone mantener el medio a temperaturas termófilas compensa esta merma de la producción potencial de CH4.

Al ser un proceso donde conviven y actúan en cascada tres grupos tróficos de bacterias con una tasa de actividad biológica diferente y cuyas condiciones óptimas del medio difieren, es imprescindible alcanzar un equilibrio entre las diferentes poblaciones para garantizar un rendimiento en la producción de biogás.
Hay una serie de factores o parámetros ambientales que limitan el proceso, por lo que su monitorización resultará imprescindible para poder actuar sobre el medio y corregir cualquier desequilibrio de las condiciones adecuadas.

La capacidad de control del proceso por nuestra parte está parcialmente limitada, pues principalmente podremos actuar regulando el flujo o caudal de la materia orgánica que aportamos al proceso y, hasta cierto punto, la “calidad” de la misma, que son los factores más influyentes en el proceso biológico. Cuando se regula el caudal de alimentación al digestor se modifica el tiempo de retención hidráulico (TRH), que no es más que el cociente entre el volumen del digestor y el caudal de entrada. El TRH es un factor clave en el dimensionamiento de cualquier instalación de metanización, ya que se calcula para conseguir un tiempo de permanencia (y por tanto de proceso biológico) que permita garantizar una producción de biogás mínima para rentabilizar energética (es decir, monetariamente) la instalación. La composición y características de la materia orgánica a metanizar también deben ser considerados a la hora de calcular el TRH para conseguir la reducción de carga orgánica deseada del material de salida del digestor.

En cuanto al biogás como ya se ha comentado está compuesto casi en su totalidad por CO₂ (25 – 45%) y CH4 (50 – 75%), presentando también otros gases en mucha menor proporción y en dependencia de la composición de la materia orgánica degradada, como nitrógeno (N₂), sulfhídrico (H₂S),... De los dos gases principales es el CH4 el que permite una producción de energía calorífica a partir de su combustión, por lo que el foco de interés suele estar en generar un biogás lo más rico posible en CH4, que sería equivalente al gas natural. Pero también hay que considerar las concentraciones de H₂S que pueda tener el biogás, pues es altamente corrosivo y limita las posibilidades de aprovechamiento energético del biogás si no es eliminado. Cuando se habla de la riqueza o calidad del biogás se refiere al porcentaje de CH4 que tiene en su composición. El problema es que a veces se asumen conceptos muy erróneos, pues no se tienen en cuenta aspectos clave del proceso de digestión anaerobia:

- están hablando de tratamientos biológicos, esto es, que intervienen grupos muy concretos de microorganismos en la degradación de la materia orgánica. Se trata de controlar un proceso biológico, no una reacción química al uso.

- el tipo de materia orgánica del que se parta, por su origen, composición y características, afectará directamente a la cantidad y composición del biogás que se genere, especialmente su riqueza o concentración en metano. Sin olvidar la importancia de los distintos grupos de microorganismos responsables del proceso y de la necesidad de escoger un sistema o tecnología en consonancia con el tipo, características y necesidades del material a metanizar.

- si el objetivo es tener una producción energética muy alta, lo más importante no es tener una instalación grande, sino que antes de nada se ha de disponer en cantidad suficiente un residuo (o residuos) que en su degradación anaerobia produzca una importante cantidad de biogás (producción) y que este sea rico en metano (productividad). La producción se expresa en Nm³ de biogás y la productividad en Nm³ de biogás (o de CH4) por tonelada de materia orgánica (o sólidos volátiles), aunque a veces este valor se expresa en materia seca (sólidos totales).

Otro de los aspectos fundamentales de la metanización pero por el que se suele pasar de puntillas se refiere al producto final, el digestato. Al final del proceso, dependiendo de la características y composición de la materia orgánica inicial, de cual haya sido el TRH y de las condiciones de proceso, se obtendrá una materia orgánica más o menos estabilizada que deberá ser gestionada adecuadamente para asegurar que no produce ningún tipo de afecciones ambientales. La digestión anaerobia, a no ser que se estén dando TRH’s muy largos o se esté tratando materia orgánica muy fácilmente degradable, no es un tratamiento finalista, por lo que el digestato necesitaría un proceso posterior, generalmente aerobio, para alcanzar su estabilidad, garantizar su higienización y poder ser almacenado sin problemas..