Hidrólisis

La materia orgánica polimérica no puede ser utilizada directamente por los microorganismos a menos que se hidrolicen en compuestos solubles, que puedan atravesar la membrana celular. La hidrólisis es, por tanto, el primer paso necesario para la degradación anaerobia de substratos orgánicos complejos. La hidrólisis de estas partículas orgánicas es llevada a cabo por enzimas extracelulares excretadas por las bacterias fermentativas. La etapa hidrolítica puede ser la etapa limitante de la velocidad del proceso global, sobre todo tratando residuos con alto contenido en sólidos. Incluso en casos donde las fases acidogénicas o metanogénicas son consideradas como pasos limitantes, la hidrólisis puede afectar el conjunto del proceso (Pavlostathis y Giraldo-Gómez, 1991).

Cualquier substrato se compone de los tres tipos básicos de macromoléculas: hidratos de carbono, proteínas y lípidos. La hidrólisis de cada tipo de compuesto se realiza por diferentes grupos enzimáticos.

El grado de hidrólisis y la velocidad del proceso depende de muchos factores, entre otros del pH, de la temperatura, de la concentración de biomasa hidrolítica, del tipo de materia orgánica particulada (Pavlostathis y Giraldo-Gómez, 1991), y del tamaño de partícula (Hills y Nakano, 1984). Uno de los principales componentes de la materia orgánica, sobre todo en residuos ganaderos, son los materiales lignocelulósicos, compuestos principalmente por lignina, celulosa y hemicelulosa. La lignina es un material altamente refractario a la degradación anaerobia, afectando también a la biodegradabilidad de la celulosa, de la hemicelulosa y de otros polímeros, convirtiéndose su degradación en el proceso limitante de la velocidad de la hidrólisis y por tanto, de la degradación anaerobia de determinados substratos (Sleat y Mah, 1987; Pavlostathis y Giraldo-Gómez, 1991; Veeken y Hamelers, 1999). Los principales productos de la hidrólisis de la celulosa son celobiasa y glucosa, mientras que la hemicelulosa produce pentosas, hexosas y ácidos urónicos.

Las proteínas son hidrolizadas por proteasas en proteosas, peptonas, péptidos y aminoácidos. Hay proteasas extracelulares, conocidas como proteinasas que atacan la proteína entera, y las peptidasas, intracelulares,  que cortan aminoácidos del extremo de proteínas y péptidos. Los aminoácidos producidos son degradados a ácidos grasos volátiles, dióxido de carbono, hidrógeno, amonio y sulfuro reducido. Generalmente la tasa de hidrólisis de proteínas es menor que la de los carbohidratos (Pavlostathis y Giraldo-Gómez, 1991).

 La degradación de lípidos en ambientes anaerobios consiste en una ruptura inicial de las grasas por un grupo de enzimas hidrolíticas (lipasas) en los correspondientes ácidos grasos de cadena larga y moléculas de glicerol o galactasa. Una molécula de  fosfolípidos produce un equivalente de ácido fosfórico, uno de glicerol y dos de ácidos grasos (Pavlostathis y Giraldo-Gómez, 1991).

La tasa de hidrólisis, en general, aumenta con la temperatura (Pavlostathis y Giraldo-Gómez, 1991; Siegrist et al., 1993; Veeken y Hamelers, 1999), independientemente del compuesto de que se trate.

Hills y Nakano (1984) demostraron que la tasa de hidrólisis depende, también, del tamaño de las partículas, debido fundamentalmente a la disponibilidad de superficie para la adsorción de las enzimas hidrolíticas. Los pretratamientos físico-químicos, cuyo principal efecto es la reducción del tamaño de las partículas, producen un aumento en la tasa de hidrólisis, y si esta fase es la limitante del proceso anaerobio, supone un beneficio para el proceso general, produciendo menores tiempos de retención y tamaños de reactor menores. En la bibliografía se relatan numerosas experiencias positivas en este sentido: pretratamiento con ultrasonidos de lodos de depuradora (Tiehm et al., 1997); pretratamiento mecánico de diferentes tipos de substratos (Baier y Schmidheiny, 1997; Hartmand et al., 1999; Palmowski y Müller, 1999); pretratamientos que combinan ultrasonidos y ataque alcalino (Chiu et al., 1997); pretratamientos térmicos (Bonmatí et al., 2000); o termoquímicos (Delgenès et al.,. 1999). La dependencia del tamaño de partícula ha motivado el desarrollo de diversos modelos que se basan en este parámetro para simular la velocidad del proceso hidrolítico (Hills y Nakano, 1984; Vavilin et al., 1995; Valentini et al., 1997; Sanders et al., 1999; Palmowski y Müller, 1999).

Cinética del proceso hidrolítico.
Sólo unos pocos autores consideran el paso de hidrólisis y acidificación en sus modelos, entre los que destacan Hill (1982), Jain et al. (1992), Siegrist et al. (1993),  Angelidaki et al., (1993, 1996, 1999), Vavilin et al. (1994), Shin et al. (1995), Bagley et al. (1999). La mayoría de estos modelos utilizan la cinética de primer orden (Tabla 1) para simular la fase de hidrólisis, algunos considerando un único proceso general de hidrólisis de materia orgánica insoluble (Hill, 1982; Siegrist et al., 1993). La utilización este tipo de cinética proporciona diferentes valores de la constante de hidrólisis en función del tipo de substrato (Veeken y Hamelers, 1999), o del pretratamiento aplicado (Shimizu et al., 1993), lo que hace que haya grandes discrepancias en los valores de dicho parámetro en la bibliografía (Pavlostaths et al., 1991).
Otros modelos, como el de Angelidaki et al. (1999), consideran la cinética de primer orden pero para cada uno de los tres grandes grupos de macromoléculas, siendo por ello, más extrapolable a diferentes tipos de substratos. El contenido de lignina en la fracción de carbohidratos de un substrato puede hacer variar sustancialmente la biodegradabilidad de la fracción lignocelulósica, hecho que Angelidaki et al.(1999) simulan mediante la utilización de diferentes coeficientes estequiométricos en función del tipo de substrato.

Algunos modelos consideran la tasa de hidrólisis dependiente, no sólo de la concentración de substrato a hidrolizar sino también de la concentración de biomasa responsable de la producción de las enzimas hidrolíticas (Tabla 1). Los modelos ASM nº 2 y nº 3 y aquellos que se basan en estos (Henze et al.,1995; Henze et al., 1999; Bagley et al., 1999), simulan la fase hidrolítica del proceso anaerobio mediante la cinética de Contois, modificación de la de Monod, en la que la constante de saturación es proporcional a la concentración de dicha población bacteriana. De hecho la cinética de primer orden se puede considerar como un caso límite de la cinética de Contois, ya que si la población bacteriana es mucho mayor que la concentración de substrato a degradar la degradación de éste es sólo dependiente de su concentración.

Tabla 1. Comparación de las diferentes cinéticas utilizadas en la simulación de la fase hidrolítica en modelos de digestión anaerobia de substratos complejos (XS Substrato a hidrolizar; XH: Biomasa hidrolítica; Kh, kh, A y KHA, parámetros cinéticos)

Una nueva generación de modelos están siendo desarrollados en los últimos años, basados en la disminución del tamaño de las partículas (Tabla 1), dado que es uno de los parámetros más influyentes (Hills y Nakano, 1984; Vavilin et al., 1995; Valentini et al., 1997; Sanders et al., 1999; Palmowski y Müller, 1999).

Valentini et al.(1997) propusieron una nueva cinética general (ecuación 2.25), que en función de las condiciones particulares se aproximaría a una cinética de primer orden y que depende, no sólo de la concentración de substrato, sino también de la concentración de biomasa hidrolítica. Este autor considera que la constante de hidrólisis (KHA) depende, además, del tamaño de partícula. En función del valor de A se aproximaría a la cinética de primer orden respecto al substrato o a la cinética de primer orden respecto al substrato y la biomasa (A=1), o de orden 0,5. El valor de A que mejor se ajustó a sus datos experimentales estuvo alrededor de 0,5. El significado físico de A se asocia con la superficie de substrato disponible.
Un modelo muy importante es el propuesto por Vavilin et al. (1996). Se trata de un modelo determinístico basado en que la fase hidrólitica se divide en dos fases principales: la  primera de colonización de las bacterias hidrolíticas de la superficie de las partículas de substrato; y la segunda fase de reacción de hidrólisis propiamente dicha, es decir las enzimas liberadas por las bacterias catalizan la reacción de hidrólisis, liberándose materia orgánica soluble que puede ser usada por las mismas bacterias hidrolíticas o ser liberadas al medio para ser utilizadas por otros grupos bacterianos (bacterias fermentativas). La simulación de la segunda fase la realizan mediante cinética de primer orden, donde la constante de hidrólisis es función del tamaño de las partículas a degradar y de la densidad y la forma de las mismas, aumentando al disminuir la densidad y el tamaño de las partículas. El modelo considera que la concentración de biomasa está en exceso, por lo que la tasa  de hidrólisis es constante por unidad de superficie, y el factor limitante de la velocidad es la superficie disponible para la colonización bacteriana.
Péringer (1999) presentó un modelo similar al anterior, simulando la fase de colonización enzimática de la superficie de las partículas y la reacción hidrolítica en sí misma, simulada mediante la cinética tipo Michaelis-Menten. Sin embargo no considera la dependencia del tamaño de las partículas, considerando la tasa máxima de hidrólisis como función del pH. Sanders et al. (1999) han desarrollado un modelo similar que considera tanto el tamaño como la densidad de las partículas a hidrolizar.
Inhibición de la hidrólisis de macromoléculas

La hidrólisis puede verse afectada por la presencia de algún compuesto que sea tóxico o inhibidor de la población bacteriana responsable de la producción de enzimas extracelulares. Gallert et al. (1997) encontraron que la concentración de amonio influye negativamente en la desaminación de peptonas. Angelidaki et al. (1999) consideran que la tasa de hidrólisis de carbohidratos y proteínas está limitada por la concentración total de ácidos grasos volátiles (AGV). Henze et al. (1995) considera que la tasa de hidrólisis está inhibida por la concentración de oxígeno y nitrato.