La fermentación aeróbica consiste en la asimilación de la materia orgánica por parte de microorganismos en presencia de oxígeno y nutrientes, de acuerdo a la siguiente reacción:
Este proceso de fermentación aeróbica de la materia orgánica se produce en tres fases secuenciales desde las primeras descomposiciones microbianas de la materia orgánica hasta la estabilización del producto con la producción de H20 y CO2. Estas fases son las siguientes:
- Fase mesófila. Esta fase se caracteriza por una reacción de síntesis o de asimilación, consistente en la asimilación de elementos nutritivos, de materia orgánica, a los microorganismos, utilizando una parte de los compuestos orgánicos como fuente de energía y otra para formar nueva masa de microorganismos. Las reacciones globales corresponden a:
En este proceso se produce un rápido aumento de la temperatura que puede llegar a alcanzar un pico alrededor de 75ºC. El aumento de temperatura representa la retención de calor producido por la explosión del crecimiento microbiano que degrada los sustratos simples contenidos en la materia orgánica, estimulando el crecimiento de la microflora mesófila. - Fase termófila. En esta segunda fase se producen reacciones de autooxidación de los microorganismos cuando comienza a faltar la materia orgánica usada como alimento en la fase mesófila. En su desarrollo se liberan los nutrientes usados previamente en la síntesis de nuevas células.
En el curso de las fases sucesivas de asimilación, una fracción de los microorganismos es transformado en H20 y C02, de tal forma que la masa orgánica disminuye y tiende a cero. La reacción global es:
Este proceso comienza por encima de 40ºC, provocando una disminución del crecimiento de la microflora mesófíla. Estas temperaturas inician, sin embargo, una nueva explosión de actividad por parte de microorganismos termófilos contenidos en la materia orgánica, conduciendo a condiciones mesófilas hasta la metabolización completa de los sustratos simples quedando los materiales más resistentes degradándose a ritmos mucho más lentos.
- Fase de enfriamiento y maduración. A medida que se reduce la actividad microbiana se pierde más calor del sistema del que se genera. El material se enfría, llegando a la estabilización del mismo o maduración.
El proceso de compostaje es, pues, una compleja interacción entre el sustrato, los microorganismos, la aireación y la producción de agua y de calor.
En los procesos industriales de compostaje a través de fermentación aeróbica, donde se apila la materia orgánica, existen zonas interiores de las pilas con menor presencia de oxígeno y, por lo tanto, menor actividad microbiana de carácter aerobio. Un correcto volteo de la pila reinicia el proceso debido a la presencia de materiales poco degradados que se hallaban situados en el interior de la masa original.
ASPECTOS ESENCIALES PARA LA SÍNTESIS BIOLÓGICA
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- Características del sustrato, que suele consistir en una amplia gama de diferentes componentes, desde los más sencillos como aminoácidos, azúcares, grasas, proteínas, etc… hasta los más complejos como celulosa, hemicelulosa y lignina. El sustrato actúa como soporte físico, matriz de intercambio de gases, aislante térmico, fuente de nutrientes, agua y diversos microorganismos.
- Nutrientes: El protoplasma celular de los microorganismos, además de C, H y 0, contiene otros elementos como el N, P. S. Na. Ca. K, Mg, Fe… denominados nutrientes. A pesar de que muchos de ellos se encuentran sólo en pequeñas cantidades (trazas), son fundamentales para el desarrollo de la síntesis biológica. Las cantidades precisas de nutrientes dependen de las características de la materia orgánica a degradar y del tipo de tratamiento biológico seguido. Por lo general, la materia orgánica procedente de residuos sólidos urbanos, o los lodos de depuradora contienen todos los nutrientes requeridos para el adecuado crecimiento de las células, y, sólo en casos excepcionales como vertidos industriales importantes, etc…, será necesaria su dosificación.
- Oxígeno: Para el desarrollo de las reacciones biológicas es fundamental mantener un medio aerobio, con oxígeno suficiente, que permita la síntesis y la respiración endógena.
- Temperatura: La temperatura influye en las reacciones de oxidación biológica, aumentando su velocidad cuando aumenta la temperatura. Esta ley se mantiene hasta los 37ºC, en que la velocidad de reacción desciende bruscamente, al morir los microorganismos por desnaturalización de las proteínas del protoplasma celular.
- Humedad: el contenido de humedad óptimo varia en el rango de 50 a 60% y, por debajo del 40% reduce la velocidad de fermentación.
- Tóxicos o inhibidores: existen una serie de sustancias orgánicas e inorgáricas que, a ciertas concentraciones, inhiben o impiden los procesos biológicos. Por ejemplo, los materiales pesados Fe, Al, Cr, Cu, Zn ejercen un efecto perjudicial, al actuar sobre las enzimas catalizadoras de las reacciones de síntesis. Los microorganismos sólo pueden tolerar concentraciones muy débiles de estos elementos, tan sólo algunos mgl/l.
