N1 Fundamentos · Lección 1 de 8 · 25 min

Digestión anaerobia: de la materia orgánica al metano

Conversión bioquímica

Equipo docente de biomasa360 · Responsable: Dirección de oferta, calidad y Academia · Revisada el 25 de octubre de 2026 (revisión científica de cálculos y citas)

Al terminar podrás

Describir las cuatro etapas de la digestión anaerobia y los microorganismos que intervienen (comprender).
Calcular el metano teórico de un sustrato con la ecuación de Buswell (aplicar).
Comparar el metano teórico con el medido y explicar la diferencia (analizar).

Conviene saber antes

Química general: balance de ecuaciones y masa molar.
Curso 2, N1: sólidos totales y volátiles.

La digestión anaerobia es la descomposición de la materia orgánica por una comunidad microbiana en ausencia de oxígeno. El producto principal es el biogás, una mezcla de metano (CH₄) y dióxido de carbono (CO₂) con trazas de H₂S, NH₃ y vapor de agua; el resto es el digestato, que conserva casi todo el nitrógeno, el fósforo y el potasio del sustrato. Según la Agencia Internacional de Energía, el biogás contiene entre 45 % y 75 % de metano en volumen (IEA, 2020).

El proceso ocurre en cuatro etapas encadenadas, que el modelo ADM1 de la IWA describe con detalle (Batstone et al., 2002):

Hidrólisis: enzimas extracelulares rompen carbohidratos, proteínas y lípidos en azúcares, aminoácidos y ácidos grasos de cadena larga.
Acidogénesis: bacterias fermentativas los convierten en ácidos grasos volátiles (AGV), alcoholes, H₂ y CO₂.
Acetogénesis: los AGV de más de dos carbonos se oxidan a acetato, H₂ y CO₂.
Metanogénesis: arqueas acetoclásticas convierten el acetato en CH₄ y CO₂, y arqueas hidrogenotróficas reducen el CO₂ con H₂.

Figura 1Esquema de las cuatro etapas de la digestión anaerobia, de los polímeros orgánicos al metano.

¿Cuánto metano puede dar un sustrato como máximo? Si se conoce su fórmula elemental, la ecuación de Buswell (Buswell y Mueller, 1952) reparte el carbono entre CH₄ y CO₂ suponiendo que todo se degrada y que nada se usa para formar biomasa microbiana. En efluentes se usa la demanda química de oxígeno (DQO): como cada mol de CH₄ consume 2 mol de O₂ al oxidarse, cada gramo de DQO convertida da 0,350 L de CH₄ a 0 °C y 1 atm (22,414 L ÷ 64 g).

\mathrm{C}_n\mathrm{H}_a\mathrm{O}_b\mathrm{N}_c+\left(n-\tfrac{a}{4}-\tfrac{b}{2}+\tfrac{3c}{4}\right)\mathrm{H_2O}\rightarrow\left(\tfrac{n}{2}+\tfrac{a}{8}-\tfrac{b}{4}-\tfrac{3c}{8}\right)\mathrm{CH_4}+\left(\tfrac{n}{2}-\tfrac{a}{8}+\tfrac{b}{4}+\tfrac{3c}{8}\right)\mathrm{CO_2}+c\,\mathrm{NH_3}

Ecuación de Buswell: estequiometría de la conversión anaerobia completa de un compuesto orgánico.

Variables de la ecuación 1
Símbolo	Significado	Unidad
$n$	átomos de carbono por fórmula	adimensional
$a$	átomos de hidrógeno	adimensional
$b$	átomos de oxígeno	adimensional
$c$	átomos de nitrógeno	adimensional

B_{0,\mathrm{teo}}=\frac{\nu_{\mathrm{CH_4}}\,V_m}{M_s}

Potencial de metano teórico por gramo de sustrato, en condiciones normales (0 °C y 101,325 kPa).

Variables de la ecuación 2
Símbolo	Significado	Unidad
$B_{0,\mathrm{teo}}$	potencial teórico de metano	L CH₄ g⁻¹
$\nu_{\mathrm{CH_4}}$	moles de CH₄ por mol de sustrato (Buswell)	mol mol⁻¹
$V_m$	volumen molar del gas ideal, 22,414	L mol⁻¹
$M_s$	masa molar del sustrato	g mol⁻¹

Ejemplo resuelto 1

Metano teórico de la celulosa

Calcula el potencial teórico de metano de la celulosa, (C₆H₁₀O₅)ₙ, y compáralo con el valor que usan los protocolos de BMP como control positivo.

Datos del ejemplo 1
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$n,a,b$	6, 10, 5	átomos	fórmula de la unidad de glucano
$V_m$	22,414	L mol⁻¹	gas ideal, 0 °C y 1 atm
$B_{0,\mathrm{ref}}$	414	L CH₄ kg⁻¹ SV	Koch et al. (2020a)

Moles de CH₄ por unidad de glucano, con Buswell (c = 0):
$\nu_{\mathrm{CH_4}}=\tfrac{6}{2}+\tfrac{10}{8}-\tfrac{5}{4}=3\ \mathrm{mol}$
Masa molar de C₆H₁₀O₅:
$M_s=6(12{,}011)+10(1{,}008)+5(15{,}999)=162{,}14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$
Potencial teórico:
$B_{0,\mathrm{teo}}=\frac{3\times 22{,}414}{162{,}14}=0{,}4147\ \mathrm{L\,g^{-1}}$

Resultado

B_{0,\mathrm{teo}}\approx 415\ \mathrm{L\,CH_4\,kg^{-1}\,SV}

Interpretación: Coincide con los 414 L/kg que citan Koch et al. (2020a). Es un techo: en un ensayo real parte del carbono se usa para formar biomasa microbiana, y por eso los protocolos aceptan la celulosa si recupera al menos el 85 % (Holliger et al., 2016).

Ejemplo resuelto 2

Por qué los lípidos dan más metano que los azúcares

Compara el metano teórico de un lípido (trioleína, C₅₇H₁₀₄O₆) y de una proteína tipo (C₅H₇NO₂) con el de la celulosa.

Datos del ejemplo 2
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$\text{trioleína}$	C₅₇H₁₀₄O₆	fórmula	triglicérido del ácido oleico
$\text{proteína}$	C₅H₇NO₂	fórmula	fórmula empírica usual de biomasa y proteína

Trioleína: moles de CH₄ y masa molar.
$\nu=\tfrac{57}{2}+\tfrac{104}{8}-\tfrac{6}{4}=40;\quad M_s=885{,}5$
Trioleína: potencial teórico.
$B_0=\frac{40\times22{,}414}{885{,}5}=1\,013\ \mathrm{L\,kg^{-1}}$
Proteína (c = 1; el N sale como NH₃):
$\nu=\tfrac{5}{2}+\tfrac{7}{8}-\tfrac{2}{4}-\tfrac{3}{8}=2{,}5;\quad B_0=\frac{2{,}5\times22{,}414}{113{,}12}=495\ \mathrm{L\,kg^{-1}}$

Resultado

B_{0,\text{lípido}}:B_{0,\text{proteína}}:B_{0,\text{celulosa}}\approx 1\,013:495:415

Interpretación: Un kilo de grasa rinde unas 2,4 veces más metano que un kilo de celulosa porque está menos oxidado (más H y menos O por carbono). Por eso los efluentes con grasa (por ejemplo, de extractoras de aceite) son sustratos energéticos, aunque también más difíciles de estabilizar.

Figura 2Metano teórico frente a metano medido (L CH₄/kg SV)

Los residuos reales quedan entre 60 % y 90 % del máximo teórico de los carbohidratos: la lignina y la biomasa microbiana se llevan la diferencia.

Ver los datos en una tabla

Datos de la figura 2: Metano teórico frente a metano medido (L CH₄/kg SV)
Material	Valor	Tipo
Lípido (trioleína), teórico	1.013	teórico (Buswell)
Proteína (C₅H₇NO₂), teórico	495	teórico (Buswell)
Celulosa, teórico	415	teórico (Buswell)
Celulosa, medida (media de 9 réplicas)	353	medido
Banano: raquis (tallo), medido	256	medido
Banano: cáscara, medido	322	medido
Banano: pulpa, medido	367	medido
Banano: banano entero, medido	349	medido

Fuente: Teóricos: derivados con Buswell y Mueller (1952). Celulosa medida: Koch et al. (2020a). Banano: Khan et al. (2016), 37 °C, 35 días.

Lo que no es evidente. El biogás no «quema» la materia orgánica: el digestato conserva casi todo el nitrógeno, el fósforo y el potasio del sustrato. Por eso la digestión anaerobia y la combustión no compiten por el mismo residuo: el banano, con 8,6–22,4 % de sólidos totales (Khan et al., 2016), es inviable en una caldera (casi todo es agua) y, en cambio, es un buen sustrato de digestión.

Ejercicios

Cálculo●○○
Calcula el metano teórico de la sacarosa (C₁₂H₂₂O₁₁) en L CH₄/kg y compáralo con el de la celulosa.
Ver la solución
$\nu = 12/2 + 22/8 - 11/4 = 6\ \mathrm{mol}$ ; $M = 342{,}3\ \mathrm{g/mol}$ ; $B_0 = 6 \times 22{,}414 \div 342{,}3 = 393\ \mathrm{L/kg}$ . Es menor que la celulosa (415 L/kg) porque la sacarosa lleva una molécula de agua más por cada dos glucosas. Koch et al. (2020a) usan 392 L/kg para los azúcares simples.
Cálculo●○○
Una muestra de cáscara de banano tiene 9,7 % de sólidos totales y 86,29 % de sólidos volátiles sobre los totales (Khan et al., 2016). ¿Cuántos kg de SV hay en 1 t fresca?
Ver la solución
1.000 kg × 0,097 × 0,8629 = 83,7 kg de SV. El resto es agua (903 kg) y ceniza (≈13 kg).
Criterio●●○
¿Por qué la ecuación de Buswell sobrestima el metano de un residuo lignocelulósico como el raquis de banano?
Ver la solución
Porque supone degradación completa y no descuenta la biomasa microbiana. La lignina casi no se degrada en condiciones anaerobias y protege a la celulosa y la hemicelulosa; además, cerca del 15 % del sustrato de carbohidratos se usa para formar células (Koch et al., 2020a). Por eso el raquis dio 256 L/kg SV frente a los 414 L/kg del techo de los carbohidratos.

Autoevaluación

¿En qué etapa se forma el metano?
1. Hidrólisis
2. Acidogénesis
3. Acetogénesis
4. Metanogénesis
Ver la respuesta
Respuesta: D. La metanogénesis la realizan arqueas, por dos rutas: acetoclástica (acetato) e hidrogenotrófica (H₂ + CO₂).
¿Cuál de estos sustratos tiene el mayor potencial teórico por kilo?
1. Celulosa
2. Sacarosa
3. Lípido
4. Proteína
Ver la respuesta
Respuesta: C. Los lípidos están más reducidos: la trioleína da ≈1.013 L CH₄/kg frente a ≈415 L/kg de la celulosa.
Según la IEA (2020), ¿qué rango de metano tiene el biogás?
1. 10–25 %
2. 45–75 %
3. 90–98 %
4. Siempre 50 %
Ver la respuesta
Respuesta: B. El biogás contiene entre 45 % y 75 % de CH₄ en volumen; el biometano, tras la mejora, es metano casi puro.

Referencias

Buswell, A. M., & Mueller, H. F. (1952). Mechanism of methane fermentation. Industrial & Engineering Chemistry, 44(3), 550–552. https://doi.org/10.1021/ie50507a033
Batstone, D. J., Keller, J., Angelidaki, I., Kalyuzhnyi, S. V., Pavlostathis, S. G., Rozzi, A., Sanders, W. T. M., Siegrist, H., & Vavilin, V. A. (2002). The IWA Anaerobic Digestion Model No 1 (ADM1). Water Science and Technology, 45(10), 65–73. https://doi.org/10.2166/wst.2002.0292
International Energy Agency. (2020). Outlook for biogas and biomethane: Prospects for organic growth. IEA. https://www.iea.org/reports/outlook-for-biogas-and-biomethane-prospects-for-organic-growth
Koch, K., Hafner, S. D., Astals, S., & Weinrich, S. (2020a). Evaluation of common supermarket products as positive controls in biochemical methane potential (BMP) tests. Water, 12(5), 1223. https://doi.org/10.3390/w12051223
Khan, M. T., Brulé, M., Maurer, C., Argyropoulos, D., Müller, J., & Oechsner, H. (2016). Batch anaerobic digestion of banana waste: Energy potential and modelling of methane production kinetics. Agricultural Engineering International: CIGR Journal, 18(1), 110–128. https://cigrjournal.org/index.php/Ejounral/article/view/3244
Holliger, C., Alves, M., Andrade, D., Angelidaki, I., Astals, S., Baier, U., Bougrier, C., Buffière, P., Carballa, M., de Wilde, V., Ebertseder, F., Fernández, B., Ficara, E., Fotidis, I., Frigon, J.-C., Fruteau de Laclos, H., Ghasimi, D. S. M., Hack, G., Hartel, M., … Wierinck, I. (2016). Towards a standardization of biomethane potential tests. Water Science and Technology, 74(11), 2515–2522. https://doi.org/10.2166/wst.2016.336

Para profundizar

Batstone, D. J., Keller, J., Angelidaki, I., Kalyuzhnyi, S. V., Pavlostathis, S. G., Rozzi, A., Sanders, W. T. M., Siegrist, H., & Vavilin, V. A. (2002). The IWA Anaerobic Digestion Model No 1 (ADM1). Water Science and Technology, 45(10), 65–73. — La descripción de referencia de las etapas y los procesos fisicoquímicos de la digestión; base de casi todos los modelos actuales.
International Energy Agency. (2020). Outlook for biogas and biomethane: Prospects for organic growth. IEA. — Panorama mundial del biogás y el biometano: producción, potencial por región y costos.

Cómo citar esta lección

APA 7, para tu tesis o tu informe:

Equipo docente de biomasa360. (2026). Digestión anaerobia: de la materia orgánica al metano (Versión 2026-10) [Lección del curso «Conversión bioquímica»]. Academia 360, biomasa360. Recuperado el 26 de octubre de 2026, de https://biomasa360.com/academia/conversion-bioquimica/digestion-anaerobia-fundamentos/

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