pra rancangan pabrik pembuatan gas metana dari sampah organik

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Umum
Sampah adalah bahan buangan padat atau semi padat yang dihasilkan adari
aktifitas manusia atau hewan yang dibuang karena tidak diinginkan atau tidak
digunakan lagi (tchobanoglous, dkk,1993).Menurut petunjuk Teknis Perencanaan
Pembangunan dan Pengelolaan Bidang ke-PLP-an perkotaan dan pedesaan,
sampah adalah limbah yang bersifat padat terdiri dari sampah organik, sampah
anorganik dan sampah B3yang dianggap tidak berguna lagi dan harus dikelola
agar tidak membahayakan lingkungan dan melindungi investasi pembangunan
(dep.PU Ditjen Cipta Karya, 1999).
Sementara itu, Hadiwiyoto (1983) mendefenisikan sampah adalah sisa-sisa
bahan yang mengalami perlakuan-perlakuan, baik karena telah diambil bagian
utamanya, atau karena pengelolaan, atau karena sudah tidak ada manfaatnya, yang
ditinjau dari aspek pencemaran atau ganguan kelestarian lingkungan.
Bila dilihat dari sifatnya, sampah dapat diklasifikasikan menjadi dua, yaitu
A.
Sampah organik
Sampah organik adalah sampah yang mengandung senyawa-senyawa
orgaik yang
tersusun dari unsur-unsur karbon, hydrogen dan
oksigen.Yang termasuk sampah organik adalah daun-daunan, kayu, kertas,
karton, sisa-sisa makanan,sayur,buah, yang mudah diuraikan oleh
mikroba.
B.
Samph non organik
Terdiri dari kaleng, plastik, besi, logam, gelas atau bahan lain yang yang
tidak tersusun oleh senyawa-senyawa organic. Sampah anorganik tidak
dapat diuraikan oleh mikroba.
Berdasarkan data yang ada pada Dinas Kebersihan Kota Medan adapun
komposisi unsur-unsur dari sampah organik basis kering dapat dilihat dalam tabel
2.1
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.1 Komposisi Sampah Organik
Bahan Organik
% berat
Sampah dedaunan
32
Makanan
16,2
Kertas
17,5
Kayu
4,5
Air
29,8
(Sumber : Dinas kebersihan kota medan, 2005)
Tabel 2.2 Komposisi Sampah berdasarkan Unsur
Komponen
Persentase Massa (berat kering)
Sampah
Carbon
Hidrogen
Oksigen
Nitrogen
Sulfur
Abu
Dedaunan
47,80
6,00
38,00
3,40
0,30
4,50
Makanan
48,00
6,40
37,60
2,60
0,10
5,30
Kertas
43,50
6,00
44,00
0,30
0,20
6,00
Kayu
49,50
6,00
42,70
0,20
0,10
1,50
(Sumber : Dinas kebersihan kota medan, 2005)
2.2. Pemanfaatan Sampah
Sampah merupakan limbah yang sangat padat yang terdiri dari sampah
organik. Beberapa contoh pemanfaatan sampah organic adalah sebagai berikut:
-
sebagai pupuk alami untuk menyuburkan tanaman
Anaerobik komposting adalah dekomposisi bahan organik tanpa oksigen.
Hasil metabolisme dari proses ini adalah metan, CO2, dan berbagai produk
intermediate (metabolisme)seperti alkohol, asam organik berberat molekul
rendah, residu mineral, dan bahan rekalsitran (sulit terurai). Metabolisme
menyebabkan bau yang lebih keras dibanding kompos aerobik sehingga cara ini
Universitas Sumatera Utara
agak kurang diminati. Selain itu, pada aerobik komposting, sebagian energi
dikeluarkan dalam bentuk limbah, yaitu panas pada timbunan kompos, sedangkan
pada proses anaerobik, energi tersebut dikeluarkan dalam bentuk gas metan yang
sangat bermanfaat. Adapun reaksi kimia proses anaerobik sebagai berikut :
C6H12O6
3CH4 + 3CO2 + 403 KJ
Selain kompos, produk komersil yang diperoleh dari anaerobik
komposting yang bio gas. Biogas adalah campuran gas metan dengan gas-gas lain
seperti CO2, dan H2S yang dapat digunakan untuk berbagai tujuan pemanfaatan.
Dengan anaerobik komposting, seluruh potensi yang ada didalam sampah kota
dapat dimanfaatkan sebagai energi, bahan organik, dan nutrisi yang ada didalam
kompos. Kelemahan dari proses ini adalah biayanya mahal karena harus membuat
reaktor tertutup. Selain itu, komposnya sangat basah karena prosesnya tertutup
sehingga perlu perlakuan lanjutan seperti pengepresan dan proses pengeringan
kompos yang sangat intensif untuk mengeluarkan air.
Komposisi biogas ditentukan oleh komposisi jenis sampah kota dan sedikit
dipengaruhi oleh tipe reaktor serta tipe proses. Komposisi dan nilai kalor biogas
adalah sebagai berikut :
CH4
: 50-85%
CO2
: 15-50%
H2S
: <1%
Nilai kalor : 20-25 MJ/m3 (47.000 – 8.000 kkal/m3) atau kira-kira sama dengan
kalor
biogas.
2.3. Sejarah Penemuan Biogas
Gas methan ini sudah lama digunakan oleh warga Mesir, China, dan Roma
Kuno untuk dibakar dan digunakan sebagai penghasil panas. Sedangkan, proses
fermentasi lebih lanjut untuk menghasilkan gas methan ini pertama kali
ditemukan oleh Alessandro Volta (1776). Hasil identifikasi gas yang dapat
terbakar ini dilakukan oleh Wilam Henry pada tahun 1806. dan Becham (1868),
murid Louis Pasteur dan Tappeiner (1882), adalah orang pertama yang
memperlihatkan asal mikrobiologis dari pembentukan methan.
Universitas Sumatera Utara
Adapun alat penghasil biogas secara anaerobik pertama dibangun pada
tahun 1900. pada akhir abad ke-19, riset untuk menjadikan gas methan sebagai
biogas dilakukan oleh Jerman dan Perancis pada masa antara dua Perang Dunia.
Selama Perang Dunia II, banyak petani di Inggris dan Benua Eropa yang
membuat alat penghasil biogas kecil yang digunakan untuk menggerakkan traktor.
Akibat kemudahan dalam memperoleh BBM dan harganya yang murah pada
tahun 1950-an, proses pemakaian biogas ini mulai ditinggalkan. Tetapi, di negaranegara berkembang kebutuhan akan sumber energi yang murah dan selalu tersedia
selalu ada. Oleh karena itu, di India kegiatan produksi biogas terus dilakukan
semenjak abad ke-19. saat ini, negara berkembang lainnya, seperti China. Filipina,
Korea, Taiwan dan Papua Nugini, telah melakukan berbagai riset dan
pengembangan alat penghasil biogas. Selain di negara berkembang, teknologi
biogas juga telah dikembangkan di negara maju seperti Jerman.. Salah satu cara
penanggulangan sampah organik yang potensial untuk dikembangkan di Indonesia
adalah dengan menerapkan teknologi anerobik untuk menghasilkan biogas.
Secara ilmiah, biogas yang dihasilkan dari sampah organik adalah gas yang
mudah terbakar (flammable). Gas ini dihasilkan dari proses fermentasi bahanbahan organik oleh bakteri anaerob (bakteri yang hidup dalam kondisi tanpa
udara). Umumnya, semua jenis bahan organik bisa diproses untuk menghasilkan
biogas. Tetapi hanya bahan organik homogen, baik padat maupun cair yang cocok
untuk sistem biogas sederhana. Bila sampah-sampah organik tersebut membusuk,
akan dihasilkan gas metana (CH4) dan karbondioksida (CO2). Tapi, hanya CH4
yang dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Umumnya kandungan metana dalam
reaktor sampah organik berbeda-beda. secara rentang komposisi biogas adalah
sebagai berikut
Tabel 2.3. Komposisi Biogas
Komponen
% Berat
Metana
(CH4) 55-75
Karbon
dioksida 25-45
(CO2)
Nitrogen
0-0.3
(N2) 1-5
Universitas Sumatera Utara
Hidrogen
(H2) 0-3
Hidrogen
sulfida 0.1-0.5
(H2S)
Oksigen (O2)
Smber:Zhang et al,1999
2.3. Mekanisme pembentukan biogas
Dialam , proses anaerobik terjadi secara spontan ketika adanya timbunan
bahan organik dengan suplai oksigen terbatas. Pada situasi tersebut kegiatan
dekomposisi beralih dari proses aerobik menjadi anaerobik, seperti produksi
metan didasar danau atau sungai, tumpukan sampah yang sangat rapat, dan perut
binatang. Proses anaerobik komposting dapat dipercepat dengan mengatur
berbagai kondisi proses yang bisa memacu dekomposisi bahan organik lebih cepat
dan sempurna sehingga waktu lebih cepat, produksi metan lebih besar.
Proses anaerobik komposting berlangsung dalam 4 tahap sebagai berikut :
1. Tahap Hidrolisis
Proses anaerobik komposting berlangsung dalam 4 tahap sebagai berikut :
Proses hidrolisa, yaitu dekomposisi bahan organik polimer menjadi monomer
yang mudah larut dilakukan oleh sekelompok bakteri fakultatif. Pada proses
hidrolisa, lemak diuraikan oleh enzim lipase yang diproduksi oleh lipolytic
bacteria. Sementara karbohidrat diuraikan oleh enzim lipase yang diproduksi oleh
lipolytic bacteria. Sementara karbohidrat diuraikan oleh enzim selulosa yang
diproduksi cellulolytic bacteria dan protein diuraikan oleh enzim protease yang
diproduksi oleh proteolytic bacteria, menjadi monomer yang mudah larut. Pada
proses hidrolisa ini dihasilkan pula asam amino, volatile acid, dan lain-lain.
Lipida dirubah menjadi Asam lemak rantai panjang dan Gliserin
Universitas Sumatera Utara
Lipida
•
Protei dirubah menjadi Asam amino
Protein
•
Asam amino
Asam nukleat dirubah menjadi Purin dan Pirimidin
Asam nukleat
Universitas Sumatera Utara
Pirimidin
Purin
Pada Asam nukleat terdapat Asam Posfat sebagai pembentuk, asam Pospat
akan terionisasi secara sendirinya saat reaksi terjadi hal disebabkan gugus Posfat
memiliki sifat dapat larut didalam air. Sehingga pada Purin dan Pirimidin tidak
lagi terdapat asam Posfat yang berasal dari asam nukleat.
•
Polisakarida dirubah menjadi monosakarida.
Polisakarida terbagi atas : - Pati
- Glikogen
- Selulosa
Pati (amilum) merupakan polisakarida yang mengandung 75-80% amilopektin
dan amilosa 20-25% yang mana terdiri atas D-Glukopinarosa yang berikatan α(14) glikosidik. Ikatan D-glikopinarosa merupakan polimer dari Glukosa.
D-Glukopinarosa
Glukosa
Glikogen merupakan polisakarida yang memiliki rantai yang panjang.
Sama halnya dengan pati. Glikogen memiliki gugus rantai lurus α(1-4) dan gugus
rantai bercabang α(1-6) glikosidik, sehingga Glikogen memiliki ikatan yang lebih
panjang dari pada pati.
Universitas Sumatera Utara
α(1-4) Glikogen
Glukosa
Selulosa merupakann polisakarida. Pati, glikogen, dan selulosa
merupakan polisakarida yang terdapat pada tumbuh-tumbuhan yang berupa kayu.
Oleh sebab itu pati, glikogen, selulosa memiliki cabang atau ikatan polimer yang
panjang. Selulosa memiliki gugus rantai lurus.
2. Tahap Asidogenesis
Proses asidogenesis, yaitu dekomposisi monomer organik menjadi asamasam organik (asam lemak) dan alkohol. Pada proses asidogenesis, monomer
organik diuraikan lebih lanjut oleh aciddogenic bacteria menjadi asam-asam
organik seperti asam format, asetat, butirat, propionat, valeriat, serta dihasilkan
juga CO2, H2, dan metanol
Universitas Sumatera Utara
•
Asam lemak rantai panjang diuraikan menjadi Asam lemak volatil.
Asam lemak rantai panjang terdiri atas :
-
Asam lemak stearat
-
Asam lemak palmitat
-
Asam lemak oleat
Asam lemak stearat
Asam lemak palmitat
•
Asam propionat
Hidrogen
Asam propionat
Hidrogen
Asam amino diurai menjadi asam akrilat
Asam amino
•
Metana
Gliserin dirubah menjadi Asam propionat
Gliserin
•
Asam butirat
Asam akrilat
Nitrogen
Hidrogen
Glukosa diurai menjadi akohol (etanol)
Universitas Sumatera Utara
Glukosa
•
Etanol
Puri diurai menjadi Asam propionat
3CH3-CH2-COOH + H2 + 2H3PO4
Purin
•
Asam propionate
phospat
Pirimidin diurai menjadi Asam butirat
CH3CH2CH2COOH + ½N2 + H2
Pirimidin
Asam butirat
1.Reaksi pada asam lemak rantai panjang + gliserin
Asam lemak stearat
Asam lemak palmitat
Asam butirat
Asam propionat
Universitas Sumatera Utara
Gliserin
Asam propionat
+
5OH-C-C3H7 + 9CH3-CH2-COOH + CH3-CHOH-COOH + 7CO2 + 10H2 + 4CH4
Asam butirat
asam propionate
asam laktat
2. Reaksi pada Asam nukleat
Asam nukleat
Pirimidin
purin
3CH3-CH2-COOH + H2 + 2H3PO4
Purin
Asam propionate
phospat
CH3CH2CH2COOH + ½N2 + H2
Pirimidin
Asam butirat
+
Universitas Sumatera Utara
CH3CH2CH2COOH + 3CH3CH2COOH +
Asam propionate
Asam butirat
½N2 + 2H2 + 2H3PO4
Asam nukleat
3. Reaksi pada keseluruhan Asam lemak rantai panjang + gliserin, Asam amino,
Asam nukleat.
5OH-C-C3H7 + 9CH3-CH2-COOH + CH3-CHOH-COOH + 7CO2 + 10H2 + 4CH4
Asam butirat
asam propionate
asam laktat
CH3CH2CH2COOH + 3CH3CH2COOH +
Asam propionate
Asam butirat
½N2 + 2H2 + 2H3PO4
Asam nukleat
Asam amino
Asam akrilat
+
Universitas Sumatera Utara
+
Asam amino
Asam nukleat
6CH3CH2COOH + 12CH3CH2CH2COOH + CH3-CHOH-COOH + CH2=CHAsam butirat
Asam propionat
Asam laktat
COOH + 7CO2 +
Asam akrilat
27
H2 + 4CH4 + N2 + H3PO4
2
3. Asetogenesis
Proses asidogenesis, yaitu perubahan asam organik dan alkohol menjadi
asam asetat. Pada proses ini senyawa asam organik dan metanol diuraikan
acetogenic bacteria menjadi asam format, asetat, metanol, CO2, dan H2.
Etanol
CH3CH2COOH + 2H2O
2H2…………..(pers.2)
Asam Propionat
CH3CH2CH2COOH + 2H2O
2H2…………..(pers.3)
Asam Butirat
Asam Asetat
CH3COOH
+
Asam Asetat
2CH3COOH
+
Asam Asetat
4. Metanogenesis.
Proses metanogeniesis, yaitu perubahan dari asam asetat menjadi metan.
Pada proses ini asam asetat diuraikan oleh metanogenic bacteria menjadi CH4,
Universitas Sumatera Utara
CO2, dan H2O. Pembentukan metan sebagian besar (70%) berasal dari asam
asetat, sisanya dari asam format, CO2, dan H2
Reaksi kimia pembentukan metan dari asam asetat dan reduksi CO2 dapat
dilihat pada persamaan reaksi berikut :
Asetotropik metanogenesis :
CH3COOH
CH4 + CO2 ……………………. (pers.1)
Hidrogenotropik metanogenesis :
CH2 + CO2
CH4 + H2O ……………………. (pers.2)
2.5. Faktor -Faktor yang Mempengar uhi Pr oses biogas
Lingkungan besar pengaruhnya pada laju pertumbuhan mikroorganisme
baik pada
proses aerobik maupun anaerobik. Faktor-faktor yang mempengaruhi proses
anaerobik
antara lain: temperatur, pH, konsentrasi substrat dan zat beracun.
1. Temper atur
Gas dapat dihasilkan jika suhu antara 4 - 60°C dan suhu dijaga konstan.
Bakteri akan menghasilkan enzim yang lebih banyak pada temperatur optimum.
Semakin tinggi temperatur reaksi juga akan semakin cepat tetapi bakteri akan
semakin berkurang. Proses pembentukan metana bekerja pada rentang temperatur
30-40°C, tapi dapat juga terjadi pada temperatur rendah, 4°C. Laju produksi gas
akan naik 100-400% untuk setiap kenaikan temperatur 12°C pada rentang
temperatur 4-65°C. Mikroorganisme yang berjenis thermophilic lebih sensitif
terhadap perubahantemparatur daripada jenis mesophilic. Pada temperatur 38°C,
jenis mesophilic dapat bertahan pada perubahan temperatur ± 2,8°C. Untuk jenis
thermophilic pada suhu 49°C, perubahan suhu yang dizinkan ± 0,8°C dan pada
temperatur 52°C perubahan temperatur yang dizinkan ± O,3°C.
2. pH (keasaman)
Bakteri penghasil sangat sensitif terhadap perubahan pH. Rentang
Hoptimumntuk jenis bakteri penghasil metana antara 6,4 - 7,4. Bakteri yang tidak
menghasilkan metana tidak begitu sensitif terhadap perubahan pH, dan dapat
bekerja pada pH antara 5 hingga 8,5. Karena proses anaerobik terdiri dari dua
tahap yaitu tahap pambentukan asam dan
Universitas Sumatera Utara
tahap pembentukan metana, maka pengaturan pH awal proses sangat penting.
Tahap pembentukan asam akan menurunkan pH awal. Jika penurunan ini cukup
besar akan dapat menghambat aktivitas mikroorganisme penghasil metana. Untuk
meningkatkat pH
dapat dilakukan dengan penambahan kapur.
3. Konsentrasi Substrat
Sel mikroorganisme mengandung Carbon, Nitrogen, Posfor dan Sulfur
dengan perbandingan 100 : 10 : 1 : 1. Untuk pertumbuhan mikroorganisme, unsurunsur di atas harus ada pada sumber makanannya (substart). Konsentrasi substrat
dapat mempengaruhi
proses kerja mikroorganisme. Kondisi yang optimum dicapai jika jumlah
mikroorganisme sebanding dengan konsentrasi substrat. Kandungan air dalam
substart
dan
homogenitas
sistem
juga
mempengaruhi
proses
kerja
mikroorganisme. Karena kandungan air yang tinggi akan memudahkan proses
penguraian,
sedangkan
homogenitas
sistem
membuat
kontak
antar
mikroorganisme dengan substrat menjadi lebih intim.
3.
Zat Baracun
Zat organik maupun anorganik, baik yang terlarut maupun tersuspensi
dapat menjadi penghambat ataupun racun bagi pertumbuhan mikroorganisme jika
terdapat pada
konsentrasi yang tinggi. Untuk logam pads umumnya sifat racun akan semakin
bertambah dengan tingginya valensi dan berat atomnya. Bakteri penghasil metana
lebih sensitif terhadap racun daripada bakteri penghasil asam.
Ada beberapa senyawa yang bisa menghambat (proses) penguraian dalam
suatu unit biogas saat menyiapkan bahan baku untuk produksi biogas, seperti
antiobiotik, desinfektan dan logam berat (Setiawan, 2005).
2.6 Sifat-sifat Gas metana
*Sifat kimia
- Berat molekul 16
- Titik beku 90 Oc
- Titik didih 111,7
Universitas Sumatera Utara
- Titik kritis 190
- Tekanan kritis
- Volume kritis 99,0 cm/ g mol
*Sifat Fisika
- Merupakan gas yang mudah terbakar
- Tidak berbau
- Merupakan gas yang tidak berwarna
- Mempunyai spesifikasi terhadap nyala api sebesar 500-700 k.cal/m3
2.7. Deskripsi Proses
Pembuatan gas metana dari sampah organik dapat dilakukan dengan
beberapa tahap.Adapun tahap-tahap tersebut adalah:
1. Tahap pemilihan bahan baku
Bahan baku adalah sampah organik dengan komposisi
Bahan Organik
% berat
Sampah dedaunan
32
Makanan
16,2
Kertas
17,5
Kayu
4,5
Air
29,8
(Sumber : Dinas kebersihan kota medan, 2005)
Sebelum dikecilkan dengan menggunakan tresser, sampah
organik
terlebih dahulu dipisahkan darisampah organik yang tidak bisa diolah, seperti
plastik,kaca dan lainya. Tresser bertujuan untuk mengecilkan bahan baku sampai
menjadi lebih bubur untuk mempermudah proses pengolahan di fermentor.
2. Tahap fermentasi
Fermentsi adalah proses pengolahan bahan organik lahan dilakukan di
dalam fermentasi. Khamiryang digunakan dalam fermentor adalah metanobacter
Universitas Sumatera Utara
formicilum.dengan lama fermentasi 6 jam. Pada fermentor ini terjadi konversi
glukosa menjadi metana berdasarkan reaksi
C6H12O6 + 2H2O
2C2H4O2 + 2CO2 + 4H2
Konsentrasi metana dihasilkan antara 55- 75% gas metana( sudrajad
2002).Fermentasi adalah proses pegolahan bahan organik menjadi suatu bentuk
kimia yang lain dengan menggunnakan proses yang menghasilkan gas dengan
cara penambahan mikro organisme.Secara umum khamir yang digunakan
diklasifikasikan berdasarkan kemampuan kamir untuk menyerap oksigen. Proses
perombakan glukosa menjadi gas metana dipengaruhi rangkaian yang sangat
kompleks dimana reaksi kimia yangg terjadi adalah sebagai berikut:
-
Tahap Hidrolisa
C5H10O5 + H2O → C6H12O6
-
Tahap asdogenesis( pembentukan asam)
Bakteri pembentuk asam menguraikan senyawa glukosa
C6H12O6 +2H2O → 2C2H4O2 + 2 CO2 + 4H2
Bakteri pembentuk asam menghasilkan asam
2C2H4O2 → 2CH4 + 2H2O
- Tahap metagonesis
Bakteri Methan mensintesa H2 dan CO2
CO2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2O
Bila disatukan, reaksi akan menjadi :
C6 H12O6 +
2 H 2O → 2C2 H 4O2 + 2 CO2 + 4 H 2
2C2 H 4O2
CO2 +
C6 H12O6
Bakteri

→ 2CH 4 + 2CO2
4H 2
→ CH 4 + 2 H 2O
+
→ 3CH 4 + 3CO2
3. Pemurnian gas.
Gas
yang
dihasilkan
dari
tangki
fermentasi
seperti
CH4,
CO2,H2S,N2,H2O,H2 dialirkan langsung pada tangki absorber untuk
Universitas Sumatera Utara
memisahkan gas CO2. Gas CO2 yang diikat dengan reagent air ialah gas-gas yang
memiliki fasa yang sama dengan fasa air.Kemudian gas H2S Dipisah dengan
menggunakan regent air karena gas tersebut dapat mengakibatkan karat.
Dalam Proses pembuatan gas metana ini terdapat hal-hal lainya yaitu
COD effluent Lumpur 22370 mg/liter, BOD effluent Lumpur 13980
mg/liter. Laju alir proses 590 m3/hari. Dengan PH 7.
Universitas Sumatera Utara