bab ii landasan teori - Perpustakaan Universitas Mercu Buana

Tugas Akhir
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Pengantar Biogas
Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh aktifitas anaerobik
sangat
populer
digunakan untuk mengolah limbah biodegradable karena bahan bakar dapat
dihasilkan sambil mengurai dan sekaligus mengurangi volume limbah
buangan atau fermentasi dari bahan – bahan organik seperti kotoran manusia
dan hewan, limbah rumah tangga, sampah atau setiap limah organik yang mudah
dicerna dalam kondisi anaerobik, proses penguraian bahan organik secara
anaerobik ini disebut dengan anaerobic digestion sedangkan peralatan yang
memfasilitasi proses ini disebut dengan digester (Anguilar, 2001).
Kandungan utama dalam biogas adalah metana (CH4) dan karbon dioksida
(CO2), Metana dalam biogas bila terbakar akan relatif lebih bersih daripada
batubara, dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emosi karbon
dioksida yang lebih sedikit, pemanfaatan biogas memegang peranan penting
berbahaya dalam pemanasan global bila dibandingkan karbon dioksida. Karbon
dalam biogas merupakan karbon yang diambil dari atmosfer oleh fotosintesis
Universitas Mercubuana
8
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tugas Akhir
tanaman, sehingga bila dilepaskan ke atmosfer tidak akan menambah jumalh
karbon di atmosfer bila dibandingkan dengan pembakaran bahan bakar fosil.
Saat ini,banyak negara maju meningkatkan penggunaan biogas yang
dihasilkan baik dari limbah cair maupun limbah padat atau yang dihasilkan dari
sistem pengolahan
biologi
mekanis
pada
tempat
pengolahan
limbah
dapat dilihat pada tabel berikut :
Tabel 2.1 Kandungan utama dalam biogas
Sumber: http://elkace-energi.blogspot.com/
2.2. Nilai Potensial Biogas
Metana dalam biogas memiliki karakteristik mudah terbakar (flammable)
dapat mengakibatkan ledakan. Hasil pembakarannya relatif lebih bersih
daripada batu bara, dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi
Universitas Mercubuana
9
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tugas Akhir
karbon dioksida yang lebih sedikit. Biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar
dan juga dapat menghasilkan listrik. Biogas merupakan bahan bakar alternatif
terbaik, karena biogas dapat menjadi bahan bakar ramah lingkungan, memiliki
kandungan energi dalam jumlah yang besar, dan limbah biogas (residu) dapat
dimanfaatkan sebagai pupuk. Karbon dalam biogas merupakan karbon yang
diambil dari atmosfir oleh fotosintesis tanaman, sehingga bila dilepaskan lagi ke
atmosfir tidak akan menambah jumlah karbon di atmosfir bila dibandingkan
dengan pembakaran bahan bakar fosil.
Tabel 2.2 Nilai Setaraan Biogas Dengan Sumber Energi Lain
Universitas Mercubuana
10
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tugas Akhir
2.3.
Proses Pembentukan Biogas
Biogas dibentuk dengan prinsip pencernaan anaerob dengan bantuan bakteri
penghasil biogas. Bakteri ini terdiri dari beberapa jenis bakteri yaitubakteri penghasil
gas metana dan bakteri asam yang tidak menghasilkan metana.Terdapat beberapa tahap
yang harus dilalui dalam proses pembentukan biogas yaitu dimulai dari tahap hidrolisis,
asidogenesis, asitogenesis dan tahap yangterakhir adalah metanogenesis.
Gambar 2.1 Tahapan Pembentukan Biogas
Hidrolisis merupakan penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa yang
sederhana. Pada tahap pertama ini, bahan-bahan organik seperti karbohidrat, lipid, dan
protein didegradasi menjadi senyawa dengan rantai pendek, seperti peptida, asam
amino, dan gula sederhana. Penguraian senyawa ini dilakukan oleh kelompok bakteri
hidrolisa, seperti steptococci, bacteriodes, dan beberapa jenis enterobactericeae.
Asidogenesis
merupakan
pembentukan
asam
dari
senyawa
sederhana.
Clostridium merupakan jenis bakteri asidogen yang merubah asam-asam organik,
alkohol dan keton-keton (seperti ethanol, methanol, glycerol dan aceton). Syntrobacter
dan syntrophomonas wolfei merupakan contoh bakteri asitogen (McInernay et al, 1981)
Universitas Mercubuana
11
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tugas Akhir
merubah fatty acid dan alkohol menjadi asetat, hidrogen dankarbon dioksida dengan
bantuan bakteri methanogen. Ethanol, propionik acid dan asam butirat dapat terkonversi
menjadi asam asetat oleh bakteri asitogen.
Metanogenesis ialah proses pembentukan gas metana dengan bantuan bakteri
pembentuk metana seperti mathanobacterium, mathanobacillus, methanosacaria, dan
methanococcus. Tahap ini mengubah asam-asam lemak rantai pendek menjadi H2,
CO2, dan asetat. Asetat akan mengalami dekarboksilasidan reduksi Co2, kemudian
bersama-sama dengan H2 dan Co2 menghasilkanproduk akhir, yaitu metan (Ch4) dan
karbondioksida (CO2).
Gambar 2.2 Methanobacterium
Universitas Mercubuana
12
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tugas Akhir
2.4.
Tahapan Penguraian Bahan Baku di Dalam Digester
Di dalam digester yang telah di isi dengan material organik penghasilbiogas
yang dicampur dengan air dan di diamkan dalam kondisi anaerob akan mengalami
proses penguraian/pembusukan oleh bakteri anaerob. Berikut merupakan tahapan
penguraian material organik yang berupa lapisan-lapisan yang berbeda-beda sifatnya :
2.4.1 Effluent
Effluent terletak di lapisan bawah setelah lapisan bahan padat organik ataupun
non organik. Effluent ini berbentuk semisolid seperti bubur, merupakan limbah setelah
biogasnya terpisahkan. Effluent dapat dimanfaatkan sebagai pupuk/kompos yang dapat
menyuburkan tanah pertanian.
2.4.2 Bahan Padat Organik Ataupun Non Organik
Bahan padat yang berbentuk organik maupun non-organik yang berupa endapan
padat yang terkumpul di dasar digester. Misalnya berupa pasir, tanah maupun benda
padat lainnya yang ikut masuk dalam digester dan tidak dapat membusuk bahan padatan
ini tidak dapat dimanfaatkan atau tidak dapat di pergunakan untuk menjadi biogas.
Universitas Mercubuana
13
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tugas Akhir
Gambar 2.3 Lapisan Yang Terbentuk Pada Penguraian Material Organik Dalam
Kondisi Anaerob Didalam Digester.
2.4.3 Supernatant
Supernatant terletak di lapisan tengah, di atas lapisan effluent. Supernatantini
berbentuk cair dan merupakan tempat bakteri melakukan kegiatan untuk menguraikan
bahan organik, sehingga lapisan cairan ini disebut juga sebagai cairan biologi aktif.
2.4.4
Biogas
Biogas ini berbentuk gas yang memiliki massa jenis yang rendah sehingga
terletak di lapisan paling atas dalam digester, biogas ini merupakan campuran antar
gas yang mudah terbakar (combustible), yang akan keluar menuju permukaan
Universitas Mercubuana
14
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tugas Akhir
digester. Kandungan yang terdapat di dalam biogas sangat tergantung pada material
yang diurai oleh bakteri, serta keadaan lingkungan yang mempengaruhi proses
penguraian tersebut .
2.5 Bahan Baku Penghasil Biogas
Secara umum bahan organik yang terdapat pada tanaman seperti karbohidrat dan
selulosa merupakan bahan yang disukai untuk dicerna. Salah satu bahan yang sangat
berprospek untuk dijadikan bahan baku biogas selain kotoran hewan adalah eceng
gondok yang memiliki selulosa yang besar,eceng gondok atau enceng gondok
(Eichornia Crassipes) adalah sejenis tumbuhan air yang hidup terapung di permukaan
air. Eceng gondok merupakan sejenis tanaman hidrofit. Tumbuhan ini tidak dapat
dimakan bahkan tanaman gulma ini menjadi tanaman pengganggu bagi tumbuhan lain
dan hewan sekitarnya.
Universitas Mercubuana
15
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tugas Akhir
Gambar 2.4 Eceng Gondok
Untuk menghasilkan biogas dari enceng gondok cukup mempergunakan eceng
gondok basah yang telah di potong-potong dan dimasukkan kedalam wadah seperti
drum untuk skala menengah atau botol galon aqua untuk skala kecil kemudian tutup dan
biarkan berlangsung proses fermentasi oleh bakteri sehinggga akan menghasilkan
methan. Dan zat methan ini yang berperan pada produksi biogas dalam skala lapangan.
Selain methan gas lain yang dihasilkan adalah CO2, O2 , N2. Biogas yang bagus adalah
biogas yang porsi methannya tinggi.
Universitas Mercubuana
16
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tugas Akhir
Tabel 2.3 komposisi kimia eceng gondok segar
Sedangkan Komposisi Kimia Untuk Eceng Gondok Kering Adalah Sebagai Berikut.
Tabel 2.4 Komposisi Eceng Gondok Kering
2.6 Biogas dari Limbah Pertanian
Melalui biokonversi, limbah organik seperti tinja, sampah domestik dan limbah
pertanian dapat dikonversi menjadi bioenergi. Bioenergi merupakan gas kompleks yang
terdiri dari Metana, karbondioksida, Asam sulfida, dan gas-gas lainnya. Biokonversi
limbah organik ini melibatkan proses fermentasi. Proses biokonversi seperti ini dikenal
pula sebagai proses Pencernaan Anaerob. Proses biokonversi secara alami terjadi pula di
Universitas Mercubuana
17
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tugas Akhir
alam, yakni dalam pembentukan gas rawa atau sebagai produk samping dari pencernaan
hewan, khususnya hewan-hewan pemamah biak. Gas rawa sebenarnya merupakan gas
metan yang terbentuk dari bahan-bahan organik tanaman melalui proses dikomposisikan
tanaman oleh bakteri. Selanjutnya, gas ini dikeluarkan dari rawa dan dalam kondisi
tertentu dapat terbakar secara spontan. Gas ini secara ekonomi merupakan bahan bakar
penting yang dapat digunakan sebagai pengganti bahan bakar minyak, tetapi karena
tumbuhan yang didekomposisi secara alami jumlahnya terbatas, maka perlu dicari
bahan baku dan teknologi penggantinya.
Pembentukan gas pada hewan pemamah biak terjadi di dalam lambung dan
berlangsung bersamaan dengan proses pencernaan makanan. Di dalam lambung, bahanbahan berselulosa dari rumput-rumputan atau bahan lain yang menjadi makanan hewan
pemamah biak dengan penambahan air diubah menjadi asam organik. Asam organik ini
selanjutnya diurai secara anaerob menjadi gas metan dan karbondioksida. Diperkirakan
sekitar 75 jutan ton gas metan dikeluarkan oleh hewan pemamah biak setiap tahunnya.
Proses pembuatan gas metan secara anaerob melibatkan interaksi kompleks dari
sejumlah bakteri yang berbeda, protozoa maupun jamur. Beberapa bakteri yang terlibat
adalah Bacteroides, Clostridium butyrinum, Escericia colidan beberapa bakteri usus
lainnya, Methanobacterium,dan Methanobacillus. dua bakteri terakhir merupakan
bakteri utama penghasil metan dan hidup secara anaerob. Proses pembuatan metan ini
terbagi ke dalam tiga tahap, yaitu :
1. Hidrolisis secara enzimatik, bahan-bahan organik tak larut menjadi bahan-bahan
organik dapat larut. Enzim utama yang terlibat adalah selulase yang menguraikan
selulosa.
Universitas Mercubuana
18
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tugas Akhir
2. Perubahan bahan-bahan organik dapat larut menjadi asam organik. Pembentukan
asam organik ini terjadi dengan bantuan bakteri non methanogenik, protozoadan
jamur.
3. Perubahan asam organik menjadi gas metan dan karbondioksida. Proses
perubahan ini dapat terjadi karena adanya bantuan bakteri Metanogenik
(Methanobacteriumdan Methanobacillus).
Keseluruhan reaksi perubahan bahan organik menjadi gas metan dan karbondioksida
dapat dituliskan dengan persamaan reaksi sebagai berikut :
(C6 H10 O5)n + n H2O ------
3n CO2 + 3n CH4
Persamaan di atas berlaku bila yang menjadi substrat adalah selulosa. Untuk substrat
yang berupa senyawa organik kompleks, seperti Lignin dan tanin dan senyawa Polimer
Aromatik lainnya, pembentukan gas metan tidak melalui reaksi seperti di atas. Substrat
yang berupa senyawa aromatik yang lebih sederhana melalui aktifitas aerobik beberapa
enzim ekstra selular yang dihasilkan oleh sejumlah mikro organisme. Senyawa-senyawa
aromatik sederhana ini umumnya Benzenoid. Selanjutnya, senyawa benzenoid ini
melalui aktifitas bakteri metaorganik, seperti Methanobacterium formicum dan
Methanospirilum hungati, seca anaerob diubah menjadi gas metan dan karbondioksida.
Proses perubahan ini terjadi melalui tahapan reaksi seperti berikut :
4 C6H12O6 + 24 H2O
12 COOH ------
12 CH3COOH + 4 HCOOH + 8 H2
12 CH4 + 12 CO2
CH3COOH -----CO2+ 12 H2 ------
4 CO2 + H2
3 CH4 + 6 H2O
Universitas Mercubuana
19
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tugas Akhir
Secara singkat reaksi keseluruhan di atas dapat disederhanakan menjadi:
C6H5 COOH + 18 H2 O ------
2.7
15 CH4 + CO2
Tahap Pembentukan Biogas
Pembentukan biogas dilakukan oleh mikroba pada situasi anaerob, yang meliputi
tiga tahap, yaitu hidrolisis, pengasaman dan tahap metanogenik (Irmawati, 2008:7-8).
1. Tahap hidrolisis
Terjadi pelarutan perubahan organic mudah larut dan pencernaan bahan organic
yang komplek menjadi sederhana. Perubahan struktur bentuk primer menjadi
bentuk monomer.
2. Tahap pengasaman
Komponen monomer (gula sederhana) yang terbentuk pada tahap hidrolisis akan
menjadi bahan makanan bagi bakteri berbentuk asam. Produk akhir dari gula-gula
sederhana pada tahap ini akan menghasilkan asam asetat. Propionate, format,
laktat, alcohol dan sedikit butirat, gas karbondioksida, hydrogen dan amoniak.
Universitas Mercubuana
20
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tugas Akhir
3. Tahap metanogenik
Proses pembentukan gas metan
Gambar 2.5. Proses pembentukan biogas
Universitas Mercubuana
21
http://digilib.mercubuana.ac.id/