BAB II LANDASAN TEORI

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Sejarah Biogas
Sejarah awal penemuan biogas pada awalnya muncul di benua Eropa. Biogas yang
merupakan hasil dari proses anaerobik digestion ditemukan seorang ilmuan bernama
Alessandro Volta yang melakukan penelitian terhadap gas yang dikeluarkan rawa-rawa pada
tahun
1770.
Gas
dari
rawa
tersebut
teridentifikasi
sebagai
gas methana.
Pada
perkembangannya, pada tahun 1875 dipastikan bahwa biogas merupakan produk dari
proses anaerobik digestion. Selanjutnya, tahun 1884 seorang ilmuan lainnya bernama
Pasteour melakukan penelitian tantang biogas menggunakan mediasi kotoran hewan.
Perkembangan biogas mengalami pasang surut, seperti pada akhir abad ke-19 tercatat Jerman
dan Perancis memanfaatkan limbah pertanian menjadi beberapa unit pembangkit yang berasal
dari biogas.Selama perang dunia II banyak petani di Inggris dan benua Eropa lainnya yang
membuat digester kecil untuk menghasilkan biogas. Namun, dalam perkembangannya karena
harga BBM semakin murah dan mudah diperoleh, pada tahun 1950-an pemakaian biogas di
Eropa mulai ditinggalkan, dan pada saat ini ditengah keterbatasan persediaan fosil, biogas
kembali dikembangkan. Selain itu disamping persediaan bahan baku yang cukup melimpah,
gas hasil dari pembakaran biogas sangat ramah lingkungan oleh karena itu masyarakat mulai
mengembangkan biogas sebagai bahan bakar alternatif (KESTS,2014).
2.2. Pengertian Biogas
Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh aktifitas anaerobik atau fermentasi daribahanbahan organik termasuk diantaranya: kotoran manusia dan hewan, limbah domestik (rumah
tangga), sampah biodegradable atau setiap limbah organik yang biodegradable dalam
kondisi aerobic. Kandungan utama dalam biogas adalah metana (CH4) dan karbon dioksida
(CO2). Metana dalam biogas jika terbakar akan relatif lebih bersih dibandingkan dengan
bahan bakar lain dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi karbondioksida
yang lebih sedikit.
2.3 Proses Pembentukan Biogas
Biogas dihasilkan dari proses pembusukan dari limbah organik dengan bantuan
bakteri dalam keadaan anaerob. Limbah organik dapat berupa kotoran binatang, manusia, dan
sampah organik rumah tangga. Proses bahan organik ini dilakukan oleh mikroorganisme
dalam proses fermentasi (Haryati, 2006). Ada tiga tahap dalam proses kerja bakteri ini, yaitu:

Pemecahan Polimer (Hidrolisis)
Pada tahap hidrolisis ini terjadi pelarutan bahan-bahan organik mudah larut dan
pencernaan bahan organik yang komplek menjadi sederhana , perubahan struktur
bentuk primer menjadi bentuk monomer. Komponen organik sederhana yang larut
dalam air digunakan oleh bakteri pembentuk asam. Digesti pada fase ini mengubah
protein menjadi asam amino, karbohidrat menjadi gula sederhana, dan lemak menjadi
asam lemak rantai panjang. Laju hidrolisis tergantung pada jumlah substrat yang
tersedia dan konsentrasi bakteri serta faktor lingkungan seperti suhu dan pH.

Pembentukan Asam (Asidogenesis)
Pada tahap pengasaman ini komponen monomer (gula sederhana) yang terbentuk
pada tahap hidrolisis akan menjadi bahan makanan bagi bakteri pembentuk asam.
Produk akhir dari gula-gula sederhana pada tahap ini akan dihasilkan asam asetat
(asam cuka), propionat, format, laknat, alcohol, dan sedikit butirat, gas
karbondioksida, hydrogen, dan ammonia.

Pembentukan Metan (Metanogenesis)
Bakteri-bakteri anaerob yang berperan dalam ketiga fase diatas terdiri dari:
-
Bakteri pembentuk asam (Acidogenic Bacteria) yang merombak senyawa
organik menjadi senyawa yang lebih sederhana, yaitu berupa asam organik,
CO2, H2, H2S.
-
Bakteri pembentuk asetat (Acetogenic Bacteria), yang merubah asam organik,
dan senyawa netral yang lebih besar dari methanol menjadi asetat dan
hydrogen.
-
Bakteri penghasil metan (Metanogen), yang berperan dalam merubah asamasam lemak dan alcohol menjadi metan dan karbondioksida. Bakteri
pembentuk metan antara lain methanococcus, methanobacterium, dan
methanosarcina.
2.4 Faktor-Faktor Pembentuk Biogas
Proses pembentukan biogas dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu:

Temperatur/suhu
Suhu udara maupun suhu di dalam tangki pencerna mempunyai andil besar di dalam
produksi biogas. Suhu udara secara tidak langsung mempengaruhi suhu di dalam
tangki pencerna, artinya penurunan suhu udara akan menurunkan suhu di dalam
tangki pencerna. Peranan suhu udara berhubungan dengan proses dekomposisi
anaerobik.

Derajat Keasaman (pH)
Peranan pH berhubungan dengan media untuk aktifitas mikroorganisme. Bakteribakteri anaerob membutuhkan pH optimal antara 6,2 – 7,6, tetapi yang baik adalah
6,6 – 7,5. Tangki pencerna dapat dikatakan stabil apabila larutannya mempunyai pH
7,5 – 8,5. Batas bawah pH adalah 6,2, dibawah pH tersebut larutannya sudah toxic,
maksudnya bakteri pembentuk biogas tidak aktif. Pengontrolan pH secara ilmiah
dilakukan oleh ion NH4 + dan HC03-. Ion-ion ini akan menentukan besarnya pH (Nur
Hidayat, 2009).

Ketersediaan Unsur Hara
Bakteri anaerobik membutuhkan nutrisi sebagai sumber energi yang mengandung
nitrogen, fosfor, magnesium, sodium, mangan, kalsium dan kobalt. Level nutrisi harus
sekurangnya lebih dari konsentrasi optimum yang dibutuhkan oleh bakteri
metanogenik, karena apabila terjadi kekurangan nutrisi akan menjadi penghambat
bagi pertumbuhan bakteri. Penambahan nutrisi dengan bahan yang sederhana seperti
glukosa, buangan industry, dan sisa-sisa tanaman terkadang diberikan dengan tujuan
menambah pertumbuhan di dalam digester.

Kandungan Bahan Kering
Bahan dalam pembuatan biogas harus berupa bubur. Bentuk bubur ini dapat diperoleh
bila bahan bakunya mempunyai kandungan air yang tinggi. Jika bahan baku dengan
kadar air rendah dapat ditambahkan dengan air dengan perbandingan tertentu sesuai
dengan kadar bahan kering tersebut. Bahan baku yang paling baik mengandung 7 – 9
% bahan kering. Aktifitas mikroba metan membutuhkan 7 – 10 % bahan kering dan
90% air dari bahan untuk fermentasi. Dengan demikian isian yang mengandung 7 – 9
% bahan-bahan baku isian dicampur dengan air dengan perbandingan tertentu.

Rasio Karbon Nitrogen (C/N)
Proses anaerobik akan optimal bila diberikan bahan makanan yang mengandung
karbon dan nitrogen secara bersamaan. C/N ratio menunjukkan perbandingan jumlah
dari kedua element tersebut. Pada bahan yang memiliki jumlah karbon 15 kali dari
jumlah nitrogen akan memiliki C/N ratio 15 berbanding 1. C/N ratio dengan nilai 30
(C/N = 30/1 atau karbon 30 kali dari jumlah nitrogen) akan menciptakan proses
pencernaan pada tingkat yang optimum, bila kondisi yang lain juga mendukung. Bila
terlalu banyak karbon, nitrogen akan habis terlebih dahulu. Hal ini akan menyebabkan
proses berjalan dengan lambat. Bila nitrogen terlalu banyak (C/N ratio rendah;
misalnya 30/15), maka karbon habis lebih dulu dan proses fermentasi berhenti.

Pengadukan
Sebelum bahan isian dimasukan ke digester terlebih dahulu dilakukan pengadukan.
Pengadukan. Pengadukan dilakukan untuk menyeragamkan atau menghomogenkan
bahan isian. Jika tidak dilakukan pengadukan maka akan terjadi pengendapan atau
pengumpalan bahan organik yang menyebabkan terhambatnya pembentukan biogas.

Waktu Retensi
Faktor lain yang perlu diperhatikan yaitu waktu retensi, faktor ini sangat dipengaruhi
oleh temperatur, pengenceran, laju pengadukan bahan dan lain sebagainya. Pada
temperatur yang tinggi laju fermentasi berlangsung dengan cepat, dan menurunkan
waktu proses yang diperlukan. Pada kondisi normal fermentasi kotoran berlangsung
antara dua sampai empat minggu.

Bahan Isian
Bahan baku isian berupa bahan-bahan organikseperti kotoran lemak, limbah
pertanian, dan sampah organik rumah tangga. Bahan isian harus terhindar dari bahan
organik seperti pasir, batu, beling, dan plastik. Bahan baku dalam bentuk selulosa
lebih mudah dicerna oleh bakteri anaerob. Sebaliknya, pencernaan akan lebih sulit
dilakukan bakteri anaerob jika bahan bakunya banyak mengandung kayu atau lignin.
2.5 Kandungan biogas
Biogas adalah campuran beberapa gas. Komposisi biogas yang dihasilkan sangat
tergantung pada jenis bahan baku yang digunakan. Komposisi biogas yang utama berupa gas
metana (CH4) dan gas karbon dioksida (CO2) dengan sedikit hydrogen sulfide (H2S).
Komponen lainnya yang di temukan dalam kisaran konsentrasi kecil antara lain senyawa
sulfur organik, senyawa hidrokarbon, gas hidrogen (H2), gas nitrogen (N2), gas karbon
monoksida (CO) dan gas oksigen (O2). Berikut adalah tabel komposisi utama biogas :
Tabel 2.1 komposisi yang terkandung dalam biogas
Jenis Gas
Volume (%)
Metana (CH4)
55 – 75
Karbondioksida (CO2)
25 – 45
Nitrogen (N2),
0 – 0,3
Hidrogen (H2)
1–5
Hidrogen Sulfida (H2S)
0–3
Sumber: Cecep D.S, 2012.
2.6 Reaktor Biogas
Untuk memperoleh biogas dari bahan organik, diperlukan alat yaitu digester
Biogas/Biodigester, yang bekerja dengan prinsip menciptakan suatu tempat penampungan
bahan organik tersebut dapat difermentasi oleh bakteri metanogen untuk menghasilkan
biogas. Biogas yang timbul kemudian dialirkan ketempat penampungan biogas, sedangkan
lumpur sisa aktifitas fermentasi dikeluarkan lalu dijadikan pupuk alami yang dapat
dimanfaatkan untuk usaha pertanian maupun perkebunan. Untuk proses pengadukan
menggunakan alat magnetic stirrer, alat ini bekerja dengan adanya medan magnet yang
bergerak searah jarum jam, ada 2 komponen yang melengkapi alat ini, diantaranya magnetic
fan yang berfungsi sebagai dudukan botol dan stirrer yang berfungsi sebagai pengaduk bahan
baku yang ditempatkan dalam botol digester.
Pada umumnya ada dua jenis digester yang digunakan. Ke dua digester tersebut
mempunyai keunggulan dan kelemahannya masing-masing. Kedua jenis digester tersebut
sebagai berikut:

Fixed Domed Plant
Terdiri dari digester yang memiliki penampung gas dibagian atas digester. Ketika gas
mulai timbul, gas tersebut menekan lumpur sisa fermentasi ke bak slurry. Jika
pasokan kotoran ternak terus menerus, gas yang timbul akan menekan slurry hingga
meluap ke bak slurry. Gas yang timbul digunakan/dikeluarkan lewat pipa gas yang
diberi katup/keran.
 Adapun keunggulan dari digester ini adalah:
-
Dapat berumur panjang (awet)
-
Tidak ada bagian yang bergerak
-
Tidak membutuhkan ruangan
-
Menghemat tempat karena dibangun dalam tanah terlindung dari berbagai
cuaca atau gangguan lain
 Adapun juga kelemahan dari digester ini adalah:
-
Suhu dalam reaktor relatif dingin.
-
Bila terjadi sedikit kebocoran pada reaktor akan mengakibatkan kehilangan
gas yang cukup besar sehingga dibutuhkan pembuat reaktor yang telah
terlatih.
-
Tekanan gas berfluktuasi tergantung dari gas yang dihasilkan.
Saluran masuk
Katup masuk
Pipa gas
Katup control gas
Digester
Saluran keluar
Campuran slurry
Tanah
Gambar 2.1 Skema digester biogas jenis fixed dome.

Floating Drum Plant
Terdiri dari satu digester dan penampung gas yang bisa bergerak. Penampung gas ini
akan bergerak keatas ketika gas bertambah dan turun lagi ketika gas berkurang seiring
dengan penggunaan dan produksi gasnya.
 Adapun kelebihan dari digester jenis ini adalah:
-
Kontruksi alat sederhana dan mudah dioprasikan
-
Jumlah gas bisa diketahui dengan melihat naik turunnya drum
-
Tekanan gas konstan karena penampung gas yang bergerak mengikuti jumlah
gas
 Adapun kekurangan dari digester jenis ini adalah:
-
Korosi pada drum.
-
Biaya perawatan cukup mahal.
-
Umur reaktor lebih pendek dari pada fixed dome.
Pipa gas
Saluran masuk
Katup masuk
Katup control gas
Drum
Saluran keluar
Digester
Campuran slurry
Tanah
Gambar 2.2 Skema digester biogas jenis floating drum.
2.7 Tekanan Gas Biogas
Tekanan gas dapat dihitung degan menggunakan pressure gauge digital seperti terlihat
pada gambar dibawah ini :
Gambar 2.3 Pressure Gauge Digital.
2.8 Inokulum
Inokulum adalah sediaan yang mengandung jasad renik tertentu yang memiliki
kegiatan/ sifat yang khas untuk dibiakkan pada suatu media atau bahan tertentu : ragi tempe.
Inokolum kotoran hewan sendiri adalah slurry yang diambil dari pertengahan usia proses
pembentukan biogas dengan bahan baku kotoran sapi. Pemilihan usia dipertengahan proses
dikarenakan pada usia ini slurry dianggap telah memiliki kandungan bakteri pembentuk
biogas yang lengkap, dan diharapkan inokulum ini mampu berkembang biak pada slurry
yang kita inginkan.
2.9 Jenis-Jenis Sampah
Berdasarkan bahan asalnya sampah digolongkan menjadi 3 jenis yaitu:
1. Sampah Organik
Sampah organik yaitu sampah yang mudah membusuk (degradable) seperti sisa
makanan, sayuran, daun-daun kering dan sebagainya. Sampah ini dapat diolah lebih lanjut
menjadi kompos. Sampah organik berasal dari mahluk hidup, baik hewan, manusia
maupun tumbuhan. (Cecep D.S,2012).
2. Sampah Anorganik
Sampah anorganik adalah sampah yang dihasilkan dari bahan-bahan non hayati. Sampah
ini berasal dari bahan yang bisa diperbaharui serta bahan yang berbahaya atau beracun.
Jenis sampah ini termasuk dalam kategori bisa didaur ulang misalnya bahan yang terbuat
dari plastic dan logam.
3. Sampah B3 (Bahan Berbahaya Dan Beracun)
Sampah B3 merupakan jenis sampah yang dikategorikan beracun dan berbahaya bagi
manusia seperti kaleng bekas cat semprot atau botol minyak wangi. Namun tidak
menutup kemungkinan sampah jenis ini mengandung zat-zat berbahaya lainnya.
2.10 Karakteristik Limbah Daun Kamboja
Meningkatnya aktifitas pariwisata di Bali, menghasilkan sampah atau limbah dari
sisa-sisa hasil tanaman hias. Kurangnya pemanfaatan dari limbah-limbah yang dihasilkan,
membuat tumpukan sampah dengan skala yang lumayan besar. Berbagai jenis sampah
seperti; sampah organik dan non organik bisa kita jumpai dimana-mana.
Salah satu jenis sampah yang pemanfaatannya masih kurang di Bali adalah limbah
daun kamboja. Dengan tingkat penanaman pohon kamboja yang cukup besar di Bali pada
tempat-tempat pariwisata, tentu akan mengahasilkan sampah atau limbah daun kamboja
dengan skala yang cukup besar. Pohon kamboja merupakan tanaman yang sangat bermanfaat
pada kalangan masyarakat bali itu sendiri maupun pada industri pariwisata.
Pemanfaatan limbah daun kamboja saat ini masih sebatas diolah menjadi pupuk
kompos atau keperluan lainnya. Meskipun limbah daun kamboja tergolong bahan sampah
organik, untuk menjadi kompos masih kurang efisien. Limbah daun kamboja lebih banyak di
buang begitu saja oleh masyarakat, karena limbah daun kamboja tersebut tidak
memungkinkan untuk dibuang di tempat sampah karena dari segi volumenya memerlukan
ruang tersendiri. Dengan permasalahan tersebut, masyarakat juga ternyata mempunyai solusi
untuk mengurangi limbah daun kamboja yang menumpuk dengan cara dibakar saja..
Dari sekian alternatif, limbah daun kamboja sangat berpotensi untuk diolah menjadi
bahan baku biogas yang ramah lingkungan sebagai energi terbarukan alternatif. Penelitian ini
akan mengembangkan potensi tersebut sebagai salah satu sumber bahan baku alternatif dan
campuran
kotoran hewan hanya digunakan sebagai stater (bakteri organik) dalam
pembentukan biogas.
2.11 Volume Gas
Untuk menghitung volume gas yang ada dalam pressure bottle persamaan yang
digunakan adalah (Daniel Nett, et.al, 2013)
(
)
(c
)...……...……………………………………………...(2.1)
Keterangan:
Vb
= Volume biogas (c
)
Vpb = Volume digester – volume slurry (c
Pb
= Tekanan dalam digester (Pa)
Ts
= Temperatur luar digester (0C)
Tb
= Temperatur dalam digester ( 2730K)
Patm = Tekanan atmosfer (1atm = 1.103 x 1
2.12 Total Solid (TS)
)
Pa)
Total solid adalah jumlah % nilai kering dari bahan baku. Pencarian nilai dry matter
bertujuan untuk mengetahui kadar air dari suatu bahan organik. Total solid dapat dicari
dengan cara memanaskan bahan bahan baku menggunakan alat yaitu TGA 701 setelah
didapatkan data moisture pada TGA maka persentase TS dicari menggunakan persamaan
berikut :
Total Solid (TS) = (100% - persentase moistur).......................................................(2.2)
Keterangan :
dengan asumsi : berat bahan baku dianggap 100 % dan
Moistur = Berat air (%)
Setelah didapatkan persentase total solids maka untuk mencari jumlah massa substrat
yang diperlukan untuk masing-masing digester, dinyatakan dalam persamaan berikut :
(
)…………………….……………...……..(2.3)
Keterangan :
Massa akhir (TS)
= jumlah variasi total solid (gram)
% TS
= Jumlah % nilai kering dari bahan baku.
2.13 Volatil Solid (VS)
Volatil solid adalah kandungan organik yang terkandung di dalam suatu bahan.Volatil
solid dapat dicari dengan memanaskan suatu bahan dengan menggunakan alat TGA,
persentase Volatil Solid tertera pada komputer, setelah di analisis oleh sistem.
2.14 Volume Spesifik Biogas
Volume spesifik biogas berfungsi untuk mengetahui berapa liter biogas yang
dihasilkan per Kg TS. Volume spesifik biogas merupakan perbandingan jumlah biogas yang
dihasilkan dengan satuan berat volatil solid yang dimasukkan ke dalam masing-masing
digester dapat ditentukan dengan cara (Arnata. Made, 2013) :
.................................................(2.4)
2.15 Menghitung CH4 Dan CO2
Untuk menghitung CH4 Dan CO2 pada biogas dan mengetahui hasil persentase gas
CH4 dan CO2 pada masing-masing digester serta mengetahui digester yang paling banyak
menghasilkan gas metana (CH4), dapat kita cari dengan persamaan sebagai berikut, (Arnata.
Made, 2013) yaitu :
……………………………………………(2.5)
…………….…………………(2.6)