BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pengertian Biogas Biogas adalah

4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pengertian Biogas
Biogas adalah gas produk akhir pecernaan atau degradasi anaerobik bahanbahan organik oleh bakteri-bakteri anaerobik dalam lingkungan bebas oksigen atau
udara (anaerob). Komponen terbesar biogas adalah Methana (CH4, 54-80%-vol) dan
karbondioksida (CO2, 20-45%-vol) serta sejumlah kecil H2, N2 dan H2S. Pada
literature lain komposisi biogas secara umum ditampilkan dalam tabel berikut :
Tabel 2.1 Komposisi Gas Yang Terdapat Dalam Biogas
Jenis Gas
Volume (%)
Metana (CH4)
55 – 75
Karbondioksida (CO2)
25 – 45
Nitrogen (N2)
0 - 0,3
Hidrogen (H2)
1–5
Oksigen (O2)
0,1 – 0,5
Hidrogen Sulfida (H2S)
0–3
Sumber : Kusrijadi, 2009
Berikut ini adalah gambar penggunaan biogas untuk memenaskan air.
Gambar 2.1 Aplikasi Penggunaan Biogas
5
2.2 Bahan Penghasil Biogas
Kotoran hewan sering sering dipilih sebagai bahan pembuat gas bio karena
ketersedianya yang sangat besar diseluruh dunia. Bahan ini memiliki keseimbangan
nutrisi, mudah dicerna dan relative dapat diproses secara biologis antara 28-70% dari
bahan organik tergantung dari pakannya.
2.2.1 Kotoran Sapi
Kotoran sapi mempunyai rasio karbon - nitrogen (C/N) sebesar 18. Karena itu
perlu ditambah dengan bahan lainnya yang mempunyai rasio karbon - nitrogen (C-N)
lebih tinggi sehingga rasio karbon - nitrogen (C/N) pada slurry berkisar antara 25:1 –
30:1. Menurut Singh di dalam Dissanayake (1977). Bahan tambahan tersebut dapat
berupa bahan organik seperti, limbah pertanian, sisa dapur dan sampah organik
lainnya. Bahan isian harus terhindar dari bahan anorganik seperti pasir, batu, beling
dan plastik. Dengan demikian pembuatan biodigester merupakan salah satu solusi
untuk mengatasi kesulitan masyarakat akibat kenaikan harga BBM, teknologi ini bisa
segera diaplikasikan, terutama untuk kalangan peternak sapi. Alat ini dapat
menghasilkan biogas dengan mencampurkan kotoran sapi dan air kemudian disimpan
dalam tempat tertutup (anaerob). Kotoran ternak ini akan diubah dulu menjadi gas
oleh bakteri metanogen yang selanjutnya akan menghasilkan gas dengan kandungan
gas metana yang cukup tinggi. Dalam rumah tangga biogas ini dapat dimanfaatkan
sebagai bahan bakar untuk memasak dengan menggunakan kompor gas biasa yang
telah dimodifikasi atau dengan membuat kompor biogas sendiri.
2.2.2 Limbah Serbuk Gergaji Kayu
Limbah serbuk gergaji kayu merupakan limbah yang terbentuk dari kegiatan
biomassa kayu/berserat lingo-sellulosa, suatu bahan baku yang belum termanfaatkan.
Adanya limbah yang dimaksud ini menimbulkan masalah penanganannya yang
selama ini dibiarkan membusuk, ditumpuk dan dibakar sehingga berdampak negatif
terhadap lingkungan. Salah satu jalan adalah dengan memanfaatkan menjadi produk
yang bernilai tambah dengan teknologi aplikatif seperti arang serbuk, briket arang,
gas bio, kompos dan lainnya.
Penggunaan bahan organik sebagai bahan baku isian tambahan untuk
meningkatkan produksi dari suatu unit biogas memang sangat di perlukan. Selain
jerami padi terdapat bahan organik lain yang dapat di gunakan sebagai bahan baku
6
isian tambahan suatu unit biogas salah satunya yaitu serbuk gergaji kayu yang
merupakan limbah dari industri penggergajian. Bahan buangan organik seperti
limbah serbuk kayu gergaji ini masih belum dimanfaatkan secara optimal.
Kebanyakan industri penggergajian membuang limbah serbuk gergaji kayu ini di
sungai atau hanya membakarnya saja.
Gambar 2.2 Butiran Serbuk Kayu
Kotoran ternak dan air yang telah tercampur masuk dari inlet ke dalam
digester. Didalam digester terdapat proses fermentasi anaerob yang menghasilkan
gas methana, karbondioksida, nitrogen, oksigen,dan hidrogen sulfide. Selanjutnya
gas tersebut disalurkan kedalam reservoir melaluipipa gas dan menekan lumpur sisa
fermentasi ( slury) ke outlet. Slury akan keluar melalui outlet, dan dapat digunakan
sebagai pupuk tanaman. Kemudian proses dimulai lagi dengan memasukan bahan
baku ke dalam digester ( tipe batch digestion )
2.3 Digester Biogas
Digester atau reactor merupakan tempat untuk membantu terbentuknya
biogas. Didalam digester terjadi proses pencernaan yang akan menghasilkan gas bio.
7
Dilihat dari sisi kontruksinya, pada umumnya digester dapat dibedakan
menjadi:
1. Digester Tipe Kubah Tetap (Fixed Dome)
Reaktor kubah tetap (fixed dome) ini disebut juga reaktor China. Dinamakan
demikian karena reaktor ini dibuat pertama kali di China sekitar tahun 1930-an,
kemudian sejak saat itu reaktor ini berkembang dengan berbagai model. Pada reaktor
ini memiliki dua bagian yaitu digester sebagai tempat pencerna material biogas dan
sebagai rumah bagi bakteri, baik bakteri pembentuk asam ataupun bakteri pembentuk
gas metana. Bagian ini dapat dibuat dengan kedalaman tertentu menggunakan batu,
batu bata atau beton. Strukturnya harus kuat karena menahan gas agar tidak terjadi
kebocoran. Bagian yang kedua adalah kubah tetap. Dinamakan kubah tetap karena
bentuknya menyerupai kubah dan bagian ini merupakan pengumpul gas yang tidak
bergerak (fixed). Gas yang dihasilkan dari material organik pada digester akan
mengalir dan disimpan di bagian kubah. Keuntungan dari reaktor ini adalah biaya
konstruksi lebih murah daripada menggunakan reaktor terapung, karena tidak
memiliki bagian yang bergerak menggunakan besi yang tentunya harganya relatif
lebih mahal dan perawatannya lebih mudah. Sedangkan kerugian dari reaktor ini
adalah dibutuhkan waktu yang lama dalam proses pembangunannya, mudah
mengalami keretakan, biaya kontruksinya relatif mahal dan tidak dapat dipindah.
Selain itu, gas yang dihasilkanmudah bocor akibat pori – pori yang agak besar. Jika
kebocoran tersebut terjadi, biasanya sulit untuk dideteksi dan diperbaiki.
Gambar 2.3 Reaktor kubah tetap (Fixed-dome)
Agung Pambudi (2008)
8
2. Digester Tipe Floating Drum (Tangki Terapung)
Reaktor jenis terapung (floating drum) pertama kali dikembangkan di India
pada tahun 1937 sehingga dinamakan dengan reaktor India. Memiliki bagian digester
yang sama dengan reaktor kubah, perbedaannya terletak pada bagian penampung gas
menggunakan peralatan bergerak menggunakan drum. Drum ini dapat bergerak naik
turun yang berfungsi untuk menyimpan gas hasil fermentasi dalam digester.
Pergerakan drum mengapung pada cairan dan tergantung dari jumlah gas yang
dihasilkan. Keuntungan dari reaktor ini adalah dapat melihat secara langsung volume
gas yang tersimpan pada drum karena pergerakannya. Karena tempat penyimpanan
yang terapung sehingga tekanan gas konstan. Sedangkan kerugiannya adalah biaya
material konstruksi dari drum lebih mahal. faktor korosi pada drum juga menjadi
masalah sehingga bagian pengumpul gas pada reaktor ini memiliki umur yang lebih
pendek dibandingkan menggunakan tipe kubah tetap.
Gambar 2.4 Reaktor terapung (floating drum)
Sumber: Agung Pambudi (2008)
3. Digester Tipe Balon
Digester balon merupakan jenis digester yang banyak digunakan pada skala
rumah tangga yang menggunakan bahan plastik sehingga lebih efisien dalam
penanganan dan perubahan tempat biogas. Digester ini terdiri dari satu bagian yang
berfungsi sebagai penyimpan gas masing masing bercampur dalam satu ruangan
tanpa sekat. Material organik terletak dibagian bawah karena memiliki berat yang
lebih besar dibandingkan gas yang akan mengisi pada rongga atas. Keuntungan dari
9
digester ini yaitu cocok digunakan untuk skala rumah tangga, kontruksinya
sederhana, waktu pemasangan singkat, dan mudah untuk dipindahkan. Sementara itu,
kelemahannya mudah mengalami kebocoran.
2.4. Proses Produksi Biogas
Proses produksi biogas biasanya dilakukan secara semi sinambung (substrat
dimasukan satu kali dalam selang waktu tertentu), tetepiuntuk mendapatkan
kemungkinan metode produksi optimal, sistem batch (substrat hanya dimasukan satu
kali) juga digunakan.
2.5 Proses Pembentukan Biogas
Untuk memkonversikan zat – zat organic yang berupa lelulosik menjadi gas
metan melalui beberapa tahap prosesyang cukup panjang dengan bantuan berbagai
macam mikroba. Silolosik yang tidak larut dalam air dikonversikan menjadi bahanbahan terlarut oleh suatu jenis mikroba tertentu, namun peruraian ini masih
merupakan bahan organic rantai panjang. Selanjutnya bahan organic rantai panjang
dipecah menjadi asam- asam, karbon dioksida dan gas hydrogen oleh mikroba
pembentuk asam. Kemudian dari asam-asam dan hydrogen inilah metan terbentuk
oleh bekteri metanogenesis. Hasil utama proses biogas adalah gas metanadan CO 2.
Proses ini sangat ditentukan oeh aktivitas bakteri pembentuk metan, karena
biayasanya pembentukan asam lebih cepat dari pembentukan metan. Akibatnyaakan
menjadi penumpukanasamyang akan mengganggu pertumbuhan dari bakteri
metanya.
Secara garis besar peruses pembentukan biogas dibagi dalam tiga tahap yaitu
sebagai berikut:
1. Tahap Hidrolisis
Pada tahap in, bahan organic dienzimatik secara eksternal oleh enzim
ekstraseluler ( selulose, amylase, protease, dan lipase) mikroorganisme. Bakteri
memutuskan rantai panjag karbihidrat kompleks., protein dan lipida menjadi
senyawa rantai pendek. Sebagai contoh polisakarida diubah menjadi monosakarida
sedangkan protein diubah menjadi peptide.dan sam amino.
2. Tahap Asidifikasi ( Pengasaman )
10
Pada tahap ini bakteri penghasil asam, mengubah senyawa rantai pendek
hasilperoses pada tahap hidrolisis menjadi asam asetat, hydrogen (H2) dan
karbondioksida. Bakteri tersebut merupakan bakteri anaerobic yang dapattumbuh dan
dapat tumbuh dalam keadaan asam.untuk menghasilkan asam asetat, bakteritersebut
memerlukan oksigen dan karbon yang diperoleh dari oksigen yang terlarut dalam
larutan. Pembentukan asm pada kondisi anaerobic tersebut penting untuk membentuk
gas metana oleh mikroorganisme pada proses selanjutnya. Selain itu, bakteritersebut
juga mengubah senyawa yang bermolekul rendah menjadi alcohol,asm organic, asam
amino karbondioksida, H2S dan sedikit gas metana.
3. Tahap Pembentukan Gas Metana
Pada tahap ini bakteri metanogenik mendekomposisikan senya denga berat
molekul rendah menjadi senyawadengan berat molekul tinggi. Sebagai contoh
bakteri ini menggunakan hydrogen, CO2, dan asam asetat untuk membentuk
simbiosis. Bakteri penghasil asam membentuk keadaan atmosfer yang idial untuk
bakteri penghasil metana. Sedangkan bakteri pembentuk gas metana menggunakan
asm tang dihasilkan bakteri penghasil asam.
Produksi biogas biasanya dilakukan secara semi sinambung ( subtract
dimasukan satu kali dalam sekang waktu tertentu), tetepi untuk mendapatkan
kemungkinan metode produksi optimal, system batch ( subtract hanya dimasukan
satu kali) juga dapat digunakan. Kecepatan produksi pada system batch mula – mula
akan naik hingga mencapai kecepatan maksimum dan akhirnya akan turun lagi
ketika sejumlah bahan telah dirombak.
Bakteri – bakteri anaerob yang berperan dalam ketiga fase diatas terdiri dari
bakteri – bakteri sebagai berikut.
1. Bakteri Pembentuk Asam (Acidogenic Bacteria )
Pada susunan anaerob, bakteri golongan ini aktif merombak substan – substan
polimer komplek, yaitu protein, karbohidrat dan lemak menjadi sam organik
sederhana yaitu asam butiras, propionate, laktat, dan alcohol. Golongan bakteri ini
masih dapat hidup dan aktif mengadakan perombakan bahan menjadi asam asam
organic ( CO2,H2, H2S ).
2. Bakteri Pembentuk Asetat ( Acetogenic Backeria )
11
Merubah asam organic dan senyawa netral yang lebih besar dari senyawa
methanol menjadi asetat dan hydrogen.
3. Bakteri Penghasil Metan ( metanogens )
Beberapa dalam merubah asam – asam lemak dan alkohol menjadi metan dan
karbondioksida. Bakteri pembentukmetan antara lain adalah mthanococcus,
methanobacterum, dan mthanosarcina. Kelemahan bakteri metan adalah tidak tahan
pada daerah pertumbuhan yang suasananya terlalu asam. Karena sama yang
dihasilkan oleh bakteri – bakteri pembentuk asam terlalu banyak, maka bakteri
pembentuk metan akan mati dan pembentukan gas metana akan menjadi gagal.
2.6 Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Pembentukan Biogas
Banyak faktor yang berpengaruh dalam keberhasilan biogas, diantaranya :
1. Perbandingan C/N Bahan Isian
Rasio C/N adalah perbandingan kadar karbon(C) dan kadar Nitrogen
(N) dalam satuan bahan. Semua mahluk hidup terbuat dari sejumlah besar
bahan Karbon (C) dan Nitrogen (N) dalam jumlah kecil. Untuk menjamin
semuanya berjalan lancar, unsur-unsur nutrisi yang dibutuhkan mikroba harus
tersedia secara seimbang. Ternak ruminansia seperti sapi, kambing dan
domba rata-rata lebih lama dalam menghasilkan biogas dibandingkan dengan
ternak non ruminansia. Lamanya produksi biogas disebabkan oleh mutu
pakan yang lebih rendah, sehingga rasio C/N-nya tinggi akibatnya
perkembangan mikroba pembentuk gas lebih lama dibandingkan yang
bermutu tinggi. Tinggi rendahnya mutu ini tergantung pada nilai N (nitrogen)
di dalam ransum. Namun demikian nilai N juga tergantung pada C (karbon).
Jadi, perbandingan C dan N akan menentukan lama tidaknya proses
pembentukan biogas (Yunus, 1995). Kandungan C dan N pada beberapa
bahan dinyatakan dalam tabel berikut :
12
Tabel 2.2. Perbandingan C dan N jenis kotoran hewan dan tumbuhan
Jenis Bahan
Manusia
Ayam
Kambing/ domba
Babi
Kuda
Sapi/ Kerbau
Rumput Muda
Sayuran (bukan kacang- kacangan)
Jerami Gandum/ padi
Serbuk Gergaji
Perbandingan C/N
6 – 10
15
25
25
25
18
12
11 – 19
150
200
Sumber : Wulandari, 2006
2. Lama Fermentasi
Secara umum menurut (Sweeten, 1979), yang dikutip oleh (Fontenot
,1983), menerangkan bahwa proses fermentasi/pencernaan limbah ternak di
dalam tangki pencerna dapat berlangsung 60-90 hari, tetapi menurut Sahidu
(1983), hanya berlangsung 60 hari saja dengan terbentuknya biogas pada hari
ke-5 dengan suhu pencernaan 28 oC, sedangkan menurut (Hadi, 1981), gas
bio terbentuk sekitar 10 – 24 hari.Produksi biogas tersebut terbentuk 10 hari.
Setelah 10 hari fermentasi suadah terbentuk kira – kira 1,1 – 0,2 m3/ kg dari
berat bahan kering. P eningkatan penembahan waktu fermentasi dari 10 hinga
30 hari meningkatkan produksi biogas sebesar 50% (Hadi, 1981)
Paa hari ke 30 fermentasi jumlah biogas yang terbentuk mencapai
maksimal dan setelah 30 hari terjadi penurunan produksi gas bio (Sembiring,
2004).
3. Temperatur
Tempertur yang tinggi akan memberikan hasil biogas yang baik.
Namun suhu tersebut sebaiknya tidak boleh melebihi suhu kamar. Bakteri ini
hanya dapat subur bila suhu disekitarnya berada pada suhu kamar. Suhu yang
baik untuk proses pembentukan biogas berkisar antara 20 - 40 0C dan suhu
optimum antara 28-30
0
C (Paimin, 2001). Temperatur selama proses
berlangsung sangat penting karena hal ini berkaitan dengan kemampuan
hidup bakteri pemroses biogas, yaitu berkisar 270C-280C. Dengan temperatur
itu proses pembuatan biogas akan berjalan sesuai dengan waktunya. Tetapi
13
berbeda bila temperatur terlalu rendah (dingin), maka waktu untuk
membentuk biogas akan lebih lama.
4. Kandungan Bahan Kering
Bahan isian dalam pembuatan bio gas harus berupa bubur. Bentuk
bubur ini dapat diperoleh bila bahan bakunya mempunyai kandungan air
yang tinggi. Bahan baku dengan kadar air yang rendah dapat dijadikan
berkadar air tinggi dengan menambahkan air ke dalamnya dengan
perbandingan tertentu sesuai dengan kadar bahan kering bahan tersebut.
Bahan baku yang paling baik mengandung 7-9 % bahan kering (Paimin,
2001). Aktivitas normal dari mikroba metan membutuhkan sekitar 90% air
dan 7-10% bahan kering dari bahan masukan untuk fermentasi
5.
Pengadukan
Bahan baku yang sukar dicerna akan membentuk lapisan kerak
dipermukaan cairan. Lapisan ini dapat dipecah dengan alat pengaduk. Oleh
karena itu, sebaiknya setiap unit pembuat biogas dilengkapi alat pengaduk.
Pemasangan alat pengaduk harus dilakukan dengan hati-hati agar jangan
sampai terjadi kebocoran pada tangki pencerna. Sebelum bahan isian
dimasukkan ke dalam digester terlebih dahulu dilakukan pengadukan, dimana
tujuan
dari
pengadukan
ini
adalah
untuk
menyeragamkan
atau
menghomogenkan bahan isian. Jika tidak dilakukan pengadukan akan terjadi
penggumpalan atau pengendapan bahan organik yang menyebabkan
terhambatnya biogas. Pada hari ke 30 fermentasi jumlah gas bio yang
terbentuk mencapai maksimal, dan setelah 30 hari fermentasi terjadi
penurunan jumlah gas bio (Sembiring, 2004).
6. Laju pengumpanan
Laju pengmpanan adalah jumlah bahan yang diumpankan ke dalam
pencerna per unit kapasitas per hari. Pada umumnya, 6 kg kotoran sapi per m3
volume pencerna adalah direkomendasikan pada suatu jaringan pengolah
kotoran sapi. Apabila terjadi pengumpanan berlebihan, terjadi akumulasi
asam dan produksi metana akan terganggu. Sebaliknya bila pengumpanan
kurang dari kapasitas pencerna, produksi gas juga menjadi rendah. Pada
pengisian pertama, Slurry bisa dimasukkan hingga 3/4 volume digester..
14
Volume sisa di bagian atas digester diperlukan sebagai ruang pengumpulan
gas serta menghindari penyumbatan saluran gas oleh slurry.
2.7 Komposisi Biomassa Dari Limbah Pertanian
Kandungan utama biomassa dari limbah pertanian adalah carbon, oksigen,
dan hidrogen. Hal ini ditunjukkan pada tabel ultimate analysis. Pada tabel tersebut
memperlihatkan komposisi dari 13 biomassa dari limbah pertanian. Rumus kimia
dari biomassa umumnya diwakili oleh C xHyOz. nilai koefisien dari x,y dan z
ditentukan oleh masing-masing biomassa.
Tabel 2.3. Ultimate analysis of Biomass (Raveendran et. al. )
Ultimate Analysis (wt %)
S.
N
Bio
Massa
C
H
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Ampas tebu
Sabut kelapa
Batok kelapa
sabut empulur
Bonggol jagung
tangkai jagung
Limbah kapas
Kulit kacang
Jerami padi
Sekam padi
Tangkai padi
Sebuk kayu
Jerami gandum
Average
43.8
47.6
50.2
44.0
47.6
41.9
42.7
48.3
42.7
38.9
36.9
48.2
47.5
44.6
5.8
5.7
5.7
4.7
5.0
5.3
6.0
5.7
6.0
5.1
5.0
5.9
5.4
5.5
0.4
0.2
0.0
0.7
0.0
0.0
0.1
0.8
0.1
0.6
0.4
0.0
0.1
0.3
* Higher heating value.
Sumber : Raveendran. et al. (1995)
Densit
y
(kg/m3
)
X
O
HHV*
(MJ/k
g)
47.1
45.6
43.4
43.4
44.6
46.0
49.5
39.4
33.0
32.0
37.9
45.1
35.8
41.8
16.29
14.67
20.50
18.07
15.65
16.54
17.48
18.65
17.48
15.29
16.78
19.78
17.99
17.32
111
151
661
94
188
129
109
299
201
617
259
259
222
253.84
3.65
3.97
4.18
3.67
3.97
3.49
3.56
4.03
3.56
3.24
3.08
4.02
3.96
3.72
Y
Z
5.8
5.7
5.7
4.7
5.0
5.3
6.0
5.7
6.0
5.1
5.0
5.9
5.4
5.49
2.94
2.85
2.71
2.71
2.79
2.88
3.10
2.46
2.063
2.0
2.37
2.82
2.24
2.61
%
conve
rsion
of
carbo
n
81
72
65
74
70
82.3
87
61.2
58
62
82.4
70.2
56.5
70.89
15
2.8. Manfaat Biogas dalam Kehidupan
Manfaat pembuatan biogas dari kotoran ternak antara lain :
1. Limbah digester biogas, baik yang padat maupun cair dapat dimanfaatkan
sebagai pupuk organik.
a. Limbah padat digunakan untuk pupuk. Pupuk yang dihasilkan baik karena
mengandung unsur hara yang tinggi selain itu dapat memperbaiki fungsi
struktur tanah.
b. Limbah cair digunakan untuk menyiram tanaman karena mengandung
unsur hara yang dibutuhkan tanaman.