BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Umum Biogas adalah gas

15
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Umum
Biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses penguraian bahan-bahan organik
oleh mikroorganisme pada kondisi anaerob. Pembentukan biogas berlangsung
melalui proses fermentasi anaerobik atau tidak berhubungan dengan udara bebas.
Proses fermentasinya merupakan suatu reaksi oksidasi-reduksi di dalam sistem
biologi yang menghasilkan energi, dimana sebagai donor dan akseptor elektronnya
digunakan senyawa organik. Komponen biogas terdiri dari ± 60 % CH4 (metana), ±
38 % CO2 (karbondioksida), ± 2 % N2, O2, H2, dan H2S (Musanif, dkk, 2006).
Biogas mulai dikembangkan untuk dijadikan energi alternatif pengganti BBM.
Kesadaran masyarakat akan pemenuhan sumber energi yang berkelanjutan
menjadikan biogas sebagai pilihan yang tepat. Biogas memberi solusi terhadap
masalah penyediaan energi dengan murah dan tidak mencemari lingkungan. Biogas
dapat dibakar seperti gas elpiji , dalam skala besar, biogas dapat digunakan sebagai
pembangkit energi listrik, sehingga dapat dijadikan energi alternative yang ramah
lingkungan dan terbaharukan.
Gas Methana (CH4 ) yang dihasilkan secara alami oleh limbah kotoran ternak
merupakan gas penyumbang terbesar pada efek rumah kaca, bahkan lebih besar
dibandingkan
CO2
(karbondioksida).
Pembakaran
Methana
pada
Biogas
mengubahnya menjadi CO2 sehingga mengurangi jumlah Methana di udara.
2.2 Bahan Penghasil Biogas
Permasalahan kotoran ternak, khususnya manure dapat diatasi dengan
memanfaatkan menjadi bahan yang memiliki nilai yang lebih tinggi. Salah satu
bentuk pengolahan yang dapat dilakukan adalah dengan menggunakan kotoran
tersebut sebagai bahan masukan untuk menghasilkan bahan bakar biogas, karena
ketersediaannya yang sangat besar diseluruh dunia. Bahan ini memiliki
keseimbangan nutrisi, mudah dicerna dan relative dapat diproses secara biologis.
16
Kisaran pemprosesan secara biologis antara 28-70 % dari bahan organik tergantung
dari pakannya.
Bahan baku yang memproduksi gas metan bisa berasal dari semua bahan
organik, baik yang berwujud padat, maupun cair, kecuali bahan organik senyawa
hidrokarbon tinggi seperti plastik, karet dan lilin. Bahan yang mudah dicerna banyak
mengandung selulosa seperti jerami padi atau gandum, rumput-rumputan dan
sebagainya. Sedangkan bahan yang banyak mengandung lignin (kayu) sukar untuk
dicerna. Bahan yang memiliki kadar air tinggi lebih mudah untuk dicerna (sianturi,
1990).
2.2.1 Pakan Gajah
Gajah merupakan hewan herbivora terbesar di dunia, gajah menghabiskan 16
jam sehari untuk mengumpulkan makanan dan tanaman. Makanannya terdiri atas
50% rumput, ditambah dengan dedaunan, ranting, akar dan sedikit buah, benih dan
bunga. Pakan gajah pada Kebun Binatang Bali Zoo adalah rumput gajah, Pelepah
Kelapa, dan Daun Jagung. Pada rumput gajah mengandung 30,97 % selulosa, 15,21
% lignin dan 17% hemiselulosa. Pelepah kelapa mengandung 16,6 % selulosa, 27,6
% lignin dan 27,6 % hemiselulosa. Batang dan daun jagung mengandung 70%
selulosa. Limbah ternak gajah yang akan digunakan harus masih segar atau masih
basah dan belum terlalu lama berada di udara luar. Limbah ternak yang sudah kering
tidak bisa menyerap air, sehingga akan mengapung di atas permukaan (Matthews,
2001).
2.2.2 Limbah Cair Tahu
Limbah cair tahu merupakan limbah dari proses pembuatan tahu. Limbah cair
tahu mempunyai rasio karbon-nitrogen (C/N) sebesar 15 dihasilkan dari proses
pencucian, perebusan, pengepresan dan pencetakan tahu. Kandungan senyawa yang
terdapat pada limbah cair tahu adalah energy mencapai 414 kalori, protein mencapai
40-60%, karbohidrat 25-50%, kalsium mencapai 19 mg dan lemak 10%. Jika
senyawa-senyawa organik itu diuraikan secara anaerob akan menghasilkan gas
nitrogen (N2), oksigen (O2), hidrogen sulfida (H2S), amonia (NH3), karbondioksida
17
(CO2) dan metana (CH4). Gas- gas tersebut berasal dari dekomposisi bahan-bahan
organik yang terdapat di dalam air buangan (Herlambang,2002).
Bahan baku yang memproduksi gas metana bisa berasal dari semua bahan
organik, baik yang berwujud padat maupun cair kecuali bahan organik senyawa
hidrokarbon tinggi seperti plastik, karet, dan juga lilin. Bahan yang mudah dicerna
banyak mengandung selulosa seperti jerami padi atau gandum, rumput – rumputan
dan sebagainya. Sedangkan bahan yang banyak mengandung lignin (kayu) sukar
untuk dicerna. Bahan yang memiliki kadar air tinggi akan lebih mudah untuk dicerna
(Sianturi, 1990 dalam Lazuardy, 2008 ).
2.3 Digester Biogas
Digester atau reaktor merupakan tempat untuk membantu terbentuknya biogas.
Didalam digester terjadi proses pencernaan yang akan menghasilkan gas bio.
Dilihat dari sisi konstruksinya, pada umumnya digester dapat digolongkan
dalam dua jenis yaitu:
1.
Fixed Dome
Gambar 2.1 Digester Fixed dome ( sumber Wahyuni, 2011)
Jenis fixed dome terdiri dari beberapa bagian pencerna yang membentuk kubah
yang tidak dapat dipindah – pindahkan, penahan gas kaku, baskom pemindah
substrat (keseimbangan). Bagian silinder dari pencerna terbuat dari beton, walaupun
18
demikian efektifitas penggunaan gasnya rendah, karena fluktuasi tekanan yang tidak
konstan, selain itu bahan beton tidak kedap air, sehingga pada bagian penyimpanan
gas harus dicat dengan dengan bahan yang kedap udara seperti cat sintetis.
Kotoran ternak dan air yang telah tercampur masuk dari inlet ke dalam digester.
Di dalam digester terjadi proses fermentasi anaerob yang menghasilkan gas methana,
karbondioksida, nitrogen, oksigen, dan hidrogen sulfida. Selanjutnya gas tersebut
disalurkan ke dalam reservoir melalui pipa gas dan menekan lumpur sisa fermentasi
(slurry) ke outlet. Slurry akan keluar melalui outlet, dan dapat digunakan sebagai
pupuk tanaman. Kemudian proses dimulai lagi dengan memasukkan bahan baku ke
dalam digester (tipe batch digestion).
2.
Floating Drum (Tangki Terapung)
Gambar 2.2 Digester floating drum ( sumber Wahyuni, 2011)
Digester biogas floating drum berarti ada beberapa bagian pada konstruksi
digester yang bisa bergerak menyesuaikan dengan kenaikan tekanan reaktor.
Pergerakan bagian reaktor tersebut juga menjadi tanda telah dimulainya produksi gas
dalam digester biogas. Tangki ini dapat dibedakan menjadi dua jenis. Jenis pertama
ialah tangki yang diletakan diatas bahan mentah yang sedang berfermentasi didalam
tangki. Sedangkan jenis yang kedua ialah tangki yang diletakkan diatas air didalam
tangki yang berbeda.
19
2.4 Proses Produksi Biogas
Proses produksi biogas biasanya dilakukan secara semi sinambung (substrat
dimasukkan satu kali dalam selang waktu tertentu), tetapi untuk mendapatkan
kemungkinan metode produksi optimal, sistem batch (substrat hanya dimasukkan
satu kali) juga digunakan.
2.5 Proses Pembentukan Biogas
Untuk mengkonversikan zat – zat organik yang berupa lelulosik menjadi gas
metan melalui beberapa tahap proses yang cukup panjang dengan bantuan berbagai
macam mikroba. Selulosik yang tidak larut dalam air dikonversikan menjadi bahan –
bahan terlarut oleh suatu jenis mikroba tertentu, namun peruraian ini masih
merupakan bahan organik rantai panjang. Selanjutnya bahan organik rantai panjang
ini dipecah menjadi asam – asam, karbon dioksida dan gas hydrogen oleh mikroba
pembentuk asam. Kemudian dari asam – asam dan gas hydrogen inilah metan
terbentuk oleh bakteri metanogenesis. Hasil utama proses biogas adalah gas metana
dan CO2. Proses ini sangat ditentukan oleh aktivitas bakteri pembentuk metan,
karena biasanya pembentukan asam lebih cepat dari pembentukan metan. Akibatnya
akan terjadi penumpukan asam yang akan mengganggu pertumbuhan dari bakteri
metannya.
Secara garis besar proses pembentukan biogas dibagi dalam tiga tahap yaitu
sebagai berikut:
1. Tahap Hidrolisis
Pada tahap ini, bahan organik dienzimatik secara eksternal oleh enzim
ekstrasesluler (selulose, amylase, protease, dan lipase) mikroorganisme. Bakteri
memutuskan rantai panjang karbohidrat kompleks, protein dan lipida menjadi
senyawa rantai pendek. Sebagai contoh polisakarida diubah menjadi monosakarida
sedangkan protein diubah menjadi peptide dan asam amino.
2. Tahap Asidifikasi (Pengasaman)
Pada tahap ini bakteri penghasil asam, mengubah senyawa rantai pendek hasil
proses pada tahap hidrolisis menjadi asam asetat, hydrogen (H2) dan karbondioksida.
Bakteri tersebut merupakan bakteri anaerobic yang dapat tumbuh dan dapat tumbuh
dalam keadaab asam. Untuk menghasilkan asam asetat, bakteri tersebut memerlukan
20
oksigen dan kabon yang diperoleh dari oksigen yang terlarut dalam larutan.
Pembentukan asam pada kondisi anaerobic tersebut penting untuk membentuk gas
metana oleh mikroorganisme pada proses selanjutnya. Selain itu, bakteri tersebut
juga mengunah senyawa yang bermolekul rendah menjadi alcohol, asam organic,
asam aminon karbondoksida, H2S dan sedikit gas metana.
3. Tahap Pembentukan Gas Metana
Pada tahap ini bakteri metanogenik mendekomposisiskan senyawa dengan
berat molekul rendah menjadi senyawa dengan berat molekul tinggi. Sebagai contoh
bakteri ini menggunakan hydrogen, CO2, dan asam asetat untuk membentuk
simbiosis. Bakteri penghasil asam membentuk keadaan atmosfer yang ideal untuk
bakteri penghasil metana. Sedangkan bakteri pembentuk gas metana menggunakan
asam yang dihasilkan bakteri penghasil asam.
Sumber : Lazuardy, 2008
Gambar 2.3. Proses Pembentukan Biogas
Produksi biogas biasanya dilakukan secara semi sinambung (subtract
dimasukan satu kali dalam sekang waktu tertentu), tetapi 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.
21
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 asam organik
sederhana yaitu asam butiras, propionate, laktat, asetat dan alcohol. Golongan bakteri
ini bersiat fakultatif aerob, artinya pada suasana aerob bakteri ini masih dapat hidup
dan aktif mengadakan perombakan bahan menjadi asam asam organik (CO2, H2,
H2S).
2. Bakteri Pembentuk Asetat (Acetogenic Bacteria)
Merubah asam organik dan senyawa netral yang lebih besar dari methanol
menjadi asetat dan hydrogen.
3. Bakteri penghasil metan (metanogens)
Berperan dalam merubah asam – asam lemak dan lakohol menjadi metan dan
karbondioksida. Bakteri pembentuk metan 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 Produksi Biogas
Banyak faktor yang mempengaruhi keberhasilan produksi biogas, antara lain
adalah sebagai berikut:
2.6.1 Bahan Isian
Bahan baku isian berupa bahan organik seperti kotoran ternak, limbah
pertanian, sisa dapur dan sampah organik. Bahan isian harus terhindar dari bahan
anorganik seperti pasir, batu, beling dan plastik. Bahan isian bisa dimasukkan hingga
¾ volume tangki utama (Forst, 2002).
22
2.6.2 Rasio Karbon dan Nitrogen
Rasio karbon-nitrogen 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. Apabila rasio C-N sangat tinggi, nitrogen
akan dikonsumsi sangat cepat oleh bakteri metan sampai batas persyaratan protein
dan tak lama bereaksi kearah kiri terhadap kandungan karbon pada bahan. Sebagai
akibatnya produksi gas metan akan menjadi rendah. Sebaliknya, apabila rasio C-N
sangat rendah, nitrogen akan bebas dan berakumulasi dalam bentuk amoniak (NH3),
NH3 akan meningkatkan derajat pH bahan dalam digester. PH lebih tinggi dari 8,5
akan mulai menghasilkan racun pada populasi bakteri metan. Sebagai akibatnya
bakteri metan akan mati dan produksi gas metan menjadi rendah. Selain itu, rasio
karbon-nitrogen (C/N) juga menentukan lamanya proses produksi biogas . Lamanya
produksi biogas disebabkan oleh mutu pakan ternak yang lebih rendah, sehingga
rasio karbon-nitrogen (C/N) menjadi tinggi. Akibatnya perkembangan mikroba
pembentuk gas menjadi lebih lambat dibandingkan dengan ternak yang mutu
pakannya lebih tinggi. Tinggi rendahnya mutu ini tergantung pada nilai N (nitrogen)
di dalam ransum. Namun demikian nilai N (nitrogen) juga tergantung pada C
(karbon). Jadi, perbandingan C dan N akan menentukan lama tidaknya proses
pembentukan biogas (Yunus, 1995 dalam Lazuardy, 2008).
2.6.3 Kandungan Bahan Kering
Bahan isisan dalam pembuatan biogas 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. Menurut Singh di dalam Dissanayake (1997),
kandungan bahan kering optimal adalah antara 7-9 persen. Aktivitas normal dari
mikroba metan membutuhkan sekitar 90% air dan 7- 10 % bahan kering dari bahan
masukan untuk fermentasi. Dengan demikian isian yang paling banyak menghasilkan
biogas adalah yang mengandung 7-9% bahan kering.
23
2.6.4 Suhu
Terdapat dua selang optimum untuk produksi biogas, yaitu selang mesofilik, 30
- 40 ℃ dan selang termofilik, 50 – 60 ℃. Biasanya, suhu optimum untuk produksi
biogas adalah 32 – 37 ℃. Suhu yang terlalu tinggi dapat menyebabkan digester
rentan mengalami kerusakan. Penggunaan digester yang kedap udara seperti fiber
glass dapat membantu mengatasi perubahan suhu karena selama proses fermentasi
tidak terpengaruh oleh suhu udara luar.
2.6.5 Besaran pH
Bakteri methana tidak dapat bekerja jika suasana terlalu asam atau terlalu basa,
suasana netral atau sedikit asam ( pH 6,6 – 7,5) adalah suasana yang paling baik
untuk menghasilkan biogas. Sedangkan pada pH 6,2 bakteri methan akan mengalami
keracunan. Untuk mengatur keasaman dapat ditambah bahan-bahan yang bersifat
basa, misalnya kapur atau abu.
2.6.6 Lama Fermentasi
Secara umum proses fermentasi / pencernaan limbah ternak didalam digester
dapat berlangsung 60 – 90 hari. Menurut (Hadi, 1981), gas bio terbentuk sekitar 10 –
24 hari.
Produksi biogas tersebut sekitar 10 hari. Setelah 10 hari fermentasi sudah
terbentuk kira – kira 1,1 – 0,2 m3/kg dari berat bahan kering. Peningkatan
penambahan waktu fermentasi dari 10 hingga 30 hari meningkatkan produksi biogas
sebesar 50 % (Hadi, 1981)
Pada hari ke 30 fermentasi jumlah biogas yang terbentuk mencapai maksimal,
dan setelah 30 hari terjadi penurunan produksi gas bio (Sembiring, 2004).
2.7
Tekanan Gas
Untuk mengetahui tekanan gas yang dihasilkan, digunakan manometer yang
dipasang pada pipa penyalur gas bio yang menghubungkan digester dengan reservoir.
Kemudian ukur perubahan tekanan yang ditunjukan oleh manometer, besarnya
tekanan menunjukkan tekanan dalam digester. Semakin besar nilainya maka semakin
24
banyak gas yang dihasilkan. Berikut adalah cara mencari tekanan harian pada biogas
dengan menggunakan manometer air.
Gambar 2.4 Manometer U (sumber Joko Untoro)
Persamaan yang digunakan :
P gas = 𝝆. g.∆h……………………… ................................................ (2.1)
Dimana :
P gas = Tekanan gas (N/ m2)
ρ
= massa jenis minyak tanah (800 kg/ m3)
g
= gaya gravitasi = 9,8 ( m/s2 )
h
= ketinggian minyak tanah pada manometer U (m)
2.8 Massa Gas
Untuk menghitung massa dari gas, maka digunakan persamaan sebagai berikut:
m=
𝑷 𝒈𝒂𝒔 .𝑨
𝒈
.................................................................................................(2.2)
dimana:
m
= massa gas (kg)
P gas = tekanan gas biogas (N/ m2 )
A
= luas penampang selang manometer (m2)
g
= gaya gravitasi (m/s2)
25
2.9 Nilai Kalor Biogas
Untuk menghitung nilai kalor dari biogas, maka digunakan persamaan sebagai
berikut:
Q=(
𝒎 𝒂𝒊𝒓 .𝒄𝒗 𝒂𝒊𝒓 .∆𝒕
∆𝒎𝒃𝒃
) . mtotal .................................................(2.3)
Dimana:
Q
= jumlah kalor (kJ)
mair
= massa air (kg)
cv air
= kalor jenis air (kJ/ kg 0K)
∆t
= perubahan suhu (0K)
∆mbb = perubahan massa bahan bakar (kg)
mtotal
= massa total biogas yang dihasilkan (kg)