BAB II TINJAUAN PUSTAKA. Jenis Gas Volume (%)

Transkripsi

1 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) Karbondioksida (CO2) 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

2 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 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 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

3 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.

4 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)

5 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

6 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 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 CO2. 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 )

7 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 )

8 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 :

9 12 Tabel 2.2. Perbandingan C dan N jenis kotoran hewan dan tumbuhan Jenis Bahan Perbandingan C/N Manusia 6 10 Ayam 15 Kambing/ domba 25 Babi 25 Kuda 25 Sapi/ Kerbau 18 Rumput Muda 12 Sayuran (bukan kacang- kacangan) Jerami Gandum/ padi 150 Serbuk Gergaji 200 Sumber : Wulandari, 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 hari, tetapi menurut Sahidu (1983), hanya berlangsung 60 hari saja dengan terbentuknya biogas pada hari ke-5 dengan suhu pencernaan 28 o C, sedangkan menurut (Hadi, 1981), gas bio terbentuk sekitar 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 C dan suhu optimum antara C (Paimin, 2001). Temperatur selama proses berlangsung sangat penting karena hal ini berkaitan dengan kemampuan hidup bakteri pemroses biogas, yaitu berkisar 27 0 C-28 0 C. Dengan temperatur itu proses pembuatan biogas akan berjalan sesuai dengan waktunya. Tetapi

10 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 m 3 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..

11 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 CxHyOz. nilai koefisien dari x,y dan z ditentukan oleh masing-masing biomassa. Tabel 2.3. Ultimate analysis of Biomass (Raveendran et. al. ) S. N Bio Massa Ultimate Analysis (wt %) C H N O HHV * (MJ/k g) Densit y (kg/m 3 ) X Y Z % conve rsion of carbo n 1 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 * Higher heating value. Sumber : Raveendran. et al. (1995)

12 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.