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
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
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
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
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
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
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
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
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 CO 2, O 2, N 2. Biogas yang bagus adalah biogas yang porsi methannya tinggi. Universitas Mercubuana 16
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
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
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 CO 2 + 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 C 6 H 12 O 6 + 24 H 2 O 12 CH3COOH + 4 HCOOH + 8 H2 12 COOH ------ 12 CH4 + 12 CO2 CH 3 COOH ------ 4 CO2 + H2 CO 2 + 12 H2 ------ 3 CH4 + 6 H2O Universitas Mercubuana 19
Secara singkat reaksi keseluruhan di atas dapat disederhanakan menjadi: C6H5 COOH + 18 H2 O ------ 15 CH4 + CO2 2.7 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
3. Tahap metanogenik Proses pembentukan gas metan Gambar 2.5. Proses pembentukan biogas Universitas Mercubuana 21