6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 SEJARAH BIOGAS Biogas merupakan suatu campuran gas-gas yang dihasilkan dari suatu proses fermentasi bahan organik oleh bakteri dalam keadaan tanpa oksigen (Prihandana & Hendroko 2008). Biogas juga merupakan gas yang dilepaskan jika bahan-bahan organik seperti kotoran ternak, kotoran manusia, jerami, sekam, dan daun-daun hasil sortiran sayur difermentasi atau mengalami proses metanisasi. Proses metanisasi menghasilkan gas yang kaya akan methane dan slurry. Gas methane dapat digunakan untuk berbagai sistem pembangkitan energi sedangkan slurry dapat digunakan sebagai kompos (Hambali 2007). Pada awal perkembangan biogas, Kebudayaan Mesir, Cina dan Roma kuno diketahui telah memanfaatkan gas alam dengan cara dibakar untuk menghasilkan panas. Sejarah penemuan proses anaerobik digestion untuk menghasilkan biogas tersebar di benua Eropa. Penemuan ilmuwan Volta terhadap gas yang dikeluarkan di rawa-rawa terjadi pada tahun 1770, beberapa dekade kemudian Avogadro mengidentifikasikan tentang gas metana. Setelah tahun 1875, dipastikan bahwa biogas merupakan produk dari proses anaerobik digestion. Tahun 1884 Pasteour melakukan penelitian tentang biogas menggunakan kotoran hewan. Era penelitian Pasteour menjadi landasan untuk penelitian biogas hingga saat ini. Sejak tahun 1975, instalasi biogas mulai diperkenalkan di Cina. Cina memiliki biogas dengan skala rumah tangga dan telah dimanfaatkan oleh sepertiga rumah tangga di pedesaan. Tahun 1992, sekitar lima juta rumah tangga menggunakan instalasi biogas sehingga biogas merupakan bahan bakar utama penduduk Cina.Reaktor biogas yang banyak digunakan adalah model sumur
6 tembok dengan bahan baku kotoran ternak dan manusia serta limbah pertanian.tahun 1981 mulai dikembangkan instalasi biogas di India. Pengembangan instalasi biogas dilakukan oleh Departemen Sumber Energi non- Konvensional melalui program The National Project on Biogas Development dengan melakukan riset terhadap pengembangan model instalasi biogas. Reaktor biogas yang digunakan sama dengan reaktor biogas yang dikembangkan di Cina yaitu menggunakan model sumur tembok dan dengan drum serta dengan bahan baku kotoran ternak dan limbah pertanian. Tahun 1999, sekitar tiga juta rumah tangga di India menggunakan instalasi biogas. Teknologi biogas mulai diperkenalkan di Indonesia pada tahun 1970-an. Pada awalnya teknik pengolahan limbah dengan instalasi biogas dikembangkan di wilayah pedesaan, tetapi saat ini teknologi ini sudah mulai diterapkan di wilayah perkotaan. Pada tahun 1981, pengembangan instalasi biogas di Indonesia dikembangkan melalui Proyek Pengembangan Biogas dengan dukungan dana dari Food and Agriculture Organization (FAO) dengan dibangun contoh instalasi biogas di beberapa provinsi. Mulai tahun 2000-an telah dikembangkan reaktor biogas skala kecil (rumah tangga) dengan konstruksi sederhana yang terbuat dari plastik secara siap pasang dan dengan harga yang relatif murah. 2.2 BIOGAS Biogas merupakan gas campuran metana (CH 4 ), karbondioksida (CO 2 ) dan gas lainnya yang didapat dari hasil penguraian bahan organik (seperti kotoran hewan, kotoran manusia, dan tumbuhan) oleh bakteri metanogen. Untuk menghasilkan biogas, bahan organik yang dibutuhkan, ditampung dalam biodigester. Proses penguraian bahan organik terjadi secara anaerob (tanpa oksigen). Biogas terbentuk pada hari ke 4-5 sesudah biodigester terisi penuh dan mencapai puncak pada hari ke 20-25. Biogas yang dihasilkan sebagian besar terdiri dari 50-70% metana (CH 4 ), 30-40% karbondioksida (CO 2 ) dan gas lainnya dalam jumlah kecil (Fitria, B., 2009). Biogas dihasilkan apabila bahan-bahan organik terurai menjadi senyawasenyawa pembentuknya dalam keadaan tanpa oksigen (anaerob). Permentasi anaerobik ini biasa terjadi secara alami di tanah yang basah, seperti dasar danau
7 dan di dalam tanah pada kedalaman tertentu. Proses fermentasi adalah penguraian bahan-bahan organik dengan bantuan mikroorganisme. Permentasi anaerob dapat menghasilkan gas yang mengandung sedikitnya 50% metana. Gas inilah yang biasa disebut dengan biogas. Biogas dapat dihasilkan dari Permentasi sampah organik seperti sampah pasar, daun daunan, dan kotoran hewan yang berasal dari sapi, babi, kambing, kuda, atau yang lainnya, bahkan kotoran manusia sekalipun. Gas yang dihasilkan memiliki komposisi yang berbeda tergantung dari jenis hewan yang menghasilkannya (Firdaus, U.I., 2009). Biogas dapat dijadikan sebagai bahan bakar karena mengandung gas metana (CH 4 ) dalam prosentase yang cukup tinggi. Komponen biogas selengkapnya adalah sebagai berikut: Tabel 2.1 Komponen Penyusun Biogas Jenis Gas Jumlah (%) Metana (CH 4 ) Nitrogen (N 2 ) Karbondioksida (CO 2 ) Hidrogen (H 2 ) Oksigen (O 2 ) Hidrogen Sulfida (H 2 S) 50-70 0-0,3 25-45 1-5 0,1 0,5 0-3 2.3 PROSES KONVERSI SAMPAH ORGANIK MENJADI BIOGAS
8 Gambar 2.1 Proses Tahap Konversi Sampah Organik Menjadi Biogas Pada gambar tahap diatas ada 3 tahap yaitu: 2.3.1 Tahap Hidrolisis Bahan Organik yang terdiri dari karbohidrat, lemak, protein yang terdapat pada material organik terhidrolisis. Materi organik kompleks dipecah oleh enzim extraseluler yang dihasilkan bakteri hidrolitik menjadi materi organik yang lebih sederhana. Produk yang dihasilkan larut di dalam air yang selanjutnya digunakan oleh bakteri pembentuk asam. 2.3.2 Tahap Asidifikasi Molekul monomer glukosa yang merupakan hasil dari tahap hidrolisis difermentasikan dalam keadaan anaerob menjadi beberapa benuk asam dengan bantuan enzim yang diproduksi oleh bakteri pembentuk asam. Monomer glukosa yang terdiri dari 6 atom diubah menjadi molekul-molekul yang mempunyai atom karbon sedikit (bersifat asam) yaitu antara lain molekul asam asetat (CH3COOH) dan etanol (CH3CH2OH). Selain itu bakteri tersebut juga mengubah senyawa berantai pendek menjadi alkohol, asam organik, asam amino, karbon dioksida, hidrogen sulfida, dan sedikit gas metana.tahap ini termasuk reaksi eksotermis yang menghasilkan energi. C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 2 ATP (-118 kj per mol) 2.3.3 Tahap Methanogenesis Pada tahap methanogenik, asam-asam organik selanjutnya dirombak oleh bakteri Methanogen menjadi gas metana, karbondioksida dan beberapa gas dalam jumlah rendah. Proses pembentukan gas metana ini termasuk reaksi eksotermis. CH 3 COO - + H + CH 4 + CO 2 (-36 Kj per mol) (www.wikipedia.org, 2009) Beberapa referensi menyebutkan bahwa bakteri yang berperan dalam proses degradasi bahan organik secara anaerob, yaitu: Tabel 2.2 Jenis-jenis bakteri yang terdapat pada proses anaerobik
9 Bakteri Fermentasi Bakteri Acetogenic Bakteri Methanogenic -Streptococoi -Bacterioides -Enterobacterriaceae. Desulfovibrio Methanobacterium -Methanococcus. Keberhasilan proses pembuatan biogas dipengaruhi oleh beberapa faktor. Lingkungan sangat berpengaruh terhadap kehidupan dan aktivitas bakteri dalam poses fermentasi anaerob. Kondisi lingkungan yang optimal, akan mendukung aktivitas bakteri dalam melakukan proses fermentasi anaerob yang optimal, sehingga menghasilkan produksi biogas yang optimal. Sifat sifat kimia dan fisika dari biogas antara lain : 1. Tidak seperti LPG yang bisa dicairkan dengan tekanan tinggi pada suhu normal, biogas hanya dapat dicairkan pada suhu 178 o C sehingga untuk menyimpannya dalam sebuah tangki yang praktis mungkin sangat sulit. Jalan terbaik adalah menyalurkan biogas yang dihasilkan untuk langsung dipakai baik sebagai bahan bakar untuk memasak, penerangan dan lain lain. 2. Biogas dengan udara (oksigen) dapat membentuk campuran yang mudah meledak apabila terkena nyala api karena flash point dari metana (CH 4 ) yaitu sebesar -188 ºC dan autoignition dari metana adalah sebesar 595 ºC. (www.encyclopedia.com, 2009) 3. Biogas tidak menghasilkan karbon monoksida apabila dibakar sehingga aman dipakai untuk keperluan rumah tangga. 4. Komponen metana dalam biogas bersifat narkotika pada manusia, apabila dihirup langsung dapat mengakibatkan kesulitan bernapas dan mengakibatkan kematian (Purnama, C., 2009). 2.4 TANKI PENCERNA (REAKTOR) Digester merupakan tempat reaksi fermentasi anaerob limbah organik menjadi biogas terjadi. Berdasarkan bentuk tangki digesternya, secara umum dikenal 3 (tiga) tipe
10 utama reaktor biogas yakni tipe balon (balloon type), tipe kubah tetap (fixed-dome type) dan tipe kubah penutup mengambang (floatingdrum type), seperti gambar di bawah ini: Gambar 2.2 Reaktor Biogas Berdasarkan Bentuk Tangki Digester (a) balloon plant, (b) fixed-dome plant, (c) floating-drum plant. Berdasarkan proses pengolahan limbah organik dikenal beberapa tipe digester seperti Batch Digester, Plug Flow Digester dengan proses daur ulang, Digester pengadukan penuh (CFSTR), dan digester Anaerob dengan pengadukan berkala (CSTR), seperti ditunjukkan gambar di bawah ini. Proses pengolahan limbah organic dengan digester tipe batch dilakukan sekali proses yakni pemasukan limbah organik, digestion dan penghasilan biogas dan slury (lumpur) kompos yang kaya nutrisi bagi tanah. Digester tipe plug flow dapat melakukan proses digestion (pencernaan limbah organik) beberapakali. Sementara digester tipe CFSTR dan CSTR menggunakan pengadukan untuk mempercepat waktu cerna (HRT) dalam tangki digester anaerob.
11 Gambar 2.3 Reaktor Biogas Berdasarkan Proses Pengolahan (a) Batch Digester, (b) Plug Flow Digester, (c) Digester CFSTR, (d) Digester CSTR Dalam beberapa kondisi, pada digester anaerob dilengkapi dengan mesin pengaduk lumpur (Slurry Mixture Machine) sehingga konsentrasi material merata disetiap bagian digester. Dengan pengadukan potensi material mengendap di dasar digester semakin kecil, konsentrasi merata dan memberikan kemungkinan seluruh material mengalami proses fermentasi anaerob secara merata 2.5 SAMPAH ORGANIK Sampah Organik adalah merupakan barang yang dianggap sudah tidak terpakai dan dibuang oleh pemilik/pemakai sebelumnya, tetapi masih bisa dipakai kalau dikelola dengan prosedur yang benar.sampah organik adalah sampah yang bisa mengalami pelapukan (dekomposisi) dan terurai menjadi bahan yang lebih kecil dan tidak berbau (sering disebut dengan kompos). Kompos merupakan hasil pelapukan bahan-bahan organik seperti daun-daunan, jerami, alang-alang, sampah, rumput, dan bahan lain yang sejenis yang proses pelapukannya dipercepat oleh bantuan manusia. Sampah pasar khusus seperti pasar sayur mayur, pasar buah, atau pasar ikan, jenisnya relatif seragam, sebagian besar (95%) berupa sampah organik sehingga lebih mudah ditangani. Sampah yang berasal dari pemukiman umumnya sangat beragam, tetapi secara umum minimal 75% terdiri dari sampah organik dan sisanya anorganik.
12 2.5.1 Jenis-jenis Sampah Organik Sampah organik berasal dari makhluk hidup, baik manusia, hewan, maupun tumbuhan. Sampah organik sendiri dibagi menjadi : a. Sampah organik basah. Istilah sampah organik basah dimaksudkan sampah mempunyai kandungan air yang cukup tinggi. Contohnya kulit buah dan sisa sayuran. b. Sampah organik kering. Sementara bahan yang termasuk sampah organik kering adalah bahan organik lain yang kandungan airnya kecil. Contoh sampah organik kering di antaranya kertas, kayu atau ranting pohon, dan dedaunan kering. 2.4.2. Dampak Sampah Organik Dampak terhadap Kesehatan: Potensi bahaya kesehatan yang dapat ditimbulkan adalah sebagai berikut : a. Penyakit diare, kolera, tifus menyebar dengan cepat karena virus yang berasal dari sampah dengan pengelolaan tidak tepat dapat bercampur air minum. Penyakit demam berdarah (haemorhagic fever) dapat juga meningkat dengan cepat di daerah yang pengelolaan sampahnya kurang memadai. b. Penyakit jamur dapat juga menyebar (misalnya jamur kulit). c. Penyakit yang dapat menyebar melalui rantai makanan. Salah satu contohnya adalah suatu penyakit yang dijangkitkan oleh cacing pita (taenia). Cacing ini sebelumnya masuk ke dalam pencernakan binatang ternak melalui makanannya yang berupa sisa makanan/sampah. Dampak terhadap Lingkungan: Cairan rembesan sampah yang masuk ke dalam drainase atau sungai akan mencemari air. Berbagai organisme termasuk ikan dapat mati sehingga beberapa spesies akan lenyap, hal ini mengakibatkan berubahnya ekosistem perairan biologis. Penguraian sampah yang dibuang ke dalam air akan menghasilkan asam organik dan gas-cair organik, seperti metana. Selain berbau kurang sedap, gas ini dalam konsentrasi tinggi dapat meledak.