1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
2 TINJAUAN PUSTAKA 1 Emisi Gas Rumah Kaca
2.3 Dekomposisi Anaerobik 1 Proses Dekomposisi Anaerobik
2.3.2 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Perombakan Anaerobik
Perombakan anaerobik merupakan proses biologis, yang dipengaruhi oleh faktor lingkungan. Faktor pengendali utama antara lain, suhu, pH, dan senyawa beracun (Poh dan Cong, 2009). Proses perombakan anaerobik untuk pembentukan biogas dipengaruhi oleh dua faktor yaitu biotik dan abiotik. Faktor biotik berupa mikroorganisme dan jasad aktif di dalam proses perombakan sistem anaerobik. Faktor abiotik meliputi pengadukan, suhu, pH, substrat, kadar air substrat, rasio C/N dan P dalam substrat dan kehadiran bahan toksik (Poh dan Cong, 2009).
Suhu merupakan faktor penting yang mempengaruhi aktifitas mikroorganisme. Suhu optimal proses perombakan anaerobik (fermentasi) dibedakan menjadi tiga macam yaitu suhu termofil (45-60)oC untuk penghancuran cepat dan produksi tinggi (m3 gas/m3 bahan per hari) serta waktu retensi pendek bebas dari desinfektan, suhu mesofil 27-40oC (suhu kamar ruang/lingkungan), dan suhu kryofil < 22oC (banyak dipengaruhi udara musim sedang, biaya relatif lebih murah) (Metcalf and Eddy, 2003). Pada kondisi kryofilik (5-25oC), proses perombakan berjalan lambat. Pada kondisi mesofilik (30-40oC), perombakan berlangsung cukup baik dan terjadi percepatan proses perombakan dengan kenaikan suhu, serta kondisi termofilik (45-65oC) untuk bakteri termofil dengan perombakan optimal pada 55oC (Poh dan Cong, 2009).
Proses perombakan anaerobik sangat peka terhadap perubahan suhu, suhu optimal termofil umum pada kisaran 52-58oC, namun dampak negatif dapat terjadi pada suhu lebih tinggi dari 60oC. Hal tersebut disebabkan oleh toksisitas ammonia meningkat dengan meningkatnya suhu, sementara pengenceran substrat pada suhu tinggi memudahkan difusi bahan terlarut. Di lain pihak pada suhu di bawah 50oC laju pertumbuhan bakteri termofil rendah dan lebih rendah dari pada laju tinggal hidraulik. sehingga populasi mikroorganisme dapat tercuci (washout) (Deublein and Steinhauser, 2008).
Waktu tinggal merupakan faktor penting, periode waktu tetap dipertahankan antara laju beban ke dalam perombak dan potensi penghilangan bahan yang dicerna (digestat). Dua faktor tersebut saling berhubungan dan karena itu mempertahankan kondisi optimal kedua parameter penting untuk meningkatkan efisiensi proses perombakan. Perombak anaerobik efisien adalah reaktor yang menghasilkan banyak biogas atau jumlah biomas lebih banyak tercernak. Kondisi tersebut dapat dilakukan dengan mengoperasikan reaktor pada beban input biomas tinggi atau dengan menurunkan waktu tinggal. Pada kondisi operasi sama perombak termofil lebih efisien dari pada perombak mesofil (Poh dan Cong, 2009).
Menurut Sompong et al. (2008), keuntungan proses termofil dibandingkan dengan proses mesofil adalah sebagai berikut :
(a) Waktu tinggal organik dalam pembangkit biogas lebih singkat karena laju pertumbuhan bakteri termofil lebih tinggi dibandingkan dengan laju pertumbuhan bakteri mesofil.
(b) Pembasmian organisme patogen lebih baik, ini merupakan keuntungan sangat penting
(c) Meningkatkan pemisahan bahan padatan dari fase cair (d) Degradasi asam lemak rantai panjang lebih baik (e) Residu pembentukan biomas rendah
(f) Meningkatkan kelarutan dan ketersediaan substrat.
Kerugian proses termofil antara lain derajat ketidakstabilan tinggi, jumlah konsumsi energi lebih tinggi/besar, dan risiko hambatan ammonia tinggi (Sompong et al., 2008).
Interval pH selama pembentukan biogas adalah 6,8-8,5 dan nilai pH di luar interval tersebut dapat menyebabkan proses tidak seimbang. Parameter pH berpengaruh pada pertumbuhan bakteri dan mempengaruhi disosiasi amonia, sulfida dan asam-asam organik, yang merupakan senyawa penting untuk proses perombakan anaerobik. Tingkat keasaman perombak anaerobik terutama dikendalikan sistem penyangga bikarbonat yang juga dikendalikan oleh tekanan parsial CO2 dan
organik dan karbon dioksida menyebabkan penurunan nilai pH, sebaliknya senyawa seperti amonia akan meningkatkan nilai pH. Nilai pH pada reaktor termofil lebih tinggi dari pada reaktor mesofil (Bitton, 1999).
Pembentukan asetat berlangsung selama degradasi substrat dalam perombak anaerobik, tetapi akumulasi asetat tidak dapat diketahui langsung dari nilai pH yang menurun. Konsentrasi asetat akan melebihi konsentrasi yang dapat dideteksi sebagai perubahan pH. Oleh karena itu, jika pH dalam reaktor berkurang, hal tersebut menunjukkan konsentrasi asetat tinggi sehingga proses perombakan terhambat. Nilai pH bukan indikator yang baik untuk ketidakseimbangan fermentasi biomas kotoran hewan. Nilai pH yang umum untuk proses fermentasi LCPKS berkisar pH 6,7-8,5, perubahan pH tiba-tiba merupakan isyarat pemberian pakan melimpah.
Bakteri campuran terlibat dalam proses perubahan bentuk (tranformasi) senyawa organik kompleks dengan bobot molekul tinggi menjadi metana. Interaksi sinergi diantara berbagai kelompok mikroorganisme terjadi pada perombakan anaerobik LCPKS. Dalam kondisi anaerobik asam asetat (cuka) direduksi menghasilkan gas metana oleh Methanosarcina, Methanococcus, Methanobacterium, dan Methanobacillus. Terdapat dua kelompok bakteri metanogen penting pada proses anaerobik, yaitu metanogen hidrogenotrofik (menggunakan H/ kemolitotrofik) mengubah hidrogen dan CO2 menjadi metana, dan
metanogen asetotrofik (asetoklastik) metanogen pemisah asetat, mengubah asetat menjadi metana dan CO2 (Bitton, 1999).
Aktifitas mikroorganisme membutuhkan beberapa jenis unsur hara, bergantung pada komposisi kimia bahan sel. Konsentrasi minimum unsur hara yang dibutuhkan sebaiknya ada dalam substrat/media agar dapat menjadi pakan organisme perombakan anaerobik (Wellinger, 1999). Nutrisi itu adalah hidrogen, nitrogen, oxigen, dan carbon sebagai bahan utama penyusun bahan organik. Sulfur untuk sintesis asam amino, fosfor adalah komponen penting dalam asam nukleat. Kalium, kalsium, magnesium, dan besi dibutuhkan untuk aktifitas enzim dan komponen- komponen logam kompleks.
Sepuluh unsur di atas sebaiknya terdapat dalam konsentrasi sekitar 10-4 M. unsur lain yang sebaiknya terdapat dalam konsentrasi lebih kecil, misalnya Nikel (Ni) penting untuk pertumbuhan bakteri anaerobik. Konsentrasi tinggi Ca, Mg, K dan Na dapat menjadi faktor penghambat. Sementara konsentrasi rendah (0,01-0,005 M) kation-kation sel tersebut dapat aktif dan meningkatkan proses perombakan, akibatnya terjadi hubungan antar kation-kation berbeda (Wellinger, 1999).
Bahan baku (substrat) dengan rasio C/N tinggi dicampur dengan rasio C/N rendah akan memberikan rerata rasio komposisi input sesuai kadar optimal produksi biogas yang diinginkan. Seperti di Cina, rasio C/N seimbang diperoleh dari campuran sekam padi pada dasar perombak dengan kotoran/limbah domestik. Di Nepal dan India pengumpanan perombak dengan kotoran gajah dicampur limbah kotoran manusia memungkinkan keseimbangan rasio C/N mendorong produksi biogas stabil. Jenis limbah (substrat) peternakan umum kandungan nitrogen (N) tinggi dibandingkan kadar karbon (C). Rasio karbon terhadap nitrogen limbah yang ditambahkan ke perombak sebaiknya berbanding 20 bagian C dan 1 bagian N (16- 19:1) untuk memperoleh produksi optimum metana. Residu panen pertanian dan sayuran, biasanya berkadar N rendah tapi tinggi kadar C, dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan kinerja perombak dengan mencampur kadar N tinggi limbah peternakan, dan dapat memberi lebih baik rasio C:N untuk produksi biogas (Wellinger, 1999). Konsentrasi substrat (rasio C:N:P) terkait kebutuhan nutrisi
mikroorganisme, homogenitas dan kandungan air padatan tersuspensi (SS); padatan total (TS) dan asam lemak volatil (VFA) (Bitton, 1999).
Senyawa kompleks organik tidak dapat dimanfaatkan secara langsung oleh bakteri didalam proses metabolisme, karena membran sel bakteri hanya dapat dilewati oleh senyawa organik sederhana seperti glukosa, asam amino dan asam lemak volatil. Proses penguraian senyawa kompleks organik menjadi senyawa organik sederhana berlangsung pada proses hidrolisis yang dilakukan oleh kelompok bakteri hidrolitik. Limbah cair mengandung senyawa kompleks organik pengendali proses terletak pada tahap hidrolisis, karena proses hidrolisisnya lebih lambat dibanding tahap proses lain. Senyawa kompleks organik dihidrolisis mengikuti kinetika reaksi orde satu. Hidrolisis akan mempengaruhi kinetika proses keseluruhan karena tahap yang berlangsung paling lambat dapat mempengaruhi laju keseluruhan (Ahmad et al., 2001).
Biomasa yang digunakan pada proses hidrolisis terlebih dulu diadaptasikan pada substrat yang digunakan. Proses hidrolisis karbohidrat menjadi senyawa terlarut berlangsung atas bantuan enzim ekstraseluler yang dikeluarkan oleh kelompok bakteri hidrolitik. Proses hidrolisis protein dilakukan oleh enzim protesase menjadi polipeptida dan asam amino (Ahmad et al., 2001). Enzim protease terdiri dari peptidase dan proteinase, yang dihasilkan oleh satu genus yaitu Clostridium. Laju reaksi hidrolisis susbstrat tunggal lebih cepat dibanding substrat campuran, karena dalam susbstrat tunggal hanya terdapat satu komponen yang dihidrolisis tanpa gangguan oleh komponen lain, sedang substrat campuran terjadi hidrolisis multi-komponen secara simultan dan menghambat laju hidrolisis.
Senyawa paling lambat dihidrolisis adalah minyak dan lemak, karena konstanta hidrolisis terkecil, berarti minyak atau lemak merupakan faktor pengendali dalam proses hidrolisis campuran maupun tunggal. Hidrolisis protein pada kondisi anaerobik adalah lebih rendah dibanding laju hidrolisis karbohidrat. Ahmad et al. (2001), menyatakan bahwa lipid terhidrolisis dengan sangat lambat dan lipid menjadi pembatas laju keseluruhan hidrolisis. Pada kondisi termofil degradasi lipid non polar sangat lambat dibanding dengan komponen polar demikian pula dalam biodegradasi senyawa kompleks organik secara anaerobik. Penguraian senyawa komplek mengikuti kinetika reaksi hidrolisis orde satu. Laju reaksi hidrolisis karbohidrat pada substrat lebih cepat dibandingkan laju reaksi protein.
Senyawa mudah didegradasi misalnya, protein dan lemak dapat menghambat proses perombakan anaerobik. Senyawa-senyawa tersebut mengandung asam lemak rantai panjang dalam jumlah berlebihan dapat menghambat mikroorganisme dalam pembangkit biogas. Penambahan senyawa secara mendadak ke dalam digester dapat menghambat proses perombakan anaerobik, tetapi bergantung pada kecepatan proses hidrolisis, dengan proses fermentasi berikutnya. Umumnya lipid memiliki kandungan energi tinggi dan kandungan itu dapat didegradasi sempurna menjadi biogas. Jika pembangkit biogas diadopsi untuk mendegradasi konsentrasi tinggi lemak, banyak produksi biogas dapat diperoleh. Efek yang sama terhadap protein juga dapat terjadi. Biomasa dengan kandungan protein tinggi dapat menghambat proses perombakan. Oleh karena itu, diperlukan periode waktu tinggal lebih lama jika input biomas memiliki kandungan protein tinggi. Periode waktu cukup diperlukan agar supaya pemecahan sempurna protein menjadi satuan yang lebih kecil (Ahmad ., 2001).
Beberapa unsur dapat menyebabkan kematian bakteri anaerobik, misalnya logam berat dan pelarut organic, tetapi banyak pula senyawa-senyawa racun dapat
diserap oleh bahan netral dalam perombak, dengan demikian proses perombakan dapat terhindar dari efek negatif (Ahmad et al., 2003). Senyawa dan ion tertentu dalam substrat dapat bersifat racun, misalnya senyawa dengan konsentrasi berlebihan ion Na+ dan Ca+ > 8 g/l; K+>12 g/l; Mg++ dan NH4+ > 3 g/l, sedangkan
Cu, Cr, Ni dan Zn dalam konsentrasi rendah dapat menjadi racun bagi kehidupan bakteri anaerobik (Bitton, 1999).
Biasanya pengadukan diputar perlahan sekitar 15-50 rpm, begitu pula tidak semua jenis dapat disesuaikan untuk semua substrat. Pengaduk pneumatik dan hidraulik terbatas untuk mengencerkan substrat, misalnya kotoran babi dengan potensi pembentukan skum rendah. Pengaduk bentuk kapak digunakan untuk kotoran sapi yang mengandung banyak jerami, tetapi juga dapat digunakan pada substrat yang lebih encer. Pengaduk yang paling banyak digunakan adalah penyampur pendorong, lebih lentur terhadap komposisi substrat dan bentuk maupun ukuran perombak (Wellinger, 1999).
Proses perombakan anaerobik juga dipengaruhi oleh beberapa faktor ketidakseimbangan. Perombakan anaerobik merupakan proses kompleks bergantung pada keseimbangan antara senyawa dan unsur yang ada. Demikian juga proses tersebut bergantung pada interaksi antara kelompok-kelompok bakteria dan keseimbangan senyawa sebagai pakan diantara jenis mikroorganisme vital agar diperoleh hasil biogas terbesar. Dampak negatif dapat terjadi oleh ketidakseimbangan, sehingga fermentasi anaerobik secara total dapat berhenti atau menurun. Menurut Wellinger (1999), alasan-alasan utama ketidakseimbangan proses terebut adalah sebagai berikut:
(a) Beban hidraulik berlebihan terjadi jika waktu tinggal dalam perombak anaerobik lebih singkat dibandingkan laju pertumbuhan bakteri. Bakteri dalam reaktor tidak cukup waktu tumbuh dan akan tercuci (wash-out). Kenyataan beban hidraulik berlebih bila volume efektif reaktor menurun karena akumulasi bahan inert (misal: lumpur dan pasir). Beban organik berlebihan dapat terjadi ketika kandungan bahan organik tinggi dibebankan ke dalam reaktor. Pada kondisi demikian bakteri tidak mampu memecah senyawa organik, sehingga proses perombakan anaerobik akan berjalan lamban.
(b) Bahan racun dapat berupa senyawa yang sudah ada dalam biomasa atau senyawa yang dihasilkan selama proses fermentasi anaerobik. Hal tersebut dapat terjadi jika biomasa kaya protein dicernak, menghasilkan sejumlah besar ammonia yang menyebabkan hambatan ammonia. Fermentasi dapat juga menjadi lambat jika biomas terolah mengandung konsentrasi lemak yang tinggi, didegradasi menjadi senyawa beracun (asam lemak rantai panjang).
(c) Substrat asetogenik berlebih meski tidak toksis, kenaikan konsentrasi asam organik merupakan peringatan bahwa produksi asam berlebih dari pada yang dikonsumsi. Pemberian umpan (beban organik) yang tidak seimbang dapat menyebabkan kenaikan konsentrasi asam organik. Oleh karena itu, konsentrasi dan komposisi asam sebaiknya diukur dalam interval waktu lebih sempit dari pada respons. Ketidakseimbangan proses dapat diketahui dari konsentrasi H2 dan
CO.