BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.3 DIGESTASI ANAEROBIK
2.3.4 Tahap Metanogenesis
Metanogenesis merupakan tahap akhir dari proses biogas. Pada tahap ini, metana dan karbon dioksida (biogas) yang dibentuk oleh berbagai mikroorganisme yang memproduksi metana disebut metanogen. Substrat yang paling penting bagi organisme ini adalah gas hidrogen, karbon dioksida, dan asetat, yang terbentuk selama oksidasi anaerobik. Namun substrat lain seperti metil amina, beberapa alkohol, dan format juga dapat digunakan untuk produksi metana [26]. Bakteri metanogens sangat sensitif terhadap oksigen. oksigen
14
merupakan racun mematikan yang membunuh semua metanogens bahkan pada konsentrasi rendah [18]
Gas metana diproduksi dalam dua cara. Salah satunya adalah konversi asetat menjadi karbon dioksida dan metana oleh organisme acetotrophic dan melalui reduksi karbon dioksida dengan hidrogen oleh organisme hydrogenotrophic. Metanogen dominan dalam reaktor biogas terbatas pada Methanobacterium, methanothermobacter, methanobrevibacter, methanosarcina dan methanosaeta (sebelumnya methanothrix) [10]. Reaksi metanogenesis dapat dinyatakan sebagai berikut:
CH3COOH → CH4 + CO2
CO2 + 4H2→ CH4 + 2H2O [10]
Tabel 2.6 Degradasi pada Tahap Metanogenesis [26]
Jenis Substrat Reaksi Kimia ∆Gf (kJ mol-1)
CO2 4H2 + HCO3 - + H+→ CH4 + 3H2O -135,4 CO2 + 4H2→ CH4 + 2H2O -131,0 4HCOO- + H2O + H + → CH4 + 3HCO3 --130,4 Asetat CH3COO + H2O → CH4 + HCO3 -30,9 Metil 4CH3OH → 3CH4 + HCO3 + H+ + H2O -314,3 CH3OH + H2→ CH4 + H2O -113,0 Etanol 2CH3CH2OH + CO2→ CH4 + 2CH3COOH -116,3
Produsen metana umumnya tumbuh sangat lambat, hal ini membatasi proses pembentukan biogas. Waktu generasi, yaitu waktu yang dibutuhkan untuk mikroorganisme untuk membagi dirinya dalam dua, adalah antara 1 hingga 12 hari bagi produsen metana. Waktu retensi yang terlalu pendek (kurang dari 12 hari) meningkatkan risiko bahwa organisme ini akan tercuci keluar dari proses, karena mereka tidak memiliki waktu yang cukup untuk meningkatkan jumlah pada tingkat yang sama dengan bahan yang dipompa ke dalam dan keluar dari tangki pencernaan [26].
2.4 DIGESTASI ANAEROBIK DENGAN SISTEM SATU TAHAP DAN DUA TAHAP
Dalam proses digestasi anaerobik konvensional, asidifikasi dan metanogenesis berlangsung dalam sistem reaktor tunggal (single-stage) dan ada
15
keseimbangan antara acidogens dan metanogens karena kedua kelompok berbeda dalam hal fisiologi, kebutuhan nutrisi, kinetika pertumbuhan dan kepekaan terhadap kondisi lingkungan [10]. Pada umumnya digestasi anaerobik satu tahap dilakukan dengan pencampuran total (total mixed) dengan menggunakan reaktor CSTR (Continous Stirred Tank Reactor). Substrat harus benar-benar tercampur dengan pengaduk yang bervariasi. Proses satu tahap ini biasanya digunakan untuk mengolah lumpur, sisa makanan, kotoran, dan lain-lain, Kadang-kadang beberapa cairan residu / proses dikembalikan ke proses. Hal ini meningkatkan waktu retensi bahan dan membantu lebih banyak mikroorganisme untuk tetap dalam proses [22].
Sebuah alternatif untuk proses satu tahap adalah untuk membagi proses menjadi dua bagian, yang disebut digestasti dua tahap. Dalam digestasi dua tahap, langkah pertama adalah untuk memuat bahan baku ke dalam tangki digestasi dimana proses difokuskan pada hidrolisis dan asidogenesis. Pada proses ini menghasilkan asam, namun sejumlah biogas biasanya juga diproduksi, karena sulit untuk benar-benar membagi proses. Kemudian cairan proses dari proses ini dipisahkan dan ditambahkan ke tangki digestasi lain yang khusus disesuaikan untuk metanogenesis. Jenis proses mungkin cocok ketika substrat mengandung bahan yang mudah didegradasi dan tahap hidrolisis yang cepat [11].
Sistem dua fase dapat dioperasikan untuk memberikan kondisi yang optimal bagi mikroorganisme dalam setiap tahap untuk lebih efisien dalam pencernaan. Pada tahap pertama dari sistem dua fase, fase fermentasi asam, organisme Acidogenic mencerna padatan organik dan organik terlarut yang kompleks, mengkonversi mereka ke VFA. Pada tahap kedua, metana yang memproduksi mikroorganisme (metanogen) memanfaatkan VFA untuk menghasilkan metana dan karbon dioksida [11].
pH selama fase asidogenesis biasanya dipertahankan pada 5,5-6,0 dan HRT kurang dari 5 hari sementara di fase metanogen pH dipertahankan pada pH lebih besar dari 7,0. Akibatnya, efisiensi pengolahan yang lebih tinggi dan stabilitas proses yang lebih baik dapat dicapai dengan proses dua tahap dengan penghilangan bahan organik secara keseluruhan lebih besar dari 87% pada HRT 17 hari, 96% dari total COD diubah untuk biomassa dan biogas [10].
16
2.5 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI DIGESTASI ANAEROBIK
Proses digestasi anaerobik sangat sensitif terhadap kondisi operasional dibanding proses aerob [10]. Berikut merupakan faktor-faktor penting dalam proses digestasi anerob:
2.5.1 pH
pH adalah logaritma negatif untuk basis 10 dari konsentrasi ion hidrogen. pH pada sebuah biogas plant bekerja normalnya terletak di antara 7 dan 8 dan produksi biogas optimum dicapai untuk input digester dengan pH yang terletak diantara 6 dan 7 [27].
Kebanyakan mikroorganisme lebih memilih rentang pH netral, yaitu sekitar pH 7,0-7,5. Namun, beberapa organisme aktif pada nilai pH lebih rendah dan lebih tinggi. Ada beberapa organisme yang berbeda dalam proses biogas, dan persyaratan pH mereka untuk pertumbuhan yang optimal sangat bervariasi. Pada fermentasi, mikroorganisme penghasil asam berhasil hidup dalam kondisi yang relatif asam, pH dibawah 5.0, sebagian besar produsen metana umumnya memerlukan nilai pH netral menjadi aktif. Meskipun sebagian besar produsen metana berkembang terbaik pada nilai pH netral, mereka tetap aktif di luar ini [22].
Nilai pH pada proses anaerobik akan mengalami penurunan dengan diproduksinya asam volatil dan akan meningkat dengan dikonsumsinya asam volatil oleh bakteri pembentuk metana [28].
Tabel 2.7 Bahan kimia yang sering digunakan sebagai sistem penyangga [26]
Bahan Kimia Formula Kation Penyangga
Sodium bikarbonat NaHCO3 Na+
Potassium bikarbonat KHCO3 K+
Sodium karbonat Na2CO3 Na+
Potassium karbonat K2CO3 K+
Kalsium karbonat CaCO3 Ca2+
Kalsium hidroksida Ca(OH)2 Ca2+
Anhydrous ammonia
(gas) NH3 NH
4+
Sodium nitrat NaNO3 Na+
Aktivitas bakteri metanogens mulai terhambat pada pH 6,6 dan pH nilai di bawah 6 adalah indikasi yang jelas bahwa terlalu banyak asam yang terbentuk
17
sebagai hasil dari terlalu sedikit bakteri metanogens. nilai pH di atas 5 meskipun rendah dapat diperbaiki dengan penambahan kapur atau pengenceran umpan digester. Nilai pH di bawah 5 akan mengarah pada penghentian digester dan penggantian umpan [27].
2.5.2 Suhu
Suhu optimum, yaitu suhu di mana organisme tumbuh tercepat dan bekerja paling efisien, memiliki nilai bervariasi untuk setiap spesies. Mikroorganisme dapat dibagi menjadi kelompok-kelompok yang berbeda tergantung pada suhu di mana mereka terbaik berkembang dan tumbuh: psychrophilic, mesofilik, termofilik, dan extremophilic/hyperthermophilic. Biasanya, Suhu optimum untuk organisme tertentu sangat terkait dengan lingkungan dari mana ia berasal [22].
Tingkat metabolisme dan pertumbuhan reaksi kimia dan biokimia cenderung meningkat dengan suhu, sampai toleransi suhu mikroorganisme terpenuhi. Jika suhu ekstrim, denaturasi sel akan terjadi mengakhiri kehidupan efektif sel. Mikroorganisme menunjukkan pertumbuhan yang optimal dan tingkat metabolisme dalam kisaran yang didefinisikan dengan suhu, yang spesifik untuk masing-masing spesies. Organisme Psychrophilic berkembang dalam suhu di bawah 25 oC, mesofilik antara 25 oC dan 40oC dan thermophilic lebih tinggi dari 45oC [29].
Gambar 2.5 Klasifikasi mikroorganisme berdasarkan suhu [22]
18
Secara umum, suhu terendah di mana mikroorganisme tumbuh, adalah -11 °C. Dibawah -25 °C, aktivitas enzim berhenti. Metanogens sensitif terhadap perubahan suhu yang cepat. Metanogen termofilik lebih sesitif suhu dibandingkan mesofilik. Bahkan variasi kecil suhu menyebabkan penurunan substansial dalam aktivitas. Oleh karena itu, suhu harus dijaga dengan tepat dalam jarak kurang lebih 2 °C, Jika tidak, terjadi kehilangan gas hingga 30%. Terutama penting untuk mesofilik adalah suhu di kisaran 40-45 °C, karena dalam rentang tersebut mereka kehilangan aktivitas irreversibel [26].