BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Biogas
Biogas adalah campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenik apabila bahan organik mengalami proses fermentasi dalam reaktor (fermentor) dalam kondisi anaerob (tanpa udara). Proses degradasi material organik ini dilakukan tanpa melibatkan oksigen atau yang disebut dengan anaerobic digestion dengan gas yang dihasilkan sebagian besar (lebih 50%) berupa metana (CH4)
sedangkan sisanya berupa gas CO2, H2S dan beberapa trace element (Maynell, 1981). Kandungan
methane berbeda untuk tiap kotoran hewan atau tumbuhan seperti ditunjukkan pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Kandungan gas metanauntuk beberapa jenis sumber biogas
Jenis Sumber Biogas
Kandungan Gas Methane (%)
Cattle Manure 65
Poultry manure 60
Pig manure 67
Chicken manure 85
Farmyard manure 55
Straw 59
Grass 70
(Maynell, 1981)
Biogas sebagian besar mengandung gas metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2), dan
beberapa kandungan yang jumlahnya kecil diantaranya hydrogen sulfida (H2S) dan ammonia (NH3)
serta hydrogen dan (H2), nitrogen yang kandungannya sangat kecil (Wahyuningsih, 2009). Tetapi
secara umum rentang komposisi biogas adalah sebagai berikut:
Tabel 2.2. Komposisi Biogas
Metana (CH
Sumber : id.Wikipedia.org, 2014
Biogas dapat digunakan untuk menggantikan bahan bakar konvensional yang sudah umum digunakan seperti minyak tanah (kerosene) atau kayu bakar, serta penggunaan biogas juga meyelamatkan lingkungan dari pencemaran dan mengurangi kerusakan lingkungan hidup. Saat ini pemanfaatan biogas menjadi penting ditengah isu pemanasan global karena gas metan sebagai kandungan utama dalam biogas memberikan efek rumah kaca (green house gases) yang 21 kali lebih bersifat polutan daripada gas CO2 (Budiman, FT UI, 2010).
2.2. Proses Fermentasi Biogas
Proses fermentasi atau proses pencernaan mengacu berbagai reaksi dan interaksi yang terjadi diantara bakteri metanogen dan non-metanogen dan bahan organik yang diumpankan ke dalam pencerna sebagai input. Ini adalah phisio-kimia yang komplek dan proses biologis melibatkan berbagai faktor dan tahapan bentuk. Penghancuran input yang merupakan bahan organik dicapai dalam 3 (tiga) tahapan, yaitu: (a) tahap hidrolisis, (b) tahap pengasaman (acidification), dan (c) tahap
pembentukan gas CH4 (methanization). Tahap pertama: tahap hidrolisis
Pada tahap ini, bahan-bahan organik yang mengandung selulosa, hemiselulosa dan bahan ekstraktif seperti protein, karbohidrat dan lipida akan diurai menjadi senyawa dengan rantai yang lebih pendek. Sebagai contoh polisakarida terurai menjadi monosakarida, sedangkan protein terurai menjadi peptida dan asam amino. Pada tahap ini, mikroorganisme yang berperan adalah enzim ekstraselular seperti selulose, amilase, protease dan lipase.
Tahap kedua: tahap pengasaman
Pada tahap ini, bakteri akan menghasilkan asam yang akan berfungsi untuk mengubah senyawa pendek hasil hidrolisis menjadi asam asetat (CH3COOH), H2 dan CO2. Bakteri ini merupakan bakteri
optimum pada temperatur sekitar 300C. Selain itu, bakteri tersebut juga mengubah senyawa yang bermolekul rendah menjadi alkohol, asam organik, asam amino, CO2, H2S dan gas CH4.
Tahap ketiga: tahap pembentukan gas CH4
Pada tahap pembentukan gas CH4 ini, bakteri yang berperan adalah bakteri methanogenesis
(bakteri metana), yaitu dari jenis methanobacterium, methanobacillus, methanosacaria, dan methanococcus. Bakteri ini membutuhkan kondisi digester yang benar-benar kedap udara dan gelap. Temperatur dimana bakteri ini bekerja secara optimum adalah pada 450C dengan kisaran pH adalah 6,5-7,5. Pada akhir metabolisme dihasilkan CH4 dan CO2 dari gas H2, CO2 dan asam asetat yang
dihasilkan pada tahap pengasaman. Reaksi dalam proses pembentukan gas CH4 dapat digambarkan
sebagai berikut:
C6H12O6 + 2H2O 2C2H4O6 + 2CO2 + 4H2
2C2H4O2 2CH4 + 2CO2
CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O +
C6H12O6 3CH4 + 3CO2
2.3. Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Proses Anaerobik
Aktivitas metabolisme mikroorganisme penghasil metana tergantung pada faktor: a. Temperatur
Gas metana dapat diproduksi pada tiga range temperatur sesuai dengan bakteri yang hadir. Bakteri psyhrophilic 0 – 7 oC, bakteri mesophilic pada temperatur 13 – 40 oC sedangkan thermophilic pada temperatur 55 – 60 oC Temperatur yang optimal untuk digester adalah temperatur 30 – 45 oC, kisaran temperatur ini mengkombinasikan kondisi terbaik untuk pertumbuhan bakteri dan produksi methana di dalam digester dengan lama proses yang pendek. Bakteri mesophilic adalah bakteri yang mudah dipertahankan pada kondisi buffer yang mantap (well buffered) dan dapat tetap aktif pada perubahan temperatur yang kecil, khususnya bila perubahan berjalan perlahan. Apabila bakteri bekerja pada temperatur 40 oC produksi gas akan berjalan dengan cepat hanya beberapa jam tetapi untuk sisa hari itu hanya akan diproduksi gas yang sedikit. Perubahan temperatur tidak boleh melebihi batas temperatur yang diijinkan. Untuk bakteri psychrophilic selang perubahan temperatur berkisar antara 2 oC / jam, bakteri mesophilic 1 oC /jam dan bakteri thermophilic 0.5 oC /jam (Fry, 1973).
Derajat keasaman memiliki efek terhadap aktivasi biologi dan mempertahankan pH agar stabil penting untuk semua kehidupan. Kebanyakan dari proses kehidupan memiliki kisaran pH antara 5 – 9. Nilai pH yang dibutuhkan untuk digester antara 7 – 8,5. Pertumbuhan bakteri penghasil gas metana akan baik bila pH bahannya pada keadaan alkali (basa). Bila proses fermentasi berlangsung dalam keadaan normal dan anaerobik, maka pH akan secara otomatis berkisar antara 7 – 8,5. Bila derajat keasaman lebih kecil atau lebih besar dari batas, maka bahan tersebut akan mempunyai sifat toksik terhadap bakteri metanogenik. Derajat keasaman dari bahan didalam digester merupakan salah satu indikator bagaimana kerja digester. Untuk bangunan digester yang kecil, pengukuran pH dapat diambil dari keluaran/effluent digester atau pengambilan sampel dapat diambil di permukaan digester apabila telah terpasang tempat khusus pengambilan sampel (Fry, 1974).
c. Ketersediaan Unsur Hara
Bakteri Anaerobik membutuhkan nutrisi sebagai sumber energi yang mengandung nitrogen, fosfor, magnesium, sodium, mangan, kalsium dan kobalt. Level nutrisi harus sekurangnya lebih dari konsentrasi optimum yang dibutuhkan oleh bakteri metanogenik, karena apabila terjadi kekurangan nutrisi akan menjadi penghambat bagi pertumbuhan bakteri. Penambahan nutrisi dengan bahan yang sederhana seperti glukosa, buangan industri, dan sisa sisa tanaman terkadang diberikan dengan tujuan menambah pertumbuhan di dalam digester. Nutrisi yang penting bagi pertumbuhan bakteri, dapat bersifat toksik apabila konsentrasi di dalam bahan
terlalu banyak. Pada kasus nitrogen berlebihan, sangat penting untuk mempertahankan pada level yang optimal untuk mencapai digester yang baik tanpa adanya efek toksik (Amaru, 2004)
d. Faktor konsentrasi padatan
Pengertian total solid content (TS) adalah jumlah materi padatan yang terdapat dalam limbah
pada bahan organik selama proses digester terjadi dan ini mengindikasikan laju
penghancuran/pembusukan material padatan limbah organik. TS juga mengindikasikan
banyaknya padatan dalam bahan organik dan nilai TS sangat mempengaruhi lamanya proses
pencernaan bahan organik.
e. Volatile Solids (VS)
(menguap dan mengalami proses gasifikasi) dengan pembakaran pada suhu 538º C, disebut sebagai volatile solid.
f. Zat Beracun
Zat organik maupun anorganik, baik yang terlarut maupun tersuspensi dapat menjadi penghambat ataupun racun bagi pertumbuhan mikroorganisme jika terdapat pada konsentrasi yang tinggi. Untuk logam pads umumnya sifat racun akan semakin bertambah dengan tingginya valensi dan berat atomnya. Bakteri penghasil metana lebih sensitif terhadap racun daripada bakteri penghasil asam. Ada beberapa senyawa yang bisa menghambat (proses) penguraian dalam suatu unit biogas saat menyiapkan bahan baku untuk produksi biogas, seperti antiobiotik, desinfektan dan logam berat (Setiawan, 2005).
Tabel 2.5 kesetaraan Biogas
Bahan Bakar Jumlah
Biogas 1 m3
Elpiji 0,46 kg
Minyak tanah 0,62 liter
Minyak solar 0,52 liter
Bensin 0,80 liter
Gas kota 1,50 m3
Kayu bakar 3,50 kg
sumber Kementerian Pertanian, 2014
g. Pengadukan Bahan Organik
Pengadukan sangat bermanfaat bagi bahan yang berada di dalam digester anaerob karena memberikan peluang material tetap tercampur dengan bakteri dan temperatur terjaga merata diseluruh bagian. Dengan pengadukan potensi material mengendap di dasar digester semakin kecil, konsentrasi merata dan memberikan kemungkinan seluruh material mengalami proses fermentasi anaerob secara merata.
h. Pengaturan Tekanan
Semakin tinggi tekanan di dalam digester, semakin rendah produksi biogas di dalam digester terutama pada proses hidrolisis dan acydifikasi. Selalu pertahankan tekanan diantara 1,15-1,2 bar di dalam digester.
Kandungan gas atau zat lain dalam biogas seperti air, karbon dioksida, asam sulfat H2S,
merupakan polutan yang mengurangi kadar panas pembakaran biogas bahkan dapat menyebabkan karat yang merusakan mesin. Banyak cara pemurnian biogas diantaranya Physical Absorption (pemasangan water trap di pipa biogas), chemical absorption, pemisah membrane permiabel, hingga penyemprotan air atau oksigen untuk mengikat senyawa sulfur atau karbon diogsida. Bila biogas digunakan untuk bahan bakar kendaraan atau bahan bakar pembangkit listrik, gas H2S yang berpotensi menyebabkan karat pada komponen mesin harus dibuang melalui peralatan penyaring/ filter sulfur.
2.4. Deskripsi Proses
Biogas merupakan proses produksi energi berupa gas yang berjalan melalui proses biologis. Hal ini menyebabkan terdapatnya berbagai komponen penting yang berpengaruh dalam proses pembuatan biogas. Komponen biokimia (biochemist) dalam pembuatan biogas memerlukan perhatian penting. Berdasarkan kajian literatur yang telah dipaparkan pada sub – sub bab sebelumnya, berikut ini disajikan deskripsi proses dan sifat-sifat dari bahan baku dan produk.
2.5.1 Deskripsi Proses Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam Kotoran ayam dikumpulkan di dalam Gudang (G-01) untuk persediaan selama 6 hari, selanjutnya kotoran unggas dipompa menuju Tangki Netralisasi (TK-03) untuk dicampur
dengan NaHCO3, dan Bakteri. Penambahan senyawa NaHCO3 dilakukan untuk menetralkan
pH kotoran ayam karena fermentasi berlangsung dengan baik dalam pH 6-8, sedangkan penambahan senyawa Bakteri Thermophilicbertujuan sebagai nutrisi bagi inokulum.
Setelah itu, kotoran unggas dari TK-03 dialirkan ke Reaktor Fermentasi (R-01). Suhu di dalam fermentor dijaga 450C dengan memakai steam pada suhu 120,2 0C dimana bakteri yang digunakan adalah bakteri thermophilic. Proses pembentukan metana terjadi dengan hydraulic retention time 6 hari. Dari fermentor, limbah dialirkan ke Bak Penampung Akhir yaitu limbah cair. Biogas yang dihasilkan dari fermentor terdiri atas CH4, CO2, H2S dan H2O. Biogas yang
dihasilkan dialirkan ke kolom absorbsi CO2 (AB-01) digunakan untuk menyerap CO2(g) yang
terkandung di dalam biogas dengan menggunakan absorben air. CO2 yang terikat dengan air
selanjutnya dialirkan ke bak penampungan air proses bekas. Gas H2S yang terdapat di dalam
Kemudian gas metana yang dihasilkan dipompakan dengan blower ke tangki penyimpanan gas metana.
2.5.2 Sifat-Sifat Bahan Baku dan Produk 2.5.2.1Natrium karbonat (NaHCO3)
Fungsi : sebagai penetral pH. 1. Berat molekul : 84,0079 gr/mol 2. Titik lebur : 500 C (323 K) 3. Densitas : 2,159 gr/cm3
4. Kelarutan dalam air : 7,89 g / 100 ml pada 180 C 5. Tingkat kebasaan (pKb) : -2,43
6. Berwarna padatan putih
7. Merupakan senyawa ampoterik (Wikipedia, 2014)
2.5.2.2Metana (CH4)
Fungsi : merupakan komponen unsur terbesar di dalam biogas 1. Berat Molekul : 16,043 g/mol
2. Temperatur kritis : -82,7oC
3. Tekanan kritis : 45,96 bar 4. Fasa padat
• Titik cair : -182,5oC
• Panas laten : 58,68 kJ/kg 5. Fasa cair
• Densitas cair : 500 kg/m3
• Titik didih : -161,6oC
• Panas laten uap : 510 kJ/kg 6. Fasa gas
• Densitas gas : 0,717 kg/m3
• Faktor kompresi : 0,998
• Spesifik graviti : 0,55
• CP : 0,035 kJ/mol.K
• CV : 0,027 kJ/mol.K
• Viskositas : 0,0001027 poise
• Kelarutan : 0,054 vol/vol (Wikipedia, 2014)
2.5.2.3Karbon Dioksida (CO2)
Fungsi : merupakan salah satu komponen di dalam biogas. 1. Berat Molekul : 44,01 g/mol
2. Temperatur kritis : 31oC 3. Tekanan kritis : 73,825 bar 4. Densitas kritis : 464 kg/m3 5. Fasa padat
Densitas padat : 1562 kg/m3 Panas laten : 196,104 kJ/kg
6. Fasa cair
Densitas cair : 1032 kg/m3 Titik didih : -78,5oC
Panas laten uap : 571,08 kJ/kg Tekanan uap : 58,5 bar
7. Fasa gas
Densitas gas : 2,814 kg/m3 Spesifik graviti : 1,521
Spesifik volume : 0,547 m3/kg CP : 0,037 kJ/mol.K
CV : 0,028 kJ/mol.K
Viskositas : 0,0001372 poise Kelarutan : 1,7163 vol/vol
(Wikipedia, 2014)
2.5.2.4Air (H2O)
1. Berat molekul : 18,016 gr/gmol 2. Titik lebur : 0°C (1 atm) 3. Titik didih : 100°C (1 atm) 4. Densitas : 1 gr/ml (4°C) 5. Spesifik graviti : 1,00 (4°C) 6. Indeks bias : 1,333 (20°C) 7. Viskositas : 0,8949 cP 8. Kapasitas panas : 1 kal/gr 9. Panas pembentukan : 80 kal/gr 10. Panas penguapan : 540 kal/gr 11. Temperatur kritis : 374°C 12. Tekanan kritis : 217 atm
