BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Biogas2.1.1 Sejarah Biogas
Sebelum mendalami proses pembuatan biogas, ada baiknya mengetahui sejarah biogas agar dapat mengglobal dan disebut sebagai energi terbarukan.
Tahun-tahun awal di benua Eropa ditandai dengan ditemukannya biogas. Biogas adalah produk penemuan Alessandro Volta tentang proses pencernaan anaerobik pada tahun 1770 saat menyelidiki gas yang dihasilkan oleh rawa-rawa. Pada tahun 1776, Alessandro Walter menghubungkan proses pembusukan sayuran, dan William Hendry (William Hendry) mengidentifikasi bahan bakar gas sebagai gas metana pada tahun 1806. Juga, pada tahun 1884, seorang ilmuwan bernama Pasteur menggunakan kotoran hewan sebagai sarana untuk mempelajari biogas. Louis Pasteur dan Tappeiner (1882), menunjukkan asal mikroba dari pembentukan metana. [4]
Negara-negara Eropa mulai meninggalkan biogas demi bahan bakar pada 1950-an. Negara-negara berkembang seperti Cina dan India membutuhkan listrik yang murah dan tersedia di tahun 1950-an. [4]
Pada tahun 1970-an, biogas diperkenalkan ke Indonesia. Fasilitas pengelolaan limbah biogas pertama kali didirikan di daerah pedesaan. Mulai tahun 1981, dengan dukungan Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), fasilitas biogas di Indonesia telah dikembangkan melalui pendirian fasilitas biogas di provinsi-provinsi di Indonesia. Pada tahun 2000-an, dikembangkan reaktor biogas skala keluarga yang strukturnya lebih sederhana, terbuat dari plastik, dan dapat dipasang kapan saja dengan harga yang lebih murah. [4]
2.1.2 Pengertian Biogas
Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh bakteri selama fermentasi dalam biodigester dalam keadaan aerob (tanpa udara). Karena tumbuh dengan mencerna bahan organik, maka reaktor yang digunakan untuk menghasilkan biogas ini biasa disebut dengan digester atau biodigester. Digester biogas harus mengatur suhu, kelembaban, dan tingkat keasaman agar bakteri dapat berkembang biak secara teratur untuk menghasilkan biogas dalam jumlah dan kualitas tertentu. [5].
Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh bakteri anaerob selama fermentasi. [6], di lingkungan yang tidak ada oksigen atau udara. [7]. Biogas adalah bahan kimia yang mudah terbakar yang dibuat ketika bahan organik difermentasi. [8].
2.1.3 Manfaat Biogas
Pengelolaan limbah kotoran sapi menjadi biogas sangat menguntungkan karena produk-produk pengelolaan limbah kotoran sapi memiliki banyak keunggulan, antara lain:
1. Sumber energi terbarukan
Biogas adalah sumber energi terbarukan yang berharga yang dapat digunakan untuk melengkapi atau menggantikan bahan bakar fosil seperti minyak dan gas alam. Hal ini diperlukan karena penemuan dan produksi energi fosil terus berkembang, dan energi merupakan sumber daya yang tidak terbarukan. Selain itu, penggunaan energi fosil menghasilkan sampah yang dapat mencemari lingkungan. Penggunaan limbah organik untuk menghasilkan biogas dapat membantu meminimalkan penggunaan energi fosil dan polusi. Biogas dibuat oleh dekomposisi sampah organik dalam digester anaerobik dalam kondisi anaerobik, yang melibatkan aktivitas bakteri anaerob. Metana (CH4), karbon dioksida (CO2), hidrogen (H2), dan hidrogen sulfida (H2S) adalah komponen utama biogas.
Biogas digunakan untuk menyalakan kompor gas, penerangan, dan generator di rumah.
2. Mengurangi efek rumah kaca
Efek rumah kaca dari pembakaran bahan bakar fosil yang menghasilkan gas karbon dioksida (CO2) menyebabkan pemanasan global. Gas metana (CH4) lebih berbahaya daripada gas karbon dioksida. Gas metana (CH4) merupakan hasil alam yang terakumulasi oleh kotoran sapi, merupakan gas yang paling banyak menyumbang efek rumah kaca dan kandungannya lebih tinggi dari karbon dioksida (CO2). Pembakaran gas metana (CH4) dalam biogas mengubahnya menjadi gas karbon dioksida (CO2), yang berdampak pada pengurangan gas metana (CH4) di udara [9].
Teknologi biogas, yang didasarkan pada ide zero-waste, diproyeksikan dapat membantu pengurangan pemanasan global. Biogas, selain sebagai sumber energi terbarukan, dapat membantu mengurangi masalah lingkungan seperti polusi udara, pencemaran tanah, dan pemanasan global [10].
3. Pupuk berkualitas
Kotoran hewan akan menghasilkan produk sampingan yang berharga bila digunakan dalam biogas. Fermentasi anaerobik kotoran hewan dan air di tangki instalasi biogas menghasilkan limbah atau bubur biogas. Limbah biogas adalah bubur yang mengandung padatan dan cairan. Karena mengandung banyak mineral yang dibutuhkan tanaman, kedua bahan ini dapat dimanfaatkan sebagai pupuk organik.
Pupuk slurry dapat berbentuk padat atau cair. Penyaringan dan pengeringan bubur padat menghasilkan pupuk bubur padat. Buang bagian cair nat secara bersamaan dan tunggu sampai cairan tidak mengempis (busa) atau baunya tidak menyengat sebelum mencoba mengekstrak kompos cair dari nat. Pupuk suspensi cair memiliki keunggulan karena
mudah bercampur dengan zat lain dan dapat digunakan sebagai pengganti pupuk tambahan untuk meningkatkan kualitas tanaman.
2.2 Kotoran Sapi
Sistem pencernaan limbah yang dihasilkan dari pencernaan hewan, sering dikenal sebagai kotoran sapi, menggunakan mikroorganisme untuk mencerna selulosa dan lignin dari rumput yang kaya serat. Akibatnya, kotoran sapi memiliki konsentrasi selulosa yang tinggi.
Kotoran sapi merupakan penghasil biogas yang baik karena mengandung mikroorganisme yang menghasilkan metana dalam perut ruminansia. Output biogas per kilogram kotoran diperkirakan sekitar 36 liter dalam penelitian sebelumnya. [11].
Tabel 2.1 Komposisi unsur dari kotoran sapi
Jenis Gas (%)
Metana (CH4) 65,7
Karbon Dioksida (CO2) 27,0
Nitrogen (N2) 2,3
Karbon Monoksida (CO) 0
Oksigen (O2) 0,1
Propena (C3H8) 0,7
Hydrogen Sulfida (H2S) 0
Nilai Kalori (kkal/m2) 6513 Sumber : [12]
Selain dari kandungan komposisi unsur kotoran sapi adalah rasio kandungan C/N. Berikut adalah rasio C/N kotoran hewan :
Tabel 2.2 Rasio C/N dalam beberapa jenis kotoran hewan
Jenis Kotoran Rasio C/N
Sapi 18 Kerbau 18 Kuda 25 Babi 25 Kambing/Domba 30 Ayam 15 Sumber: [12]
2.3 Proses Pembentukan Biogas
Ada tiga langkah untuk produksi biogas biologis menggunakan berbagai mikroorganisme anaerob:
1. Tahap Hidrolisis (Tahap Pelarutan)
Pada titik ini, bahan organik terlarut akan melalui proses penguraian yang memecah bahan kimia kompleks menjadi yang lebih sederhana. Transisi dari tulang punggung polimer ke tulang punggung monomer dapat digambarkan sebagai perubahan bentuk. Dengan bantuan eksoenzim bakteri anaerob, zat kompleks ini, seperti karbohidrat, lipid, dan bakteri, direduksi menjadi monomer. [13].
Protein → asam amino, dipecah oleh enzim protease Selulosa → glukosa, dipecah oleh enzim selulase
Lemak → asam lemak rantai panjang, dipecah oleh enzim lipase
Berikut ini adalah reaksi selulosa menjadi glukosa:: (C6H10O5) + H2O → C6H12O6
Selulosa Air Glukosa 2. Tahap Asidifikasi (Tahap Pengasaman)
Komponen monomer (monosakarida) yang dihasilkan selama tahap hidrolisis akan menjadi makanan bagi bakteri penghasil asam selama
tahap pengasaman. Hasil akhir reorganisasi monosakarida. Bakteri membuat asam laktat, asam butirat, asam propionat, dan asam asetat, serta produk sampingan seperti karbon dioksida, hidrogen, alkohol, dan amonia. Pada titik ini, monomer yang dibuat selama langkah hidrolisis akan terdegradasi. Bakteri seperti Pseudomonas, Escherichia,
Flavobacterium, dan Alcaligenes berkontribusi untuk menghasilkan
asam organik ini. [13]. Reaksi :
a. C6H12O6 → (C2H5OH) + CO2(g) + Kalor
glukosa etanol karbondioksida
b. (C2H5OH)(aq) + CO2(g) → (CH3COOH)(aq) + CH4(g)
Etanol karbondioksida asam asetat metana 3. Tahap Metanogenesis (Tahap Pembentukan Gas Metana)
Pembentukan gas metana terjadi pada titik ini. Biogas terdiri dari metana, air, dan karbon dioksida, dan merupakan kelanjutan dari tahap pengasaman. Membentuk gas metana. Bakteri pereduksi sulfat juga hadir dalam proses ini, yang mereduksi sulfat dan komponen sulfur lainnya menjadi hidrogen sulfida. Methanococcus, Methanobacter, dan Methanobacter termasuk di antara bakteri yang terlibat dalam proses ini. Gas metana dihasilkan dari proses dekarboksilasi asetat dan reduksi CO2. Bakteri metana membuat gas metana secara anaerob pada tahap ini. Prosedur ini memakan waktu 14 hari dan berlangsung pada suhu 29-35 derajat Celcius di dalam digester atau reaktor. [13].
Reaksi:
(CH3COOH) → CH4(g) + CO2(g)
2.4 Parameter Pembuatan Biogas 2.4.1 Temperatur
Kisaran suhu terbaik untuk digester biogas di Indonesia adalah 35 ° C. Akibatnya, hal ini harus dipertimbangkan saat merancang digester anaerobik, karena kecepatan pemrosesan bakteri biasanya lambat pada suhu rendah, sehingga biogas yang dihasilkan mungkin membutuhkan waktu lebih lama.[14].
2.4.2 Derajat Keasaman (pH)
pH (Kekuatan Hidrogen) juga disebut keasaman. Alkalinitas atau keasaman yang berlebihan akan sangat mempengaruhi kinerja mikroorganisme. Nilai pH diketahui menjadi salah satu unsur kritis dalam proses fermentasi anaerobik berdasarkan penelitian yang telah dilakukan. Nilai pH dalam digester harus dijaga antara 6,8 dan 7, karena proses pencernaan anaerobik terjadi antara 6 dan 8, dan nilai pH yang ideal adalah sekitar 7.[13]
2.4.3 Tekanan
Manometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur tekanan. Manometer menggunakan tabung berbentuk U yang diisi dengan air berwarna untuk mengukur tekanan biogas yang dihasilkan dalam milimeter hidrogen peroksida (mmH2O). Ketika gas di satu kolom menekan pengukur tekanan, air di kolom lain naik ke tekanan tertentu. Bilangan adalah selisih tinggi kedua kolom (h). 2.4.4 Loading Rate (Laju Pengumpanan)
Jumlah bahan baku yang akan ditambahkan ke reaktor atau kapasitas digester per hari dikenal sebagai loading rate. Bubur terus diisi setiap hari untuk mencapai keadaan fermentasi terbaik, dengan mempertimbangkan durasi penyimpanan dan volume digester atau reaktor; namun, terlalu banyak bubur akan mengganggu proses akumulasi asam dan produksi gas metana..
2.4.5 Pengadukan
Pengadukan adalah teknik untuk menghomogenkan atau mencampur komponen bahan baku biogas. Sebelum slurry masuk ke
digester dan setelah masuk ke digester atau reaktor diaduk. Efek pengadukan, selain untuk mencampur lumpur, juga dapat mencegah sedimentasi di bagian bawah tangki biogas, mencegah pembentukan biogas. Curah hujan dapat terjadi jika material yang digunakan berasal dari medan yang kering. Kotoran sapi perlu diaduk setelah ditambahkan air dengan konsentrasi tertentu agar tidak tenggelam ke dasar.
2.5 Skema Biogas
Biogas dibuat dari kotoran sapi dengan perbandingan slurry 1 : 2 dan komposisi 250 kg kotoran sapi dan 500 liter air dalam penelitian ini, setelah itu slurry diaduk dengan pengaduk di dalam digester, simpan slurry didalam digeser dengan kondisi anaerob setelah hari ke 5 biogas siap dipanen lalu dialirkan kedalam penampungan floating drum, setelah itu gas dialirkan menuju filter 2 tahap, dengan absorben zeloid dan karbon aktif untuk menyaring kandungan dari H2S dan membuat CH4 atau gas metan meningkat.
Setelah di filter gas dialirkan ke penampungan 2 yang berbentuk dari plastik HDPE untuk menampung gas yang telah dimurnikan pada tahap ini gas sudah bisa digunakan untuk memasak dengan cara gas dikompresikan dengan menggunakan kompresor kedalam tabung gas lalu tabung gas dialirkan menuju kompor, setelah itu gas juga bisa untuk menghidupkan listrik dengan cara gas dialirkan kegenset dan genset berputar untuk menghidupkan listrik.
Gambar 2.1 Skema Biogas 2.6 Penampungan Floating Drum
Sistem penyimpanan drum terapung digunakan dalam penelitian ini. Kelebihan tangki penyimpanan gas bentuk ini adalah karena gerakan drum, volume gas yang disimpan dalam drum dapat langsung terlihat. Karena tekanan gas konstan dan tangki penyimpanan mengambang, lalu penyimpanannya mengambang, tekanan gas dipertahankan pada tingkat yang konsisten. Floating drum ini terdiri dari berbagai komponen, antara lain: 1. Tangki penyimpanan yang dapat diangkut menggunakan tangki
penampungan dan peralatan lainnya. Gas fermentasi dapat disimpan dalam digester dengan menggerakkan drum ke atas dan ke bawah. Drum akan naik atau mengapung di atas air ketika rongga tangki penyimpanan penuh dengan gas. Semakin tinggi reservoir mengapung, semakin banyak gas yang dihasilkan.
2. Saluran masuk udara digunakan untuk saluran masuk untuk gas yang masuk dari digester.
3. Saluran keluar udara digunakan sebagai saluran keluar gas ke saluran filter.
2.7 Perhitungan Tekanan Gas
Karena gas yang dihasilkan dalam proses pencernaan relatif kecil, manometer digunakan untuk menghitung tekanan gas. Persamaan berikut dapat digunakan untuk menghitung tekanan biogas menggunakan Hukum Boyle:
Pg = Pudara + ρ.g.h [2.1]
Keterangan :
𝑃g = Tekanan Biogas (𝑁/𝑚2)
𝑃udara = Tekanan Udara Luar (atm)
𝜌 = Massa (kg/m3) g = Gravitasi (9,81 m/s2) h = Perbedaan Tinggi Air (m)
2.8 Perhitungan Volume Biogas
Perubahan ketinggian drum penyimpanan digunakan untuk menghitung volume gas yang dihasilkan.:
V = πr2.t [2.2]
Keterangan :
V = Volume Biogas (m3)
π = Phi (3,14)
r = Jari-jari penampungan (m)
∆t = Selisih tinggi penampung (m)
2.9 Perhitugan Massa Biogas
Rumus berikut dapat digunakan untuk menghitung massa biogas:
PV = n . R . T [2.3] Sehingga n = 𝑃.𝑉 𝑅.𝑇 [2.4] 𝑔𝑟 𝑚𝑟= 𝑃 . 𝑉 𝑅 . 𝑇 [2.5] Keterangan : P = Tekanan Biogas (N/m2) V = Volume Biogas (m3) n = Mol Biogas T = Temperatur (˚K)
2.10 Penelitian Terdahulu
Tabel 2.3 mencantumkan beberapa penelitian terdahulu yang menjadi acuan dan referensi dalam tugas akhir ini.
Tabel 2.3 Penelitian Terdahulu
No Penulis Judul Penelitian Hasil
1. Wahyu Febriyanita (2015) Pengembangan Biogas Dalam Rangka Pemanfaatan Energi Terbarukan Di Desa Jetak Kecamatan Getasan Kabupaten Semarang
- Jumlah sapi yang menggunakan biogas sebanyak 212 ekor dan produksi gas harian 2 meter kubik/ekor.
- Dari 43 pengguna biogas, 36 pengguna hanya menggunakan untuk memasak, dan 7 pengguna sudah menggunakannya untuk memasak dan penerangan.. [15] 2. Guyup Mahardhian Dwi Putra, Sirajuddin Haji Abdullah, Asih Priyati, Diah Ajeng Setiawati, Surya Abdul Muttalib (2017) Rancang Bangun Reaktor Biogas Tipe Portable Dari Limbah Kotoran Ternak Sapi
- Biodigester dengan tinggi 92 cm dan radius 26 cm dapat membuat 200 liter campuran kotoran sapi dan air, sesuai dengan hasil desain.
- Biogas menghasilkan tekanan 101,84 N/m2 selama 37 hari, dengan tekanan terbesar 101,619 pada hari ke-16 dan tekanan terendah 101,756 N/m2 pada hari ke-28. - Dalam 37 hari, biogas
dengan produksi harian rata-rata 0,074 meter kubik gas alam. Total waktu sejak
- Suhu akhir rata-rata adalah 91,5°C, dan produk pembakaran dapat digunakan untuk
memanaskan air selama 181 menit. [16] 3. Afif Muntashir Anwar, Zarina Bte Lajainu, Fitra Jaya, N Nurjannah (2017) Desain Dan Komisioning Tangki Portable Biogas - Tangki penyimpanan biogas portabel terbesar terdiri dari karet dan memiliki volume 3,8148 m3 dan tekanan 1 psi. Untuk ban karet dengan tekanan 3 psi, waktu start-up terbaik untuk Tangki Penyimpanan Biogas Portabel adalah 25:02 menit. [17]
