BAB II
LANDASAN TEORI
2.1.Pengertian Biogas
Biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses penguraian bahan – bahan organik oleh mikroorganisme (bakteri) dalam kondisi tanpa udara (anaerobik).
Bakteri ini secara alami terdapat dalam limbah yang mengandung bahan organik, seperti limbah ternak dan sampah organik. Proses tersebut dikenal dengan istilah anaerobic digestion atau pencernaan secara anaerob. Biogas diproduksi menggunakan alat yang disebut reaktor biogas (digester) yang dirancang agar kedap udara, sehingga proses penguraian oleh mikroorganisme dapat berjalan secara optimal (Wahyuni,2011)
2.2. Bahan Penghasil Biogas
Kotoran hewan lebih sering dipilih sebagai bahan pembuat gas bio karena ketersediaannya yang sangat besar di seluruh dunia. Bahan ini memiliki keseimbangan nutrisi, mudah dicerna dan relatif dapat diproses secara biologis.
Kisaran pemprosesan secara biologis antara 28 – 70 % dari bahan organik tergantung dari pakannya.
Bahan baku yang memproduksi gas metan bias berasal dari semua bahan organik, baik yang berwujud padat, maupun cair, kecuali bahan organik senyawa hidrokarbon tinggi seperti plastik, karet dan lilin. Bahan yang mudah dicerna banyak mengandung selulosa seperti jerami padi, rumput – rumputan dan sebagainya.
2.2.1 Kotoran Sapi
Kotoran sapi mempunyai rasio karbon - nitrogen (C/N) sebesar 18. Karena itu
perlu ditambah dengan bahan lainnya yang mempunyai rasio karbon - nitrogen (C/N)
lebih tinggi sehingga rasio karbon - nitrogen (C/N) pada slurry berkisar antara 25:1 –
30:1 (Wahyuni, 2011). Bahan tambahan tersebut dapat berupa bahan organik seperti,
limbah pertanian, sisa dapur dan sampah organik lainnya. Bahan isian harus terhindar dari bahan anorganik seperti pasir, batu, beling dan plastik.
Pada umumnya komposisi kotoran sapi memiliki karakteristik yang dapat dilihat pada table 2.1 berikut.
Tabel 2.1 Karakteristik Kotoran Sapi
Komponen Massa (%)
Total Padatan 3 – 6
Total Padatan volatile (mudah menguap) 80 – 90
Total Nitrogen 2 – 4
Selulosa 15 – 20
Lignin 5 – 10
Hemiselulosa 20 – 25
Sumber : Kumbahan dan industry, (1979) 2.2.2 Limbah Serbuk Gergaji Kayu
Limbah serbuk gergaji kayu merupakan limbah yang terbentuk dari kegiatan biomassa kayu/berserat lingo-sellulosa, suatu bahan baku yang belum termanfaatkan.
Adanya limbah yang dimaksud ini menimbulkan masalah penanganannya yang selama ini dibiarkan membusuk, ditumpuk dan dibakar sehingga berdampak negatif terhadap lingkungan. Salah satu jalan adalah dengan memanfaatkan menjadi produk yang bernilai tambah dengan teknologi aplikatif seperti arang serbuk, briket arang, gas bio, kompos dan lainnya.
Gambar 2.1 Serbuk Gergaji kayu
Penggunaan bahan organik sebagai bahan baku isian tambahan untuk meningkatkan produksi dari suatu unit biogas memang sangat diperlukan. Selain jerami padi terdapat bahan organik lain yang dapat digunakan sebagai bahan baku isian tambahan suatu unit biogas salah satunya yaitu serbuk gergaji kayu yang merupakan limbah dari industri penggergajian. Bahan buangan organik seperti limbah serbuk kayu gergaji ini masih belum dimanfaatkan secara optimal.
Kebanyakan industri penggergajian membuang limbah serbuk gergaji kayu ini di sungai atau hanya membakarnya saja.
2.3 Proses Pembuatan Biogas
Wahyuni (2011) melaporkan dalam proses pembuatan biogas dilakukan secara fermentasi yaitu proses terbentuknya gas metana dalam kondisi anaerob dengan bantuan bakteri anaerob di dalam suatu digester sehingga akan dihasilkan gas metana (CH
4) dan gas karbon dioksida (CO
2) yang volumenya lebih besar dari gas hidrogen (H
2), gas nitrogen (N
2) dan gas hidrogen sulfida (H
2S). Proses fermentasi memerlukan waktu 7 sampai 10 hari untuk menghasilkan biogas dengan suhu optimum 35
oC dan pH optimum pada range 6,4 – 7,9. Bakteri pembentuk biogas yang digunakan yaitu bakteri anaerob seperti Methanobacterium, Methanobacillus, Methanococcus dan Methanosarcina.
I. Proses fermentasi
Proses pembentukan biogas secara umum:
Bahan organik + mikroorganisme anaerobik
CH
4+ CO
2+ H
2+ N
2+ H
2S ………..(2.1) Penguraian bakteri organik dalam digester terjadi melalu tiga tahapan sebagai berikut:
1. Tahap Hidrolisis
Tahap hidrolisis dimulai dengan penguraian bahan-bahan organik kompleks
yang mudah larut atau senyawa rantai panjang seperti lemak, protein, dan
karbohidrat menjadi senyawa yang lebih sederhana. Tahap hidrolisis dapat diartikan
sebagai perubahan struktur bentuk polimer hasil penguraian di antara senyawa asam
organik, glukosa, etanol, CO
2dan hidrokarbon. Biasanya senyawa tersebut
dimanfaatkan oleh bakteri yang melakukan fermentasi sebagai sumber karbon dan energi.
2. Tahap pengasaman (Asidifikasi)
Senyawa sederhana (komponen monomer) yang terbentuk dari tahap hidrolisis dijadikan sumber energi bakteri pembentuk asam. Bakteri tersebut menghasilkan senyawa asam seperti asam asetat, asam propionate dan asam butirat dan asam laktat serta produk sampingan berupa alcohol, CO
2, hirogen dan ammonia.
3. Tahap metanogenesis
Bakteri metanogen seperti methanococus, methanosarcina, dan methano bacterium mengubah produk lanjutan dari tahap pengasaman menjadi metan, karbodioksida dan air yang merupakan komponen penyusun biogas.
2.4 Komposisi Biogas
Biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses penguraian bahan-bahan organik oleh mikroorganisme pada kondisi langka oksigen (anaerob). Aktivitas mikroorganisme yang berperan selama proses permentsi sangat tergantung pada imbangan C/N. Mikroorganisme perombak dapat beraktivitas secara optimum jika imbangan C/N sebesar 25-30. Imbangan C/N tinggi pada bahan organik akan menyebabkan produksi metana yang rendah. Jika imbangan C/N tinggi hanya mengandung nitrogen dengan kadar yang rendah. Padahal, nitrogen sangat dibutuhkan sebagai sumber energi untuk perkembangbiakan mikroorganisme pengurai. Sedangkan jika imbangan C/N rendah, nitrogen akan bebas dan berakumulasi dalam bentuk amonia sehingga menyebabkan bau busuk yang berlebihan (Wahyuni, 2011).
Komposisi biogas yang dihasilkan sangat tergantung pada jenis bahan baku yang digunakan. Namun rata-rata dapat menghasilkan biogas dengan kadar CH
4sebesar 55-75 %. Selain metana terdapat beberapa senyawa yang dihasilkan yang
sifatnya dapat menurunkan kualitas dari pembakaran biogas. Komposisi biogas dapat
dilihat pada tabel 2.2 berikut.
Tabel 2.2 Komposisi Gas Yang Terdapat Dalam Biogas
Jenis Gas Volume (%)
Metana (CH
4) 55 – 75
Karbondioksida (CO
2) 25 – 45
Nitrogen (N
2) 0 - 0,3
Hidrogen (H
2) 1 – 5
Oksigen (O
2) 0,1 – 0,5
Hidrogen Sulfida (H
2S) 0 – 3
Sumber : Kusrijadi, 2009 2.5 Jenis Reaktor Biogas
Digester atau reaktor merupakan tempat untuk membantu terbentuknya biogas. Didalam digester terjadi proses pencernaan yang akan menghasilkan gas bio.
Dilihat dari sisi kontruksinya, pada umumnya digester dapat dibedakan menjadi :
1. Digester Tipe Kubah Tetap (Fixed Dome)
Reaktor kubah tetap (fixed dome) ini disebut juga reaktor China. Dinamakan
demikian karena reaktor ini dibuat pertama kali di China sekitar tahun 1930-an,
kemudian sejak saat itu reaktor ini berkembang dengan berbagai model. Pada reaktor
ini memiliki dua bagian yaitu digester sebagai tempat pencerna material biogas dan
sebagai rumah bagi bakteri, baik bakteri pembentuk asam ataupun bakteri pembentuk
gas metana. Bagian ini dapat dibuat dengan kedalaman tertentu menggunakan batu,
batu bata atau beton. Strukturnya harus kuat karena menahan gas agar tidak terjadi
kebocoran. Bagian yang kedua adalah kubah tetap. Dinamakan kubah tetap karena
bentuknya menyerupai kubah dan bagian ini merupakan pengumpul gas yang tidak
bergerak (fixed). Seperti gambar 2.1.
Gambar 2.2 Reaktor kubah tetap (Fixed-dome) Agung Pambudi (2008)
Gas yang dihasilkan dari material organik pada digester akan mengalir dan disimpan di bagian kubah. Keuntungan dari reaktor ini adalah biaya konstruksi lebih murah daripada menggunakan reaktor terapung, karena tidak memiliki bagian yang bergerak menggunakan besi yang tentunya harganya relatif lebih mahal dan perawatannya lebih mudah. Sedangkan kerugian dari reaktor ini adalah dibutuhkan waktu yang lama dalam proses pembangunannya, mudah mengalami keretakan, biaya kontruksinya relatif mahal dan tidak dapat dipindah. Selain itu, gas yang dihasilkanmudah bocor akibat pori – pori yang agak besar. Jika kebocoran tersebut terjadi, biasanya sulit untuk dideteksi dan diperbaiki.
2. Digester Tipe Floating Drum (Tangki Terapung)
Reaktor jenis terapung (floating drum) pertama kali dikembangkan di India
pada tahun 1937 sehingga dinamakan dengan reaktor India. Memiliki bagian digester
yang sama dengan reaktor kubah, perbedaannya terletak pada bagian penampung gas
menggunakan peralatan bergerak menggunakan drum. Drum ini dapat bergerak naik
turun yang berfungsi untuk menyimpan gas hasil fermentasi dalam digester.
Pergerakan drum mengapung pada cairan dan tergantung dari jumlah gas yang dihasilkan. Keuntungan dari reaktor ini adalah dapat melihat secara langsung volume gas yang tersimpan pada drum karena pergerakannya. Karena tempat penyimpanan yang terapung sehingga tekanan gas konstan. Sedangkan kerugiannya adalah biaya material konstruksi dari drum lebih mahal. faktor korosi pada drum juga menjadi masalah sehingga bagian pengumpul gas pada reaktor ini memiliki umur yang lebih pendek dibandingkan menggunakan tipe kubah tetap.
Gambar 2.3 Reaktor terapung (floating drum) Agung Pambudi (2008)
3. Digester Tipe Balon
Digester balon merupakan jenis digester yang banyak digunakan pada skala
rumah tangga yang menggunakan bahan plastik sehingga lebih efisien dalam
penanganan dan perubahan tempat biogas. Digester ini terdiri dari satu bagian yang
berfungsi sebagai penyimpan gas masing masing bercampur dalam satu ruangan
tanpa sekat. Material organik terletak dibagian bawah karena memiliki berat yang
lebih besar dibandingkan gas yang akan mengisi pada rongga atas. Keuntungan dari
digester ini yaitu cocok digunakan untuk skala rumah tangga, kontruksinya
sederhana, waktu pemasangan singkat, dan mudah untuk dipindahkan. Sementara itu,
kelemahannya mudah mengalami kebocoran.
Dilihat dari cara pengisian bahan baku digester dapat dibedakan menjadi : 1. Tipe batch feeding (Pengisian sekali)
Pada tipe batch, pengisian bahan baku dilakukan hanya sekali, kemudian ditunggu sampai biogas dihasilkan. Bahan baku reaktor ditempatkan di dalam wadah (ruang tertentu) dari awal hingga selesainya proses degradasi. Ini hanya umum digunakan pada tahap eksperimen untuk mengetahui potensi gas dari suatu jenis limbah organik. Tipe ini tidak efektif bila digunakan untuk kebutuhan masyarakat, sebab akan sulit untuk pergantian materi setiap rentang waktunya. Jadi banyaknya biogas yang dihasilkan sangat tergantung dari banyaknya bahan isian.
2. Tipe continous feeding (Pengisian secara kontinyu)
Pada tipe continous feeding adalah jenis degister yang pengisian bahan baku organic dilakukan setiap hari dalam jumlah tertentu. Pada pengisian awal, digester diisi penuh, lalu ditunggu sampai biogas diproduksi. Pengisian bahan baku kemudian dilakukan secara kontinyu setiap hari dalam jumlah tertentu.
2.6 Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Pembentukan Biogas
Banyak faktor yang berpengaruh dalam penbentukan biogas, diantaranya : 2.6.1 Perbandingan C/N Bahan Isian
Rasio C/N adalah perbandingan kadar karbon(C) dan kadar Nitrogen (N) dalam satuan bahan. Semua mahluk hidup terbuat dari sejumlah besar bahan Karbon (C) dan Nitrogen (N) dalam jumlah kecil. Untuk menjamin semuanya berjalan lancar, unsur-unsur nutrisi yang dibutuhkan mikroba harus tersedia secara seimbang.
Ternak ruminansia seperti sapi, kambing dan domba rata-rata lebih lama dalam
menghasilkan biogas dibandingkan dengan ternak non ruminansia. Lamanya
produksi biogas disebabkan oleh mutu pakan yang lebih rendah, sehingga rasio C/N-
nya tinggi akibatnya perkembangan mikroba pembentuk gas lebih lama
dibandingkan yang bermutu tinggi. Tinggi rendahnya mutu ini tergantung pada nilai
N (nitrogen) di dalam ransum. Namun demikian nilai N juga tergantung pada C
(karbon). Jadi, perbandingan C dan N akan menentukan lama tidaknya proses
pembentukan biogas (Yunus, 1995). Dimana bila terlalu banyak karbon, nitrogen akan habis terlebih dahulu. Hal ini akan menyebabkan proses berjalan lambat. Bila nitrogen terlalu banyak, maka karbon habis terlebih dahulu dan proses fermentasi berhenti. Kandungan C dan N pada beberapa bahan dinyatakan dalam tabel 2.3 berikut.
Tabel 2.3. Perbandingan C/N dari beberapa bahan organik.
Jenis Bahan Perbandingan C/N
Manusia 6 – 10
Ayam 15
Kambing/ domba 25
Babi 25
Kuda 25
Sapi/ Kerbau 18
Rumput Muda 12
Sayuran (bukan kacang- kacangan) 11 – 19
Jerami Gandum/ padi 150
Serbuk Gergaji 200
Sumber : Wulandari, 2006
Untuk mencari jumlah kandungan C/N dari variasi bahan kering (kotoran sapi dan serbuk gergaji kayu) menggunakan persamaan sebagai berikut :
(
𝐶𝑁
)
𝑐𝑎𝑚𝑝𝑢𝑟𝑎𝑛=% KS.(
𝐶𝑁
)
𝑘𝑜𝑡𝑜𝑟𝑎𝑛 𝑠𝑎𝑝𝑖 +% SK. (
𝐶𝑁
)
𝑠𝑒𝑟𝑏𝑢𝑘 𝑔𝑒𝑟𝑔𝑎𝑗𝑖 𝑘𝑎𝑦𝑢……....(2.2) Keterangan :
𝐶
𝑁
kotoran sapi = 18
𝐶𝑁
serbuk gergaji kayu = 200 2.6.2 Lama Fermentasi
Secara umum proses fermentasi atau pencernaan limbah ternak didalam
digester dapat berlangsung 60 – 90 hari. Menurut (Hadi, 1981), gas bio terbentuk
sekitar 10 – 24 hari. Produksi biogas tersebut sekitar 10 hari. Setelah 10 hari
fermentasi sudah terbentuk kira – kira 1,1 – 0,2 m3/kg dari berat bahan kering.
Peningkatan penambahan waktu fermentasi dari 10 hingga 30 hari meningkatkan produksi biogas sebesar 50%.
2.6.3 Temperatur
Tempertur yang tinggi akan memberikan hasil biogas yang baik. Namun suhu tersebut sebaiknya tidak boleh melebihi suhu kamar. Bakteri ini hanya dapat subur bila suhu disekitarnya berada pada suhu kamar. Suhu yang baik untuk proses pembentukan biogas berkisar antara 20-40
0C dan suhu optimum antara 28-30
0C (Paimin, 2001). Temperatur selama proses berlangsung sangat penting karena hal ini berkaitan dengan kemampuan hidup bakteri pemroses biogas, yaitu berkisar 27
0C- 28
0C. Dengan temperatur itu proses pembuatan biogas akan berjalan sesuai dengan waktunya. Tetapi berbeda bila temperatur terlalu rendah (dingin), maka waktu untuk membentuk biogas akan lebih lama.
2.6.4 Kandungan Bahan Kering
Bahan isian dalam pembuatan bio gas harus berupa bubur. Bentuk bubur ini dapat diperoleh bila bahan bakunya mempunyai kandungan air yang tinggi. Bahan baku dengan kadar air yang rendah dapat dijadikan berkadar air tinggi dengan menambahkan air kedalamnya dengan perbandingan tertentu sesuai dengan kadar bahan kering bahan tersebut. Bahan baku yang paling baik mengandung 7 - 9 % bahan kering. Aktivitas normal dari mikroba metan membutuhkan sekitar 90% air dan 7 - 10% bahan kering dari bahan masukan untuk fermentasi. Dengan demikian isian yang paling banyak menghasilkan biogas adalah yang mengandung 7 - 9%
bahan kering. Untuk kandungan kering sejumlah tersebut bahan baku isian biasanya dicampur dengan air dengan perbandingan tertentu. Sebagai contoh bahan baku kotoran sapi harus dicampur dengan air dengan perbandingan 1:1 atau 1:1,5.
2.6.5 Pengadukan
Bahan baku yang sukar dicerna akan membentuk lapisan kerak dipermukaan
cairan. Lapisan ini dapat dipecah dengan alat pengaduk. Oleh karena itu, sebaiknya
setiap unit pembuat biogas dilengkapi alat pengaduk. Pemasangan alat pengaduk
harus dilakukan dengan hati-hati agar jangan sampai terjadi kebocoran pada tangki
pencerna (Paimin, 2001). Sebelum bahan isian dimasukkan kedalam digester terlebih dahulu dilakukan pengadukan, dimana tujuan dari pengadukan ini adalah untuk menyeragamkan atau menghomogenkan bahan isian. Jika tidak dilakukan pengadukan akan terjadi penggumpalan atau pengendapan bahan organik yang menyebabkan terhambatnya biogas. Pada hari ke 30 fermentasi jumlah gas bio yang terbentuk mencapai maksimal, dan setelah 30 hari fermentasi terjadi penurunan jumlah gas bio (Sembiring, 2004).
2.6.6 Laju pengumpanan
Laju pengumpanan adalah jumlah bahan yang diumpankan kedalam pencerna per unit kapasitas perhari. Pada umumnya, 6 kg kotoran sapi per m
3volume pencerna adalah direkomendasikan pada suatu jaringan pengolah kotoran sapi. Apabila terjadi pengumpanan berlebihan, terjadi akumulasi asam dan produksi metana akan terganggu. Sebaliknya bila pengumpanan kurang dari kapasitas pencerna, produksi gas juga menjadi rendah. Pada pengisian pertama, slurry bisa dimasukkan hingga 3/4 volume digester. Volume sisa di bagian atas digester diperlukan sebagai ruang pengumpulan gas serta menghindari penyumbatan saluran gas oleh slurry. Untuk mempercepat terjadinya proses fermentasi, maka perlu pada permulaan pengumpanan ditambahkan cairan yang telah mengandung banyak bakteri metan yang disebut dengan starter. Starter yang dapat digunakan dikenal dengan tiga macam, yaitu :
1. Starter alami : apabila sumbernya dari alam yang diketahui mengandung kelompok bakteri metan seperti lumpur aktif, timbunan sampah lama, timbunan kotoran hewan ruminansia, dan lain-lain.
2. Starter semi buatan : apabila sumber berasal dari tabung pembuat biogas yang diharapkan kandungan bakteri metannya dalam stadium aktif.
3. Starter buatan : apabila sumbernya sengaja dibuat, baik dengan media
alami maupun media buatan, sedangkan bakteri metannya dibiakkan secara
laboratorium
2.7 Komposisi Biomassa Dari Limbah Pertanian
Kandungan utama biomassa dari limbah pertanian adalah carbon, oksigen, dan hidrogen. Hal ini ditunjukkan pada tabel ultimate analysis. Pada tabel tersebut memperlihatkan komposisi dari 13 biomassa dari limbah pertanian. Rumus kimia dari biomassa umumnya diwakili oleh C
xH
yO
z. nilai koefisien dari x,y dan z ditentukan oleh masing-masing biomassa.
Tabel 2.4. Ultimate analysis of Biomass (Raveendran et. al. )
S.N
Bio massa
Ultimate Analysis (wt %)
HHV*( MJ/kg)
Dens ity (kg/
m3)
X Y Z
% conve
rsion of carbo
n
C H N O
1 Ampas tebu 43.8 5.8 0.4 47.1 16.29 111 3.65 5.8 2.94 81 2 Sabut kelapa 47.6 5.7 0.2 45.6 14.67 151 3.97 5.7 2.85 72 3 Batok kelapa 50.2 5.7 0.0 43.4 20.50 661 4.18 5.7 2.71 65
4 sabut
empulur 44.0 4.7 0.7 43.4 18.07 94 3.67 4.7 2.71 74
5 Bonggol
jagung 47.6 5.0 0.0 44.6 15.65 188 3.97 5.0 2.79 70
6 tangkai
jagung 41.9 5.3 0.0 46.0 16.54 129 3.49 5.3 2.88 82.3
7 Limbah
kapas 42.7 6.0 0.1 49.5 17.48 109 3.56 6.0 3.10 87 8 Kulit kacang 48.3 5.7 0.8 39.4 18.65 299 4.03 5.7 2.46 61.2
9 Jerami padi 42.7 6.0 0.1 33.0 17.48 201 3.56 6.0 2.06
3 58
10 Sekam padi 38.9 5.1 0.6 32.0 15.29 617 3.24 5.1 2.0 62 11 Tangkai padi 36.9 5.0 0.4 37.9 16.78 259 3.08 5.0 2.37 82.4 12 Sebuk kayu 48.2 5.9 0.0 45.1 19.78 259 4.02 5.9 2.82 70.2
13 Jerami
gandum 47.5 5.4 0.1 35.8 17.99 222 3.96 5.4 2.24 56.5
14 Average 44.6 5.5 0.3 41.8 17.32 253.8
4 3.72 5.4
9 2.61 70.89
