Proses Pembentukan Biogas

Seperti yang dinyatakan sebelumnya, anaerobic digestion (AD) adalah proses mikrobiologis dekomposisi bahan organik dalam ketiadaan oksigen. Produk utama dari proses ini adalah biogas dan digestate. Biogas adalah gas yang mudah terbakar, yang terutama terdiri dari metana dan karbon dioksida. Digestate adalah substrat membusuk, akibat produksi biogas. Selama proses AD, hanya sedikit panas yang dihasilkan sangat berbeda dengan dekomposisi aerobik (dengan oksigen). Peristiwa itu dinamakan pengomposan.

Proses pembentukan biogas merupakan hasil dari beberapa proses terkait, dimana bahan awal terus dipecah menjadi unit yang lebih kecil dengan melibatkan kelompok mikroorganisme tertentu dalam setiap langkah tersebut. Organisme ini berturut-turut menguraikan produk dari langkah sebelumnya yang disederhanakan dalam bentuk diagram proses AD, yang ditunjukkan pada Gambar 2.3, terdiri dari empat langkah proses utama: hidrolisis, acidogenesis, asetogenesis, dan metanogenesis.

Gambar 2.3 Langkah proses anaerobic digestion (Sumber: Al Seadi et al, 2001)

Proses langkah yang tersaji dalam Gambar 2.3, berjalan secara paralel dipengaruhi ruang dan waktu dalam tangki digester. Kecepatan proses dekomposisi total ditentukan oleh lambatnya reaksi dari rantai. Dalam kasus pembangkit biogas, pengolahan substrat sayuran yang mengandung selulosa, hemi-selulosa dan lignin, hidrolisis merupakan proses penentuan kecepatannya. Selama hidrolisis jumlah biogas yang dihasilkan relatif kecil. Produksi biogas mencapai puncaknya selama metanogenesis.

2.4.1   Hidrolisis

Hidrolisis adalah langkah pertama AD, dimana bahan organik kompleks (polimer) didekomposisi menjadi unit yang lebih kecil (monomer dan oligomer). Selama hidrolisis, polimer seperti karbohidrat, lipid, asam nukleat dan protein diubah menjadi glukosa, gliserol, purin dan pyridines. Mikroorganisme hidrolitik mengeluarkan enzim hidrolitik, mengubah biopolimer menjadi senyawa sederhana dan larut seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4 di bawah ini:

Gambar 2.4 Skema proses hidrolisis

Berbagai mikroorganisme yang berperan dalam hidrolisis seperti exoenzymes, diproduksi oleh mikroorganisme yang menguraikan bahan partikel larut. Produk yang dihasilkan dari hidrolisis selanjutnya diurai oleh mikroorganisme yang terlibat dan digunakan untuk proses metabolismenya sendiri.

2.4.2   Acidogenesis

Selama acidogenesis, produk hidrolisis yang dikonversi oleh bakteri acidogenic (fermentasi) ke substrat metanogen. Gula sederhana, asam amino dan asam lemak terdegradasi menjadi asetat, karbon dioksida dan hidrogen (70%) serta menjadi asam lemak volatil (VFA) dan alkohol (30%).

2.4.3   Acetogenesis

Produk dari acidogenesis yang tidak dapat langsung diubah menjadi metana oleh bakteri metanogen diubah menjadi substrat metanogen selama asetogenesis. Asam lemak volatil (VFA) dan alkohol dioksidasi menjadi substrat metanogen seperti asetat, hidrogen dan karbon dioksida. VFA dengan rantai karbon lebih dari dua unit dan alkohol dengan rantai karbon lebih dari satu unit, dioksidasi menjadi asetat dan hidrogen. Produksi hidrogen meningkatkan tekanan parsial hidrogen. Hal ini dapat dianggap sebagai produk limbah dari asetogenesis karena menghambat metabolisme bakteri acetogenic. Selama methanogenesis, hidrogen diubah menjadi metana. Asetogenesis dan metanogenesis biasanya berjalan paralel sebagai simbiosis dua kelompok organisme.

2.4.4   Methanogenesis

Produksi metana dan karbon dioksida yang dilakukan oleh bakteri metanogen 70% dari metana yang terbentuk berasal dari asetat, sedangkan sisanya 30% dihasilkan dari konversi hidrogen (H) dan karbon dioksida (CO₂), sesuai dengan persamaan berikut:

Gambar 2.5 Skema proses methanogenesis

Metanogenesis merupakan langkah penting dalam seluruh proses anaerobic digestion karena proses reaksi biokimianya paling lambat. Methanogenesis ini sangat dipengaruhi oleh kondisi operasi seperti komposisi bahan baku pakan yang diberikan, suhu, dan pH adalah contoh faktor yang mempengaruhi proses metanogenesis sementara digester yang overloading, perubahan suhu atau besarnya masukan oksigen dapat mengakibatkan penghentian produksi metana.

Biogas

2.1    Biogas

            Biogas adalah campuran gas-gas yang dihasilkan dari suatu proses fermentasi bahan organik oleh bakteri dalam keadaan tanpa oksigen (anaerobic process) dan merupakan bahan bakar gas yang dapat diperbaharui (renewable fuel) yang dihasilkan secara anaerobic digestion atau fermentasi anaerob dari bahan organik dengan bantuan bakteri metana seperti Methanobacterium sp. Gas yang dihasilkan adalah gas metana (CH₄), gas karbon dioksida (CO₂), gas hidrogen (H₂), gas nitrogen (N₂) dan gas hidrogen sulfida (H₂S) (Sugiarto et al, 2013).

            Biogas dapat digunakan sebagai pembangkit listrik dan sumber panas. Kandungan energi atau nilai kalor bergantung pada kadar metana (CH₄) dalam biogas tersebut. Satu meter kubik (1m³) metana memiliki kandungan energi sebesar 10 kWh. Oleh karena itu kandungan energi biogas secara khusus (60% metana) terletak pada kisaran 6 kWh, jadi kandungan energi rata-rata satu meter kubik biogas setara dengan 0,6 liter bahan bakar minyak (BBM).

            Pembentukan gas metana secara biologis terjadi di alam dengan adanya bahan organik basah dengan ketiadaan oksigen, misalnya dalam saluran pencernaan sapi, kompos basah, tempat pembuangan sampah (landfill) atau persawahan yang tergenang (Wittmaier et al, 2005:34).

2.2 Pemanfaatan Biogas

Biogas adalah sumber energi yang memiliki banyak manfaat untuk kehidupan, tergantung pada sifat dari sumber biogas. Umumnya, biogas dapat digunakan dalam produksi panas, produksi listrik oleh sel bahan bakar atau mikro-turbin, pembangkit combined heat and power (CHP) atau bahan bakar kendaraan, lihat Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Pemanfaatan biogas (Sumber: Al Seadi et al, 2008)

Komposisi dan sifat biogas bervariasi untuk beberapa derajat tergantung pada jenis bahan baku, sistem pencernaan, suhu, waktu retensi dan lain sebagainya. Tabel 2.1 berisi tentang beberapa nilai komposisi rata-rata biogas yang ditemukan di sebagian besar literatur. Mengingat biogas dengan kandungan metana standar 50%, nilai kalor 21 MJ/Nm³, kepadatan 1,22 kg/Nm³ dan massa yang mirip dengan udara 1,29 kg/Nm³ (Al Seadi et al, 2008:40)

Tabel 2.1 Komposisi biogas

No	Komponen	Satuan	Konsentrasi
			(a)	(b)	(c)	(d)	(e)
1	Metana (CH4)	%	50-75	40-70	50-75	55-65	55-75
2	Karbon dioksida (CO2)	%	25-45	30-60	25-40	35-45	25-45
3	Uap air (H2O)	%	2(20ºC)–7(40ºC)
4	Oksigen (O2)	ppm	< 2	-	< 2	-	0,1-0,5
5	Nitrogen (N2)	%	< 2	-	< 2	0-3	0-0,3
6	Ammonia (NH3)	%	< 1
7	Hidrogen (H2)	%	< 1	0-1	< 1	0-1	1-5
8	Hidrogen sulfida (H2S)	ppm	< 1	0-3	< 2	0-1	0-3

Sumber:  (a) Al Seadi et al. (2008); (b) Muryanto et al. (2006); (c) Hambali et al. (2007); (d) Arifin et al. (2008); (e) www.wikipedia.com/biogas. (2013)

Sebagai pembangkit tenaga listrik, energi  yang dihasilkan oleh biogas setara dengan 60-100 watt lampu selama 6 jam penerangan. Kesetaraan biogas dibandingkan dengan bahan bakar lain dapat dilihat pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Nilai kesetaraan biogas dan energi yang dihasilkan

Aplikasi	1 m3 Biogas setara dengan
1 m3 biogas	Elpiji 0,46 kg Minyak  tanah 0,62 liter Minyak solar 0,52 liter Kayu bakar 3,50 kg

Sumber : Waskito (2011)

Secara umum, biogas memiliki beberapa karakteristik seperti berikut ini pada Tabel 2.3, Tabel 2.4, dan Tabel 2.5. Sudah banyak diketahui gas metan memiliki kandungan gas seperti gas alam ada beberapa jenis dari gas alam berdasarkan dari mana asal gas tersebut. Perbedaanya terletak pada komposisi kimia, rasio elemen kimia, dan tekanan saluran bahan bakar (Deublein dan Stainhauser, 2008:53).

Tabel 2.3 Properti biogas secara umum

Composition	55-70% Methane (CH4) 30-45% Carbon dioxide (CO2) Traces of other gases
Energy content Fuel equivalent Explosion limit Ignition temperature Critical pressure Critical temperatur Normal Density Smell Molar Mass	6,0-6,5 kWh-3 0,60-0,65 L oil/m3 biogas 6-12 % biogas in air 650-750 oC (with the above-mentioned methane content) 75-89 bar -82,5 oC 1,2 kgm-3 Bad eggs (the smell of desulfurized biogas is hardly noticeable) 16.043 kg kmol-1

Tabel 2.4 Properti gas metana

		Temperatur	Pressure [bar]	Density[kgL-1]
Critical point Boiling point at 1.013 bar Triple point	-82.59 oC (190.56 K) -161.52 oC (111.63 K) -182.47 oC (90.68 K)		45.98 - 0.117	0.162 0.4226 -

Tabel 2.5 Grid-type network for the natural gas supply

Pressure Stage	Pressure [bar gauge]	Pipe Diameter [mm]	Flow Rate [Ms-1]
Low pressure - Medium pressure High pressure -	<0.03 0.03-0.1 0.1-1.0 1-16 40-120	50-600 50-600 100-400 300-600 400-1600	0.5-3.5 1-10 7-18 <20 <20

Sumber: Deublein dan Stainhauser (2008)

Komposisi biokimia dari jenis bahan baku biogas yang bervariasi mempengaruhi produksi metana secara teoritis, seperti yang tersaji pada Tabel 2.6.

Tabel 2.6 Produksi metana dari berbagai macam material

Feedstock	Methane yield [%]	Biogas yield [m3/tFF*]
Liquid cattle manure	60	25
Liquid pig manure	65	28
Distillers grains with solubles	61	40
Cattle manure	60	45
Pig manure	60	60
Poultry manure	60	80
Beet	53	88
Organic waste	61	100
Sweet sorghum	54	108
Forage beet	51	111
Grass silage	54	172
Corn silage	52	202

*FF=fresh feedstock

Sumber: Deublein dan Stainhauser (2008)

2.3 Digester Biogas

Untuk memperoleh biogas dari bahan organik, diperlukan alat yaitu digester biogas/biodigester, yang bekerja dengan prinsip menciptakan suatu tempat penampungan bahan organik pada kondisi anaerob (bebas oksigen) sehingga bahan organik tersebut dapat difermentasi oleh bakteri metanogen untuk menghasilkan biogas. Biogas yang timbul kemudian dialirkan ketempat penampungan biogas sedangkan lumpur sisa aktifitas fermentasi dikeluarkan lalu dijadikan pupuk alami yang dapat dimanfaatkan untuk usaha pertanian maupun perkebunan.

Digester biogas memiliki tiga (3) macam tipe dengan keunggulan dan kelemahannya masing-masing. Ketiga tipe biogas tersebut adalah:

1.    Tipe fixed domed plant

Terdiri dari digester yang memliki penampung gas dibagian atas digester. Ketika gas mulai timbul, gas tersebut menekan lumpur sisa fermentasi (slurry) ke bak slurry. Jika pasokan kotoran ternak terus menerus, gas yang timbul akan terus

menekan slurry hingga meluap keluar dari bak slurry. Gas yang timbul digunakan/dikeluarkan lewat pipa gas yang diberi katup/kran, lihat Gambar 2.2a.

-          Keunggulan : tidak ada bagian yang bergerak, awet (berumur panjang), dibuat di dalam tanah sehingga terlindung dari berbagai cuaca atau gangguan lain dan tidak membutuhkan ruangan (di atas tanah).

-          Kelemahan : rawan terjadi retakan di bagian penampung gas, tekanan gas tidak stabil karena tidak ada katup gas.

2. Tipe floating drum plant

Terdiri dari satu digester dan penampung gas yang bisa bergerak. Penampung gas ini akan bergerak ke atas ketika gas bertambah dan turun lagi ketika gas berkurang, seiring dengan penggunaan dan produksi gasnya, lihat Gambar 2.2b.

-          Kelebihan : konstruksi alat sederhana dan mudah dioperasikan. Tekanan gas konstan karena penampung gas yang bergerak mengikuti jumlah gas. Jumlah gas bisa dengan mudah diketahui dengan melihat naik turunnya drum.

-          Kelemahan : digester rawan korosi sehingga waktu pakai menjadi pendek.

3.  Tipe baloon plant

Konstruksi sederhana, terbuat dari plastik yang pada ujung-ujungnya dipasang pipa masuk untuk kotoran ternak dan pipa keluar peluapan slurry. Sedangkan pada bagian atas dipasang pipa keluar gas, lihat Gambar 2.2d.

-          Kelebihan : biaya pembuatan murah, mudah dibersihkan, mudah dipindahkan

-          Kelemahan : waktu pakai relatif singkat dan mudah mengalami kerusakan

(a) floating drum plant; (b) fixed dome plant; (c) fixed dome plant dengan gas holder terpisah; (d) baloon plant; (e) chanel-typed digester dengan pelindung matahari dan lapisan plastik

Gambar 2.2. Tipe digester biogas (Sumber: Kossmann and Pönitz, 2008)