BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sejarah Biogas Sejarah awal penemuan biogas pada awalnya muncul di benua Eropa. Biogas adalah hasil dari proses anaerobik digestion Ditemukan seorang ilmuwan bernama Alessandro Volta yang melakukan penelitian terhadap gas yang dikeluarkan rawa – rawa pada tahun 1770. Gas dari rawa tersebut teridentifikasi sebagai gas methana. Pada perkembangannya tahun 1875 dipastikan bahwa biogas merupakan produk dari proses anaerobik digestion. Selanjutnya, tahun 1884 seorang ilmuwan lainnya bernama Pasteor melakukan penelitian tentang biogas menggunakan mediasi kotoran hewan. Perkembangan biogas mengalami pasang surut, seperti pada akhir abad ke-19 tercatat jerman dan perancis memanfaatkan limbah pertanian menjadi beberapa unit pembangkit yang berasal dari biogas. Selama perang dunia kedua banyak petani di Inggris dan benua Eropa lainnya yang membuat digister kecil untuk menghasilkan biogas, namun dalam perkembangannya karena harga BBM semakin murah dan mudah diperoleh, pada tahun 1950-an pemakaian biogas di Eropa mulai ditinggalkan, dan pada saat ini ditengah keterbasaan persediaan fosil, biogas kembali dikembangkan. Selain itu disamping persediaan bahan baku yang cukup melimpah, gas hasil dari pembakaran biogas sangat ramah lingkungan oleh karena itu masyarakat mulai mengembangkan biogas sebagai bahan bakar alternatif (KESDM, 2014). 2.2 Proses Pembentukan Biogas Biogas dihasilkan dari proses pembusukan dari limbah organik dengan bantuan bakteri dalam keadaan anaerob. Limbah organik dapat berupa kotoran binatang, manusia, dan sampah organik rumah tangga. Proses bahan organik ini dilakukan oleh mikroorganisme dalam proses fermentasi (Haryati, 2006). Ada tiga tahap dalam proses kerja bakteri ini, yaitu: Pemecahan polimer (hidrolisis)
12
Embed
BAB II LANDASAN TEORI - sinta.unud.ac.id II.pdfSejarah awal penemuan biogas pada awalnya muncul di benua ... - Bakteri penghasil metan (Metanogen), ... Bakteri Psyhripilic dapat hidup
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Sejarah Biogas
Sejarah awal penemuan biogas pada awalnya muncul di benua Eropa. Biogas adalah
hasil dari proses anaerobik digestion Ditemukan seorang ilmuwan bernama Alessandro Volta
yang melakukan penelitian terhadap gas yang dikeluarkan rawa – rawa pada tahun 1770. Gas
dari rawa tersebut teridentifikasi sebagai gas methana. Pada perkembangannya tahun 1875
dipastikan bahwa biogas merupakan produk dari proses anaerobik digestion. Selanjutnya,
tahun 1884 seorang ilmuwan lainnya bernama Pasteor melakukan penelitian tentang biogas
menggunakan mediasi kotoran hewan. Perkembangan biogas mengalami pasang surut, seperti
pada akhir abad ke-19 tercatat jerman dan perancis memanfaatkan limbah pertanian menjadi
beberapa unit pembangkit yang berasal dari biogas. Selama perang dunia kedua banyak
petani di Inggris dan benua Eropa lainnya yang membuat digister kecil untuk menghasilkan
biogas, namun dalam perkembangannya karena harga BBM semakin murah dan mudah
diperoleh, pada tahun 1950-an pemakaian biogas di Eropa mulai ditinggalkan, dan pada saat
ini ditengah keterbasaan persediaan fosil, biogas kembali dikembangkan. Selain itu
disamping persediaan bahan baku yang cukup melimpah, gas hasil dari pembakaran biogas
sangat ramah lingkungan oleh karena itu masyarakat mulai mengembangkan biogas sebagai
bahan bakar alternatif (KESDM, 2014).
2.2 Proses Pembentukan Biogas
Biogas dihasilkan dari proses pembusukan dari limbah organik dengan bantuan
bakteri dalam keadaan anaerob. Limbah organik dapat berupa kotoran binatang, manusia, dan
sampah organik rumah tangga. Proses bahan organik ini dilakukan oleh mikroorganisme
dalam proses fermentasi (Haryati, 2006). Ada tiga tahap dalam proses kerja bakteri ini, yaitu:
Pemecahan polimer (hidrolisis)
Pada tahap hidrolisis ini terjadi pelarutan bahan-bahan organik mudah larut dan
pencernaan bahan organik yang komplek menjadi sederhana , perubahan struktur
bentuk primer menjadi bentuk monomer. Komponen organik sederhana yang larut
dalam air digunakan oleh bakteri pembentuk asam. Pada fase ini mengubah protein
menjadi asam amino, karbohidrat menjadi gula sederhana, dan lemak menjadi asam
lemak rantai panjang. Laju hidrolisis tergantung pada jumlah substrat yang tersedia
dan konsentrasi bakteri serta faktor lingkungan seperti suhu dan pH.
Pembentukan asam (asidogenesis)
Pada tahap pengasaman ini komponen monomer (gula sederhana) yang terbentuk
pada tahap hidrolisis akan menjadi bahan makanan bagi bakteri pembentuk asam.
Produk akhir dari gula-gula sederhana pada tahap ini akan dihasilkan asam asetat,
propionat, format, laknat, alcohol, dan sedikit butirat, gas karbon dioksida, hydrogen,
dan ammonia.
Pembentukan metan (metanogenesis)
Bakteri-bakteri anaerob yang berperan dalam ketiga fase diatas terdiri dari:
- Bakteri pembentuk asam (Acidogenic Bacteria) yang merombak senyawa
organik menjadi senyawa yang lebih sederhana, yaitu berupa asam organik,
CO2, H2, H2S.
- Bakteri pembentuk asetat (Acetogenic Bacteria), yang merubah asam organik,
dan senyawa netral yang lebih besar dari methanol menjadi asetat dan
hydrogen.
- Bakteri penghasil metan (Metanogen), yang berperan dalam merubah asam-
asam lemak dan alcohol menjadi metan dan karbon dioksida. Bakteri
pembentuk metan antara lain methanococcus, methanobacterium, dan
methanosarcina.
2.3 Faktor-faktor yang mempengaruhi pembentukan biogas
Banyak faktor yang berpengaruh dalam keberhasilan pembentukan biogas,
diantaranya:
Temperatur
Gas metana diproduksi pada tiga tingkat temperatur sesuai dengan bakteri yang
tumbuh. Bakteri Psyhripilic dapat hidup pada suhu 0 - 7°C, Bakteri mesophilic dapat
hidup pada temperatur 13 - 40°C, sedangkan bakteri termophilik adalah bakteri ysng
berkembang pada suhu tinggi. Mampu hidup dan tumbuh pada tempratur 55 – 60°C.
Suhu yang baik pada proses fermentasi adalah 30°C sampai kira-kira 55°C. Menurut
teori, pada suhu yang lebih tinggi kecepatan produksi biogas akan lebih besar.
Waktu retensi
Faktor lain yang perlu diperhatikan yaitu waktu retensi, faktor ini sangat
dipengaruhi oleh temperatur, pengenceran, laju pengadukan bahan dan lain
sebagainya. Pada temperatur yang tinggi laju fermentasi berlangsung dengan cepat,
dan menurunkan waktu proses yang diperlukan. Pada kondisi normal fermentasi
kotoran berlangsung antara dua sampai empat minggu.
Derajat keasaman (pH)
Peranan pH berhubungan dengan media untuk aktifitas mikroorganisme. Bakteri-
bakteri anaerob membutuhkan pH optimal antara 6,2 – 7,6, tetapi yang baik adalah
6,6 – 7,5. Tangki pencerna dapat dikatakan stabil apabila larutannya mempunyai pH
7,5 – 8,5. Batas bawah pH adalah 6,2, dibawah pH tersebut larutannya sudah toxic,
maksudnya bakteri pembentuk biogas tidak aktif. Pengontrolan pH secara ilmiah
dilakukan oleh ion NH4. Ion-ion ini akan menentukan besarnya pH (Nur Hidayat,
2009).
Kandungan bahan kering
Bahan isian untuk pembuatan biogas 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 ke dalamnya dengan perbandingan tertentu sesuai dengan kadar
bahan kering bahan tersebut. Bahan baku yang paling baik mengandung 7-9% bahan
kering. Ternyata kotoran masing-masing jenis ternak mempunyai kandungan bahan
kering yang berbeda-beda. Perbedaan bahan kering yang di kandung berbagai macam
kotoran ternak akan membuat penambahan air yang berlainan. Setiap kotoran atau
bahan baku akan berbeda sifat pengencerannya. Kotoran sapi segar misalnya,
mempunyai kadar bahan kering 18%. Agar diperoleh kandungan bahan isian sebesar
7-9% bahan kering, maka bahan baku tersebut perlu diencerkan dengann air
mencakup berbandingan 1:1 (bahan baku:air). Adonan tersebut lalu diaduk sampai
campuran rata.
Bahan isian
Bahan baku isian berupa bahan organik seperti kotoran ternak, limbah pertanian, sisa
dapur dan sampah limbah kelapa muda. Bahan isian harus terhindar dari bahan
anorganik seperti pasir, batu, beling, dan plastik. Bahan baku dalam bentuk selulosa
lebih mudah dicerna oleh bakteri anaerobik. Sebaliknya, pencernaan akan lebih sukar
dilakukan bakteri anaerob jika bahan bakunya banyak mengandung kayu atau lignin.
Pengadukan
Proses pengadukan akan sangat menguntungkan karena apabila tidak diaduk solid
akan mengendap pada dasar tangki dan akan terbentuk busa pada permukaan yang
akan menyulitkan keluarnya gas. Masalah tersebut terjadi lebih besar pada proses
yang menggunakan bahan baku limbah sayuran dibandingkan yang menggunakan
kotoran ternak. Pada sistem kontinyu masalah ini lebih kecil karena pada saat bahan
baku dimasukkan akan memecahkan busa pada permukaan seolah-olah terjadi
pengadukan.
Rasio Karbon Nitrogen
Unsur nitrogen adalah unsur yang paling penting, disamping adanya selulosa sebagai
sumber karbon. Bakteri penghasil metana menggunakan karbon 30 kali lebih cepat
daripada nitrogen. Pada bahan yang memiliki jumlah karbon 15 kali dari jumlah
nitrogen akan memiliki C/N ratio 15 berbanding 1, C/N ratio dengan nilai 30 (C/N =
30/1 atau karbon 30 kali dari jumlah nitrogen) akan menciptakan proses pencernaan
pada tingkat yang optimal, bila kondisi yang lain juga mendukung.
Kandungan Air
Bentuk bubur hanya dapat diperoleh apabila bahan yang dihancurkan mempunyai
kandungan air yang tinggi. Apabila sampah tersebut memiliki kandungan air yang
sedikit maka bisa ditambahkan air supaya pembentukan biogas bisa optimal.
2.4 Habitat Mikroorganisme Termopilik
Termopilik adalah bakteri yang tumbuh optimal pada suhu yang lebih tinggi dari
45°C. Habitat bakteri ini adalah pada tempat-tempat yang mempunyai kondisi lingkungan
yang panas, dapat hidup dan berkembang biak pada lingkungan suhu yang ekstrim. Beberapa
habitat yang ekstrim bagi bakteri termopilik diantaranya adalah sumber air panas, kawah
gunung berapi. Bakteri termopilik pertama kali ditemukan oleh Thomas brock pada tahun
1960 di daerah sumber air panas Yellow stone. Bakteri termopilik dapat tumbuh dengan suhu
antara 45-80°C, Tetapi beberapa bakteri termopilik dapat disebut hipertermofil tumbuh antara
kisaran suhu 80-110°C (K Heny Dwi, 2012).
2.5. Kandungan Gas
Biogas adalah campuran beberapa gas, tergolong bahan bakar gas yang merupakan
hasil fermentasi dari bahan organik dalam kondisi anaerob, dan gas yang dominan adalah gas
metan (CH4) dan gas karbondioksida (CO2). Kotoran hewan seperti kerbau, sapi, babi dan
ayam telah diteliti untuk diproses dalam alat penghasil biogas dan hasil yang diperoleh
memuaskan.Perbandingan kisaran komposisi gas dalam biogas antara kotoran sapi dan
campuran kotoran ternak dengan sisa pertanian dapat dilihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Komposisi gas dalam biogas (%) antara kotoran sapi dan campuran kotoran ternak
dengan sisa pertanian
Jenis Gas Kotoran Sapi
(%)
Campuran Kotoran ternak dan sisa
pertanian (%)
Metan (CH4) 65,7 54-70
Karbodioksida (CO2) 27,0 27-45
Nitrogen (N2) 2,3 0,5-3,0
Karbonmonoksida (CO) 0,0 0,1
Oksigen (O2) 0,1 6,0
Propen (C3H8) 0,7 -
Hidrogen Sulfida (H2S) Tidak terukur Sedikit sekali
Nilai Kalor (kkal/m3) 6.513 4.800-6.700
Sumber : (Harahap dkk, 1978 )
2.6 Reaktor Biogas
Untuk memperoleh biogas dari bahan organik, diperlukan alat yaitu digester
Biogas/Biodigester, yang bekerja dengan prinsip menciptakan suatu tempat penampungan
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. Untuk proses pengkondisian
termopilik maka dibuatkan tiga box termopilik yang terbuat dari bahan triplek dengan variasi
suhu 40°C, 45°C, 50°C. kemudian dilakukan dengan menambahkan kapsul termostat untuk
mengatur suhu dan dua buah bola lampu pijar di masing – masing kotak pemanas. Untuk
mengecek temperatur di dalam box termopilik diberikanlah sebuah termometer di masing –
masing kotak pemanas. Pada umumnya ada dua jenis digester yang digunakan. Kedua
digester tersebut mempunyai keunggulan dan kelemahannya masing-masing. Kedua jenis
digester tersebut sebagai berikut:
Fixed Domed Plant
Terdiri dari digester yang memiliki penampung gas dibagian atas digester. Ketika
gas mulai timbul, gas tersebut menekan lumpur sisa fermentasi ke bak slurry. Jika
pasokan kotoran ternak terus menerus, gas yang timbul akan menekan slurry hingga
meluap ke bak slurry. Gas yang timbul digunakan/dikeluarkan lewat pipa gas yang
diberi katup/keran.
Adapun keunggulan dari digester ini adalah:
- Dapat berumur panjang (awet)
- Tidak ada bagian yang bergerak
- Tidak membutuhkan ruangan
- Menghemat tempat karena dibangun dalam tanah terlindung dari berbagai
cuaca atau gangguan lain
Adapun juga kelemahan dari digester ini adalah:
- Suhu dalam reaktor relatif dingin.
- Bila terjadi sedikit kebocoran pada reaktor akan mengakibatkan kehilangan
gas yang cukup besar sehingga dibutuhkan pembuat reaktor yang telah
terlatih.
- Tekanan gas berfluktuasi tergantung dari gas yang dihasilkan.
Gambar 2.1 Skema Digester Biogas Tipe Fixed Dome
Floating Drum Plant
Terdiri dari satu digester dan penampung gas yang bisa bergerak. Penampung gas
ini akan bergerak keatas ketika gas bertambah dan turun lagi ketika gas berkurang
seiring dengan penggunaan dan produksi gasnya.
Adapun kelebihan dari digester jenis ini adalah:
- Kontruksi alat sederhana dan mudah dioprasikan
- Jumlah gas bisa diketahui dengan melihat naik turunnya drum
- Tekanan gas konstan karena penampung gas yang bergerak mengikuti jumlah
gas
Adapun kekurangan dari digester jenis ini adalah:
- Korosi pada drum.
- Biaya perawatan cukup mahal.
- Umur reaktor lebih pendek dari pada fixed dome.
Katup control gas
Digester
Saluran keluar
Campuran slurry
Tanah
Saluran masuk Katup masuk Pipa Gas
Gambar 2.2 Skema Digester Biogas Tipe Floating Drum
2.7 Alat Ukur Tekanan Biogas
Tekanan gas dapat dihitung degan menggunakan pressure gauge digital seperti terlihat pada
gambar 2.3:
Gambar 2.3 Pressure Gauge Digital
2.8 Inokulum
Inokulum adalah sediaan yang mengandung jasad renik tertentu yang memiliki
kegiatan/ sifat yang khas untuk dibiakkan pada suatu media atau bahan tertentu. Inokolum
kotoran hewan sendiri adalah slurry yang diambil dari pertengahan usia proses pembentukan
biogas dengan bahan baku kotoran sapi. Pemilihan usia dipertengahan proses dikarenakan
pada usia ini slurry dianggap telah memiliki kandungan bakteri pembentuk biogas yang
lengkap, dan diharapkan inokulum ini mampu berkembang biak pada slurry yang kita
inginkan.
Saluran keluar
Digester
Campuran slurry
Tanah
Saluran masuk Katup masuk
Pipa Gas
Katup kontrol gas
2.9 Karakteristik Limbah Kelapa Muda
Meningkatnya aktifitas perdagangan di Indonesia, menghasilkan sampah atau limbah
dari sisa-sisa hasil aktifitas perdagangan. Kurangnya pemanfaatan dari limbah-limbah yang
dihasilkan, membuat tumpukan sampah dengan skala yang lumayan besar. Berbagai jenis
sampah seperti; sampah organik dan non organik bisa kita jumpai dimana-mana.
Salah satu jenis sampah yang pemanfaatannya masih kurang di Indonesia adalah
limbah kelapa muda. Dengan tingkat produksi kelapa muda yang cukup besar di Indonesia,
tentu akan mengahsilkan sampah atau limbah kelapa muda dengan skala yang cukup besar.
Kelapa muda tentu sangat digemari di kalangan masyrakat.
Pemanfaatan limbah kelapa muda saat ini masih sebatas diolah menjadi briket, arang,
kompos atau kerajinan lainnya. Meskipun limbah kelapa muda tergolong bahan sampah
organik, untuk menjadi kompos juga jelas kurang efisien. Karena sifat bahan yang sudah
keras dan tidak mudah terurai oleh mikroorganisme. Limbah kelapa muda lebih banyak di
buang begitu saja oleh pedagang tersebut, karena limbah kelapa muda tersebut tidak
memungkinkan untuk dibuang di tempat sampah karena dari sisi berat dan ukurannya
memerlukan ruang tersendiri. Dengan permasalahan tersebut, pedagang juga ternyata
mempunyai solusi untuk mengurangi limbah kelapa muda yang menumpuk dengan
bekerjasama dengan pemasok kelapa muda untuk mengambil limbah tersebut. (Larasati.
Dwinita, 2007).
Dari sekian alternatif, limbah kelapa muda sangat berpotensi untuk diolah menjadi
bahan baku biogas yang ramah lingkungan sebagai energi terbarukan alternatif. Penelitian ini
akan mengembangkan potensi tersebut sebagai salah satu sumber bahan baku alternatif dan
campuran kotoran hewan hanya digunakan sebagai stater (bakteri organik) dalam
pembentukan biogas.
2.10. Volume Gas
Perhitungan untuk memperoleh nilai Volume gas dapat dicari dengan menggunakan
persamaan ( Daniel., et., all, 2013) :
( ) (c )...…...………………………………………………(2.1)
Keterangan:
Vb = Volume biogas (c )
Vpb = Volume digester – volume slurry (c )
Pb = Tekanan dalam digester (Pa)
Ts = Temperatur luar digester (0C)
Tb = Temperatur dalam digester ( 2730K)
Patm = Tekanan atmosfer (1atm = 1.103 x 1 Pa)
2.11 Total Solid (TS)
Total solid adalah jumlah % nilai kering dari bahan baku. Pencarian nilai dry matter
bertujuan untuk mengetahui kadar air dari suatu bahan organik. Total solid dapat dicari
dengan cara memanaskan bahan bahan baku menggunakan alat yaitu TGA 701.setelah
didapatkan data moisture pada TGA maka persentase TS dicari menggunakan persamaan
berikut (Arnata. Made, 2013):
( )
Keterangan :
dengan asumsi : berat bahan baku dianggap 100 % dan
Moisture = Berat air (%)
Setelah didapatkan persentase total solids maka untuk mencari jumlah massa substrat yang
diperlukan untuk masing-masing digester, dinyatakan dalam persamaan berikut:
( ) ( )
( )
Keterangan :
Massa akhir (TS) = jumlah variasi total solid (gram)
% TS = Jumlah % nilai kering dari bahan baku.
2.12 Volatil Solid (VS)
Volatil solid adalah kandungan organik yang terkandung di dalam suatu bahan.Volatil solid
dapat dicari dengan memanaskan suatu bahan dengan menggunakan alat TGA, persentase
Volatil Solid tertera pada komputer, setelah di analisis oleh sistem
2.13 Volume Spesifik Biogas
Volume spesifik biogas berfungsi untuk mengetahui berapa liter biogas yang
dihasilkan per kg TS. Volume spesifik biogas merupakan perbandingan jumlah biogas yang
dihasilkan dengan satuan berat Total solids yang dimasukkan ke dalam masing-masing
digester dapat ditentukan dengan cara (Arnata. Made, 2013) :
( )
2.14 Menghitung CH4 Dan CO2
Untuk menghitung CH4 Dan CO2 pada biogas dan mengetahui hasil persentase gas
CH4 dan CO2 pada masing-masing digester serta mengetahui digester yang paling banyak
menghasilkan gas metana (CH4), dapat kita cari dengan persamaan sebagai berikut, (Arnata.
Made, 2013) yaitu :
...................……………………………(2.5)
………………………………..(2.6)
Keterangan : data total jumlah abudance kita peroleh dari hasil uji Gas Analizer
2.13 Jenis-jenis Sampah
Sampah adalah material sisa yang tidak diinginkan setelah berakhirnya suatu proses.
Sampah dapat dibagi menurut jenis-jenisnya.
Jenis-jenis sampah diantaranya :
Berdasarkan sifatnya, sampah terdiri dari :
Sampah organik adalah sampah yang mudah sekali membusuk (degradable)
seperti sisa makanan, buah-buahan, daun kering, sayuran dan lain-lain. Sampah ini
dapat diolah kembali menjadi pupuk kompos
Sampah anorganik adalah sampah yang tidak mudah membusuk (undergradable)
contohnya seperti sampah plastik, botol minuman plastik, kertas, kayu, kaleng dan
sebagainya. Sampah jenis ini dapat dijadikan sampah komersil atau sampah yang
bisa dijual untuk dijadikan produk lainnya
Berdasarkan bentuknya, sampah terdiri dari :
Sampah padat adalah segala bahan buangan selain kotoran manusia, urine dan
sampah cair. Dapat berupa sampah rumah tangga diantaranya sampah dapur,
plastik, metal dan gelas
Sampah cair adalah bahan cair yang sudah digunakan dantidak diperlukan lagi dan
dibuang ke tempat pembuangan sampah. Sampah ini terdiri dari limbah hitam
yang dihasilkan dari toilet. Sampah ini mengandung patogen yang berbahaya.
Limbah rumah tangga adalah limbah cair yang dihasilak dari dapur, kamar mandi
dan tempat cucian. Sampah ini mungkin mengandung patogen. (Wikipedia, 2014)