BAB II LANDASAN TEORI
2.1. Sejarah Biogas Sejarah awal penemuan biogas pada awalnya muncul di benua Eropa. Biogas yang merupakan hasil dari proses anaerobik digestion ditemukan seorang ilmuan 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, pada tahun 1875 dipastikan bahwa biogas merupakan produk dari proses anaerobik digestion. Selanjutnya, tahun 1884 seorang ilmuan lainnya bernama Pasteour melakukan penelitian tantang 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 II banyak petani di Inggris dan benua Eropa lainnya yang membuat digester 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 di tengah keterbatasan persediaan fosil, biogas kembali dikembangkan. Selain itu disamping persediaan bahan baku yang cukup melimpah, gas hasil dari pembakaran masyarakat
mulai
biogas sangat ramah lingkungan oleh karena itu
mengembangkan
biogas
sebagai
bahan
bakar
alternatif
(KESDM,2014).
2.2. Pengertian Biogas Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh aktifitas anaerobik atau fermentasi daribahan-bahan organik termasuk diantaranya: kotoran manusia dan hewan, limbah domestik (rumah tangga), sampah biodegradable atau setiap limbah organik yang biodegradable dalam kondisi aerobic. Kandungan utama dalam biogas adalah metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2). Metana dalam biogas jika terbakar akan relatif lebih bersih dibandingkan dengan bahan bakar lain dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi karbon dioksida yang lebih sedikit.
2.3 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. Digesti 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 (asam cuka), propionat, format, laknat, alcohol, dan sedikit butirat, gas karbondioksida, 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 karbondioksida. Bakteri
pembentuk
metan
antara
methanobacterium, dan methanosarcina.
lain
methanococcus,
2.4 Faktor-Faktor Pembentuk Biogas Proses pembentukan biogas dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu:
Temperatur/suhu Suhu udara maupun suhu didalam tangki pencerna mempunyai andil besar di dalam produksi biogas. Suhu udara secara tidak langsung mempengaruhi suhu d idalam tangki pencerna, artinya penurunan suhu udara akan menurunkan suhu di dalam tangki pencerna. Peranan suhu udara berhubungan dengan proses dekomposisi anaerobik.
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 + dan HC03-. Ion-ion ini akan menentukan besarnya pH (Nur Hidayat, 2009).
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 industry, dan sisa-sisa tanaman terkadang diberikan dengan tujuan menambah pertumbuhan di dalam digester.
Kandungan Bahan Kering Bahan dalam pembuatan biogas harus berupa bubur. Bentuk bubur ini dapat diperoleh bila bahan bakunya mempunyai kandungan air yang tinggi. Jika bahan baku dengan kadar air rendah dapat ditambahkan dengan air dengan perbandingan tertentu sesuai dengan kadar bahan kering tersebut. Bahan baku yang paling baik mengandung 7 – 9 % bahan kering. Aktifitas mikroba metan
membutuhkan 7 – 10 % bahan kering dan 90% air dari bahan untuk fermentasi. Dengan demikian isian yang mengandung 7 – 9 % bahan-bahan baku isian dicampur dengan air dengan perbandingan tertentu.
Rasio Karbon Nitrogen (C/N) Proses anaerobik akan optimal bila diberikan bahan makanan yang mengandung karbon dan nitrogen secara bersamaan. C/N ratio menunjukkan perbandingan jumlah dari kedua element tersebut. 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 optimum, bila kondisi yang lain juga mendukung. Bila terlalu banyak karbon, nitrogen akan habis terlebih dahulu. Hal ini akan menyebabkan proses berjalan dengan lambat. Bila nitrogen terlalu banyak (C/N ratio rendah; misalnya 30/15), maka karbon habis lebih dulu dan proses fermentasi berhenti.
Pengadukan Sebelum bahan isian dimasukan ke digester terlebih dahulu dilakukan pengadukan. Pengadukan. Pengadukan dilakukan untuk menyeragamkan atau menghomogenkan bahan isian. Jika tidak dilakukan pengadukan maka akan terjadi pengendapan atau pengumpalan bahan organik yang menyebabkan terhambatnya pembentukan biogas.
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.
Bahan Isian Bahan baku isian berupa bahan-bahan organic seperti kotoran, lemak, limbah pertanian, dan sampah organik rumah tangga. Bahan isian harus terhindar dari bahan organik seperti pasir, batu, beling, dan plastik. Bahan baku dalam bentuk selulosa lebih mudah dicerna oleh bakteri anaerob. Sebaliknya, pencernaan akan lebih sulit dilakukan bakteri anaerob jika bahan bakunya banyak mengandung kayu atau lignin.
2.5 Kandungan biogas Biogas adalah campuran beberapa gas. Komposisi biogas yang dihasilkan sangat tergantung pada jenis bahan baku yang digunakan. Komposisi biogas yang utama berupa gas metana (CH4) dan gas karbon dioksida (CO2) dengan sedikit hydrogen sulfide (H2S). Komponen lainnya yang di temukan dalam kisaran konsentrasi kecil antara lain senyawa sulfur organik, senyawa hidrokarbon, gas hidrogen (H2), gas nitrogen (N2), gas karbon monoksida (CO) dan gas oksigen (O2). Berikut adalah tabel komposisi utama biogas :
Tabel 2.1 Kandungan Biogas Jenis Gas
Volume (%)
Metana (CH4)
55 – 75
Karbondioksida (CO2)
25 – 45
Nitrogen (N2),
0 – 0,3
Hidrogen (H2)
1–5
Hidrogen Sulfida (H2S)
0–3
Sumber: Cecep D.S, 2012.
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 pengadukan menggunakan alat magnetic stirrer, alat ini bekerja dengan adanya medan magnet yang bergerak searah jarum jam, ada 2 komponen yang melengkapi alat ini, diantaranya magnetic fan yang berfungsi sebagai dudukan botol dan stirrer yang berfungsi sebagai pengaduk bahan baku yang ditempatkan dalam botol digester.
Pada umumnya ada dua jenis digester yang digunakan. Ke dua digester tersebut mempunyai keunggulan dan kelemahannya masing-masing. 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 karen karenaa dibangun dalam tanah terlindung dari berbagai cuaca atau gangguan lain
Adapun juga kelemahan kelem 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. Saluran masuk
Katup masuk
Pipa gas Katup control gas Digester
Saluran keluar Campuran slurry Tanah Gambar 2.1 2. Skema digester biogas jenis 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 a 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 perawat perawatan cukup mahal.
-
Umur reaktor lebih pendek dari pada fixed dome. Pipa gas
Saluran masuk
Katup masuk
Katup control gas Drum Saluran keluar Digester Campuran slurry Tanah
Gambar 2.2 S Skema digester biogas jenis floating drum.
2.7 Tekanan Gas Biogas Tekanan kanan gas dapat dihitung degan menggunakan pressure gauge digital seperti terlihat pada gambar dibawah ini :
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 : ragi tempe. Inokolum kotoran hewan sendiri adalah slurry yang diambil dari pertengahan usia proses pembentukan embentukan 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.
2.9 Jenis-Jenis Jenis Sampah Berdasarkan bahan asalnya sampah digolongkan menjadi 3 jenis yaitu: 1. Sampah Organik Sampah organik yaitu sampah yang mudah membusuk ((degradable degradable) seperti sisa makanan, sayuran, daun daun-daun kering dan sebagainya. Sampah ini dapat diolah lebih lanjut menjadi kompos. Sampah organik berasal dari mahluk hidup, baik hewan, manusia maupun tumbuhan. (Cecep D.S,2012). D.S,2012)
2. Sampah Anorganik Sampah anorganik adalah sampah yang dihasilkan dari bahan-bahan bahan non hayati. Sampah ini berasal erasal dari bahan yang bisa diperbaharui serta bahan yang berbahaya
atau beracun. Jenis sampah ini termasuk dalam kategori bisa didaur ulang misalnya bahan yang terbuat dari plastic dan logam.
3. Sampah B3 (Bahan Berbahaya Dan Beracun) Sampah B3 merupakan jenis sampah yang dikategorikan beracun dan berbahaya bagi manusia seperti kaleng bekas cat semprot atau botol minyak wangi. Namun tidak menutup kemungkinan sampah jenis ini mengandung zat-zat berbahaya lainnya.
2.10 Karakteristik Limbah Kelapa Muda Meningkatnya aktifitas perdagangan di Indonesia, menghasilkan sampah atau limbah dari sisa-sisa hasil aktifitas perdagangan. Kurangnya pemanfaatan dari limbahlimbah 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. 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.
2.11 Volume Gas Untuk menghitung volume gas yang ada dalam pressure bottle persamaan yang digunakan adalah (Daniel Nett, et.al, 2013)
=
(
)
(cm³)...……...……………………….…………………………(2.1) Keterangan: Vb
= Volume biogas (cm³)
Vpb = Volume digester – volume slurry (ml) Pb
= Tekanan dalam digester (Pa)
Ts
= Temperatur luar digester (0C)
Tb
= Temperatur dalam digester (0K)
Patm = Tekanan atmosfer (1atm = 1.103 x 10 Pa)
2.12 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 :
Total Solid (TS) = (100% - persentase moistur).......................................................(2.2) Keterangan : dengan asumsi : berat bahan baku dianggap 100 % dan Moistur = Berat air (%) Setelah didapatkan persentase total solids maka untuk mencari jumlah massa substrat yang diperlukan untuk masing-masing digester, dinyatakan dalam persamaan berikut : =
%
(
)…………………….……………………..(2.3)
Keterangan : Massa akhir (TS)
= jumlah variasi total solid (gram)
% TS
= Jumlah % nilai kering dari bahan baku.
2.13 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.
2.14 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 volatil solid yang dimasukkan ke dalam masing-masing digester dapat ditentukan dengan cara :
=
......................................................(2.4)
2.15 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 yaitu :
= %
100%………………………..…………………………(2.5) = 100%
−2%
−%
…………….…………………(2.6)
Keterangan : data total jumlah abudance kita peroleh dari hasil uji Gas Analizer.
