2. 5. Kinetika Pembentukan Biogas
Kinetika produksi biogas menurut Budiyono et al 2010 serta Nopharatana et al 2007 dengan asumsi laju produksi biogas dalam
kondisi batch modifikasi dari model Gompertz memiliki persamaan sebagai berikut:
…………………..2 Sedangkan menurut Zweitering et al 1990 selain modifikasi model
Gompertz, bisa juga digunakan persamaan modifikasi model Logistic, dengan rumus sebagai berikut :
…………………..3 Dimana P adalah produksi biogas spesifik kumulatif mlg VS; A
adalah produksi biogas potensial ml; R
max
adalah laju produksi biogas maksimum mlg VS.day;
adalah periode phase lag waktu minimum untuk produksi biogas, hari; t adalah kumulatif waktu untuk produksi
biogas. A, dan R
max
konstanta. Pada Gambar 6 dapat dilihat bahwa dalam kondisi batch, peningkatan nilai P sangat lambat pada masa
kultivasi dari waktu 0 ke , dan peningkatan sangat tajam pada saat R
max
dan terakhir akan mengalami kondisi stabil pada nilai A.
Gambar 6. Kurva modifikasi model Gompertz Wang Wan, 2009
R
max
A
Ku m
u latif N
il ai P
Menurut Lei et al 2010 bahwa produksi biogas dari persamaan model ordo satu dapat di bandingkan dengan hasil eksperimen, dan akurasi
dihitung dengan menggunakan rumus ARD average relative difference sebagai berikut :
…………………………… 4
Dimana X
pi
adalah nilai prediksi dari model sedangkan X
ei
adalah nilai hasil eksperimen dan n adalah jumlah sampel.
2. 6. Faktor yang Berpengaruh pada Proses Fermentasi
Proses pencernaan anaerobik merupakan dasar dari reaktor biogas yaitu proses pemecahan bahan organik oleh aktivitas bakteri metanogenik
dan bakteri asidogenik pada kondisi tanpa udara. Bakteri ini secara alami terdapat dalam limbah yang mengandung bahan organik, seperti kotoran
binatang, manusia dan sampah organik rumah tangga. Proses anaerobik dapat berlangsung di bawah kondisi lingkungan yang luas walaupun
proses yang optimal hanya terjadi pada kondisi yang terbatas Haryati, 2006. Kondisi pengoperasian pada proses anaerobik dapat dilihat pada
Tabel 6. Tabel 6. Kondisi pengoperasian pada proses anaerobik
Parameter Nilai
Suhu Mesofilik
35
o
C Termofilik
54
o
C pH
7 – 8
Waktu retensi 10
– 30 hari Laju pembebanan
0.07 – 0.16 kg.VSm
3
hari Hasil Biogas
0.28 – 0.69 m
3
kg.VS Kandungan Metana
60 – 70
Sumber : Engler et al 2000 Bakteri yang terlibat dalam proses anaerobik yaitu bakteri hidrolitik
yang memecah bahan organik menjadi gula dan asam amino, bakteri fermentatif yang mengubah gula dan asam amino menjadi asam organik,
bakteri asidogenik mengubah asam organik menjadi hidrogen, karbondioksida dan asam asetat dan bakteri metanogenik yang
menghasilkan metan dari asam asetat, hidrogen dan karbondioksida. Di dalam reaktor biogas, terdapat dua jenis bakteri yang sangat berperan,
yakni bakteri asidogenik dan bakteri metanogenik. Kedua jenis bakteri ini perlu eksis dalam jumlah yang berimbang. Bakteri-bakteri ini
memanfaatkan bahan organik dan memproduksi metan dan gas lainnya dalam siklus hidupnya pada kondisi anaerob. Mereka memerlukan kondisi
tertentu dan sensitif terhadap lingkungan mikro dalam reaktor seperti temperatur, keasaman dan jumlah material organik yang akan dicerna.
Terdapat beberapa spesies metanogenik dengan berbagai karateristik Haryati, 2006.
Aktivitas metabolisme mikroorganisme penghasil metana tergantung pada faktor:
1. Temperatur Gas metana dapat diproduksi pada tiga kisaran temperatur sesuai
dengan bakteri yang hadir. Bakteri psyhrofilik 0 –7
o
C, bakteri mesofilik pada temperatur 13
–40
o
C sedangkan termofilik pada temperatur 55 – 60
o
C. Temperatur yang optimal untuk reaktor adalah temperatur 32
–35
o
C, kisaran temperatur ini mengkombinasikan kondisi terbaik untuk
pertumbuhan bakteri dan produksi metana di dalam reaktor dengan lama proses yang pendek Haryati, 2006. Bakteri metanogenik tidak aktif pada
temperatur sangat tinggi atau rendah. Temperatur optimumnya yaitu sekitar 35°C. Jika temperatur turun menjadi 10°C, produksi biogas akan
terhenti. Pengaruh kondisi temperatur terhadap laju proses anaerobik digestion disajikan pada Gambar 7.
Gambar 7. Representatif grafik suhu anaerobic digestion Juanga, 2005 Produksi biogas yang memuaskan berada pada daerah mesofilik
yaitu antara 25 –30°C. Biogas yang dihasilkan pada kondisi di luar
temperatur tersebut mempunyai kandungan karbondioksida yang lebih tinggi. Pemilihan temperatur yang digunakan juga dipengaruhi oleh
pertimbangan iklim. Untuk kestabilan proses, dipilih kisaran temperatur yang tidak terlalu lebar. Pengaruh perbedaan kondisi suhu terhadap
produksi biogas dan metana disajikan pada Tabel 7. Tabel 7. Perbedaan kondisi suhu terhadap produksi biogas dan metana
Kondisi Anaerobic
Digestion AD
Suhu Total
Biogas Total
metana Laju Biogas
Laju Metana
o
C l
L lkg
TS lkg
VS lkg
TS lkg
VS AD
basah Termofilik
Mesofilik Ambien
48.19 41.55
31.52 23.28
20.53 15.64
225.8 194.7
147.7 282.1
243.3 184.5
109.1 96.2
73.3 136.3
120.2 91.6
AD kering
Termofilik Mesofilik
Ambien 40.96
51.74 39.56
16.29 26.36
19.74 153.9
194.0 148.3
191.9 123.5
185.3 61.1
98.8 74
76.3 123.5
92.5
Sumber : Lianhua et al 2010.
2. Lama Proses Lama proses atau jumlah hari bahan terproses didalam bioreaktor.
Pada reaktor tipe aliran kontinyu, bahan akan bergerak dari inlet menuju outlet selama waktu tertentu akibat terdorong bahan segar yang
dimasukkan, setelah itu bahan akan keluar dengan sendirinya. Misalnya
apabila lama proses atau pengisian bahan ditetapkan selama 30 hari, maka bahan akan berada didalam bioreaktor atau menuju outlet selama 30 hari.
Setiap bahan mempunyai karakteristik lama proses tertentu, sebagai contoh untuk kotoran sapi diperlukan waktu 20
–30 hari. Sebagian biogas diproduksi pada 10 sampai dengan 20 hari pertama Wahyuni, 2010
Apabila terlalu banyak volume bahan yang dimasukkan overload maka akibatnya lama pengisian menjadi terlalu singkat. Bahan akan terdorong
keluar sedangkan biogas masih diproduksi dalam jumlah yang cukup banyak.
3. Derajat Keasaman pH Kegagalan proses pencernaan anaerobik dalam reaktor biogas bisa
dikarenakan tidak seimbangnya populasi bakteri metanogenik terhadap bakteri asam yang menyebabkan lingkungan menjadi sangat asam pH
kurang dari 7 yang selanjutnya menghambat kelangsungan hidup bakteri metanogenik. Kondisi keasaman yang optimal pada pencernaan anaerobik
yaitu sekitar pH 6.8 sampai 8, laju pencernaan akan menurun pada kondisi pH yang lebih tinggi atau rendah Wahyuni, 2010, sedang menurut
Nguyen 2004, kondisi optimum pH pada rentang 7.2 sampai 8.2. 4. Penghambat Nitrogen dan Ratio Carbon Nitrogen
Menurut Wahyuni 2010 dan Haryati 2006, bakteri yang terlibat dalam proses anaerobik membutuhkan beberapa elemen sesuai dengan
kebutuhan organisme hidup seperti sumber makanan dan kondisi lingkungan yang optimum. Bakteri anaerob mengkonsumsi karbon sekitar
30 kali lebih cepat dibanding nitrogen. Hubungan antara jumlah karbon dan nitrogen dinyatakan dengan rasio karbonnitrogen CN, rasio
optimum untuk reaktor anaerobik berkisar 20 - 30. Jika CN terlalu tinggi, nitrogen akan dikonsumsi dengan cepat oleh bakteri metanogen untuk
memenuhi kebutuhan pertumbuhannya dan hanya sedikit yang bereaksi dengan karbon akibatnya biogas yang dihasilnya menjadi rendah.
Sebaliknya jika CN rendah, nitrogen akan dibebaskan dan berakumulasi dalam bentuk amonia NH
4
yang dapat meningkatkan pH. Jika pH lebih
tinggi dari 8.5 akan menunjukkan pengaruh negatif pada populasi bakteri metanogen.
2. 7. Tinjauan Penelitian Terdahulu
Kategori