19 Gambar 2.1 Diagram Alir dari Proses Pembentukan Biogas [35]
2.4 TAHAPAN METABOLISME DALAM DEGRADASI ANAEROBIK
Umumnya, perombakan bahan organik dikelompokkan dalam empat tahapan proses, pertama bakteri fermentatif menghidrolisis senyawa polimer
menjadi senyawa sederhana yang bersifat terlarut. Kedua, monomer dan oligomer dirombak menjadi asam asetat, H
2
, CO
2
, asam lemak rantai pendek dan alkohol, tahap ini disebut asidogenesis. Ketiga, disebut fasa non metanogenik yang
menghasilkan asam asetat, CO
2
, dan H
2
. Keempat, pengubahan senyawa-senyawa tersebut menjadi gas metana oleh bakteri metanogenik [4]. Berikut akan diuraikan
tahapan-tahapan dalam fermentasi anaerobik:
2.4.1 Hidrolisis
Hidrolisis merupakan proses ekstraselular dimana partikulat organik dipecah menjadi oligomer dan monomer terlarut. Tahap ini merupakan tahapan
yang penting untuk proses fermentasi, karena bakteri fermentatif tidak dapat menyerap bahan polimer kompleks secara langsung ke dalam selnya. Berikut
adalah beberapa jenis enzim dan substrat yang didegradasinya.
8QLYHUVLWDV6 XPDWHUD8WDUD
20 Tabel 2.8 Jenis Enzim dan Substrat yang Didegradasinya [35, 38]
Jenis Enzim Substrat
Selulase, selobiase, xylanse Polisakarida Monosakarida
Protease Protein Asam amino
Lipase Lemak Asam lemak dan gliserol
Dalam proses hidrolisis, peningkatan alkalinitas larutan dapat terjadi seiring dengan bertambahnya jumlah NH
3
terbentuk dalam hidrolisis protein dengan reaksi sebagai berikut :
R-CHNH
2
COOH + 2 H
2
O → R-COOH + NH
3
+ CO
2
+ 2H
2
Protein asam amino
Peningkatan produksi CO
2
selanjutnya akan membuat konsentrasi alkalinitas bikarbonat HCO
3 -
menjadi lebih tinggi sehingga alkalinitas cairan dalam bioreaktor meningkat seperti terlihat di persamaan berikut :
NH
3
+ H
2
O + CO
2
→ NH
4
+ + HCO
3
- Besar nilai laju hidrolisis akan tergantung kepada jenis dan konsentrasi
substrat, pH dan temperatur. Laju tahapan hidrolisis akan menjadi menurun pada operasi anaerobic digestion limbah berkadar organik tersuspensi tinggi [36].
Proses hidrolisis mempunyai beberapa tahapan, seperti produksi enzim, adsorpsi difusi, reaksi, dan tahap deaktivasi enzim. Laju hidrolisis keseluruhan
bergantung pada ukuran bahan organik, bentuk, luas permukaan, konsentrasi biomassa, produksi enzim, dan adsorpsi [35].
2.4.2 Asidogenesis
Asidogenesis merupakan tahap kedua di dalam proses dimana bakteri mentransformasi asam yang merupakan momomer dan memproduksi produk hasil
fermentasi di tahap pertama, menjadi asam asetat CH
3
COOH, hidrogen H
2
, dan karbondioksida CO
2
. Bakteri yang hidup pada tahap ini adalah fakultatif anaerobik yang hidup dalam lingkungan yang asam. Dengan ini, lingkungan yang
anaerobik dapat membuat bakteri memproduksi asam, dimana sangat vital untuk mikroorganisme yang memproduksi metan. Selanjutnya bakteri penghasil asam
juga mereduksi senyawa berberat molekul rendah menjadi asam organik, alkohol,
8QLYHUVLWDV6 XPDWHUD8WDUD
21 asam amino, karbondioksida, metan dan H
2
S. Asam yang utama diproduksi pada tahap ini adalah asam asetat, asam propionat, dan asam butirat, yang selanjutnya
juga memproduksi etanol [37]. Tabel 2.9 Contoh Produk Fermentasi Glukosa [35]
Produk Reaksi
Asetat C
6
H
12
O
6
+ H
2
O 2CH
3
COOH + 2CO
2
+4H
2
Propionat + Asetat 3C
6
H
12
O
6
4CH
3
CH
2
COOH +2CH
3
COOH 2CO
2
+4H
2
Butirat C
6
H
12
O
6
CH
3
CH
2
CH
2
COOH+ 2CO
2
+4H
2
Laktat C
6
H
12
O
6
2CH
3
CHOHCOOH Etanol
C
6
H
12
O
6
2CH
3
CH
2
OH + 2CO
2
Selama asidogenesis, produk dari hidrolisis dikonversi oleh bakteri acidogenic fermentative menjadi substrat pada tahap metanogenesis. Gula
sederhana, asam amino, dan asam lemak didegradasi menjadi asetat, karbondioksida, dan hidrogen 70 sebagai Volatile Fatty Acid VFA dan
alkohol 30 [38]. Konsentrasi total asam volatil terbentuk dapat meningkat dengan adanya kenaikan nilai pembebanan organik dan keberadaan toksik.
Penurunan pH berlangsung cepat seiring terjadinya konversi senyawa organik menjadi asam lemak volatil. Penurunan pH berlanjut tidak diinginkan sebab dapat
mengakibatkan terjadinya peningkatan terhadap kadar COD efluent dan HRT sistem fermentasi anaerobik diperlukan.
Tingginya kadar alkalinitas cairan di dalam sistem fermentasi anaerobik diperlukan untuk meningkatkan kemampuan netralisasi terhadap asam lemak
volatil yang dihasilkan untuk mencegah terjadinya penuruna pH drastis yang bersifat menghambat aktivitas metanogen. Alkalinitas bikarbonat sebaiknya dijaga
pada kisaran nilai 2,5-5. Konsentrasi alkalinitas dalam digester diketahui
merupakan fungsi jumlah protein dalam substrat, laju pemecahan ammonia dan HRT. Jika alkalinitas tidak tersedia cukup dalam substrat, maka dapat dilakukan
pengurangan laju pembebanan organik atau penambahan bahan kimia. Penambahan senyawa kimia seperti CaOH
2
dan Na
2
CO
3
dapat dilakukan untuk meningkatkan nilai pH dan alkalinitas larutan perlu dilakukan pada substrat
8QLYHUVLWDV6 XPDWHUD8WDUD
22 dengan kadar alkalinitas di bawah 1000 mgL CaCO
3
. Peningkatan nilai alkalinitas akan menghasilkan peningkatan laju metanogenesis yang selanjutnya
berakibat pada perbaikan dalam reduksi COD [36].
2.4.3 Asetogenesis
Kategori