39
racun pada populasi bakteri metan. Rasio ideal CN untuk proses dekomposisi anaerob untuk menghasilkan metan adalah 30. Oleh karena itu, pada proses
pencampuran bahan baku diusahakan memenuhi rasio ideal. dalam tabel 2.3 berikut dapat dilihat perbandingan CN berbagai bahan organik.
Tabel 2.3. Perbandingan CN untuk Beragai Bahan Organik Sufyandi. A, 2001
Bahan Organik Perbandingan CN
Total N pada Keadaan Kering
Kotoran Hewan: a.
Ayam b.
Kuda c.
Sapi Lumpur Aktif
Rumput Kering Rumput Kering Alfafa
Jerami Serbuk Gergaji
15 25
18
6 12
17 150
200 – 500 6,3
2,8 1,7
5 4
2,8 0,5
0,1
Penggunaan limbah sebagai bahan baku biogas memerlukan metode pengumpulan, penyiapan, penanganan dan penyimpanan yang memadai.
Pemilihan metode didasarkan pada sifat dan jumlah bahan baku yang bervariasi. Sifat alami bahan baku adalah padatan, semi padatan, atau cairan. Sejalan dengan
itu sistem penanganannya harus sesuai dengan kondisi setempat.
b. Proses Anaerob
Proses penguraian oleh mikroorganisme untuk menguraikan bahan – bahan organik terjadi secara anaerob. Pada prinsipnya proses anaerob adalah proses
biologi yang berlangsung pada kondisi tanpa oksigen oleh mikroorganisme tertentu yang mampu mengubah senyawa organik menjadi metana biogas.
Proses ini banyak dikembangkan untuk mengolah kotoran hewan dan manusia atau air limbah yang kandungan bahan organiknya tinggi. Sisa pengolahan bahan
organik dalam bentuk padat digunakan untuk kompos.Secara umum, proses anaerob terdiri dari tiga tahap yaitu : hidrolisis, pembentukan asam, dan
pembentukan metana. Proses anaerob dikendalikan oleh dua golongan mikroorganisme hidrolitik dan metanogen. Bakteri hidrolitik terdapat dalam
40
jumlah yang besar dalam kotoran unggas karena reproduksinya sangat cepat. Organisme ini memecah senyawa organik kompleks menjadi senyawa yang lebih
sederhana. Senyawa sederhana diuraikan oleh bakteri penghasil asam acid forming bacteria menjadi asam lemak dengan berat molekul rendah seperti asam
asetat dan asam butirat. Selanjutnya bakteri metanogenik mengubah asam – asam tersebut menjadi metana.
Proses pembentukan biogas dapat dibagi menjadi 3 tahap sebagai berikut : 1
Tahap Hidrolisis Tahap pertama dari penguraian anaerob adalah hidrolisis yaitu
depolimerisasi atau pelarutan makromolekul substrat menjadi molekul yang lebih sederhana. Reaksi hidrolisis dilakukan oleh enzim ekstraseluler yaitu enzim
hidrolase. Pada proses ini enzim hidrolase dapat menguraikan karbohidrat, protein, dan lemak menjadi senyawa – senyawa sederhana seperti monomer gula,
asam amino, dan asam lemak rantai panjang. Bakteri yang berperan dalam proses hidrolisis diantaranya Clostridium acidiuric dan Clostridium cylindrosporum.
Proses hidrolisis merupakan proses perubahan senyawa organik tidak terlarut menjadi senyawa organik terlarut. Mikroorganisme yang berperan dalam
proses hidrolisis merupakan senyawa yang paling dominan selama proses anaerobic.
Hidrolisis merupakan tahap reaksi paling lambat untuk substrat padat sehingga merupakan tahap penentu dari reaksi anaerob. Penguraian senyawa ini
dilakukan oleh kelompaok bakteri hidrolisa seperti steptococci, bacteriodes, dan beberapa jenis enterobactericeae
2 Tahap Pembentukan Asam
Tahap pembentukan asam acidogenesis adalah proses pengubahan senyawa organik sederhana dari hasil hidrolisis dan fermetasi menjadi asam. Hasil
hidrolisis dimanfaatkan oleh bakteri pembentuk asam menjadi asam – asam organik. Bakteri jenis ini tumbuh cepat waktu regenerasi 30 menit pada
temperature 35
o
C. Asam asetat sebagai produk utama yang diubah dari glukosa
41
menghasilkan energi terbesar bagi bakteri pembentuk asam untuk pertumbuhannya. Contoh bakteri pembentuk asam adalah Clostridium
propionicum, Clostridium histolitycum, Clostridium acetobutylicum, dan Clostridium butylicum.
Bakteri pembentuk asam mengubah senyawa organik sederhana menjadi asam organik seperti asam asetat, asam propionat, asam butirat dan senyawa lain
hidrogen, karbondioksida dan air. Bakteri asetogenik mengubah asam propionat dan butirat menjadi asam, hidrogen dan karbondioksida.
3 Tahap Pembentukan Metana
Metanogenesis merupakan tahapan terakhir dan sekaligus yang paling menentukan, yakni melakukan penguraian produk dan sintetis tahap sebelumnya
untuk menghasilkan gas metana CH
4
.Metana dibentuk dari dua jalur yaitu jalur asam asetat, jalur CO
2
dan H
2
. Bakteri yang terlibat adalah bakteri asetoklastik asetoclastic methane bacteria yang bersimbiosis dengan bakteri pembentuk
asam, dengan cara mengubah asam asetat sehingga pH sistem dapat dikontrol. Bakteri pengkonsumsi hidrogen hydrogen utilysing bacteria membentuk metana
dari CO
2
dan H
2
. Proses pembentukan biogas dapat dilihat dari gambar 2.6 sebagai berikut :
Gambar 2.6. Proses pembentukan biogas Al Seadi,T. 2008
42
Adapun faktor – faktor yang mempengaruhi aktivitas mikroorganisme anaerob yaitu:
1. Temperatur
Gabungan bakteri anaerob bekerja dibawah tiga kelompok temperatur utama. Gas metana dapat diproduksi pada tiga tipe range temperatur sesuai dengan
bakteri yang hadir. Bakteri psyhrophilic 0 C – 7
C, bakteri mesophilic pada temperatur 13
C – 40 C sedangkan thermophilic pada temperatur 55
C – 60 C.
Temperatur yang optimal untuk digester adalah temperatur 30 C – 35
C, kisaran temperatur ini mengkombinasikan kondisi terbaik untuk pertumbuhan
bakteri dan produksi metan di dalam digester dengan lama proses yang pendek. Temperatur yang tinggirange thermophilic jarang digunakan karena sebagian
besar bahan sudah dicerna dengan baik pada range temperatur mesophilic, selain itu bakteri thermophilic mudah mati karena perubahan temperatur,
keluaransludge memiliki kualitas yang rendah untuk pupuk, berbau dan tidak ekonomis untuk mempertahankan pada temperatur yang tinggi, khususnya pada
iklim dingin. Bakteri mesophilic adalah bakteri yang mudah dipertahankan pada
kondisi buffer yang mantap well buffered dan dapat tetap aktif pada perubahan temperatur yang kecil, khususnya bila perubahan berjalan perlahan. Pada
temperatur yang rendah 15 C laju aktivitas bakteri sekitar setengahnya dari laju
aktivitas pada temperatur 35 C. Pada temperatur 10
C – 7 C dan di bawah
temperatur aktivitas, bakteri akan berhenti beraktifitas dan pada range ini bakteri fermentasi menjadi dorman sampai termperatur naik kembali hingga batas
aktivasi. Apabila bakteri bekerja pada temperatur 40 C produksi gas akan
berjalan dengan cepat hanya beberapa jam tetapi untuk sisa hari itu hanya akan diproduksi gas yang sedikit. Seperti halnya proses secara biologi tingkat produksi
metana berlipat untuk tiap peningkatan temperatur sebesar 10 C – 15
C. Jumlah total dari gas yang diproduksi pada jumlah bahan yang tetap, meningkat seiring
dengan meningkatnya temperatur.
43
Lebih lanjut, yang harus diperhatikan pada proses biometananisasi adalah perubahan temperatur, karena proses tersebut sangat sensitif terhadap perubahan
temperatur. Perubahan temperatur tidak boleh melebihi batas temperatur yang diijinkan. Untuk bakteri psychrophilic selang perubahan temperatur berkisar
antara 2 Cjam, bakteri mesophilic 1
Cjam dan bakteri thermophilic 0,5 Cjam.
Walaupun demikian perubahan temperatur antara siang dan malam tidak menjadi masalah besar untuk aktifitas metabolisme. Sangat penting untuk menjaga
temperatur tetap stabil apabila temperatur tersebut telah dicapai. Panas sangat penting untuk meningkatkan temperatur bahan yang masuk ke dalam biodigester
dan untuk mengganti kehilangan panas dari permukaan biodigester. Kehilangan panas pada biodigester dapat diatasi dengan meminimalkan kehilangan panas dari
bahan. 2.
Nilai pH Derajat keasaman memiliki efek terhadap aktivasi biologi dan
mempertahankan pH agar stabil penting untuk semua kehidupan. Kebanyakan dari proses kehidupan memiliki kisaran pH antara 5 – 9. Nilai pH yang dibutuhkan
untuk digester antara 7 – 8.5. Bila proses tidak dimulai dengan membibitkan bakteri metan, seperti memasukkan kotoran hewan ke dalam kolam, kondisi buffer
tidak akan tercipta dan perubahan yang terjadi adalah : selama tahap awal dari proses sekitar 2 minggu, pH akan turun hingga 6, atau lebih rendah, ketika
sejumlah CO
2
diberikan. Hal ini akan terjadi selama 3 bulan dengan penurunan keasaman yang lambat 6 bulan pada cuaca yang dingin selama waktu itu ikatan
asam volatile terbentuk. Seperti pada pencernaan, karbondioksida dan metana diproduksi dan pH perlahan meningkat hingga 7. Ketika campuran menjadi
berkurang keasamannya maka fermentasi metanlah yang mengambil alih proses pencernaan. Sehingga nilai pH meningkat di atas netral hingga 7.5 – 8.5. Setelah
itu campuran menjadi buffer yang mantap well buffered, dimana bila dimasukkan asambasa dalam jumlah yang banyak, campuran akan stabil dengan
sendirinya pada pH 7.5 – 8.5. Pertumbuhan bakteri penghasil gas metana akan baik bila pH bahannya pada keadaan alkali basa. Bila proses fermentasi
berlangsung dalam keadaan normal dan anaerobik, maka pH akan secara otomatis
44
berkisar antara 7 – 8.5. Bila derajat keasaman lebih kecil atau lebih besar dari batas, maka bahan tersebut akan mempunyai sifat toksik terhadap bakteri
metanogenik. 3. Nutrisi
Bakteri anaerobik membutuhkan nutrisi sebagai sumber energi yang mengandung nitrogen, fosfor, magnesium, natrium, 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 industri dan sisa – sisa tanaman terkadang
diberikan dengan tujuan menambah pertumbuhan di dalam digester. Walaupun demikian kekurangan bukan merupakan masalah bagi mayoritas bahan, karena
biasanya bahan memberikan jumlah nutrisi yang mencukupi. Nutrisi yang penting bagi pertumbuhan bakteri, dapat bersifat toksik apabila konsentrasi di dalam
bahan terlalu banyak. Pada kasus nitrogen berlebihan, sangat penting untuk mempertahankan pada level yang optimal untuk mencapai digester yang baik
tanpa adanya efek toksik. 4. Ion Kuat dan Salinitas
Salinitas kandungan garam NaCl 0.2M dilaporkan memiliki pengaruh yang minimal terhadap populasi metanogenik, namun salinitas yang lebih besar
dapat bersifat inhibitor. 5. Keracunan dan Hambatan
Keracunan toxicity dan hambatan inhibition proses anaerob dapat disebabkan oleh berbagai hal, misalnya produk antara asam lemak mudah
menguap volatile yang dapat mempengaruhi pH. Pertumbuhan mikroba metanogenik terbatas jika jumlah asam lemaknya berlebihan. Amonia, hidrogen
sulfida dan asam lemak volatil berasal dari reduksi nitrat oleh bakteri yang juga dapat membentuk asam lemah dan basa lemah pada sistem penyangga buffer.
45
Zat- zat penghambat lain terhadap aktivitas mikroorganisme pada proses anaerob diantaranya kandungan logan berat sianida.
6. Faktor Konsentrasi Padatan dan Pencampuran Substrat Konsentrasi ideal padatan untuk memproduksi biogas adalah 7 – 9
kandungan kering. Kondisi ini dapat membuat proses digester anaerob berjalan dengan baik.
Walaupun tidak ada informasi yang pasti, mobilitas bakteri metanogen di dalam bahan secara berangsur – angsur dihalangi oleh peningkatan kandungan
padatan yang berakibat terhambatnya pembentukan biogas. Selain itu yang terpenting untuk proses fermentasi yang baik diperlukan pencampuran bahan yang
baik akan menjamin proses fermentasi yang stabil di dalam pencerna. Hal yang paling penting dalam pencampuran bahan adalah :
a Menghilangkan unsur – unsur hasil metabolisme berupa gas metabolites yang dihasilkan oleh bakteri metanogen ;
b Mencampurkan bahan segar dengan populasi bakteri agar proses fermentasi merata ;
c Menyeragamkan temperatur di seluruh bagian pencerna ; d Menyeragamkan kerapatan sebaran populasi bakteri ;
e Mencegah ruang kosong pada campuran bahan.
2.6. 3. Faktor –faktor yang Mempengaruhi Produksi Biogas