2.4 Proses Pembentukan Biogas
Pembentukan biogas melalui tiga tahapan proses penting yang masing- masing tahapan didominasi oleh jenis bakteri pengurai yang berbeda. Masing-
masing tahapan diuraikan sebagai berikut:
1. Tahap Pertama:
Pemecahan polimer melalui hidrolisis dan fermentasi. Kelompok
mikroorganisme fakultatif
berperan dalam pemecahan substrat organik. Dengan enzim hidrolitik, polimer dikonversi menjadi monomer sehingga
larut dan dapat dijadikan sebagai substrat bagi mikroorganisme berikutnya. Kotoran hewan merupakan senyawa organik yang terdiri dari berbagai komponen
terutama karbohidrat, dengan beberapa lipid, protein, dan bahan anorganik. Sebagian besar karbohidrat selulosa dan serat tanaman lainnya seperti
hemiselulosa dan lignin, komposisi ini tidak hanya ditemukan dalam limbah pertanian tapi juga limbah hewan, yang sukar dicerna. Untuk melarutkan bahan-
bahan tersebut, dibutuhkan bakteri yang memiliki enzim selulolitik, lipolitik dan proteolitik. Senyawa-senyawa kompleks ini menunjukkan rasio CN yang tinggi
sehingga gas metana yang dapat dihasilkan pada akhir proses cukup banyak BSTDI, 1977.
Aktivitas selulolitik paling kritis dalam mereduksi material kompleks menjadi sederhana sehingga dapat dicerna soluble dan menjadi komponen
organik. Fraksi terbesar bahan organik pada endapan kotoran adalah selulosa dan jika residu tanaman dibutuhkan secara langsung, jumlah selulosa akan lebih tinggi
dalam kondisi bahan kering. Selulosa merupakan polimer glukosa rantai panjang dengan pola percabangan yang kompleks. Bakteri selulolitik mereduksi rantai dan
cabang tersebut menjadi dimer dan kemudian menjadi molekul gula monomer, yang selanjutnya dikonversi menjadi asam organik.
Bakteri selulolitik biasanya dibagi berdasarkan suhu optimal di mana digesti terjadi. Bakteri mesofilik hidup optimal pada suhu 30
-40 C dalam perut
ternak, bakteri termofilik bekerja optimal pada suhu 50 -60
C di mana pH optimal kedua bakteri tersebut adalah 6.0 sampai dengan 7.0. Asam organik
diproduksi selama pemecahan selulosa, di mana pH mulai turun selama fermentasi dan proses digesti, sehingga diperlukan sistem penyangga dengan penambahan
kapur untuk menstabilkannya. Jadi selama proses pembentukan asam dan metana diharapkan pH tetap tujuh.
Sinergi kerja sama antara bakteri selulolitik dan hidrolitik sangat penting dalam pemecahan material mentah. Penyelidikan menunjukkan bahwa selulosa
yang dihilangkan dengan bahan campuran lebih besar dibandingkan dengan bahan murni oleh bakteri selulolitik. Secara tidak langsung bahwa kegiatan sinergis
diharapkan sebagai pemanfaatan hasil aktivitas bakteri selulolitik oleh bakteri non selulolitik.
Konversi selulosa dan kompleks material mentah lainnya menjadi monomer sederhana menjadi batas awal tahap produksi metana, hal ini terlihat
dari kegiatan bakteri tahap pertama mulai turun. Proses hidrolisis yang terjadi pada tahap pertama tergantung pada substrat dan konsentrasi bakteri, serta
lingkungan, seperti pH dan suhu.
2. Tahap kedua:
Tahap produksi asam melalui asetogenesis dan dihidrogenasi. Komponen bahan terlarut itu dikonversi menjadi asam organik. Asam
organik yang larut terutama asam asetat merupakan substrat bagi tahap yang terakhir. Komponen monomer yang dibebaskan hasil pemecahan polimer oleh
bakteri hidrolitik selama tahap pertama, substratnya dimanfaatkan bakteri lain yang menghasilkan asam. Asam yang dihasilkan dari aktivitas metabolisme
karbohidrat adalah asetat, propionat dan laktat. Beberapa spesies bakteri metanogen hanya mampu memanfaatkan asam asetat. Beberapa spesies bakteri
metanogen dapat memproduksi metana dari gas hidrogen dan CO
2
, substrat ini juga dihasilkan selama katabolisme karbohidrat. Metana juga dapat diproduksi
melalui reduksi methanol, yang kemungkinan merupakan hasil dari pemecahan karbohidrat. Bagaimanapun juga, asam asetat merupakan satu-satunya substrat
yang paling penting sebesar 70 persen untuk pembentukan metana. Proses mikrobiologi pada tahap kedua ini belum dapat dijelaskan, karena
banyak spesies bakteri yang dilibatkan, jumlah asam, H
2
, CO
2
dan alkohol sederhana yang diproduksi tergantung dari flora yang dikonsumsi oleh ternak dan
kondisi lingkungan BSTDI, 1977.
3. Tahap ketiga: Tahap pembentukan gas metana melalui proses metanogenesis.
Substrat berupa asam organik didekomposisikan oleh bakteri metanogen menghasilkan metana dalam kondisi anaerobik melalui dua jalan, yaitu fermentasi
asam asetat menjadi metana dan CO
2
, atau reduksi CO
2
menjadi metana yang menggunakan gas hidrogen atau asam format yang diproduksi oleh bakteri lain.
Produksi gas metana pada tahap ketiga mengurangi ketersediaan oksigen yang tersisa. Dan ini menghasilkan residu yang secara biologi stabil.
Bakteri metanogen memanfaatkan asam asetat, methanol atau CO
2
dan H
2
untuk menghasilkan metana. Aktivitas bakteri metanogen juga tergantung pada bakteri tahap pertama dan tahap kedua dalam menyediakan nutrisi, misal N-
organik direduksi menjadi ammonia sehingga terjadi efisiensi N yang dibebaskan oleh bakteri metanogen. Bakteri ini juga membutuhkan fosfat dan bahan lain yang
kebutuhannya belum pernah ditentukan. Bakteri metana sangat sensitif terhadap faktor lingkungan. Karena bersifat
anaerob obligat , pertumbuhannya akan terhambat oleh kandungan oksigen yang
sedikit. Tidak hanya oksigen, tapi tingginya materi pereduksi, seperti nitrit atau nitrat, dapat menghambat bakteri metanogen.
Bakteri pada tahap pertama dan kedua sama-sama sensitif terhadap keracunan, tapi responnya tidak begitu terlihat. Biasanya penghentian gas yang
disertai dengan meningkatnya akumulasi asam organik mengakibatkan pH turun. Dalam keadaan ini memungkinkan keracunan amonium 1.500-3.000 mgl total
N amonium pada pH 7.4, ion amonium 3.000 mgl total N amonium pada segala pH, sulfida terlarut 50-100 mgl, mungkin 200mgl, dan garam
terlarut, terhadap logam seperti tembaga, seng dan nikel. Garam logam alkali dan alkali tanah, seperti natrium, kalium, kalsium,
atau magnesium bisa sebagai perangsang atau sebagai penghambat proses yang terjadi, tergantung konsentrasinya. Ketiga tahapan disajikan secara sederhana
seperti Gambar 1.
Gambar 1. Tahapan Pembentukan Gas Metana Marchaim, 1992
Komposis gas yang diproduksi oleh digesti anaerobik sebaiknya 60-70 persen CH
4
dan 30-40 persen CO
2,
dengan sedikit H
2
S dan sisa gas lainnya yaitu hidrogen, ammonium dan nitrogen oksida. Komposisi gas merupakan fungsi dari
bahan makanan. Limbah selulosa menghasilkan metana dan CO
2
. Limbah yang mengandung protein atau lemak menghasilkan gas metana lebih tinggi.
Gas hidrogen sulfida dan karbondioksida tidak diharapkan keberadaannya, sehingga perlu dilakukan pemurnian gas tersebut yang terkandung dalam biogas.
Gas ini dapat dipisahkan dengan berbagai metode antara lain water scrubbing, caustic scrubbing
, solid absorption, liquid absorption dan pressure separation NRC, 1977. Water scrubbing adalah metode penggunaan air untuk melarutkan
gas CO
2
pada tekanan dan suhu tertentu. Hanya sedikit H
2
S yang dapat dihilangkan apabila menggunakan metode ini, sedangkan caustic scrubbing
merupakana metode pemurnian kedua gas tersebut dengan menggunakan agen 4
20 Tahap 1
Hidrolisis { 76 Fermentasi
Tahap 2 Asetogenesis
Dehidrogenesi 24 52 Tahap 3 Tahap 3
Metanogenesis Metanogenesis 28 72
Kompleks Organik
Asam Organik Berantai Panjang
H
2
Asam Asetat
CH
4
NaOH, KOH dan CaOH
2
. Sebagai contoh, NaOH direaksikan dengan CO
2
akan menghasilkan natrium karbonat Na
2
CO
3
dan air. Solid absorption adalah metode paling sederhana dan murah, adanya ‘spon besi’ yang mengeliminasi gas H
2
S dengan cara mencuci gas dalam kondisi kering tanpa unsur lainnya. Spon besi ini
dibuat dari Fe oksida yang dicampur dengan serbuk kayu. Spon besi sebanyak satu busel 35.2 liter dapat menghilangkan 3.7 kg S.
Bakteri metanogen pada umumnya sangat sensitif, walaupun semua kelompok yang dilibatkan pada proses digesti dapat dipengaruhi. Pertumbuhan
bakteri yang lama akibat penghambatan metanogen, dapat menimbulkan kegagalan pada sistem campuran yang lengkap untuk mengurangi massa bakteri.
Dalam sistem biodigesti yang bekerja dengan baik, karbon adalah satu- satunya unsur yang hilang dalam jumlah besar. Nitrogen dan fosfor akan tersisa
dalam jumlah yang sama tapi dalam konsentrasi yang lebih tinggi karena bahan lain sudah terdigesti Bui dan Preston, 1999.
2.5 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Terbentuknya Biogas
Kategori