Teknologi biogas : pembuatan, operasional dan pemanfaatan ilmu biogas
TEKNOLOGI BIOGAS
PEMBUATAN, OPERASIONAL, DAN PEMANFAATAN
TEKNOLOGI BIOGAS
PEMBUATAN, OPERASIONAL, DAN PEMANFAATAN
Suyitno
Agus Sujono
Dharmanto
TEKNOLOGI BIOGAS
Pembuatan, Operasional, dan Pemanfaatan
Oleh : Suyitno
Agus Sujono
Dharmanto
Edisi Pertama
Cetakan Pertama, 2010
Hak Cipta 2010 pada penulis,
Hak Cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak atau memindahkan
sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apa pun, secara elektronis maupun
mekanis, termasuk memfotokopi, merekam, atau dengan teknik perekaman lainnya,
tanpa izin tertulis dari penerbit.
Ruko Jambusari No. 7A
Yogyakarta 55283
Telp.
: 0274-889836; 0274-889398
Fax.
: 0274-889057
E-mail
: info@grahailmu.co.id
Suyitno; Sujono, Agus; Dharmanto
TEKNOLOGI BIOGAS/Suyitno; Agus Sujono; Dharmanto
- Edisi Pertama – Yogyakarta; Graha Ilmu, 2010
viii + 110 hlm, 1 Jil. : 23 cm.
ISBN:
978-979-756-
1. Teknik
I. Judul
Kata Pengantar
iogas merupakan bahan bakar gas yang sangat menarik untuk
dikembangkan karena dapat diperbaharui dan dapat dibuat
sendiri dengan teknologi yang tidak terlalu rumit. Selain
diperoleh bahan bakar biogas, hasil samping biodigester juga dapat
dimanfaatkan sebagai pupuk. Dari aspek ekonomi, besar kecilnya
biaya teknologi biogas sangat tergantung pada bahan baku dan bahan
pembuatan biodigester. Secara umum teknologi biogas akan sangat
ekonomis jika bahan baku berupa bahan organik dapat diperoleh
secara murah dan biodigester dibuat dengan memanfaatkan material
lokal. Oleh karena itu, beberapa pengetahuan dasar dan praktis
yang disajikan dalam buku ini perlu dipelajari sebelum membuat,
mengoperasikan, dan memanfaatkan biogas supaya diperoleh hasil
yang baik.
B
Buku Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional, dan Pemanfaatan ini disusun atas dasar pengalaman penelitian laboratorium dan
lapangan, sehingga terdapat keseimbangan antara aspek teknis dan
teoritis. Buku ini secara khusus ditujukan pada para pegiat teknologi
biogas, dosen, mahasiswa S1, mahasiswa pasca sarjana, peneliti bidang energi, peneliti bidang pertanian dan peternakan, dan masyarakat pengguna biogas.
Buku ini dikemas secara padat dan difokuskan pada teknologi
energi biogas. Buku ini disusun menjadi enam bab, yaitu sumber
energi biogas, biodigester, teknik pencucian biogas, dasar-dasar
pembakaran, biogas untuk rumah tangga, dan pembangkit listrik
tenaga biogas. Beberapa contoh dan soal diberikan pula dalam buku
ini supaya memudahkan pembaca untuk memahaminya.
Penulis mengucapkan terima kasih yang tulus kepada seluruh
civitas akademika Universitas Sebelas Maret-UNS Surakarta. Terima
kasih penulis tujukan kepada Balitbang Jateng, DP2M DIKTI, dan
Pesantren Wirausaha Abdul Rahman bin Auf Klaten atas kesempatan
dan dukungan pendanaan selama penelitian teknologi biogas ini.
Selanjutnya kritik dan saran sangat penulis harapkan demi
sempurnanya buku ini. Silakan kontak email penulis di suyitno@
gmail.com. Semoga apa yang tersaji dalam buku ini dapat memberikan
manfaat yang nyata bagi perkembangan teknologi energi di Indonesia.
Amiin.
Surakarta, Oktober 2009
Penulis
vi
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
Daftar Isi
KATA PENGANTAR
DAFTAR ISI
v
vii
BAB 1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2.1
SUMBER ENERGI BIOGAS
Pendahuluan
Bahan Penghasil Biogas
Bahan Baku Pembuatan Biogas
Komposisi Biogas
Teknik Pemanfaatan Biogas
Pendahuluan
1
1
3
4
8
10
13
BAB 2
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
BIODIGESTER
Jenis-Jenis Biodigester
Komponen Utama Biodigester
Kondisi Biodigester yang Baik
Proses Biologis Terbentuknya Biogas
Perancangan Biodigester
13
14
18
21
24
26
BAB 3
3.1
3.2
3.3
TEKNIK PENcUcIAN BIOGAS
Pencucian Biogas dari Unsur H2O
Pencucian Biogas dari Unsur H2S
Pencucian Biogas terhadap H2S dengan Iron chelated
solution (Kwartiningsih, 2006)
33
34
35
38
BAB 4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
DASAR-DASAR PEMBAKARAN
Entalpi Pembentukan, Entalpi Pembakaran, Panas Reaksi
Nilai Kalor (Heating Value, HV)
Pembakaran Stoikiometri
Perbandingan Udara Bahan Bakar
Analisis Teoritis Pembakaran Biogas
43
43
48
49
50
52
BAB 5
5.1
5.2
5.3
BIOGAS UNTUK RUMAh TANGGA
Aplikasi Biogas di Sektor Rumah Tangga
Merancang Reaktor Biogas untuk
Kompor Rumah Tangga
Analisis Unjuk Kerja Kompor
55
55
BAB 6
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BIOGAS
Dasar-Dasar Motor Bakar
Unjuk Kerja Motor Bakar
Modiikasi Motor Bakar Berbahan Bakar Bensin
Menjadi Berbahan Bakar Biogas
Modiikasi pada Genset
Prinsip Kerja Generator
Analisa Unjuk Kerja Genset Berbahan Bakar Biogas
DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR INDEKS
TENTANG PENULIS
56
59
63
63
64
66
70
77
78
89
103
107
-oo0oo-
Bab 1
Sumber Energi Biogas
1.1 Pendahuluan
iogas adalah gas yang dihasilkan oleh bakteri apabila
bahan organik mengalami proses fermentasi dalam reaktor
(biodigester) dalam kondisi anaerob (tanpa udara). Reaktor
yang dipergunakan untuk menghasilkan biogas umumnya disebut
digester atau biodigester, karena di tempat inilah bakteri tumbuh
dengan mencerna bahan-bahan organik. Untuk menghasilkan biogas
dalam jumlah dan kualitas tertentu, maka digester perlu diatur suhu,
kelembaban, dan tingkat keasaman supaya bakteri dapat berkembang
dengan baik. Biogas sendiri merupakan gabungan dari gas metana
(CH4), gas CO2 dan gas lainnya.
B
Di Indonesia, pemanfaatan biogas masih terbatas pada bahan
bakar kompor untuk memasak. Pemanfaatan biogas untuk kebutuhan
rumah tangga ini, beberapa penduduk di Indonesia sudah mampu
membuat reaktor biogas sendiri dengan skala kecil. Reaktor biogas
(biodigester) untuk skala kecil umumnya dibuat dari plastik maupun
dari drum. Bahan baku biogas diperoleh dari kotoran sapi dengan
jumlah sapi bervariasi dari 3-5 ekor untuk skala kecil.
Ketertarikan akan sumber energi biogas akhir-akhir ini meningkat.
Hal ini didasarkan pada fakta bahwa cadangan sumber energi fosil
semakin berkurang. Salah satu buktinya adalah adanya kebijakan
pemerintah dalam konversi minyak tanah ke gas (LPG). Dengan
fakta ini sebenarnya beberapa anggota masyarakat yang mempunyai
potensi mengolah bahan organik menjadi biogas dapat berperan
serta lebih aktif. Manfaatnya adalah masyarakat dapat memperoleh
energi yang relatif lebih murah dan lingkungannya juga lebih bersih.
Memang, karena biogas dihasilkan dari kotoran sehingga beberapa
masyarakat masih canggung untuk menggunakan biogas khusunya
untuk memasak.
Biogas sangat potensial sebagai sumber energi terbarukan karena
kandungan methane (CH4) yang tinggi dan nilai kalornya yang cukup
tinggi. CH4 sendiri mempunyai nilai kalor 50 MJ/kg. Methane (CH4)
yang memiliki satu karbon dalam setiap rantainya, dapat menghasilkan
pembakaran yang lebih ramah lingkungan dibandingkan bahan bakar
berantai karbon panjang. Hal ini disebabkan karena jumlah CO2 yang
dihasilkan selama pembakaran bahan bakar berantai karbon pendek
adalah lebih sedikit.
Gambar 1.1 Api biogas yang biru
Sebagaimana bentuk bahan bakar yang lain, selain dimanfaatkan
untuk memasak (lihat Gambar 1.1), biogas dapat dimanfaatkan juga
sebagai bahan bakar untuk penerangan, untuk proses pengeringan,
untuk penghasil panas, untuk pembangkit listrik, atau bahkan untuk
kendaraan bermotor. Pada saat biogas dimanfaatkan untuk pembangkit
listrik dan kendaraan bermotor, maka biogas perlu diolah (treatment).
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
Pengolahan yang dilakukan misalnya dalam bentuk pencucian terhadap
kandungan H2S, pengeringan biogas dari uap air, pengurangan kadar
CO2, atau bahkan kompresi biogas. Beberapa teknik pemanfaatan
biogas baik untuk energi panas atau untuk pembangkit listrik dan
teknik lain yang terkait akan dibahas dalam buku ini.
1.2 Bahan Penghasil Biogas
Biogas dapat diproduksi dari bahan organik dengan bantuan
bakteri untuk proses fermentasi anaerobnya. Pada umumnya hampir
semua jenis bahan organik dapat diolah menjadi biogas. Untuk biogas
sederhana, bahan organik yang paling banyak digunakan di Indonesia
adalah dari kotoran dan urine hewan. Beberapa bahan lain yang
digunakan adalah dari kotoran manusia, sampah bio (organik), dan
sisa proses pembuatan tahu.
Jenis-jenis bahan organik yang diproses termasuk beberapa
contoh di atas sangat mempengaruhi kualitas biogas yang dihasilkan.
Pemilihan bahan biogas dapat ditentukan dari perbandingan kadar
C (karbon) dan N (nitrogen) dalam bahan tersebut. Bahan organik
yang umumnya mampu menghasilkan kualitas biogas yang tinggi
mempunyai rasio C/N sekitar 20-30 (Sasse, 1988) atau 20-25 (Dennis
A., 2001). Perbandingan C dan N dalam bahan biogas merupakan
faktor penting untuk berkembangnya bakteri yang akan menguraikan
bahan organik tersebut. Pada perbandingan C/N kurang dari 8, dapat
menghalagi aktivitas bakteri akibat kadar amonia yang berlebihan (Uli
Werner, 1989). Pada perbandingan C/N lebih dari 43 mengakibatkan
kerja bakteri juga terhambat (Dennis A., 2001). Walaupun demikian,
parameter ini bukan jaminan satu-satunya untuk kualitas biogas yang
tinggi karena masih terdapat beberapa parameter lain yang harus
diperhatikan khususnya pada reaktor biogas (biodigester).
Untuk mendapatkan produksi biogas yang tinggi, maka
penambahan bahan yang mengandung karbon (C) seperti jerami, atau
N (misalnya: urea) perlu dilakukan untuk mencapai rasio C/N = 20
Sumber Energi Biogas
– 30. Tabel 1.1 adalah harga rasio C/N pada beberapa jenis kotoran
hewan.
Tabel 1.1 Rasio C/N untuk beberapa bahan organik (Uli Werner,
1989)
Jenis Kotoran
Urine
Kotoran sapi
Kotoran babi
Kotoran ayam
Kotoran kambing
Kotoran manusia
Jerami padi-padian
Jerami jagung
Rumput hijau
Sisa sayuran
Rasio c/N
0,8
10-20
9-13
5-8
30
8
80-140
30-65
12
35
Tidak semua bahan organik terurai menjadi gas dalam digester
anaerob. Bakteri anaerob tidak menguraikan lignin dan beberapa jenis
hidrokarbon. Digester yang berisi kotoran yang mengandung nitrogen
tinggi dan belerang yang rendah dapat menghasilkan racun berupa
amonia dan H2S. Kotoran yang tidak bercampur dengan air akan
terurai dengan lambat.
Perlu ditekankan disini bahwa proses fermentasi dalam
biodigester sendiri berlangsung secara alami. Mikroba (bakteri) yang
berfungsi untuk menguraikan bahan organik juga dapat terbentuk
secara alami asalkan kondisi biodigester terpenuhi untuk tumbuhnya
bakteri tersebut. Ciri isik yang terlihat dari terjadinya proses fermentasi
alami adalah terbentuknya gelembung pada permukaan air.
1.3 Bahan Baku PemBuatan Biogas
Bahan baku yang dapat dibuat biogas adalah bahan organik.
Beberapa daftar bahan organik yang dapat dibuat biogas adalah
biomasa, kotoran manusia, kotoran hewan, urin, sampah kota yang
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
berbentuk organik, dan sampah produk pertanian. Di Indonesia, jenis
kotoran yang umum digunakan untuk menghasilkan biogas adalah
kotoran sapi.
Tabel 1.2 menunjukkan spesiikasi kotoran sapi yang dihasilkan
dari sapi dengan bobot waktu hidup 635 kg untuk setiap harinya.
Besarnya padatan total (TS) umumnya dapat juga diperkirakan sekitar
10-15% dari massa kotoran awal. Sedangkan besarnya padatan volatil
dapat diperkirakan sebesar 8-10% dari massa kotoran awal.
Tabel 1.2 Spesiikasi kotoran sapi dengan bobot total 635 kg
Spesiikasi
Kotoran
Kotoran
Padatan total (total solid, TS)
Padatan Volatil (volatile solid, VS)
Sapi dengan
bobot 635 kg
50,8 kg
51,1 liter
6,35 kg
5,4 kg
Sebagai acuan, untuk setiap ekor sapi umumnya mampu
menghasilkan kotoran sebanyak 5-40 kg per hari. Secara nyata, tidak
dapat dipastikan berapa kotoran yang dihasilkan oleh hewan untuk
setiap harinya karena tergantung pada banyak hal, seperti kondisi
hewan, pola makan dari hewan, jenis makanan, jenis kandang, jenis
lantai, dan lainnya. Untuk tujuan perancangan digester yang lebih
baik, maka jumlah kotoran dari hewan dapat diukur atau ditimbang
secara berkala. Langkah ini walaupun tidak umum, tetapi mampu
memberikan data yang lebih baik sehingga rancangan dari digester
dan produksi biogasnya nanti tidak berlebihan atau sebaliknya supaya
tidak kekurangan bahan baku.
Beberapa peneliti mengusulkan metode lain untuk menentukan
jumlah kotoran yang dihasilkan dari makhluk hidup. Metode yang
diusulkan adalah dengan membuat prosentasi dari bobot makhluk
hidup tersebut.
Sumber Energi Biogas
•
•
•
•
•
Untuk sapi dengan bobot hidup 135-800 kg dan kerbau dengan
bobot 340-420 kg dapat menghasilkan kotoran 5% dan urine 45% dari bobot tersebut.
Untuk babi dengan bobot 30-75 kg dapat menghasilkan kotoran
sebanyak 2% dan urin 3% dari bobot tersebut.
Untuk domba/kambing dengan bobot 30-100 kg dapat
menghasilkan kotoran sebanyak 3% dan urin 1-1,5% dari bobot
tersebut.
Untuk ayam dengan bobot 1,5-2 kg dapat menghasilkan kotoran
sebanyak 4,5% dari bobotnya.
Untuk manusia dengan bobot 50-80 kg dapat menghasilkan
kotoran sebanyak 1% dan urin sebanyak 2% dari bobotnya.
Tabel 1.3. Komponen padatan volatil (VS) (Uli Werner, 1989).
Komponen
Selulosa
hemiselulosa
Lignin
Kanji
Protein
Eter
Amonia
Asam
Total
% TS
31,0
12,0
12,2
12,5
12,5
2,6
0,5
0,1
83,4
Dari jumlah kotoran yang dihasilkan, yang berperan dalam
menghasilkan biogas adalah komponen padatan total (TS). Di dalam
padatan total (TS) terdapat padatan volatil (VS). Komponen dari
padatan volatil (VS) secara umum terdiri dari selulosa, hemiselulosa,
lignin, kanji, protein, eter, amonia dan asam. Komponen terbesar
dari VS adalah selulosa sebagaimana dapat dilihat pada Tabel 1.3.
Besarnya VS adalah sekitar 83,4% TS. Dengan mengingat bahwa TS
dari kotoran hewan tidak jauh dari 10%, maka dalam biodigester perlu
ditambahkan beberapa sisa makanan hewan selain mengandung C/N
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
tinggi juga mempunyai potensi produksi biogas yang tinggi karena
mengandung TS yang tinggi (lihat TaBEL 1.4).
Tabel 1.4. TS beberapa material organik lain selain kotoran hewan
(Uli Werner, 1989).
Material
Jerami padi
Jerami gandum
Jerami jagung
Rumput segar
Bagase
Sisa sayuran
TS (%)
89
82
80
24
65
12
VS (% TS)
93
94
91
89
78
86
Penting diperhatikan bahwa konsentrasi TS hendaknya dijaga
tidak lebih dari 15% karena akan menghambat metabolisme. Pada saat
memasukkan material organik ke dalam biodigester wajib ditambahkan
sejumlah air. Fungsi air disini selain untuk mempertahankan TS <
15%, juga untuk mempermudah proses pencampuran dan proses
mengalirnya material organik ke dalam biodigester. Fungsi lainnya
adalah untuk mempermudah aliran gas yang terbentuk di bagian
bawah dapat mengalir ke bagian atas biodigester.
Tabel 1.5. Kadar selulosa, hemiselulosa dan lignin dalam biomasa
(Suyitno, 2007)
Material
Kayu
Tongkol jagung
Jerami padi
Bagase
Dedaunan
Jerami gandum
Rumput
Sumber Energi Biogas
Selulosa (%)
40-50
45
32,1
33,4
15-20
30
45
hemiselulosa
(%)
15-25
35
24
30
80-85
50
31,4
Lignin
(%)
15-30
15
18
18,9
0
15
12
Selulosa dan hemiselulosa dapat diuraikan oleh bakteri dalam
biodigester sedangkan lignin tidak dapat diuraikan. Biomasa termasuk
bahan organik yang mengandung lignin dalam jumlah yang besar
sebagaimana dapat dilihat pada Tabel 1.5. Sehingga jika beberapa
material organik yang mengandung lignin dalam jumlah tinggi
misalnya biomasa, maka dari material organik jenis ini, biogas yang
dihasilkan jumlahnya rendah.
1.4 komPosisi Biogas
Komposisi dan produktivitas sistem biogas dipengaruhi
oleh parameter-parameter seperti temperatur digester, ph (tingkat
keasaman), tekanan, dan kelembaban udara. Komponen biogas yang
paling penting adalah metana (CH4). Tabel 1.6 adalah gambaran
komposisi biogas dari Horikawa tahun 2004 dimana biogas tersusun
dari 81,1% CH4.
Tabel 1.6 Komposisi biogas (Horikawa, 2004)
Gas
Digester Sludge Sistem Anaerob
(% volume)
CH4
cO2
h 2S
N2 + O2
81,1 %
14,0 %
2,2 %
2,7 %
Namun demikian, pendapat mengenai komposisi biogas di
bawah ini lebih banyak dijadikan acuan oleh beberapa peneliti. Biogas
umumnya terdiri dari:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Methane, CH4 = 55-75%.
Carbon dioxide, CO2 = 25-45%.
Carbon monoxide, CO = 0-0,3%.
Nitrogen, N2 = 1-5%.
Hydrogen, H2 = 0-3%.
Hydrogen sulide, H2S = 0,1-0,5%.
Oxygen, O2 = sisanya
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
Biogas berbeda dengan gas alam dan gas kota. Beberapa perbedaan sifat dari biogas, gas kota, dan gas alam dapat dilihat pada Tabel
1.7 Biogas mempunyai nilai kalor sedang dan besarnya sangat tergantung dari kandungan CH4 dalam biogas. Massa jenis biogas sedikit
lebih tinggi dari massa jenis udara. Jika dibakar, biogas mempunyai
kecepatan maksimum yang rendah, yaitu sekitar 0,25 m/s.
Tabel 1.7. Perbandingan sifat biogas, gas alam, dan gas kota
(Wellinger, 2001)
Parameter
Nilai kalor bawah (MJ/m3)
Massa jenis (kg/m3)
Indeks Wobbe bawah (MJ/m3)
Kecepatan penyalaan maksiumum (m/s)
Kebutuhan udara teoritis (m3 udara/m3
gas)
Konsentrasi maksimum CO2 dalam
cerobong (vol%)
Titik embun (oc)
Biogas
(60% ch4)
21,48
1,21
19,5
0,25
5,71
Gas
Alam
36,14
0,82
39,9
0,39
9,53
Gas
Kota
16,1
0,51
22,5
0,70
3,83
17,8
11,9
13,1
60-160
59
60
Kandungan methane yang cukup tinggi dalam biogas dapat
menggantikan peran LPG dan petrol (bensin). Tetapi dalam biogas
terdapat kandungan lain selain methane yang perlu adanya proses
pemurnian. Gas tersebut adalah gas H2S yang dianggap sebagai pengotor
dan bila ikut terbakar dan terbebas dengan udara dapat teroksidasi
menjadi SO2 dan SO3 yang bersifat korosif dan bila teroksidasi lebih
lanjut oleh H2O dapat memicu hujan asam. Selain H2S terdapat juga
uap air dan CO2 yang tidak bermanfaat pada saat pembakaran. Biogas
yang mengandung sejumlah H2O dapat berkurang nilai kalornya. Gas
H2O sebagaimana gas H2S juga perlu dibersihkan dari biogas. Prosedur
pencucian dan pemurnian biogas dapat dilihat pada bab III.
Sumber Energi Biogas
1.5 teknik Pemanfaatan Biogas
Biogas dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan,
diantaranya adalah:
1. Sumber bahan bakar gas digunakan untuk kompor rumah tangga,
penerangan, pemanas air, dan lainnya.
2. Sumber bahan bakar gas untuk menghasilkan panas yang dapat
digunakan untuk berbagai keperluan misalnya pemanas air,
pemanas udara, pengering, dan lainnya.
3. Sumber bahan bakar gas untuk menggerakkan motor bakar, turbin,
dan lainnya yang kemudian torsi yang diperoleh dapat digunakan
untuk menggerakkan pompa atau mesin-mesin yang lain.
4. Torsi dari motor bakar dan turbin berbahan bakar biogas
selanjutnya dapat dipergunakan untuk menggerakkan generator
dan diperoleh listrik.
Secara teoritis dapat dibuat suatu prediksi umum bahwa (Uli
Werner, 1989):
•
•
•
•
•
10
Untuk keperluan memasak, 1 orang rata-rata per hari membutuhkan
biogas sebanyak 0,1 – 0,3 m3.
Untuk penerangan (lampu petromaks), rata-rata membutuhkan
biogas sebanyak 0,1 – 0,15 m3 per jam. Pendapat lain mengatakan
bahwa 1 m3 dapat digunakan untuk penerangan yang sebanding
dengan lampu 60-100 W selama 6 jam .
Untuk pengganti bahan bakar bensin sebanyak 0,7 kg dibutuhkan
biogas sebanyak 1 m3.
Untuk menggerakkan motor 1 hp selama 2 jam dibutuhkan biogas
sebanyak 1 m3.
Untuk pembangkit listrik dengan motor bakar dibutuhkan biogas
sebanyak 0,6 m3 per kWh.
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
Soal Bab I:
1.1. Jelaskan pengertian biogas dan pengertian digester.
1.2. Jelaskan jenis-jenis bakteri yang berkembang dalam biodigester.
1.3. Jelaskan mengapa lignin tidak dapat diuraikan oleh bakteri dalam
biodigester.
1.4. Jelaskan pengertian TS dan VS.
1.5. Sebutkan manfaat energi yang dapat diperoleh dari 1 m3 biogas.
-oo0oo-
Sumber Energi Biogas
11
Bab 2
Biodigester
2.1 Pendahuluan
iodigester merupakan komponen utama dalam produksi biogas. Biodigester merupakan tempat dimana material organik
diurai oleh bakteri secara anaerob (tanpa udara) menjadi gas
CH4 dan CO2. Biodigester harus dirancang sedemikian rupa sehingga
proses fermentasi anaerob dapat berjalan baik. Pada umumnya, biogas dapat terbentuk pada 4–5 hari setelah digester diisi. Produksi biogas yang banyak umumnya terjadi pada 20–25 hari dan kemudian
produksinya turun jika biodigester tidak diisi kembali.
B
Selama proses penguraian secara anaerob, komponen nitrogen
berubah menjadi amonia, komponen belerang berubah menjadi H2S,
dan komponen fosfor berubah menjadi orthophosphates. Beberapa
komponen lain seperti kalsium, magnesium, atau sodium berubah
menjadi jenis garam (Dennis A., 2001). Lebih lengkapnya, daftar
berikut adalah beberapa tujuan pembuatan biodigester.
1. Mengurangi jumlah padatan. Karena padatan terurai menjadi gas
dan tidak semua padatan dapat terurai, maka tujuan dari proses
digestion adalah mengurangi jumlah padatan.
2. Membangkitkan energi. Sebagaimana diketahui, target utama dari
proses digestion adalah menghasilkan gas CH4 yang mengandung
energi 50 MJ/kg. Semakin besar kandungan CH4 dalam biogas,
semakin besar kandungan energi dalam biogas.
3. Mengurangi bau dari kotoran. Biogas dapat ditujukan untuk
mengurangi bau dan bukan menghilangkan bau dari kotoran.
Setidaknya dengan pembuatan digester bau yang dihasilkan
selama proses digestion dapat diarahkan supaya tidak mengganggu
kenyamanan hidup manusia.
4. Menghasilkan air buangan yang bersih. Sebagian air setelah proses
digestion harus dikeluarkan. Bersihnya air buangan ini menjadi
sangat penting jika akan digunakan untuk irigasi. Sebagian air
buangan juga dapat dikembalikan lagi ke dalam digester.
5. Menghasilkan padatan yang mengandung bahan gizi untuk pupuk.
Padatan yang tidak terurai menjadi gas dapat dimanfaatkan sebagai
pupuk asalkan masih mengandung bahan gizi yang baik. Padatan
yang dihasilkan juga harus dijaga dari zat-zat berbahaya.
2.2. Jenis-Jenis Biodigester
Terdapat beberapa jenis biodigester yang dapat dilihat
berdasarkan konstruksi, jenis aliran, dan posisinya terhadap
permukaan tanah. Jenis digester yang dipilih dapat didasarkan pada
tujuan pembuatan digester tersebut. Hal yang penting adalah apapun
jenis digester yang dipilih nantinya, tujuan utama pembuatan digester
adalah mengurangi jumlah kotoran dan menghasilkan biogas yang
mempunyai kandungan CH4 tinggi.
Umumnya, kotoran merupakan campuran fasa padat dan cair
dengan perbandingan tertentu. Energi dihasilkan dari padatan kotoran
tersebut. Pada saat menginginkan hasil biogas yang kontinu, maka
bahan baku harus mampu mengalir kontinu tanpa bantuan pompa dan
biodigester harus didesain supaya tidak terjadi penyumbatan. Padatan
yang dihasilkan setelah proses digestion juga harus dapat dipisahkan
1
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
secara alami tanpa bantuan peralatan dari luar. Padatan yang dihasilkan
kemudian dapat dengan mudah dikeluarkan dari digester.
Dari segi konstruksi, digester dibedakan menjadi:
a)
Fixed dome (kubah tetap). Digester jenis ini mempunyai volume
tetap. Seiring dengan dihasilkannya biogas, terjadi peningkatan
tekanan dalam reaktor (biodigester). Karena itu, dalam konstruksi
biodigester jenis kubah tetap, gas yang terbentuk akan segera
dialirkan ke pengumpul gas di luar reaktor. Indikator produksi
gas dapat dilakukan dengan memasang indikator tekanan. Skema
digester jenis kubah tetap dapat dilihat pada Gambar 2.1. Tabel
2.1 merupakan kelebihan dan kekurangan digester jenis kubah
tetap.
Digester
fixed dome
Gambar 2.1 Digester jenis kubah tetap (ixed dome) (Sasse, 1988).
Tabel 2.1 Kelebihan dan kekurangan digester
Biodigester
1
jenis kubah tetap.
Kelebihan
Kekurangan
1. Sederhana dan dapat dikerjakan 1. Bagian dalam reaktor tidak
dengan mudah.
terlihat (khususnya yang dibuat
di dalam tanah) sehingga jika
2. Biaya konstruksinya rendah.
terjadi kebocoran tidak segera
3. Tidak terdapat bagian yang
terdeteksi.
bergerak.
2. Tekanan gas berluktuasi dan
4. Dapat dipilih dari material yang
bahkan luktuasinya sangat
tahan karat.
tinggi.
5. Umurnya panjang.
3. Temperatur digester rendah.
6. Dapat dibuat di dalam tanah
sehingga menghemat tempat.
b) Floating dome (kubah apung). Pada digester tipe ini terdapat
bagian reaktor yang dapat bergerak seiring dengan kenaikan
tekanan reaktor. Pergerakan bagian kubah dapat dijadikan indikasi
bahwa produksi biogas sudah dimulai atau sudah terjadi. Bagian
yang bergerak tadi juga berfungsi sebagai pengumpul biogas.
Dengan model ini, kelemahan tekanan gas yang berluktuasi
pada reaktor biodigester jenis kubah tetap dapat diatasi sehingga
tekanan biogas dapat dijaga konstan. Kelemahannya adalah
membutuhkan ketrampilan khusus untuk membuat tampungan
gas yang dapat bergerak. Kelemahan lainnya dari biodigester jenis
ini adalah material dari tampungan biogas yang dapat bergerak
juga harus dipilih dari material yang tahan korosi dan otomatis
harganya lebih mahal.
Gambar 2.2 Digester jenis kubah apung (loating dome)
1
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
Pipa aliran
biogas
Bahan baku
masuk
Biogas
digunakan
Tampungan
biogas yang
bisa bergerak
Padatan
keluar
Pengarah
center
Buih
Digester
(Sasse, 1988).
floating dome
Dari segi aliran bahan baku untuk reaktor biogas, biodigester
dibedakan menjadi:
1. Bak (batch). Pada biodigester jenis bak, bahan baku ditempatkan di
dalam suatu wadah (bak) dari sejak awal hingga selesainya proses
digestion. Biodigester jenis ini umumnya digunakan pada tahap
eksperimen untuk mengetahui potensi gas dari limbah organik
atau digunanakan pada kapasitas biogas yang kecil.
2. Mengalir (continuous). Untuk biodigester jenis mengalir, aliran
bahan baku dimasukkan dan residu dikeluarkan pada selang waktu
tertentu. Lamanya bahan baku berada dalam reaktor digester
disebut waktu retensi (retention time/RT).
Dilihat dari segi tata letak penempatan, biodigester dibedakan
menjadi:
1. Seluruh biodigester di atas permukaan tanah. Biasanya biodigester
jenis ini dibuat dari tong-tong bekas minyak tanah atau aspal.
Kelemahan tipe ini adalah volume yang kecil, sehingga biogas
Biodigester
1
yang dihasilkan hanya mampu digunakan untuk kebutuhan sebuah
rumah tangga (keluarga). Kelemahan lain adalah kemampuan
material yang rendah untuk menahan korosi sehingga tidak tahan
lama. Untuk pembuatan skala besar, biodigester jenis ini jelas
memerlukan luas lahan yang besar juga.
2. Sebagian tangki biodigester diletakkan di bawah permukaan
tanah. Biasanya biodigester ini terbuat dari campuran semen,
pasir, kerikil, dan kapur yang dibentuk seperti sumur dan ditutup
dari plat baja atau konstruksi semen. Volume tangki dapat dibuat
untuk skala besar ataupun skala kecil sehingga dapat disesuaikan
dengan kebutuhan. Kelemahan pada sistem ini adalah jika
ditempatkan pada daerah yang memiliki suhu rendah (dingin),
suhu dingin yang diterima oleh plat baja merambat ke dalam
bahan baku biogas, sehingga menghambat proses bekerjanya
bakteri. Ingat kembali bahwa bakteri akan bekerja secara optimum
pada temperatur tertentu saja.
3. Seluruh tangki biodigester di letakkan di bawah permukaan tanah.
Model ini merupakan model yang paling popular di Indonesia,
dimana seluruh instalasi biodigester dibuat di dalam tanah dengan
konstruksi yang permanen. Selain dapat menghemat tempat atau
lahan, pembuatan biodigester di dalam tanah juga berguna untuk
mempertahankan temperatur biodigester stabil dan mendukung
pertumbuhan bakteri methanogen. Kekurangannya adalah jika
terjadi kebocoran gas dapat menyulitkan untuk memperbaikinya.
2.3 komPonen utama Biodigester
Komponen-komponen biodigester cukup banyak dan sangat
bervariasi. Komponen yang digunakan untuk membuat biodigester
tergantung pada jenis biodigester yang digunakan dan tujuan
pembangunan biodigester. Tetapi, secara umum biodigester terdiri
dari empat komponen utama sebagai berikut:
1. Saluran masuk slurry (kotoran segar). Saluran ini digunakan untuk
1
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
memasukkan slurry (campuran kotoran ternak dan air) ke dalam
reaktor utama. Tujuan pencampuran adalah untuk memaksimalkan
produksi biogas, memudahkan mengalirnya bahan baku, dan
menghindari terbentuknya endapan pada saluran masuk.
2. Ruang digestion (ruang fermentasi). Ruangan digestion berfungsi
sebagai tempat terjadinya proses digestion dan dibuat kedap
terhadap udara. Ruangan ini dapat juga dilengkapi dengan
penampung biogas.
3. Saluran keluar residu (sludge). Fungsi saluran ini adalah untuk
mengeluarkan kotoran (sludge) yang telah mengalami proses
digestion oleh bakteri. Saluran ini bekerja berdasarkan prinsip
kesetimbangan tekanan hidrostatik. Residu yang keluar pertama
kali merupakan slurry (lumpur) masukan yang pertama setelah
waktu retensi. Slurry yang keluar sangat baik untuk pupuk karena
mengandung kadar nutrisi yang tinggi.
4. Tangki penyimpan biogas. Tujuan dari tangki penyimpan gas
adalah untuk menyimpan biogas yang dihasilkan dari proses
digestion. Jenis tangki penyimpan biogas ada dua, yaitu tangki
bersatu dengan unit reaktor (ixed dome) dan terpisah dengan
reaktor (loating dome). Untuk tangki terpisah, konstruksi dibuat
khusus sehingga tidak bocor dan tekanan yang terdapat dalam
tangki seragam.
Selain empat komponen utama tersebut, pada sebuah
biodigester perlu ditambahkan beberapa komponen pendukung untuk
menghasilkan biogas yang jumlahnya banyak dan aman. Beberapa
komponen pendukung adalah:
1. Katup pengaman tekanan (control valve). Fungsi dari katup
pengaman adalah sebagai pengaman biodigester dari lonjakan
tekanan biogas yang berlebihan. Bila tekanan biogas dalam tabung
penampung biogas lebih tinggi dari tekanan yang diijinkan, maka
biogas akan dibuang keluar. Selanjutnya tekanan dalam biodigester
turun kembali. Katup pengaman tekanan cukup penting dalam
Biodigester
1
reaktor biogas yang besar dan sistem kontinu, karena umumnya
digester dibuat dari material yang tidak tahan pada tekanan yang
tinggi supaya biaya pembuatan biodigester tidak mahal.
2. Sistem pengaduk. Pada digester yang besar, sistem pengaduk
menjadi sangat penting. Untuk digester kecil misalnya digester
untuk 3-5 sapi, sistem pengaduk dapat ditiadakan. Tujuan
dari pengadukan adalah untuk mengurangi pengendapan dan
menyediakan populasi bakteri yang seragam sehingga tidak
terdapat lokasi yang ‘mati’ dimana tidak terjadi proses digestion
karena tidak terdapat bakteri. Selain itu dengan pengadukan dapat
mempermudah pelepasan gas yang dihasilkan oleh bakteri menuju
ke bagian penampung biogas. Pengadukan dapat dilakukan
dengan:
•
•
pengadukan mekanis yaitu dengan menggunakan poros yang
dibawahnya terdapat semacam baling-baling dan digerakkan
dengan motor listrik secara berkala.
Mensirkulasi bahan dalam digester dengan menggunakan
pompa dan dialirkan kembali melalui bagian atas
biodigester.
Pada saat melakukan proses pengadukan hendaknya dilakukan
dengan pelan. Sebagaimana diketahui bahwa tumbuhnya bakteri
membutuhkan media yang cocok. Media yang cocok sendiri
terbentuk dari bahan organik secara alami dan membutuhkan waktu
tertentu (ingat kembali retention time) sehingga pengadukan yang
terlalu cepat dapat membuat proses digestion justru terhambat.
Tidak ada panduan yang pasti seberapa lambat pengadukan
dilakukan dan bagaimana frekuensinya karena proses pengadukan
sangat tergantung dari bahan baku yang digunakan. Untuk bahan
baku yang larut dengan air dan tidak membentuk stratiikasi justru
tidak diperlukan adanya pengadukan.
3. Saluran biogas. Tujuan dari saluran gas adalah untuk mengalirkan
0
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
biogas yang dihasilkan dari biodigester. Bahan untuk saluran
gas disarankan terbuat dari polimer untuk menghindari korosi.
Ingat, kebocoran biogas dapat sangat berbahaya, karena dapat
menimbulkan kebakaran. Untuk pembakaran gas pada tungku,
pada ujung saluran pipa dapat disambung dengan pipa yang
terbuat dari logam supaya tahan terhadap temperatur pembakaran
yang tinggi.
2.4 kondisi Biodigester yang Baik
Tujuan utama dari pembuatan biodigester adalah membuat suatu
tempat kedap udara supaya bahan organik dapat terurai secara biologi
yaitu dengan bantuan bakteri alami. Hasil dari proses penguraian
bahan organik tersebut dapat dihasilkan gas yang mengandung CH4
dengan konsentrasi tinggi. Untuk itu pada saat membuat biodigester,
maka perlu diperhitungkan beberapa hal, yaitu:
1. Lingkungan anaerob. Biodigester harus tetap dijaga dalam keadaan
anaerob yaitu tidak terjadi kontak langsung dengan oksigen (O2).
Udara mengandung O2 sebanyak 21 vol% sehingga jika memasuki
biodigester dapat menyebabkan penurunan produksi metana.
Penyebabnya adalah bakteri alami untuk proses penguraian bahan
organik membutuhkan kondisi kedap udara, sehingga jika terdapat
udara yang mengandung O2 menyebabkan bakteri berkembang
secara tidak sempurna.
2. Temperatur dalam biodigester. Secara umum terdapat tiga rentang
temperatur yang disenangi oleh bakteri, yaitu:
a. Bakteri fermentasi psycrophilic yang hidup pada temperatur
8–25oC. Bakteri ini biasanya berkembang pada negara-negara
subtropis atau beriklim dingin. Kondisi optimumnya adalah
pada temperatur 15-18oC. Waktu penyimpanan (retention
time, RT) dalam digester adalah lebih dari 100 hari.
b. Bakteri fermentasi mesophilic yang hidup pada temperatur
Biodigester
1
35–37oC. Bakteri ini dapat berkembang pada negara-negara
tropis seperti di Indonesia. Untuk itu kondisi biodigester
yang dibangun di Indonesia tidak perlu dipanasi. Biodigester
yang dibangun di dalam tanah juga mempunyai keuntungan
tersendiri, yaitu temperatur dalam biodiegester cenderung
konstan sehingga baik untuk pertumbuhan bakteri. Temperatur
dimana bakteri ini bekerja secara optimum adalah pada
35-45oC. Waktu penyimpanan (retention time, RT) dalam
biodigester adalah lebih dari 30-60 hari.
c. Bakteri fermentasi thermophilic yang hidup pada temperatur
optimum 53–55oC. Bakteri yang berkembang pada temperatur
tinggi umumnya digunakan hanya untuk mengurai material,
bukan untuk menghasilkan biogas. Waktu penyimpanan (RT)
dalam digester adalah lebih dari 10-16 hari.
Temperatur minimum supaya bakteri berkembang selama proses
fermentasi anaerob khususnya pada biodigester yang tidak dipanasi
adalah 15oC (Uli Werner, 1989). Biodigester yang beroperasi pada
temperatur di bawah 15oC hanya diperoleh biogas yang jumlahnya
terbatas sehingga sangat tidak ekonomis. Oleh karena itu, pada daerah
yang dingin, pada saat membuat biodigester perlu diperhitungkan
adanya pemakaian bahan penyekat panas.
1. Derajat keasaman (pH) dalam biodigester. Bakteri alami pengurai
bahan organik dapat berkembang dengan baik pada keadaan
yang agak asam, yaitu pH antara 6,6 – 7,0. Beberapa peneliti
lain menyarankan bahwa untuk produksi biogas yang optimum
diperlukan kondisi yang agak basa dengan pH antara 7-8,5.
Namun demikian perbedaan tersebut tidak terlalu menjadi masalah
karena selama proses fermentasi anaerob, pH dalam biodigester
akan berada angka pH sekitar 7. Selain itu, derajat keasaman
(pH) dalam biodigester sangat dipengaruhi oleh bahan baku
yang berupa bahan organik. Karena pada tahap awal fermentasi
dapat terbentuk asam, maka pH akan turun. Beberapa peneliti
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
menyarankan untuk menambahkan larutan kapur (CaOH2) atau
kapur (CaCO3) supaya pH kembali naik ke angka sekitar 7,0. Jika
pH turun di bawah 6,2, maka bakteri methanogen akan keracunan
dan akibatnya produksi biogas turun.
2. Kebutuhan nutrisi. Bakteri fermentasi membutuhkan beberapa
bahan nutrisi tertentu dan sedikit logam. Kekurangan salah satu
nutrisi atau bahan logam yang dibutuhkan dapat memperkecil
proses produksi metana. Nutrisi yang diperlukan antara lain
nitrogen, sulfur, fosfor, potasium, kalsium, magnesium dan
sejumlah logam seperti besi, mangan, molibdenum, seng, kobalt,
selenium, nikel, dan lainnya. Bahan baku berupa bahan organik
pada umumnya sudah mengandung zat nutrisi yang disebutkan di
atas dalam jumlah yang cukup. Tabel 2.2 memberikan gambaran
tentang konsentrasi maksimum beberapa zat yang diijinkan
dalam biodigester. Keberadaan beberapa zat yang disebutkan di
atas dalam jumlah yang banyak justru dapat menghambat proses
pembentukan biogas.
Tabel 2.2 Batasan konsentrasi beberapa zat yang diijinkan terdapat
dalam biodigester (Werner Kossmann, 1999)
Zat
Tembaga
Kalsium
Sodium
Magnesium
Nikel
Seng
Chromium
Sulfur
Cyanide
Konsentrasi (mg/l)
10-250
8000
8000
3000
100-1000
350-1000
200-2000
200
2
3. Kadar padatan (TS). Tiap jenis bakteri memiliki nilai “kapasitas
kebutuhan air” tersendiri. Bila kapasitasnya tepat, maka aktiitas
bakteri juga akan optimal. Proses pembentukan biogas mencapai
Biodigester
titik optimum apabila konsentrasi bahan kering terhadap air adalah
0,26 kg/L. Pada umumnya proses pencampuran antara bahan
organik dan air berkisar antara 1:1 sampai 1:2.
4. Pengadukan (lihat di sub bab 2.3)
5. Pengaruh starter. Starter yang mengandung bakteri methanogen
diperlukan untuk mempercepat proses fermentasi anaerob.
Beberapa jenis starter antara lain:
•
•
•
Starter alami, yaitu lumpur aktif seperti lumpur kolam ikan, air
comberan atau cairan septic tank, sludge, timbunan kotoran,
dan timbunan sampah organik. Kotoran sapi juga merupakan
starter alami yang baik karena secara alami karena kaya akan
bakteri metana.
Starter semi buatan, yaitu dari fasilitas biodigester dalam
stadium aktif.
Starter buatan, yaitu bakteri yang dibiakkan secara laboratorium
dengan media buatan.
2.5 Proses Biologis terBentuknya Biogas
Berikut ini adalah beberapa tahapan (lihat Gambar 2.3) untuk
terbentuknya biogas dari proses fermentasi anaerob (http://www.
ganesha.co.uk/Articles/Biogas%20Technology%20in%20India.htm):
•
•
•
Tahap pertama adalah tahap hidrolisis.
Tahap kedua adalah tahap pengasaman.
Tahap ketiga adalah tahap pembentukan gas CH4.
Tahap pertama adalah tahap hidrolisis
Pada tahap hidrolisis, bahan-bahan organik yang mengandung
selulosa, hemiselulosa dan bahan ekstraktif seperti protein, karbohidrat
dan lipida akan diurai menjadi senyawa dengan rantai yang lebih
pendek. Sebagai contoh polisakarida terurai menjadi monosakarida
sedangkan protein terurai menjadi peptida dan asam amino. Pada tahap
hidrolisis, mikroorganisme yang berperan adalah enzim ekstraselular
seperti selulose, amilase, protease dan lipase.
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
Tahap kedua adalah tahap pengasaman
Pada tahap pengasaman, bakteri akan menghasilkan asam yang
akan berfungsi untuk mengubah senyawa pendek hasil hidrolisis
menjadi asam asetat (CH3COOH), H2 dan CO2. Bakteri ini merupakan
bakteri anaerob yang dapat tumbuh pada keadaan asam, yaitu dengan
pH 5,5-6,5. Bakteri ini bekerja secara optimum pada temperatur sekitar
30oC Untuk menghasilkan asam asetat, bakteri tersebut memerlukan
oksigen dan karbon yang diperoleh dari oksigen yang terlarut dalam
larutan. Untuk terjadinya metabolisme yang merata diperlukan
pencampuran yang baik dengan konsentrasi air > 60%. Selain itu,
bakteri tersebut juga mengubah senyawa yang bermolekul rendah
menjadi alkohol, asam organik, asam amino, CO
, Hfloating
S dan sedikit gas
Digester
dome
2
2
CH4.
Tahap Hidrolisis
Bakteri Fermentasi
Bahan
organik,
karbohidrat,
lemak, dan
protein
Tahap Pengasaman Tahap Pembentukan
Metana
Bakteri Asetogenik Bakteri Metanogenesis
Asam Asetat, H2,
dan CO2
Asam Propionik
Asam Butirik
Alkohol
Senyawa lain
Biogas:
Gas Metana
Gas CO2
Asam Asetat
Gambar 2.3 Diagram proses biologis terbentuknya biogas
Tahap ketiga adalah tahap pembentukan gas CH4
Pada tahap pembentukan gas CH4, bakteri yang berperan adalah
bakteri methanogenesis (bakteri metana). Kelompok bakteri metana,
yaitu dari jenis methanobacterium, methanobacillus, methanosacaria,
dan methanococcus. Bakteri ini membutuhkan kondisi digester yang
benar-benar kedap udara dan gelap. Temperatur dimana bakteri ini
bekerja secara optimum adalah pada 35oC dan sangat sensitif terhadap
Biodigester
perubahan temperatur sekitar 2-3oC. Kisaran pH adalah 6,5-7,5. Pada
akhir metabolisme dihasilkan CH4 dan CO2 dari gas H2, CO2 dan asam
asetat yang dihasilkan pada tahap pengasaman. Perlu diketahui bahwa
pada kotoran sapi terdapat banyak bakteri metana sehingga sangat
baik untuk starter.
2.6 Perancangan Biodigester
Ukuran dari biodigester tergantung dari kuantitas, kualitas
bahan organik, jenis bahan organik yang ada dan temperatur proses
fermentasi. Ukuran biodigester dapat dinyatakan dengan volume
digester (Vd). Secara umum Vd dapat diperhitungkan dari:
Vd = S d xRT
(2.1)
Dimana
Sd
RT
adalah jumlah masukan bahan baku setiap hari [m3/hari].
adalah retention time (waktu bahan baku berada dalam
digester) [hari].
Pada umumnya RT dipengaruhi oleh temperatur operasi dari
biodigester. Untuk di Indonesia karena temperatur sepanjang musim
yang hampir stabil, maka banyak biodigester dibuat dan beroperasi
pada temperatur kamar (unheated biodigester). Pada kondisi
biodigester semacam ini, dalam perancangan biodigester, temperatur
operasi dapat dipilih 1-2oC diatas temperatur tanah. Sedangkan RT
untuk biodigester sederhana tanpa pemanasan dapat dipilih 40 hari
(Uli Werner, 1989).
Pemasukan bahan baku tergantung seberapa banyak air harus
dimasukkan kedalam biodigester sehingga kadar bahan baku padatnya
sekitar 4-8%.
S d = Padatan + Air [m3/hari]
(2.2)
Umumnya, pencampuran kotoran dari air dibuat dengan
perbandingan antara 1:3 dan 2:1 (Uli Werner, 1989). Di Indonesia,
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
untuk kotoran sapi umumnya dicampur dengan air pada perbandingan
1:1 sampai 1:2.
Setelah ukuran dari biodigester ditentukan, maka langkah selanjutnya adalah merancang gas penampung. Volume dari penampung
gas dinyatakan dengan Vg. Dalam perancangan ukuran penampung
gas (Vg) harus diperhatikan laju konsumsi gas puncak (Vg1) dan laju
konsumsi nol untuk jangka waktu yang lama (Vg2).
Vg1 jika Vg1 > Vg 2
[m3]
Vg =
V
jika
V
>
V
g
2
g
2
g
1
Vg1 = konsumsi gas maks per jam x
waktu konsumsi maks
(2.3)
(2.4)
Vg 2 = G x t z, max (2.5)
Dimana
G adalah produksi biogas (m3/jam)
Tz,max = waktu maksimum pada saat konsumsi biogas nol (jam)
Besarnya G (produksi biogas per jam, m3/jam) dihitung dari
produksi biogas spesiik (Gy) dari bahan baku dan pemasukan bahan
baku harian (Sd).
G=
G y xS
2
4
d
[- x m3/hari x 1 hari/24 jam = m3/jam]
(2.6)
Dimana Gy dapat diperkirakan dari Tabel 2.3. Perkiraan produksi
biogas dari beberapa jenis kotoran yang lain dapat dilihat pada Tabel
2.4.
Untuk keselamatan, ukuran dari penampung gas (Vg) dibuat
10-20% lebih besar dari hasil perhitungan di atas. Secara umum,
perancangan volume biodigester dengan volume penampung biogas
dapat dibuat dengan perbandingan 3:1 sampai 10:1 dengan 5:1 sampai
6:1 adalah yang paling umum digunakan (Uli Werner, 1989).
Biodigester
Jenis kotoran
Hanya kotoran
(basah), lantai tidak
9-13
berubin (rugi-rugi
10%)
Kotoran dan urine,
20-30
lantai beton
Kotoran stabil
(kotoran + 2 kg
22-32
pakan), lantai beton
0,30,35-0,5 14-18
0,45
Babi (bobot 50-60 kg)
Produksi Produksi gas
kotoran (m 3/ hari)
(kg/ hari) RT=60 RT=80
0,450,54
0,3-0,62
-
0,350,51
0,450,61
30-40
0,45-0,6
0,540,71
2,5-3,0
0,450,63
0,530,73
32-42
0,550,74
0,630,89
-
-
-
0,12- 0,150,14 0,18
-
-
Gy
Untuk 1 L
kotoran/ hari
Untuk 1 kg
kotoran/ hari
0,02
0,025
0,02
0,024
0,05
0,06
0,022
0,027
0,022
0,026
-
51
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
digester 22-27oC (Uli Werner, 1989)
Sapi (bobot 200-300 kg) Kerbau (bobot 300-450 kg)
Produksi Produksi gas Produksi Produksi gas
kotoran
(m 3 / hari)
Kotoran
(m 3 / hari)
(kg/ hari) RT=60 RT=80 (kg/ hari) RT=60 RT=80
Biodigester
Tabel 2.3 Perkiraan produksi biogas dari berbagai kotoran hewan pada temperatur
o
digester
22-27
(Uli Werner,
1989)
Tabel 2.3. Perkiraan produksi
biogas
dariCberbagai
kotoran
hewan pada temperatur
Jumlah material organik dan air yang ditambahkan ke dalam
digester setiap hari merupakan sesuatu yang sangat penting untuk
digester jenis kontinu. Pemasukan material organik dan air yang terlalu
banyak dapat mengganggu kinerja digester, yaitu turunnya pH.
Tabel 2.4 Perkiraan produksi biogas dari beberapa jenis kotoran
Jenis kotoran
Perkiraan produksi biogas (m3) per kg kotoran
Sapi/kerbau
Babi
Unggas
Manusia
Kuda
Domba/Kambing
Jerami padi
Jerami jagung
Rumput
Rumput gajah
Bagase
Sayuran
Alga
0,023-0,04
0,04-0,059
0,065-0,116
0,02-0,028
0,02-0,035
0,01-0,031
0,017-0,028
0,035-0,048
0,028-0,055
0,033-0,056
0,014-0,019
0,03-0,04
0,038-0,055
contoh Soal 2.1.
Diketahui tiga keluarga mempunyai 6 ekor sapi. Jika semua kotoran
sapi tersebut akan dibuat biogas, maka perkirakan:
a. Ukuran dari digester
b. Ukuran dari penampung gas
Jawaban:
Diasumsikan bahwa lantai untuk ternak sapi tersebut berbeton
dan sebagian pakan akan bercampur dengan kotoran berikut urinenya.
Berikut langkah-langkah perhitungan:
1. Setiap ekor sapi diperkirakan menghasilkan 22-32 kg kotoran per
hari (lihat Tabel 1.2). Misalkan untuk perhitungan logis diambil
setiap ekor sapi menghasilkan 25 kg kotoran per hari.
Biodigester
2. Untuk RT = 60 hari diperkirakan produksi biogas adalah 0,45!
3/hari (lihat Tabel 2.3).
0,63 m
®
!
[- perhitungan
3. Misalkan
logis diperkirakan untuk RT = 60,
¯ untuk
3
besarnya produksi biogas adalah 0,5 m
/hari. Sehingga besarnya
!
®
Gy dapat dihitung:
!
¯
m3 biogas
hari
Gy
0,02 m3 biogas/kg kotoran
kg kotoran
25
hari
[Untuk total 6 ekor sapi diperoleh kotoran = 150 kg kotoran
per hari. Jumlah kotoran ini yang akan dimasukkan ke dalam
[digester.
Selain kotoran, ke dalam digester ditambahkan air sebanyak 150
L atau setara dengan 150 kg.
Jumlah total kotoran + air adalah Sd = 300 kg/hari.
Sehingga volume digester yang dibutuhkan untuk RT = 60
=
adalah:
0,5
4.
5.
6.
7.
Vd
Vd
Vd
S d xRT
kg
x60 hari
hari
18000 kg
300
8. Perkirakan massa jenis campuran kotoran sapi dan air sebesar
=
1100 kg/m3, sehingga diperoleh:
Vd
18000 kg
1100 kg/m
3
= 16,4 m3
∴ Ukuran dari biodigester adalah 16,4 m3
0
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
9. Ukuran dari penampung gas dapat diprediksikan dari:
• Jumlah kotoran total = 150 kg/hari
• Gy = 0,02 m3 biogas / kg kotoran
=
• Besarnya produksi biogas (G) dihitung dari:
G = Gy x jumlah kotoran total
m3 biogas
kg
1 hari
x150
x
kg kotoran
hari 24 jam
G
0,02
G
0,125
m3
jam
10. Asumsikan waktu maksimum pemakaian pada saat pemakaian
biogas nol Tz,max = 19 jam. Asumsi ini berarti bahwa biogas
digunakann untuk keperluan sehari-hari minimal selama 6 jam
sehari.
Vg
GxTz,max
Vg
0,125
Vg
2,4 m3
m3
x19 jam
jam
Untuk keamanan tambahkan 20% sehingga:
Vg = 2,4 m3 x (1,2) = 2,9 m3
'
∴ Ukuran dari gas penampung dapat dibuat sebesar 2,9 atau 3
m3 dengan catatan bahwa biogas harus digunakan sebanyak
minimal 6 jam per hari. Jika ketentuan ini tidak dipenuhi maka
> diwajibkan
@ dalam ogas
> penampung
@ juga
dibuatkan pressure
relief yang fungsinya untuk mengeluarkan biogas jika ruang
penampung tersebut telah terisi penuh supaya tidak terjadi halhal yang diinginkan. Sebaliknya jika ukuran dari penampung
o
biogas terlalu besar, selain biayanya mahal juga menyebabkan
tekanan dalam gas penampung akan rendah. Akibatnya gas
x mengalir dalam pipa dengan kecepatan yang rendah.
x
x
x
Biodigester
x
x
,
x
x
x
,
1
Soal Bab II:
2.1 Jelaskan jenis-jenis biodigester.
2.2 Jelaskan kondisi apa saja yang mempengaruhi kinerja digester dan
jelaskan juga bagaimana pengaruhnya.
2.3 Jelaskan proses-proses biologis terbentuknya biogas dari bahan
organik.
2.4 Hitunglah ukuran dari biodigester dan ukuran pen
PEMBUATAN, OPERASIONAL, DAN PEMANFAATAN
TEKNOLOGI BIOGAS
PEMBUATAN, OPERASIONAL, DAN PEMANFAATAN
Suyitno
Agus Sujono
Dharmanto
TEKNOLOGI BIOGAS
Pembuatan, Operasional, dan Pemanfaatan
Oleh : Suyitno
Agus Sujono
Dharmanto
Edisi Pertama
Cetakan Pertama, 2010
Hak Cipta 2010 pada penulis,
Hak Cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak atau memindahkan
sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apa pun, secara elektronis maupun
mekanis, termasuk memfotokopi, merekam, atau dengan teknik perekaman lainnya,
tanpa izin tertulis dari penerbit.
Ruko Jambusari No. 7A
Yogyakarta 55283
Telp.
: 0274-889836; 0274-889398
Fax.
: 0274-889057
: info@grahailmu.co.id
Suyitno; Sujono, Agus; Dharmanto
TEKNOLOGI BIOGAS/Suyitno; Agus Sujono; Dharmanto
- Edisi Pertama – Yogyakarta; Graha Ilmu, 2010
viii + 110 hlm, 1 Jil. : 23 cm.
ISBN:
978-979-756-
1. Teknik
I. Judul
Kata Pengantar
iogas merupakan bahan bakar gas yang sangat menarik untuk
dikembangkan karena dapat diperbaharui dan dapat dibuat
sendiri dengan teknologi yang tidak terlalu rumit. Selain
diperoleh bahan bakar biogas, hasil samping biodigester juga dapat
dimanfaatkan sebagai pupuk. Dari aspek ekonomi, besar kecilnya
biaya teknologi biogas sangat tergantung pada bahan baku dan bahan
pembuatan biodigester. Secara umum teknologi biogas akan sangat
ekonomis jika bahan baku berupa bahan organik dapat diperoleh
secara murah dan biodigester dibuat dengan memanfaatkan material
lokal. Oleh karena itu, beberapa pengetahuan dasar dan praktis
yang disajikan dalam buku ini perlu dipelajari sebelum membuat,
mengoperasikan, dan memanfaatkan biogas supaya diperoleh hasil
yang baik.
B
Buku Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional, dan Pemanfaatan ini disusun atas dasar pengalaman penelitian laboratorium dan
lapangan, sehingga terdapat keseimbangan antara aspek teknis dan
teoritis. Buku ini secara khusus ditujukan pada para pegiat teknologi
biogas, dosen, mahasiswa S1, mahasiswa pasca sarjana, peneliti bidang energi, peneliti bidang pertanian dan peternakan, dan masyarakat pengguna biogas.
Buku ini dikemas secara padat dan difokuskan pada teknologi
energi biogas. Buku ini disusun menjadi enam bab, yaitu sumber
energi biogas, biodigester, teknik pencucian biogas, dasar-dasar
pembakaran, biogas untuk rumah tangga, dan pembangkit listrik
tenaga biogas. Beberapa contoh dan soal diberikan pula dalam buku
ini supaya memudahkan pembaca untuk memahaminya.
Penulis mengucapkan terima kasih yang tulus kepada seluruh
civitas akademika Universitas Sebelas Maret-UNS Surakarta. Terima
kasih penulis tujukan kepada Balitbang Jateng, DP2M DIKTI, dan
Pesantren Wirausaha Abdul Rahman bin Auf Klaten atas kesempatan
dan dukungan pendanaan selama penelitian teknologi biogas ini.
Selanjutnya kritik dan saran sangat penulis harapkan demi
sempurnanya buku ini. Silakan kontak email penulis di suyitno@
gmail.com. Semoga apa yang tersaji dalam buku ini dapat memberikan
manfaat yang nyata bagi perkembangan teknologi energi di Indonesia.
Amiin.
Surakarta, Oktober 2009
Penulis
vi
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
Daftar Isi
KATA PENGANTAR
DAFTAR ISI
v
vii
BAB 1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2.1
SUMBER ENERGI BIOGAS
Pendahuluan
Bahan Penghasil Biogas
Bahan Baku Pembuatan Biogas
Komposisi Biogas
Teknik Pemanfaatan Biogas
Pendahuluan
1
1
3
4
8
10
13
BAB 2
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
BIODIGESTER
Jenis-Jenis Biodigester
Komponen Utama Biodigester
Kondisi Biodigester yang Baik
Proses Biologis Terbentuknya Biogas
Perancangan Biodigester
13
14
18
21
24
26
BAB 3
3.1
3.2
3.3
TEKNIK PENcUcIAN BIOGAS
Pencucian Biogas dari Unsur H2O
Pencucian Biogas dari Unsur H2S
Pencucian Biogas terhadap H2S dengan Iron chelated
solution (Kwartiningsih, 2006)
33
34
35
38
BAB 4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
DASAR-DASAR PEMBAKARAN
Entalpi Pembentukan, Entalpi Pembakaran, Panas Reaksi
Nilai Kalor (Heating Value, HV)
Pembakaran Stoikiometri
Perbandingan Udara Bahan Bakar
Analisis Teoritis Pembakaran Biogas
43
43
48
49
50
52
BAB 5
5.1
5.2
5.3
BIOGAS UNTUK RUMAh TANGGA
Aplikasi Biogas di Sektor Rumah Tangga
Merancang Reaktor Biogas untuk
Kompor Rumah Tangga
Analisis Unjuk Kerja Kompor
55
55
BAB 6
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BIOGAS
Dasar-Dasar Motor Bakar
Unjuk Kerja Motor Bakar
Modiikasi Motor Bakar Berbahan Bakar Bensin
Menjadi Berbahan Bakar Biogas
Modiikasi pada Genset
Prinsip Kerja Generator
Analisa Unjuk Kerja Genset Berbahan Bakar Biogas
DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR INDEKS
TENTANG PENULIS
56
59
63
63
64
66
70
77
78
89
103
107
-oo0oo-
Bab 1
Sumber Energi Biogas
1.1 Pendahuluan
iogas adalah gas yang dihasilkan oleh bakteri apabila
bahan organik mengalami proses fermentasi dalam reaktor
(biodigester) dalam kondisi anaerob (tanpa udara). Reaktor
yang dipergunakan untuk menghasilkan biogas umumnya disebut
digester atau biodigester, karena di tempat inilah bakteri tumbuh
dengan mencerna bahan-bahan organik. Untuk menghasilkan biogas
dalam jumlah dan kualitas tertentu, maka digester perlu diatur suhu,
kelembaban, dan tingkat keasaman supaya bakteri dapat berkembang
dengan baik. Biogas sendiri merupakan gabungan dari gas metana
(CH4), gas CO2 dan gas lainnya.
B
Di Indonesia, pemanfaatan biogas masih terbatas pada bahan
bakar kompor untuk memasak. Pemanfaatan biogas untuk kebutuhan
rumah tangga ini, beberapa penduduk di Indonesia sudah mampu
membuat reaktor biogas sendiri dengan skala kecil. Reaktor biogas
(biodigester) untuk skala kecil umumnya dibuat dari plastik maupun
dari drum. Bahan baku biogas diperoleh dari kotoran sapi dengan
jumlah sapi bervariasi dari 3-5 ekor untuk skala kecil.
Ketertarikan akan sumber energi biogas akhir-akhir ini meningkat.
Hal ini didasarkan pada fakta bahwa cadangan sumber energi fosil
semakin berkurang. Salah satu buktinya adalah adanya kebijakan
pemerintah dalam konversi minyak tanah ke gas (LPG). Dengan
fakta ini sebenarnya beberapa anggota masyarakat yang mempunyai
potensi mengolah bahan organik menjadi biogas dapat berperan
serta lebih aktif. Manfaatnya adalah masyarakat dapat memperoleh
energi yang relatif lebih murah dan lingkungannya juga lebih bersih.
Memang, karena biogas dihasilkan dari kotoran sehingga beberapa
masyarakat masih canggung untuk menggunakan biogas khusunya
untuk memasak.
Biogas sangat potensial sebagai sumber energi terbarukan karena
kandungan methane (CH4) yang tinggi dan nilai kalornya yang cukup
tinggi. CH4 sendiri mempunyai nilai kalor 50 MJ/kg. Methane (CH4)
yang memiliki satu karbon dalam setiap rantainya, dapat menghasilkan
pembakaran yang lebih ramah lingkungan dibandingkan bahan bakar
berantai karbon panjang. Hal ini disebabkan karena jumlah CO2 yang
dihasilkan selama pembakaran bahan bakar berantai karbon pendek
adalah lebih sedikit.
Gambar 1.1 Api biogas yang biru
Sebagaimana bentuk bahan bakar yang lain, selain dimanfaatkan
untuk memasak (lihat Gambar 1.1), biogas dapat dimanfaatkan juga
sebagai bahan bakar untuk penerangan, untuk proses pengeringan,
untuk penghasil panas, untuk pembangkit listrik, atau bahkan untuk
kendaraan bermotor. Pada saat biogas dimanfaatkan untuk pembangkit
listrik dan kendaraan bermotor, maka biogas perlu diolah (treatment).
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
Pengolahan yang dilakukan misalnya dalam bentuk pencucian terhadap
kandungan H2S, pengeringan biogas dari uap air, pengurangan kadar
CO2, atau bahkan kompresi biogas. Beberapa teknik pemanfaatan
biogas baik untuk energi panas atau untuk pembangkit listrik dan
teknik lain yang terkait akan dibahas dalam buku ini.
1.2 Bahan Penghasil Biogas
Biogas dapat diproduksi dari bahan organik dengan bantuan
bakteri untuk proses fermentasi anaerobnya. Pada umumnya hampir
semua jenis bahan organik dapat diolah menjadi biogas. Untuk biogas
sederhana, bahan organik yang paling banyak digunakan di Indonesia
adalah dari kotoran dan urine hewan. Beberapa bahan lain yang
digunakan adalah dari kotoran manusia, sampah bio (organik), dan
sisa proses pembuatan tahu.
Jenis-jenis bahan organik yang diproses termasuk beberapa
contoh di atas sangat mempengaruhi kualitas biogas yang dihasilkan.
Pemilihan bahan biogas dapat ditentukan dari perbandingan kadar
C (karbon) dan N (nitrogen) dalam bahan tersebut. Bahan organik
yang umumnya mampu menghasilkan kualitas biogas yang tinggi
mempunyai rasio C/N sekitar 20-30 (Sasse, 1988) atau 20-25 (Dennis
A., 2001). Perbandingan C dan N dalam bahan biogas merupakan
faktor penting untuk berkembangnya bakteri yang akan menguraikan
bahan organik tersebut. Pada perbandingan C/N kurang dari 8, dapat
menghalagi aktivitas bakteri akibat kadar amonia yang berlebihan (Uli
Werner, 1989). Pada perbandingan C/N lebih dari 43 mengakibatkan
kerja bakteri juga terhambat (Dennis A., 2001). Walaupun demikian,
parameter ini bukan jaminan satu-satunya untuk kualitas biogas yang
tinggi karena masih terdapat beberapa parameter lain yang harus
diperhatikan khususnya pada reaktor biogas (biodigester).
Untuk mendapatkan produksi biogas yang tinggi, maka
penambahan bahan yang mengandung karbon (C) seperti jerami, atau
N (misalnya: urea) perlu dilakukan untuk mencapai rasio C/N = 20
Sumber Energi Biogas
– 30. Tabel 1.1 adalah harga rasio C/N pada beberapa jenis kotoran
hewan.
Tabel 1.1 Rasio C/N untuk beberapa bahan organik (Uli Werner,
1989)
Jenis Kotoran
Urine
Kotoran sapi
Kotoran babi
Kotoran ayam
Kotoran kambing
Kotoran manusia
Jerami padi-padian
Jerami jagung
Rumput hijau
Sisa sayuran
Rasio c/N
0,8
10-20
9-13
5-8
30
8
80-140
30-65
12
35
Tidak semua bahan organik terurai menjadi gas dalam digester
anaerob. Bakteri anaerob tidak menguraikan lignin dan beberapa jenis
hidrokarbon. Digester yang berisi kotoran yang mengandung nitrogen
tinggi dan belerang yang rendah dapat menghasilkan racun berupa
amonia dan H2S. Kotoran yang tidak bercampur dengan air akan
terurai dengan lambat.
Perlu ditekankan disini bahwa proses fermentasi dalam
biodigester sendiri berlangsung secara alami. Mikroba (bakteri) yang
berfungsi untuk menguraikan bahan organik juga dapat terbentuk
secara alami asalkan kondisi biodigester terpenuhi untuk tumbuhnya
bakteri tersebut. Ciri isik yang terlihat dari terjadinya proses fermentasi
alami adalah terbentuknya gelembung pada permukaan air.
1.3 Bahan Baku PemBuatan Biogas
Bahan baku yang dapat dibuat biogas adalah bahan organik.
Beberapa daftar bahan organik yang dapat dibuat biogas adalah
biomasa, kotoran manusia, kotoran hewan, urin, sampah kota yang
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
berbentuk organik, dan sampah produk pertanian. Di Indonesia, jenis
kotoran yang umum digunakan untuk menghasilkan biogas adalah
kotoran sapi.
Tabel 1.2 menunjukkan spesiikasi kotoran sapi yang dihasilkan
dari sapi dengan bobot waktu hidup 635 kg untuk setiap harinya.
Besarnya padatan total (TS) umumnya dapat juga diperkirakan sekitar
10-15% dari massa kotoran awal. Sedangkan besarnya padatan volatil
dapat diperkirakan sebesar 8-10% dari massa kotoran awal.
Tabel 1.2 Spesiikasi kotoran sapi dengan bobot total 635 kg
Spesiikasi
Kotoran
Kotoran
Padatan total (total solid, TS)
Padatan Volatil (volatile solid, VS)
Sapi dengan
bobot 635 kg
50,8 kg
51,1 liter
6,35 kg
5,4 kg
Sebagai acuan, untuk setiap ekor sapi umumnya mampu
menghasilkan kotoran sebanyak 5-40 kg per hari. Secara nyata, tidak
dapat dipastikan berapa kotoran yang dihasilkan oleh hewan untuk
setiap harinya karena tergantung pada banyak hal, seperti kondisi
hewan, pola makan dari hewan, jenis makanan, jenis kandang, jenis
lantai, dan lainnya. Untuk tujuan perancangan digester yang lebih
baik, maka jumlah kotoran dari hewan dapat diukur atau ditimbang
secara berkala. Langkah ini walaupun tidak umum, tetapi mampu
memberikan data yang lebih baik sehingga rancangan dari digester
dan produksi biogasnya nanti tidak berlebihan atau sebaliknya supaya
tidak kekurangan bahan baku.
Beberapa peneliti mengusulkan metode lain untuk menentukan
jumlah kotoran yang dihasilkan dari makhluk hidup. Metode yang
diusulkan adalah dengan membuat prosentasi dari bobot makhluk
hidup tersebut.
Sumber Energi Biogas
•
•
•
•
•
Untuk sapi dengan bobot hidup 135-800 kg dan kerbau dengan
bobot 340-420 kg dapat menghasilkan kotoran 5% dan urine 45% dari bobot tersebut.
Untuk babi dengan bobot 30-75 kg dapat menghasilkan kotoran
sebanyak 2% dan urin 3% dari bobot tersebut.
Untuk domba/kambing dengan bobot 30-100 kg dapat
menghasilkan kotoran sebanyak 3% dan urin 1-1,5% dari bobot
tersebut.
Untuk ayam dengan bobot 1,5-2 kg dapat menghasilkan kotoran
sebanyak 4,5% dari bobotnya.
Untuk manusia dengan bobot 50-80 kg dapat menghasilkan
kotoran sebanyak 1% dan urin sebanyak 2% dari bobotnya.
Tabel 1.3. Komponen padatan volatil (VS) (Uli Werner, 1989).
Komponen
Selulosa
hemiselulosa
Lignin
Kanji
Protein
Eter
Amonia
Asam
Total
% TS
31,0
12,0
12,2
12,5
12,5
2,6
0,5
0,1
83,4
Dari jumlah kotoran yang dihasilkan, yang berperan dalam
menghasilkan biogas adalah komponen padatan total (TS). Di dalam
padatan total (TS) terdapat padatan volatil (VS). Komponen dari
padatan volatil (VS) secara umum terdiri dari selulosa, hemiselulosa,
lignin, kanji, protein, eter, amonia dan asam. Komponen terbesar
dari VS adalah selulosa sebagaimana dapat dilihat pada Tabel 1.3.
Besarnya VS adalah sekitar 83,4% TS. Dengan mengingat bahwa TS
dari kotoran hewan tidak jauh dari 10%, maka dalam biodigester perlu
ditambahkan beberapa sisa makanan hewan selain mengandung C/N
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
tinggi juga mempunyai potensi produksi biogas yang tinggi karena
mengandung TS yang tinggi (lihat TaBEL 1.4).
Tabel 1.4. TS beberapa material organik lain selain kotoran hewan
(Uli Werner, 1989).
Material
Jerami padi
Jerami gandum
Jerami jagung
Rumput segar
Bagase
Sisa sayuran
TS (%)
89
82
80
24
65
12
VS (% TS)
93
94
91
89
78
86
Penting diperhatikan bahwa konsentrasi TS hendaknya dijaga
tidak lebih dari 15% karena akan menghambat metabolisme. Pada saat
memasukkan material organik ke dalam biodigester wajib ditambahkan
sejumlah air. Fungsi air disini selain untuk mempertahankan TS <
15%, juga untuk mempermudah proses pencampuran dan proses
mengalirnya material organik ke dalam biodigester. Fungsi lainnya
adalah untuk mempermudah aliran gas yang terbentuk di bagian
bawah dapat mengalir ke bagian atas biodigester.
Tabel 1.5. Kadar selulosa, hemiselulosa dan lignin dalam biomasa
(Suyitno, 2007)
Material
Kayu
Tongkol jagung
Jerami padi
Bagase
Dedaunan
Jerami gandum
Rumput
Sumber Energi Biogas
Selulosa (%)
40-50
45
32,1
33,4
15-20
30
45
hemiselulosa
(%)
15-25
35
24
30
80-85
50
31,4
Lignin
(%)
15-30
15
18
18,9
0
15
12
Selulosa dan hemiselulosa dapat diuraikan oleh bakteri dalam
biodigester sedangkan lignin tidak dapat diuraikan. Biomasa termasuk
bahan organik yang mengandung lignin dalam jumlah yang besar
sebagaimana dapat dilihat pada Tabel 1.5. Sehingga jika beberapa
material organik yang mengandung lignin dalam jumlah tinggi
misalnya biomasa, maka dari material organik jenis ini, biogas yang
dihasilkan jumlahnya rendah.
1.4 komPosisi Biogas
Komposisi dan produktivitas sistem biogas dipengaruhi
oleh parameter-parameter seperti temperatur digester, ph (tingkat
keasaman), tekanan, dan kelembaban udara. Komponen biogas yang
paling penting adalah metana (CH4). Tabel 1.6 adalah gambaran
komposisi biogas dari Horikawa tahun 2004 dimana biogas tersusun
dari 81,1% CH4.
Tabel 1.6 Komposisi biogas (Horikawa, 2004)
Gas
Digester Sludge Sistem Anaerob
(% volume)
CH4
cO2
h 2S
N2 + O2
81,1 %
14,0 %
2,2 %
2,7 %
Namun demikian, pendapat mengenai komposisi biogas di
bawah ini lebih banyak dijadikan acuan oleh beberapa peneliti. Biogas
umumnya terdiri dari:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Methane, CH4 = 55-75%.
Carbon dioxide, CO2 = 25-45%.
Carbon monoxide, CO = 0-0,3%.
Nitrogen, N2 = 1-5%.
Hydrogen, H2 = 0-3%.
Hydrogen sulide, H2S = 0,1-0,5%.
Oxygen, O2 = sisanya
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
Biogas berbeda dengan gas alam dan gas kota. Beberapa perbedaan sifat dari biogas, gas kota, dan gas alam dapat dilihat pada Tabel
1.7 Biogas mempunyai nilai kalor sedang dan besarnya sangat tergantung dari kandungan CH4 dalam biogas. Massa jenis biogas sedikit
lebih tinggi dari massa jenis udara. Jika dibakar, biogas mempunyai
kecepatan maksimum yang rendah, yaitu sekitar 0,25 m/s.
Tabel 1.7. Perbandingan sifat biogas, gas alam, dan gas kota
(Wellinger, 2001)
Parameter
Nilai kalor bawah (MJ/m3)
Massa jenis (kg/m3)
Indeks Wobbe bawah (MJ/m3)
Kecepatan penyalaan maksiumum (m/s)
Kebutuhan udara teoritis (m3 udara/m3
gas)
Konsentrasi maksimum CO2 dalam
cerobong (vol%)
Titik embun (oc)
Biogas
(60% ch4)
21,48
1,21
19,5
0,25
5,71
Gas
Alam
36,14
0,82
39,9
0,39
9,53
Gas
Kota
16,1
0,51
22,5
0,70
3,83
17,8
11,9
13,1
60-160
59
60
Kandungan methane yang cukup tinggi dalam biogas dapat
menggantikan peran LPG dan petrol (bensin). Tetapi dalam biogas
terdapat kandungan lain selain methane yang perlu adanya proses
pemurnian. Gas tersebut adalah gas H2S yang dianggap sebagai pengotor
dan bila ikut terbakar dan terbebas dengan udara dapat teroksidasi
menjadi SO2 dan SO3 yang bersifat korosif dan bila teroksidasi lebih
lanjut oleh H2O dapat memicu hujan asam. Selain H2S terdapat juga
uap air dan CO2 yang tidak bermanfaat pada saat pembakaran. Biogas
yang mengandung sejumlah H2O dapat berkurang nilai kalornya. Gas
H2O sebagaimana gas H2S juga perlu dibersihkan dari biogas. Prosedur
pencucian dan pemurnian biogas dapat dilihat pada bab III.
Sumber Energi Biogas
1.5 teknik Pemanfaatan Biogas
Biogas dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan,
diantaranya adalah:
1. Sumber bahan bakar gas digunakan untuk kompor rumah tangga,
penerangan, pemanas air, dan lainnya.
2. Sumber bahan bakar gas untuk menghasilkan panas yang dapat
digunakan untuk berbagai keperluan misalnya pemanas air,
pemanas udara, pengering, dan lainnya.
3. Sumber bahan bakar gas untuk menggerakkan motor bakar, turbin,
dan lainnya yang kemudian torsi yang diperoleh dapat digunakan
untuk menggerakkan pompa atau mesin-mesin yang lain.
4. Torsi dari motor bakar dan turbin berbahan bakar biogas
selanjutnya dapat dipergunakan untuk menggerakkan generator
dan diperoleh listrik.
Secara teoritis dapat dibuat suatu prediksi umum bahwa (Uli
Werner, 1989):
•
•
•
•
•
10
Untuk keperluan memasak, 1 orang rata-rata per hari membutuhkan
biogas sebanyak 0,1 – 0,3 m3.
Untuk penerangan (lampu petromaks), rata-rata membutuhkan
biogas sebanyak 0,1 – 0,15 m3 per jam. Pendapat lain mengatakan
bahwa 1 m3 dapat digunakan untuk penerangan yang sebanding
dengan lampu 60-100 W selama 6 jam .
Untuk pengganti bahan bakar bensin sebanyak 0,7 kg dibutuhkan
biogas sebanyak 1 m3.
Untuk menggerakkan motor 1 hp selama 2 jam dibutuhkan biogas
sebanyak 1 m3.
Untuk pembangkit listrik dengan motor bakar dibutuhkan biogas
sebanyak 0,6 m3 per kWh.
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
Soal Bab I:
1.1. Jelaskan pengertian biogas dan pengertian digester.
1.2. Jelaskan jenis-jenis bakteri yang berkembang dalam biodigester.
1.3. Jelaskan mengapa lignin tidak dapat diuraikan oleh bakteri dalam
biodigester.
1.4. Jelaskan pengertian TS dan VS.
1.5. Sebutkan manfaat energi yang dapat diperoleh dari 1 m3 biogas.
-oo0oo-
Sumber Energi Biogas
11
Bab 2
Biodigester
2.1 Pendahuluan
iodigester merupakan komponen utama dalam produksi biogas. Biodigester merupakan tempat dimana material organik
diurai oleh bakteri secara anaerob (tanpa udara) menjadi gas
CH4 dan CO2. Biodigester harus dirancang sedemikian rupa sehingga
proses fermentasi anaerob dapat berjalan baik. Pada umumnya, biogas dapat terbentuk pada 4–5 hari setelah digester diisi. Produksi biogas yang banyak umumnya terjadi pada 20–25 hari dan kemudian
produksinya turun jika biodigester tidak diisi kembali.
B
Selama proses penguraian secara anaerob, komponen nitrogen
berubah menjadi amonia, komponen belerang berubah menjadi H2S,
dan komponen fosfor berubah menjadi orthophosphates. Beberapa
komponen lain seperti kalsium, magnesium, atau sodium berubah
menjadi jenis garam (Dennis A., 2001). Lebih lengkapnya, daftar
berikut adalah beberapa tujuan pembuatan biodigester.
1. Mengurangi jumlah padatan. Karena padatan terurai menjadi gas
dan tidak semua padatan dapat terurai, maka tujuan dari proses
digestion adalah mengurangi jumlah padatan.
2. Membangkitkan energi. Sebagaimana diketahui, target utama dari
proses digestion adalah menghasilkan gas CH4 yang mengandung
energi 50 MJ/kg. Semakin besar kandungan CH4 dalam biogas,
semakin besar kandungan energi dalam biogas.
3. Mengurangi bau dari kotoran. Biogas dapat ditujukan untuk
mengurangi bau dan bukan menghilangkan bau dari kotoran.
Setidaknya dengan pembuatan digester bau yang dihasilkan
selama proses digestion dapat diarahkan supaya tidak mengganggu
kenyamanan hidup manusia.
4. Menghasilkan air buangan yang bersih. Sebagian air setelah proses
digestion harus dikeluarkan. Bersihnya air buangan ini menjadi
sangat penting jika akan digunakan untuk irigasi. Sebagian air
buangan juga dapat dikembalikan lagi ke dalam digester.
5. Menghasilkan padatan yang mengandung bahan gizi untuk pupuk.
Padatan yang tidak terurai menjadi gas dapat dimanfaatkan sebagai
pupuk asalkan masih mengandung bahan gizi yang baik. Padatan
yang dihasilkan juga harus dijaga dari zat-zat berbahaya.
2.2. Jenis-Jenis Biodigester
Terdapat beberapa jenis biodigester yang dapat dilihat
berdasarkan konstruksi, jenis aliran, dan posisinya terhadap
permukaan tanah. Jenis digester yang dipilih dapat didasarkan pada
tujuan pembuatan digester tersebut. Hal yang penting adalah apapun
jenis digester yang dipilih nantinya, tujuan utama pembuatan digester
adalah mengurangi jumlah kotoran dan menghasilkan biogas yang
mempunyai kandungan CH4 tinggi.
Umumnya, kotoran merupakan campuran fasa padat dan cair
dengan perbandingan tertentu. Energi dihasilkan dari padatan kotoran
tersebut. Pada saat menginginkan hasil biogas yang kontinu, maka
bahan baku harus mampu mengalir kontinu tanpa bantuan pompa dan
biodigester harus didesain supaya tidak terjadi penyumbatan. Padatan
yang dihasilkan setelah proses digestion juga harus dapat dipisahkan
1
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
secara alami tanpa bantuan peralatan dari luar. Padatan yang dihasilkan
kemudian dapat dengan mudah dikeluarkan dari digester.
Dari segi konstruksi, digester dibedakan menjadi:
a)
Fixed dome (kubah tetap). Digester jenis ini mempunyai volume
tetap. Seiring dengan dihasilkannya biogas, terjadi peningkatan
tekanan dalam reaktor (biodigester). Karena itu, dalam konstruksi
biodigester jenis kubah tetap, gas yang terbentuk akan segera
dialirkan ke pengumpul gas di luar reaktor. Indikator produksi
gas dapat dilakukan dengan memasang indikator tekanan. Skema
digester jenis kubah tetap dapat dilihat pada Gambar 2.1. Tabel
2.1 merupakan kelebihan dan kekurangan digester jenis kubah
tetap.
Digester
fixed dome
Gambar 2.1 Digester jenis kubah tetap (ixed dome) (Sasse, 1988).
Tabel 2.1 Kelebihan dan kekurangan digester
Biodigester
1
jenis kubah tetap.
Kelebihan
Kekurangan
1. Sederhana dan dapat dikerjakan 1. Bagian dalam reaktor tidak
dengan mudah.
terlihat (khususnya yang dibuat
di dalam tanah) sehingga jika
2. Biaya konstruksinya rendah.
terjadi kebocoran tidak segera
3. Tidak terdapat bagian yang
terdeteksi.
bergerak.
2. Tekanan gas berluktuasi dan
4. Dapat dipilih dari material yang
bahkan luktuasinya sangat
tahan karat.
tinggi.
5. Umurnya panjang.
3. Temperatur digester rendah.
6. Dapat dibuat di dalam tanah
sehingga menghemat tempat.
b) Floating dome (kubah apung). Pada digester tipe ini terdapat
bagian reaktor yang dapat bergerak seiring dengan kenaikan
tekanan reaktor. Pergerakan bagian kubah dapat dijadikan indikasi
bahwa produksi biogas sudah dimulai atau sudah terjadi. Bagian
yang bergerak tadi juga berfungsi sebagai pengumpul biogas.
Dengan model ini, kelemahan tekanan gas yang berluktuasi
pada reaktor biodigester jenis kubah tetap dapat diatasi sehingga
tekanan biogas dapat dijaga konstan. Kelemahannya adalah
membutuhkan ketrampilan khusus untuk membuat tampungan
gas yang dapat bergerak. Kelemahan lainnya dari biodigester jenis
ini adalah material dari tampungan biogas yang dapat bergerak
juga harus dipilih dari material yang tahan korosi dan otomatis
harganya lebih mahal.
Gambar 2.2 Digester jenis kubah apung (loating dome)
1
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
Pipa aliran
biogas
Bahan baku
masuk
Biogas
digunakan
Tampungan
biogas yang
bisa bergerak
Padatan
keluar
Pengarah
center
Buih
Digester
(Sasse, 1988).
floating dome
Dari segi aliran bahan baku untuk reaktor biogas, biodigester
dibedakan menjadi:
1. Bak (batch). Pada biodigester jenis bak, bahan baku ditempatkan di
dalam suatu wadah (bak) dari sejak awal hingga selesainya proses
digestion. Biodigester jenis ini umumnya digunakan pada tahap
eksperimen untuk mengetahui potensi gas dari limbah organik
atau digunanakan pada kapasitas biogas yang kecil.
2. Mengalir (continuous). Untuk biodigester jenis mengalir, aliran
bahan baku dimasukkan dan residu dikeluarkan pada selang waktu
tertentu. Lamanya bahan baku berada dalam reaktor digester
disebut waktu retensi (retention time/RT).
Dilihat dari segi tata letak penempatan, biodigester dibedakan
menjadi:
1. Seluruh biodigester di atas permukaan tanah. Biasanya biodigester
jenis ini dibuat dari tong-tong bekas minyak tanah atau aspal.
Kelemahan tipe ini adalah volume yang kecil, sehingga biogas
Biodigester
1
yang dihasilkan hanya mampu digunakan untuk kebutuhan sebuah
rumah tangga (keluarga). Kelemahan lain adalah kemampuan
material yang rendah untuk menahan korosi sehingga tidak tahan
lama. Untuk pembuatan skala besar, biodigester jenis ini jelas
memerlukan luas lahan yang besar juga.
2. Sebagian tangki biodigester diletakkan di bawah permukaan
tanah. Biasanya biodigester ini terbuat dari campuran semen,
pasir, kerikil, dan kapur yang dibentuk seperti sumur dan ditutup
dari plat baja atau konstruksi semen. Volume tangki dapat dibuat
untuk skala besar ataupun skala kecil sehingga dapat disesuaikan
dengan kebutuhan. Kelemahan pada sistem ini adalah jika
ditempatkan pada daerah yang memiliki suhu rendah (dingin),
suhu dingin yang diterima oleh plat baja merambat ke dalam
bahan baku biogas, sehingga menghambat proses bekerjanya
bakteri. Ingat kembali bahwa bakteri akan bekerja secara optimum
pada temperatur tertentu saja.
3. Seluruh tangki biodigester di letakkan di bawah permukaan tanah.
Model ini merupakan model yang paling popular di Indonesia,
dimana seluruh instalasi biodigester dibuat di dalam tanah dengan
konstruksi yang permanen. Selain dapat menghemat tempat atau
lahan, pembuatan biodigester di dalam tanah juga berguna untuk
mempertahankan temperatur biodigester stabil dan mendukung
pertumbuhan bakteri methanogen. Kekurangannya adalah jika
terjadi kebocoran gas dapat menyulitkan untuk memperbaikinya.
2.3 komPonen utama Biodigester
Komponen-komponen biodigester cukup banyak dan sangat
bervariasi. Komponen yang digunakan untuk membuat biodigester
tergantung pada jenis biodigester yang digunakan dan tujuan
pembangunan biodigester. Tetapi, secara umum biodigester terdiri
dari empat komponen utama sebagai berikut:
1. Saluran masuk slurry (kotoran segar). Saluran ini digunakan untuk
1
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
memasukkan slurry (campuran kotoran ternak dan air) ke dalam
reaktor utama. Tujuan pencampuran adalah untuk memaksimalkan
produksi biogas, memudahkan mengalirnya bahan baku, dan
menghindari terbentuknya endapan pada saluran masuk.
2. Ruang digestion (ruang fermentasi). Ruangan digestion berfungsi
sebagai tempat terjadinya proses digestion dan dibuat kedap
terhadap udara. Ruangan ini dapat juga dilengkapi dengan
penampung biogas.
3. Saluran keluar residu (sludge). Fungsi saluran ini adalah untuk
mengeluarkan kotoran (sludge) yang telah mengalami proses
digestion oleh bakteri. Saluran ini bekerja berdasarkan prinsip
kesetimbangan tekanan hidrostatik. Residu yang keluar pertama
kali merupakan slurry (lumpur) masukan yang pertama setelah
waktu retensi. Slurry yang keluar sangat baik untuk pupuk karena
mengandung kadar nutrisi yang tinggi.
4. Tangki penyimpan biogas. Tujuan dari tangki penyimpan gas
adalah untuk menyimpan biogas yang dihasilkan dari proses
digestion. Jenis tangki penyimpan biogas ada dua, yaitu tangki
bersatu dengan unit reaktor (ixed dome) dan terpisah dengan
reaktor (loating dome). Untuk tangki terpisah, konstruksi dibuat
khusus sehingga tidak bocor dan tekanan yang terdapat dalam
tangki seragam.
Selain empat komponen utama tersebut, pada sebuah
biodigester perlu ditambahkan beberapa komponen pendukung untuk
menghasilkan biogas yang jumlahnya banyak dan aman. Beberapa
komponen pendukung adalah:
1. Katup pengaman tekanan (control valve). Fungsi dari katup
pengaman adalah sebagai pengaman biodigester dari lonjakan
tekanan biogas yang berlebihan. Bila tekanan biogas dalam tabung
penampung biogas lebih tinggi dari tekanan yang diijinkan, maka
biogas akan dibuang keluar. Selanjutnya tekanan dalam biodigester
turun kembali. Katup pengaman tekanan cukup penting dalam
Biodigester
1
reaktor biogas yang besar dan sistem kontinu, karena umumnya
digester dibuat dari material yang tidak tahan pada tekanan yang
tinggi supaya biaya pembuatan biodigester tidak mahal.
2. Sistem pengaduk. Pada digester yang besar, sistem pengaduk
menjadi sangat penting. Untuk digester kecil misalnya digester
untuk 3-5 sapi, sistem pengaduk dapat ditiadakan. Tujuan
dari pengadukan adalah untuk mengurangi pengendapan dan
menyediakan populasi bakteri yang seragam sehingga tidak
terdapat lokasi yang ‘mati’ dimana tidak terjadi proses digestion
karena tidak terdapat bakteri. Selain itu dengan pengadukan dapat
mempermudah pelepasan gas yang dihasilkan oleh bakteri menuju
ke bagian penampung biogas. Pengadukan dapat dilakukan
dengan:
•
•
pengadukan mekanis yaitu dengan menggunakan poros yang
dibawahnya terdapat semacam baling-baling dan digerakkan
dengan motor listrik secara berkala.
Mensirkulasi bahan dalam digester dengan menggunakan
pompa dan dialirkan kembali melalui bagian atas
biodigester.
Pada saat melakukan proses pengadukan hendaknya dilakukan
dengan pelan. Sebagaimana diketahui bahwa tumbuhnya bakteri
membutuhkan media yang cocok. Media yang cocok sendiri
terbentuk dari bahan organik secara alami dan membutuhkan waktu
tertentu (ingat kembali retention time) sehingga pengadukan yang
terlalu cepat dapat membuat proses digestion justru terhambat.
Tidak ada panduan yang pasti seberapa lambat pengadukan
dilakukan dan bagaimana frekuensinya karena proses pengadukan
sangat tergantung dari bahan baku yang digunakan. Untuk bahan
baku yang larut dengan air dan tidak membentuk stratiikasi justru
tidak diperlukan adanya pengadukan.
3. Saluran biogas. Tujuan dari saluran gas adalah untuk mengalirkan
0
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
biogas yang dihasilkan dari biodigester. Bahan untuk saluran
gas disarankan terbuat dari polimer untuk menghindari korosi.
Ingat, kebocoran biogas dapat sangat berbahaya, karena dapat
menimbulkan kebakaran. Untuk pembakaran gas pada tungku,
pada ujung saluran pipa dapat disambung dengan pipa yang
terbuat dari logam supaya tahan terhadap temperatur pembakaran
yang tinggi.
2.4 kondisi Biodigester yang Baik
Tujuan utama dari pembuatan biodigester adalah membuat suatu
tempat kedap udara supaya bahan organik dapat terurai secara biologi
yaitu dengan bantuan bakteri alami. Hasil dari proses penguraian
bahan organik tersebut dapat dihasilkan gas yang mengandung CH4
dengan konsentrasi tinggi. Untuk itu pada saat membuat biodigester,
maka perlu diperhitungkan beberapa hal, yaitu:
1. Lingkungan anaerob. Biodigester harus tetap dijaga dalam keadaan
anaerob yaitu tidak terjadi kontak langsung dengan oksigen (O2).
Udara mengandung O2 sebanyak 21 vol% sehingga jika memasuki
biodigester dapat menyebabkan penurunan produksi metana.
Penyebabnya adalah bakteri alami untuk proses penguraian bahan
organik membutuhkan kondisi kedap udara, sehingga jika terdapat
udara yang mengandung O2 menyebabkan bakteri berkembang
secara tidak sempurna.
2. Temperatur dalam biodigester. Secara umum terdapat tiga rentang
temperatur yang disenangi oleh bakteri, yaitu:
a. Bakteri fermentasi psycrophilic yang hidup pada temperatur
8–25oC. Bakteri ini biasanya berkembang pada negara-negara
subtropis atau beriklim dingin. Kondisi optimumnya adalah
pada temperatur 15-18oC. Waktu penyimpanan (retention
time, RT) dalam digester adalah lebih dari 100 hari.
b. Bakteri fermentasi mesophilic yang hidup pada temperatur
Biodigester
1
35–37oC. Bakteri ini dapat berkembang pada negara-negara
tropis seperti di Indonesia. Untuk itu kondisi biodigester
yang dibangun di Indonesia tidak perlu dipanasi. Biodigester
yang dibangun di dalam tanah juga mempunyai keuntungan
tersendiri, yaitu temperatur dalam biodiegester cenderung
konstan sehingga baik untuk pertumbuhan bakteri. Temperatur
dimana bakteri ini bekerja secara optimum adalah pada
35-45oC. Waktu penyimpanan (retention time, RT) dalam
biodigester adalah lebih dari 30-60 hari.
c. Bakteri fermentasi thermophilic yang hidup pada temperatur
optimum 53–55oC. Bakteri yang berkembang pada temperatur
tinggi umumnya digunakan hanya untuk mengurai material,
bukan untuk menghasilkan biogas. Waktu penyimpanan (RT)
dalam digester adalah lebih dari 10-16 hari.
Temperatur minimum supaya bakteri berkembang selama proses
fermentasi anaerob khususnya pada biodigester yang tidak dipanasi
adalah 15oC (Uli Werner, 1989). Biodigester yang beroperasi pada
temperatur di bawah 15oC hanya diperoleh biogas yang jumlahnya
terbatas sehingga sangat tidak ekonomis. Oleh karena itu, pada daerah
yang dingin, pada saat membuat biodigester perlu diperhitungkan
adanya pemakaian bahan penyekat panas.
1. Derajat keasaman (pH) dalam biodigester. Bakteri alami pengurai
bahan organik dapat berkembang dengan baik pada keadaan
yang agak asam, yaitu pH antara 6,6 – 7,0. Beberapa peneliti
lain menyarankan bahwa untuk produksi biogas yang optimum
diperlukan kondisi yang agak basa dengan pH antara 7-8,5.
Namun demikian perbedaan tersebut tidak terlalu menjadi masalah
karena selama proses fermentasi anaerob, pH dalam biodigester
akan berada angka pH sekitar 7. Selain itu, derajat keasaman
(pH) dalam biodigester sangat dipengaruhi oleh bahan baku
yang berupa bahan organik. Karena pada tahap awal fermentasi
dapat terbentuk asam, maka pH akan turun. Beberapa peneliti
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
menyarankan untuk menambahkan larutan kapur (CaOH2) atau
kapur (CaCO3) supaya pH kembali naik ke angka sekitar 7,0. Jika
pH turun di bawah 6,2, maka bakteri methanogen akan keracunan
dan akibatnya produksi biogas turun.
2. Kebutuhan nutrisi. Bakteri fermentasi membutuhkan beberapa
bahan nutrisi tertentu dan sedikit logam. Kekurangan salah satu
nutrisi atau bahan logam yang dibutuhkan dapat memperkecil
proses produksi metana. Nutrisi yang diperlukan antara lain
nitrogen, sulfur, fosfor, potasium, kalsium, magnesium dan
sejumlah logam seperti besi, mangan, molibdenum, seng, kobalt,
selenium, nikel, dan lainnya. Bahan baku berupa bahan organik
pada umumnya sudah mengandung zat nutrisi yang disebutkan di
atas dalam jumlah yang cukup. Tabel 2.2 memberikan gambaran
tentang konsentrasi maksimum beberapa zat yang diijinkan
dalam biodigester. Keberadaan beberapa zat yang disebutkan di
atas dalam jumlah yang banyak justru dapat menghambat proses
pembentukan biogas.
Tabel 2.2 Batasan konsentrasi beberapa zat yang diijinkan terdapat
dalam biodigester (Werner Kossmann, 1999)
Zat
Tembaga
Kalsium
Sodium
Magnesium
Nikel
Seng
Chromium
Sulfur
Cyanide
Konsentrasi (mg/l)
10-250
8000
8000
3000
100-1000
350-1000
200-2000
200
2
3. Kadar padatan (TS). Tiap jenis bakteri memiliki nilai “kapasitas
kebutuhan air” tersendiri. Bila kapasitasnya tepat, maka aktiitas
bakteri juga akan optimal. Proses pembentukan biogas mencapai
Biodigester
titik optimum apabila konsentrasi bahan kering terhadap air adalah
0,26 kg/L. Pada umumnya proses pencampuran antara bahan
organik dan air berkisar antara 1:1 sampai 1:2.
4. Pengadukan (lihat di sub bab 2.3)
5. Pengaruh starter. Starter yang mengandung bakteri methanogen
diperlukan untuk mempercepat proses fermentasi anaerob.
Beberapa jenis starter antara lain:
•
•
•
Starter alami, yaitu lumpur aktif seperti lumpur kolam ikan, air
comberan atau cairan septic tank, sludge, timbunan kotoran,
dan timbunan sampah organik. Kotoran sapi juga merupakan
starter alami yang baik karena secara alami karena kaya akan
bakteri metana.
Starter semi buatan, yaitu dari fasilitas biodigester dalam
stadium aktif.
Starter buatan, yaitu bakteri yang dibiakkan secara laboratorium
dengan media buatan.
2.5 Proses Biologis terBentuknya Biogas
Berikut ini adalah beberapa tahapan (lihat Gambar 2.3) untuk
terbentuknya biogas dari proses fermentasi anaerob (http://www.
ganesha.co.uk/Articles/Biogas%20Technology%20in%20India.htm):
•
•
•
Tahap pertama adalah tahap hidrolisis.
Tahap kedua adalah tahap pengasaman.
Tahap ketiga adalah tahap pembentukan gas CH4.
Tahap pertama adalah tahap hidrolisis
Pada tahap hidrolisis, bahan-bahan organik yang mengandung
selulosa, hemiselulosa dan bahan ekstraktif seperti protein, karbohidrat
dan lipida akan diurai menjadi senyawa dengan rantai yang lebih
pendek. Sebagai contoh polisakarida terurai menjadi monosakarida
sedangkan protein terurai menjadi peptida dan asam amino. Pada tahap
hidrolisis, mikroorganisme yang berperan adalah enzim ekstraselular
seperti selulose, amilase, protease dan lipase.
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
Tahap kedua adalah tahap pengasaman
Pada tahap pengasaman, bakteri akan menghasilkan asam yang
akan berfungsi untuk mengubah senyawa pendek hasil hidrolisis
menjadi asam asetat (CH3COOH), H2 dan CO2. Bakteri ini merupakan
bakteri anaerob yang dapat tumbuh pada keadaan asam, yaitu dengan
pH 5,5-6,5. Bakteri ini bekerja secara optimum pada temperatur sekitar
30oC Untuk menghasilkan asam asetat, bakteri tersebut memerlukan
oksigen dan karbon yang diperoleh dari oksigen yang terlarut dalam
larutan. Untuk terjadinya metabolisme yang merata diperlukan
pencampuran yang baik dengan konsentrasi air > 60%. Selain itu,
bakteri tersebut juga mengubah senyawa yang bermolekul rendah
menjadi alkohol, asam organik, asam amino, CO
, Hfloating
S dan sedikit gas
Digester
dome
2
2
CH4.
Tahap Hidrolisis
Bakteri Fermentasi
Bahan
organik,
karbohidrat,
lemak, dan
protein
Tahap Pengasaman Tahap Pembentukan
Metana
Bakteri Asetogenik Bakteri Metanogenesis
Asam Asetat, H2,
dan CO2
Asam Propionik
Asam Butirik
Alkohol
Senyawa lain
Biogas:
Gas Metana
Gas CO2
Asam Asetat
Gambar 2.3 Diagram proses biologis terbentuknya biogas
Tahap ketiga adalah tahap pembentukan gas CH4
Pada tahap pembentukan gas CH4, bakteri yang berperan adalah
bakteri methanogenesis (bakteri metana). Kelompok bakteri metana,
yaitu dari jenis methanobacterium, methanobacillus, methanosacaria,
dan methanococcus. Bakteri ini membutuhkan kondisi digester yang
benar-benar kedap udara dan gelap. Temperatur dimana bakteri ini
bekerja secara optimum adalah pada 35oC dan sangat sensitif terhadap
Biodigester
perubahan temperatur sekitar 2-3oC. Kisaran pH adalah 6,5-7,5. Pada
akhir metabolisme dihasilkan CH4 dan CO2 dari gas H2, CO2 dan asam
asetat yang dihasilkan pada tahap pengasaman. Perlu diketahui bahwa
pada kotoran sapi terdapat banyak bakteri metana sehingga sangat
baik untuk starter.
2.6 Perancangan Biodigester
Ukuran dari biodigester tergantung dari kuantitas, kualitas
bahan organik, jenis bahan organik yang ada dan temperatur proses
fermentasi. Ukuran biodigester dapat dinyatakan dengan volume
digester (Vd). Secara umum Vd dapat diperhitungkan dari:
Vd = S d xRT
(2.1)
Dimana
Sd
RT
adalah jumlah masukan bahan baku setiap hari [m3/hari].
adalah retention time (waktu bahan baku berada dalam
digester) [hari].
Pada umumnya RT dipengaruhi oleh temperatur operasi dari
biodigester. Untuk di Indonesia karena temperatur sepanjang musim
yang hampir stabil, maka banyak biodigester dibuat dan beroperasi
pada temperatur kamar (unheated biodigester). Pada kondisi
biodigester semacam ini, dalam perancangan biodigester, temperatur
operasi dapat dipilih 1-2oC diatas temperatur tanah. Sedangkan RT
untuk biodigester sederhana tanpa pemanasan dapat dipilih 40 hari
(Uli Werner, 1989).
Pemasukan bahan baku tergantung seberapa banyak air harus
dimasukkan kedalam biodigester sehingga kadar bahan baku padatnya
sekitar 4-8%.
S d = Padatan + Air [m3/hari]
(2.2)
Umumnya, pencampuran kotoran dari air dibuat dengan
perbandingan antara 1:3 dan 2:1 (Uli Werner, 1989). Di Indonesia,
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
untuk kotoran sapi umumnya dicampur dengan air pada perbandingan
1:1 sampai 1:2.
Setelah ukuran dari biodigester ditentukan, maka langkah selanjutnya adalah merancang gas penampung. Volume dari penampung
gas dinyatakan dengan Vg. Dalam perancangan ukuran penampung
gas (Vg) harus diperhatikan laju konsumsi gas puncak (Vg1) dan laju
konsumsi nol untuk jangka waktu yang lama (Vg2).
Vg1 jika Vg1 > Vg 2
[m3]
Vg =
V
jika
V
>
V
g
2
g
2
g
1
Vg1 = konsumsi gas maks per jam x
waktu konsumsi maks
(2.3)
(2.4)
Vg 2 = G x t z, max (2.5)
Dimana
G adalah produksi biogas (m3/jam)
Tz,max = waktu maksimum pada saat konsumsi biogas nol (jam)
Besarnya G (produksi biogas per jam, m3/jam) dihitung dari
produksi biogas spesiik (Gy) dari bahan baku dan pemasukan bahan
baku harian (Sd).
G=
G y xS
2
4
d
[- x m3/hari x 1 hari/24 jam = m3/jam]
(2.6)
Dimana Gy dapat diperkirakan dari Tabel 2.3. Perkiraan produksi
biogas dari beberapa jenis kotoran yang lain dapat dilihat pada Tabel
2.4.
Untuk keselamatan, ukuran dari penampung gas (Vg) dibuat
10-20% lebih besar dari hasil perhitungan di atas. Secara umum,
perancangan volume biodigester dengan volume penampung biogas
dapat dibuat dengan perbandingan 3:1 sampai 10:1 dengan 5:1 sampai
6:1 adalah yang paling umum digunakan (Uli Werner, 1989).
Biodigester
Jenis kotoran
Hanya kotoran
(basah), lantai tidak
9-13
berubin (rugi-rugi
10%)
Kotoran dan urine,
20-30
lantai beton
Kotoran stabil
(kotoran + 2 kg
22-32
pakan), lantai beton
0,30,35-0,5 14-18
0,45
Babi (bobot 50-60 kg)
Produksi Produksi gas
kotoran (m 3/ hari)
(kg/ hari) RT=60 RT=80
0,450,54
0,3-0,62
-
0,350,51
0,450,61
30-40
0,45-0,6
0,540,71
2,5-3,0
0,450,63
0,530,73
32-42
0,550,74
0,630,89
-
-
-
0,12- 0,150,14 0,18
-
-
Gy
Untuk 1 L
kotoran/ hari
Untuk 1 kg
kotoran/ hari
0,02
0,025
0,02
0,024
0,05
0,06
0,022
0,027
0,022
0,026
-
51
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
digester 22-27oC (Uli Werner, 1989)
Sapi (bobot 200-300 kg) Kerbau (bobot 300-450 kg)
Produksi Produksi gas Produksi Produksi gas
kotoran
(m 3 / hari)
Kotoran
(m 3 / hari)
(kg/ hari) RT=60 RT=80 (kg/ hari) RT=60 RT=80
Biodigester
Tabel 2.3 Perkiraan produksi biogas dari berbagai kotoran hewan pada temperatur
o
digester
22-27
(Uli Werner,
1989)
Tabel 2.3. Perkiraan produksi
biogas
dariCberbagai
kotoran
hewan pada temperatur
Jumlah material organik dan air yang ditambahkan ke dalam
digester setiap hari merupakan sesuatu yang sangat penting untuk
digester jenis kontinu. Pemasukan material organik dan air yang terlalu
banyak dapat mengganggu kinerja digester, yaitu turunnya pH.
Tabel 2.4 Perkiraan produksi biogas dari beberapa jenis kotoran
Jenis kotoran
Perkiraan produksi biogas (m3) per kg kotoran
Sapi/kerbau
Babi
Unggas
Manusia
Kuda
Domba/Kambing
Jerami padi
Jerami jagung
Rumput
Rumput gajah
Bagase
Sayuran
Alga
0,023-0,04
0,04-0,059
0,065-0,116
0,02-0,028
0,02-0,035
0,01-0,031
0,017-0,028
0,035-0,048
0,028-0,055
0,033-0,056
0,014-0,019
0,03-0,04
0,038-0,055
contoh Soal 2.1.
Diketahui tiga keluarga mempunyai 6 ekor sapi. Jika semua kotoran
sapi tersebut akan dibuat biogas, maka perkirakan:
a. Ukuran dari digester
b. Ukuran dari penampung gas
Jawaban:
Diasumsikan bahwa lantai untuk ternak sapi tersebut berbeton
dan sebagian pakan akan bercampur dengan kotoran berikut urinenya.
Berikut langkah-langkah perhitungan:
1. Setiap ekor sapi diperkirakan menghasilkan 22-32 kg kotoran per
hari (lihat Tabel 1.2). Misalkan untuk perhitungan logis diambil
setiap ekor sapi menghasilkan 25 kg kotoran per hari.
Biodigester
2. Untuk RT = 60 hari diperkirakan produksi biogas adalah 0,45!
3/hari (lihat Tabel 2.3).
0,63 m
®
!
[- perhitungan
3. Misalkan
logis diperkirakan untuk RT = 60,
¯ untuk
3
besarnya produksi biogas adalah 0,5 m
/hari. Sehingga besarnya
!
®
Gy dapat dihitung:
!
¯
m3 biogas
hari
Gy
0,02 m3 biogas/kg kotoran
kg kotoran
25
hari
[Untuk total 6 ekor sapi diperoleh kotoran = 150 kg kotoran
per hari. Jumlah kotoran ini yang akan dimasukkan ke dalam
[digester.
Selain kotoran, ke dalam digester ditambahkan air sebanyak 150
L atau setara dengan 150 kg.
Jumlah total kotoran + air adalah Sd = 300 kg/hari.
Sehingga volume digester yang dibutuhkan untuk RT = 60
=
adalah:
0,5
4.
5.
6.
7.
Vd
Vd
Vd
S d xRT
kg
x60 hari
hari
18000 kg
300
8. Perkirakan massa jenis campuran kotoran sapi dan air sebesar
=
1100 kg/m3, sehingga diperoleh:
Vd
18000 kg
1100 kg/m
3
= 16,4 m3
∴ Ukuran dari biodigester adalah 16,4 m3
0
Teknologi Biogas: Pembuatan, Operasional dan Pemanfaatan
9. Ukuran dari penampung gas dapat diprediksikan dari:
• Jumlah kotoran total = 150 kg/hari
• Gy = 0,02 m3 biogas / kg kotoran
=
• Besarnya produksi biogas (G) dihitung dari:
G = Gy x jumlah kotoran total
m3 biogas
kg
1 hari
x150
x
kg kotoran
hari 24 jam
G
0,02
G
0,125
m3
jam
10. Asumsikan waktu maksimum pemakaian pada saat pemakaian
biogas nol Tz,max = 19 jam. Asumsi ini berarti bahwa biogas
digunakann untuk keperluan sehari-hari minimal selama 6 jam
sehari.
Vg
GxTz,max
Vg
0,125
Vg
2,4 m3
m3
x19 jam
jam
Untuk keamanan tambahkan 20% sehingga:
Vg = 2,4 m3 x (1,2) = 2,9 m3
'
∴ Ukuran dari gas penampung dapat dibuat sebesar 2,9 atau 3
m3 dengan catatan bahwa biogas harus digunakan sebanyak
minimal 6 jam per hari. Jika ketentuan ini tidak dipenuhi maka
> diwajibkan
@ dalam ogas
> penampung
@ juga
dibuatkan pressure
relief yang fungsinya untuk mengeluarkan biogas jika ruang
penampung tersebut telah terisi penuh supaya tidak terjadi halhal yang diinginkan. Sebaliknya jika ukuran dari penampung
o
biogas terlalu besar, selain biayanya mahal juga menyebabkan
tekanan dalam gas penampung akan rendah. Akibatnya gas
x mengalir dalam pipa dengan kecepatan yang rendah.
x
x
x
Biodigester
x
x
,
x
x
x
,
1
Soal Bab II:
2.1 Jelaskan jenis-jenis biodigester.
2.2 Jelaskan kondisi apa saja yang mempengaruhi kinerja digester dan
jelaskan juga bagaimana pengaruhnya.
2.3 Jelaskan proses-proses biologis terbentuknya biogas dari bahan
organik.
2.4 Hitunglah ukuran dari biodigester dan ukuran pen