BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Biogas - Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam Dengan Kapasitas 8.228 Ton/Tahun

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Biogas Biogas adalah campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenik apabila bahan organik

  mengalami proses fermentasi dalam reaktor (fermentor) dalam kondisi anaerob (tanpa udara). Proses degradasi material organik ini dilakukan tanpa melibatkan oksigen atau yang disebut dengan

  

anaerobic digestion dengan gas yang dihasilkan sebagian besar (lebih 50%) berupa metana (CH )

  4

  sedangkan sisanya berupa gas CO

  2 , H

2 S dan beberapa trace element (Maynell, 1981). Kandungan

Tabel 2.1 Kandungan gas metana untuk beberapa jenis sumber biogas

  Jenis Sumber Biogas Kandungan Gas Methane (%)

  Cattle Manure

  65 Poultry manure

  60 Pig manure

  67 Chicken manure

  85 Farmyard manure

  55 Straw

  59 Grass

  70

   (Maynell, 1981)

  Biogas sebagian besar mengandung gas metana (CH ) dan karbon dioksida (CO ), dan

  4

  2

  beberapa kandungan yang jumlahnya kecil diantaranya hydrogen sulfida (H S) dan ammonia (NH )

  2

  3

  serta hydrogen dan (H

  2 ), nitrogen yang kandungannya sangat kecil (Wahyuningsih, 2009). Tetapi

  secara umum rentang komposisi biogas adalah sebagai berikut:

Tabel 2.2. Komposisi Biogas

  KOMPONEN % Metana (CH ) 55-75

  4 Karbon dioksida (CO ) 25-45

  2 Nitrogen (N ) 0-0.3

  2 Oksigen (O ) 0.1-0.5

  2 Hidrogen sulfida (H S) ₂

  0.3 Sumber : id.Wikipedia.org, 2014

  Biogas dapat digunakan untuk menggantikan bahan bakar konvensional yang sudah umum digunakan seperti minyak tanah (kerosene) atau kayu bakar, serta penggunaan biogas juga meyelamatkan lingkungan dari pencemaran dan mengurangi kerusakan lingkungan hidup. Saat ini pemanfaatan biogas menjadi penting ditengah isu pemanasan global karena gas metan sebagai kandungan utama dalam biogas memberikan efek rumah kaca (green house gases) yang 21 kali lebih bersifat polutan daripada gas CO2 (Budiman, FT UI, 2010).

2.2. Proses Fermentasi Biogas

  Proses fermentasi atau proses pencernaan mengacu berbagai reaksi dan interaksi yang terjadi diantara bakteri metanogen dan non-metanogen dan bahan organik yang diumpankan ke dalam pencerna sebagai input. Ini adalah phisio-kimia yang komplek dan proses biologis melibatkan berbagai faktor dan tahapan bentuk. Penghancuran input yang merupakan bahan organik dicapai dalam 3 (tiga) tahapan, yaitu: (a) tahap hidrolisis, (b) tahap pengasaman (acidification), dan (c) tahap pembentukan gas CH4 (methanization).

   Tahap pertama: tahap hidrolisis Pada tahap ini, 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 ini, mikroorganisme yang berperan adalah enzim ekstraselular seperti selulose, amilase, protease dan lipase.

   Tahap kedua: tahap pengasaman Pada tahap ini, bakteri akan menghasilkan asam yang akan berfungsi untuk mengubah senyawa pendek hasil hidrolisis menjadi asam asetat (CH

  3 COOH), H 2 dan CO 2 . Bakteri ini merupakan bakteri

  anaerob yang dapat tumbuh pada keadaan asam dengan pH 5,5-6,5. Bakteri ini bekerja secara

• 2CO

  C sedangkan

  C

  6 H

  12 O

  6

   3CH

  4 + 3CO

  2 2.3.

   Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Proses Anaerobik

  Aktivitas metabolisme mikroorganisme penghasil metana tergantung pada faktor: a. Temperatur Gas metana dapat diproduksi pada tiga range temperatur sesuai dengan bakteri yang hadir.

  Bakteri psyhrophilic 0

  o

  C, bakteri mesophilic pada temperatur 13

  o

  thermophilic pada temperatur 55

  2 CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H

  o

  C Temperatur yang optimal untuk digester adalah temperatur 30

  o

  C, kisaran temperatur ini mengkombinasikan kondisi terbaik untuk pertumbuhan bakteri dan produksi methana di dalam digester dengan lama proses yang pendek. Bakteri mesophilic adalah bakteri yang mudah dipertahankan pada kondisi buffer yang mantap (well buffered) dan dapat tetap aktif pada perubahan temperatur yang kecil, khususnya bila perubahan berjalan perlahan. Apabila bakteri bekerja pada temperatur 40

  o

  C produksi gas akan berjalan dengan cepat hanya beberapa jam tetapi untuk sisa hari itu hanya akan diproduksi gas yang sedikit. Perubahan temperatur tidak boleh melebihi batas temperatur yang diijinkan. Untuk bakteri psychrophilic selang perubahan temperatur berkisar antara 2

  o

  C / jam, bakteri mesophilic 1

  o

  C /jam dan bakteri thermophilic 0.5

  o

  C /jam (Fry, 1973).

  b.

  2 O +

  4

  Derajat Keasaman (pH)

  , CO

  optimum pada temperatur sekitar 300C. Selain itu, bakteri tersebut juga mengubah senyawa yang bermolekul rendah menjadi alkohol, asam organik, asam amino, CO

  2

  , H

  2 S dan gas CH

  4 .

   Tahap ketiga: tahap pembentukan gas CH

  4 Pada tahap pembentukan gas CH 4 ini, bakteri yang berperan adalah bakteri methanogenesis

  (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 45 C dengan kisaran pH adalah 6,5-7,5. Pada akhir metabolisme dihasilkan CH

  4

  dan CO

  2

  dari gas H

  2

  2

  2CH

  dan asam asetat yang dihasilkan pada tahap pengasaman. Reaksi dalam proses pembentukan gas CH

  4

  dapat digambarkan sebagai berikut: C

  6 H

  12 O 6 + 2H

  2 O  2C

  2 H

  4 O 6 + 2CO 2 + 4H

  2

  2C

  2 H

  4 O

  2

• – 7
• – 40
• – 60
• – 45

Derajat keasaman memiliki efek terhadap aktivasi biologi dan mempertahankan pH agar stabil penting untuk semua kehidupan. Kebanyakan dari proses kehidupan memiliki kisaran pH antara 5

• – 9. Nilai pH yang dibutuhkan untuk digester antara 7 – 8,5. Pertumbuhan bakteri penghasil gas metana akan baik bila pH bahannya pada keadaan alkali (basa). Bila proses fermentasi berlangsung dalam keadaan normal dan anaerobik, maka pH akan secara otomatis berkisar antara 7
• – 8,5. Bila derajat keasaman lebih kecil atau lebih besar dari batas, maka bahan tersebut akan mempunyai sifat toksik terhadap bakteri metanogenik. Derajat keasaman dari bahan didalam digester merupakan salah satu indikator bagaimana kerja digester. Untuk bangunan digester yang kecil, pengukuran pH dapat diambil dari keluaran/effluent digester atau pengambilan sampel dapat diambil di permukaan digester apabila telah terpasang tempat c.

  Ketersediaan Unsur Hara Bakteri Anaerobik membutuhkan nutrisi sebagai sumber energi yang mengandung nitrogen, fosfor, magnesium, sodium, mangan, kalsium dan kobalt. Level nutrisi harus sekurangnya lebih dari konsentrasi optimum yang dibutuhkan oleh bakteri metanogenik, karena apabila terjadi kekurangan nutrisi akan menjadi penghambat bagi pertumbuhan bakteri. Penambahan nutrisi dengan bahan yang sederhana seperti glukosa, buangan industri, dan sisa sisa tanaman terkadang diberikan dengan tujuan menambah pertumbuhan di dalam digester. Nutrisi yang penting bagi pertumbuhan bakteri, dapat bersifat toksik apabila konsentrasi di dalam bahan terlalu banyak. Pada kasus nitrogen berlebihan, sangat penting untuk mempertahankan pada level yang optimal untuk mencapai digester yang baik tanpa adanya efek toksik (Amaru, 2004) d. Faktor konsentrasi padatan

  Pengertian total solid content (TS) adalah jumlah materi padatan yang terdapat dalam limbah pada bahan organik selama proses digester terjadi dan ini mengindikasikan laju penghancuran/pembusukan material padatan limbah organik. TS juga mengindikasikan banyaknya padatan dalam bahan organik dan nilai TS sangat mempengaruhi lamanya proses pencernaan bahan organik.

  e.

  Volatile Solids (VS) Merupakan bagian padatan (total solid-TS) yang berubah menjadi fase gas pada tahapan asidifikasi dan metanogenesis sebagaimana dalam proses fermentasi limbah organik. Dalam pengujian skala laboratorium, berat saat bagian padatan bahan organik yang hilang terbakar

  (menguap dan mengalami proses gasifikasi) dengan pembakaran pada suhu 538º C, disebut sebagai volatile solid.

  f.

  Zat Beracun Zat organik maupun anorganik, baik yang terlarut maupun tersuspensi dapat menjadi penghambat ataupun racun bagi pertumbuhan mikroorganisme jika terdapat pada konsentrasi yang tinggi. Untuk logam pads umumnya sifat racun akan semakin bertambah dengan tingginya valensi dan berat atomnya. Bakteri penghasil metana lebih sensitif terhadap racun daripada bakteri penghasil asam. Ada beberapa senyawa yang bisa menghambat (proses) penguraian dalam suatu unit biogas saat menyiapkan bahan baku untuk produksi biogas, seperti antiobiotik, desinfektan dan logam berat (Setiawan, 2005).

   Bahan Bakar Jumlah

  3 Biogas 1 m

  Elpiji 0,46 kg Minyak tanah 0,62 liter Minyak solar 0,52 liter Bensin 0,80 liter

  3 Gas kota

  1,50 m Kayu bakar 3,50 kg

  sumber Kementerian Pertanian, 2014 g.

  Pengadukan Bahan Organik Pengadukan sangat bermanfaat bagi bahan yang berada di dalam digester anaerob karena memberikan peluang material tetap tercampur dengan bakteri dan temperatur terjaga merata diseluruh bagian. Dengan pengadukan potensi material mengendap di dasar digester semakin kecil, konsentrasi merata dan memberikan kemungkinan seluruh material mengalami proses fermentasi anaerob secara merata.

  h.

  Pengaturan Tekanan Semakin tinggi tekanan di dalam digester, semakin rendah produksi biogas di dalam digester terutama pada proses hidrolisis dan acydifikasi. Selalu pertahankan tekanan diantara 1,15-1,2 bar di dalam digester. i.

  Kandungan gas atau zat lain dalam biogas seperti air, karbon dioksida, asam sulfat H

  2 S,

  merupakan polutan yang mengurangi kadar panas pembakaran biogas bahkan dapat menyebabkan karat yang merusakan mesin. Banyak cara pemurnian biogas diantaranya

  Physical Absorption (pemasangan water trap di pipa biogas), chemical absorption, pemisah

  membrane permiabel, hingga penyemprotan air atau oksigen untuk mengikat senyawa sulfur atau karbon diogsida. Bila biogas digunakan untuk bahan bakar kendaraan atau bahan bakar pembangkit listrik, gas H2S yang berpotensi menyebabkan karat pada komponen mesin harus dibuang melalui peralatan penyaring/ filter sulfur.

2.4. Deskripsi Proses

  ini menyebabkan terdapatnya berbagai komponen penting yang berpengaruh dalam proses pembuatan biogas. Komponen biokimia (biochemist) dalam pembuatan biogas memerlukan perhatian penting. Berdasarkan kajian literatur yang telah dipaparkan pada sub

• – sub bab sebelumnya, berikut ini disajikan deskripsi proses dan sifat-sifat dari bahan baku dan produk.

2.5.1 Deskripsi Proses Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam

  Kotoran ayam dikumpulkan di dalam Gudang (G-01) untuk persediaan selama 6 hari, selanjutnya kotoran unggas dipompa menuju Tangki Netralisasi (TK-03) untuk dicampur dengan NaHCO

  3 , dan Bakteri. Penambahan senyawa NaHCO3 dilakukan untuk menetralkan

  pH kotoran ayam karena fermentasi berlangsung dengan baik dalam pH 6-8, sedangkan penambahan senyawa Bakteri Thermophilic bertujuan sebagai nutrisi bagi inokulum.

  Setelah itu, kotoran unggas dari TK-03 dialirkan ke Reaktor Fermentasi (R-01). Suhu di dalam fermentor dijaga 45 C dengan memakai steam pada suhu 120,2 C dimana bakteri yang digunakan adalah bakteri thermophilic. Proses pembentukan metana terjadi dengan hydraulic

  retention time 6 hari. Dari fermentor, limbah dialirkan ke Bak Penampung Akhir yaitu limbah

  cair. Biogas yang dihasilkan dari fermentor terdiri atas CH

  4 , CO 2 , H

  2 S dan H

  2 O. Biogas yang

  dihasilkan dialirkan ke kolom absorbsi CO

  2 (AB-01) digunakan untuk menyerap CO 2 (g) yang

  terkandung di dalam biogas dengan menggunakan absorben air. CO yang terikat dengan air

  2

  selanjutnya dialirkan ke bak penampungan air proses bekas. Gas H

  2 S yang terdapat di dalam

  biogas diabsorpsi dengan menggunakan reagen Fe pada kolom absorpsi H

  2 S (AB-02), Kemudian gas metana yang dihasilkan dipompakan dengan blower ke tangki penyimpanan gas metana.

2.5.2 Sifat-Sifat Bahan Baku dan Produk

  2.5.2.1 3 ) Natrium karbonat (NaHCO Fungsi : sebagai penetral pH.

  1. Berat molekul : 84,0079 gr/mol

  2. Titik lebur : 50 C (323 K)

  3

  3. Densitas : 2,159 gr/cm

  4. Kelarutan dalam air : 7,89 g / 100 ml pada 18 C

  6. Berwarna padatan putih

  7. Merupakan senyawa ampoterik

  (Wikipedia, 2014) 2.5.2.2 )

4 Metana (CH

  Fungsi : merupakan komponen unsur terbesar di dalam biogas

  1. Berat Molekul : 16,043 g/mol

  o

  2. Temperatur kritis : -82,7 C

  3. Tekanan kritis : 45,96 bar

  4. Fasa padat

  o

  C

• Titik cair : -182,5
• Panas laten : 58,68 kJ/kg

  5. Fasa cair

  3

• Densitas cair : 500 kg/m

  o

  C

• Titik didih : -161,6
• Panas laten uap : 510 kJ/kg 6.

  Fasa gas

  3

• Densitas gas : 0,717 kg/m
• Faktor kompresi : 0,998
• Spesifik graviti : 0,55

  3

  /kg

• Spesifik volume : 1,48 m
• CP : 0,035 kJ/mol.K
• CV : 0,027 kJ/mol.K
• Viskositas : 0,0001027 poise
• Kelarutan : 0,054 vol/vol

  (Wikipedia, 2014)

  2.5.2.3 2 ) Karbon Dioksida (CO Fungsi : merupakan salah satu komponen di dalam biogas.

1. Berat Molekul : 44,01 g/mol

  o

  2. C Temperatur kritis : 31 Tekanan kritis : 73,825 bar

  3 4.

  Densitas kritis : 464 kg/m 5. Fasa padat

  3

   Densitas padat : 1562 kg/m  Panas laten : 196,104 kJ/kg 6. Fasa cair

  3

   Densitas cair : 1032 kg/m

  o

  C  Titik didih : -78,5  Panas laten uap : 571,08 kJ/kg  Tekanan uap : 58,5 bar 7.

  Fasa gas

  3

   Densitas gas : 2,814 kg/m  Spesifik graviti : 1,521

  3

  /kg  Spesifik volume : 0,547 m  CP : 0,037 kJ/mol.K  CV : 0,028 kJ/mol.K  Viskositas : 0,0001372 poise  Kelarutan : 1,7163 vol/vol

  (Wikipedia, 2014)

  2.5.2.4

2 O) Air (H

  1. Berat molekul : 18,016 gr/gmol

  2. Titik lebur : 0°C (1 atm)

  3. Titik didih : 100°C (1 atm)

  4. Densitas : 1 gr/ml (4°C)

  5. Spesifik graviti : 1,00 (4°C)

  6. Indeks bias : 1,333 (20°C)

  7. Viskositas : 0,8949 cP

  8. Kapasitas panas : 1 kal/gr

  9. Panas pembentukan : 80 kal/gr

  11. Temperatur kritis : 374°C

  12. Tekanan kritis : 217 atm (Perry dan Green, 1997)