TUGAS PEMBANGUNAN BERBASIS MASYARAKAT

Biogas dan Biodigester

Oleh :

Nuning Armawati (NIM. 25714004)

Program Studi

Perencanaan Infrastruktur Air Bersih dan Sanitasi

Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan

Institut Teknologi Bandung

PENDAHULUAN

Gambar 1. Data statistik jumlah penduduk di Indonesia th.2010-2014

Sumber : (DataStatistik)

Berdasarkan data statistik yang ada, penduduk Indonesia mengalami pertambahan

populasi yang cukup besar di setiap tahunnya kurang lebig sekitar 1,5% pertahun. Berdasrkan

pesatnya pertambahan penduduk ini, akan mengakibatkan terekspansinya bidang industri

yang secara otomtis kebutuhan akan energi akan meningkat. Hal ini pasti disertai dengan

menurunnya kualitas lingkungan. Indonesia merupakan salah satu negara penghasil minyak

dan gas, namun berkurangnya cadangan minyak menyebabkan penggunaan bahan bakar fosil

yang berlbihan. Oleh karena itu pemanfaatan energi alternatif yang terbarukan dan ramah

lingkungan menjadi sebuah pilihan. Salah satu jenis energi terbarukan yang ada yaitu biogas.

Energi biogas ini bisa dihasilkan dari limbah yang dihasilkan oleh kegiatan populasi yang ada

di lingungan. Misalnya saja, air buangan rumah tangga, sampah organik dari pasar, serta

kotoran cair dari peternakan baik ayam, sapi dan babi (karena mayoritas masyarakat di

indonesia beternak).

Dengan kondisi seperti ini, pemanfaatan biogas yang tercatat masih sebesar 1% dari

ptensi biogas yang ada. Dari ternak rumainansia besar saja (sapi perah, sapi potong dan

kerbau) denan populasi 13.680.000 ekor di tahun 2004 dan struktur populasi populasi

(anak,muda, dewasa) kotoran segar rata-rata 12kg/ekor/hari dapat menghasilkan kotoran

segar 164.160.000ton per hari setara dengan 8,2 juta liter minyak tanah/ hari (Syamsudin &

Iskandar, 2005; Widodo, Asari, N, & R, 2006). Berdasarkan hal ini maka perlu adanya

pengembangan sebuah alat yang berfungsi sebagai pengolahan limbah ini, yang lebih dikenal

sebagai reaktor biogas (Biodigester).

BIOGAS

Gambar 2. Ilustrasi penampungan biogas

Sumber : (Yatrizal, 2010)

Sejarah penemuan proses anaerobik digestion untuk menghasilkan biogas tersebar di

benua Eropa. Penemuan ilmuwan Volta terhadap gas yang dikeluarkan di rawa-rawa terjadi

pada tahun 1770, beberapa dekade kemudian, Avogadro mengidentifikasikan tentang gas

metana. Setelah tahun 1875 dipastikan bahwa biogas merupakan produk dari proses

anaerobik digestion. Tahun 1884 Pasteour melakukan penelitian tentang biogas menggunakan

kotoran hewan. Era penelitian Pasteour menjadi landasan untuk penelitian biogas hingga saat

ini. Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau fermentasi dari

bahan-bahan organik termasuk diantaranya: kotoran manusia dan hewan, limbah domestik

(rumah tangga), sampah biodegradable atau setiap limbah organik yang biodegradable dalam

kondisi anaerobik. Biogas sebagian besar mengandung gas metana (CH4) dan karbon

dioksida (CO2), dan beberapa kandungan yang jumlahnya kecil diantaranya hydrogen sulfida

(H2S) dan ammonia (NH3) serta hydrogen dan (H2), nitrogen yang kandungannya relatif

kecil.

Gas methan (CH4) yang merupakan komponen utama biogas merupakan bahan bakar yang

berguna karena mempunyai nilai kalor cukup tinggi, yaitu sekitar 4800-6700

Kkal/m,sedangkan gas metan murni mengadung energi 8900 Kkal/m (Basri, 2009).

Adapun prosentase komposisi dari biogas terdiri dari komponen berikut (Nawan, 2012):

Komponen Prosentase (%)

Metana (CH4) 55-75

Karbon dioksida (CO2) 22-45

Nitrogen (N2) 0-0.3

Hidrogen (H2) 1-

Hidrogen Sulfida (H2S) 0-3

Oksigen (O2) 0.1-0.5

Biogas dapat dipergunakan pada hari ke 4-5 sesudah biodigister terisi penuh, dan mencapai

puncak pada hari ke 20-25.Biogas dapat dipergunakan untuk keperluan penerangan,

memasak, menggerakkan mesin, dan sebagainya,Karena biogas memiliki nilai kalor yang

cukuptinggi.ada tiga kelompok bakteri yang berperan dalam pembentukan biogas, yaitu :

1. Kelompok bakteri fermentatif,steptococci,bacteriodes dan beberapa jwenis

Enterobactericeae.

2. Kelompok bakteri asetogenik : Desulfovibrio.

3. Kelompok bakteri metana : Methanobacterium, Methanobacellus dan Methanococcus.

Bakteri metanogen secara alami dapat diperoleh dari berbagai sumber seperti :air bersih,

endapan air laut,sapi kambing,lumpur (sludge) kotoran anarob ataupun TPA (Tempat

Pembuangan Akhir) (Basri, 2009).

Gambar 3. Proses Pembuatan Biogas

Sumber : (Yatrizal, 2010)

Biogas sendiri dikenal dalam dua macam yaitu yang seringkali kita sebut sebagai

biogas (gas rawa) dan biosyngas.Hal yang membedakannya adalah cara pembuatan dari gas

tersebut.Biogas diperoleh melalui fermentasi seperti yang dijelaskan sebelumnya sementara

biosyngas merupakan produk antara yang dibuat melalui gasifikasi thermokimia pada suhu

tinggi dari material kaya karbon seperti batubara,minyak bumi dan gas alam yang diubah

menkadi carbon monoksida (C0). Pada prinsipnya, pembuatan Biogas sangat sederhana,

hanya dengan memasukkan substrat seperti kotoran ternak ke dalam digester yang anaerob

yang kemudian akan menghasilkan biogas dan dapat dimanfaatkan seperti untuk kompor gas.

Keuntungan Penggunaan Biogas (Yatrizal, 2010):

Energi tanpa menggunakan material yang masih memiliki manfaat sehingga tidak

merusak keseimbangan karbondioksida yang diakibatkan oleh penggundulan

hutan (deforestation) dan perusakan tanah.

Dapat berfungsi sebagai energi pengganti bahan bakar fosil sehingga akan

menurunkan gas rumah kaca di atmosfer dan emisi lainnya.

Metana merupakan salah satu gas rumah kaca yang keberadaannya di atmosfer

akan meningkatkan temperatur, dengan menggunakan biogas sebagai bahan bakar

maka akan mengurangi gas metana di udara.

Mengubah bahan yang berpotensi beracun dan berbahaya (limbah kotoran hewan

dan manusia) menjadi lebih bermanfaat.

Kekurangan Penggunaan Biogas (Nawan, 2012):

Sifat dari CH4 yang tidak berbau, sulit untuk dilakukan deteksi dini adanya

kebocoran

Mudah terbakar

Syarat agar diperoleh biogas yang baik (Nawan, 2012):

1. Rasio C/N pada bahan-bahan pembuat biogas antara 20- 25

2. Kadar air

3. Temperatur (2700C-2800)

4. Kehadiran bakteri pendekomposisi

5. Menmbahkan strarter agar jumlah bakteri mencukupi

6. Kehadiran oksigen selama proses (aerasi) tidak boleh ada (agar terbentuk CH4)

Mekanisme terbentunya biogas :

Mekanisme 1 :

Secara umum, mekanisme reaksi yang terjadi pada proses dekomposisi senyawa oerganik

yang terdapat dalam sampah secara anaerobik terbagi menjadi:

- Eliminasi unsur oksigen dari bahan organik menjadi air

- Eliminasi kelebihan hidrogen menjadi metan

- Eliminasi sisa karbon oleh air menjadi metan dan karbondioksida

CxHyO H2O + CO2 + CH4

Mekanisme 2 :

Bahan organik di dekomposisi menjadi molekul-molekul yang leih sederhana (glukosa, asam

amino CO2 + H2 H2O + CH4

Dedaunan yang banyak mengandung selulosa akan didegradasi oleh bakteri selulotik menjadi

CO2 ,etanol dan panas saat berlangsung proses anaerobik. Sedangkan bahan organik yang

mengandung substansi-substansi polimer kompleks sperti protein, lemak dan karbohidrat

akan diubah menjadi asam-asam organik speti asam butirat, propionat, laktat, asetat dan

alkohol oleh bakteri pembentuk asam, tahapan ini disebut sebagai tahap asidogenik.

Tahap selnjutnya merubah asetat menjadi gas metan dan karbondioksida oleh bakteri

pembentuk metana yang disebut dengan metanogenik, pada tahap ini pH tidak boleh terlalu

asam karena bisa mematikan bakteri (Nawan, 2012).

BIODIGESTER

Gambar 4. Proses Penguraian Limbah Organik

Sumber : (Saragih, 2010)

Dalam proses untuk pembentukan biogas seperti yang ada di atas, diperlukan sebuah reaktor

biogas yag sering dikenal sebagi biodigester. Komposisi yang dihasilkan oleh biogas terdiri

dari 50-70% metan, 30-45% karbondiosida dan gasa lainnya dalam jumlah kecil. Dalam

sebuah biodigester, biogas baru bisa digunakan setelah hari ke 4-5 setelah biodigester

tersebut penuh dan mencapai puncak pada hari ke 20-25 (Basri, 2009).

Sebuah biodigester dalam pembuatan serta pemakaiannya perlu memperhatikan beberapa hal,

yaitu :

1. Lingkungan abiotis (tanpa kontak langsung dengan oksigen) karena udara (O2) yang

memasuki biodigester menyebabkan penurunan produksi metana.

2. Temperatur, secara umum terdapat tiga rentang yang disenangi oleh bakteri :

a. Psicrophilic (suhu 4-200C) untuk negara negara subtropics atau

beriklim dingin

b. Mesophilic (suhu 20-400C)

c. Thermophilic (suhu 40-600C) hanya untuk mendigesti material, bukan

menghasilkan biogas

Karena Indonesia termasuk dalam negara tropis maka digunakan Unheated digester

(digester tanpa pemanas) untuk temperatur tanah antara 20-300C (Basri, 2009)

3. Nutrisi, dalam sebuah digester perlu diperhatikan nutrisi untuk bakteri dikarenakan

dosis nutrisi bisa menhambat pertumbuhan bakteri. Berikut merupakan kandungan

mineral yang diijinkan dalam sebuag biodigesterii :

Metal Mg/Liter

Sulphate (SO4 -) 5000

Sodium Chloride 40000

Copper 100

Chromium 200

Nickel 200-500

Cyanide Below 25

Alkyl Benzene Sulfonate (ABS) 40 ppm

Ammonia 3000

Sodium 5500

Calcium 4500

Magnesium 1500

4. Lama proses pencernaan (Hydraulic Retention Time-HRT), terhitung mulai

pemasukan bahan sampai proses awal pembentukan biogas. HRT meliputi 70-80%

dari total waktu pembentukan biogas secara keseluruhan (Saragih, 2010).

5. Derajat keasaman, kunci utama dalam kesusksesan operasional biodigester

yaitu dengan menjaga temperatur serta input material, tetapi dilain itu, bakteri dapat

berkembang dengan baik pada keadaan pH antara 6.6-7.0 dan pH tidak boleh dibawah

6.2 (Basri, 2009).Bila proses anaerob sudah berjalan menuju pembentukan biogas, pH

berkisar 7.0-7.8 (Saragih, 2010).

6. Kandungan Nitrogen dan rasio Karbon Nitrogen, sumber utama makanan bagi bakter

adalah karbon dan nitrogen. Karbon dibutuhkan untuk mensuplai energi dan Nitrogen

dibutuhkan untuk mmbentuk struktur bakteri. Nitrogen pada konsentrasi yang tinggi

dapat menghambat proses fermentasi anaerob. Konsentrasi yang baik berkisar 200-

1500 mg/l dan bila melebihi 3000mg/l akan bersifat toxic. Proses fermentasi anaerob

optimum bila rasio C:N bernilai 30:1 yaitu jumlah karbon 30 kali lebih banyak dari

nitrogen. Berikut rasio C:N dari beberapa material organik yang umum dimanfaatkan

sebagai bahan dasar biogas (Saragih, 2010) :

Raw Materials C/N Ratio

Kotoran manusia 8

Kotoran kambing 12

Sheep dung 19

Water Hyacinth 25

Straw (maize) 60

Straw (wheat) 90

Duck dung 8

Chicken dung 10

Pig dung 18

Cow dung/Buffalo dung 24

Elephant dung 43

Straw (rice) 70

Saw dust Diatas 200

Dari data diatas, untuk mendapatkan rasio C/N yang ideal bisa digunakan kombinasi

dari material yang memiliki rasio tinggi dengan material yang memiliki rasio rendah.

7. Total Solid Content (TS), ini mengindikasikan laju penghancuran/pembusukan

material padatan limbah organik. TS sangat mempengaruhi lamanya proses

pencernaan/ digester (HRT) bahan organik.

8. Volatile Solid (VS), TS yang berubah menjadi gas dalam fase asidifikasi dan

metanogenesis. Volatile ini dihasilkan dari pemabakaran pada suhu 538oC. Prosentase

VS sering disebut sebagai potensi produksi biogas. Berikut tabe yang menyatakan

potensi produksi biogas untuk beberapa tipe bahan organik :

Tipe Limbah Organik Produksi Biogas per Kg waste (m3) (%VS)

Sapi (Lembu/Kerbau) 0.023-0.040

Babi 0.040-0.059

Ayam 0.065-0.116

Manusia 0.020-0.028

Sampah Sisa Panen 0.037

Air baku (Water Hyacinth) 0.045

9. Pengadukan Bahan Organik untuk memberikan peuang material tetap tercampur

dengan bakteri dan temperatur terjaga merata diseluruh bagian. Sehingga potensi

pengendapan material didasar digester semakin kecil, konsentrasi merata dan

memungkinkan seluruh material mengalami proses fermentasi anaerob secara merata.

10. Pengaturan tekanan, proses digester optimal pada tekanan antara 1.15-1.2 bar.

Karena semakin tinggi tekanan yang diberikan produksi biogas semakin rendah.

11. Penjernihan biogas, ada beberapa zat misalnya H2S, karbondioksida dan asam sulfat

merupakan polutan yang mengurangi kadar panas biogas yang terbentuk bahkan dapat

merusak mesin. Cara pemurnian biogas bisa menggunakan Physical Absorption

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

permiable, hingga penyemprotan air atau oksigen untuk mengikat senyawa sulfur atau

karbondioksida (Saragih, 2010).

Digester secara umum ketika ditinjau dari bentuknya terbagi atas (Abi, 2014):

(a)

(b)

(c)

Gambar 5. (a) Ballon plant , (b) Fixed-dome plant, (c) floating-drum plant

a. Ballon plant (reaktor balon) merupakan jenis reaktor yang banyak digunakan pada

skala rumah tangga yang menggunakan bahan plastik sehingga lebih efisien dalam

penanganan dan perubahan tempat biogas. reaktor ini terdiri dari satu bagian yang

berfungsi sebagai digester dan penyimpan gas masing masing bercampur dalam

satu ruangan tanpa sekat.

b. Fixed-dome plant (Reaktor kubah tetap) memiliki dua bagian yaitu digester

sebagai tempat pencerna material biogas dan sebagai rumah bagi bakteri, baik

bakteri pembentuk asam ataupun bakteri pembentu gas metana. bagian ini dapat

dibuat dengan kedalaman tertentu menggunakan batu, batu bata atau beton.

Strukturnya harus kuat karna menahan gas aga tidak terjadi kebocoran. Bagian

yang kedua adalah kubah tetap (fixed-dome).

c. Floating drum plant Reaktor jenis terapung pertama kali dikembangkan di india

pada tahun1937 sehingga dinamakan dengan reaktor India. Memiliki bagian

digester yangsama dengan reaktor kubah, perbedaannya terletak pada bagian

penampung gas menggunakan peralatan bergerak menggunakan drum. Drum ini

dapat bergerak naik turun yang berfungsi untuk menyimpan gas hasil fermentasi

dalam digester.Pergerakan drum mengapung pada cairan dan tergantung dari

jumlah gas yang dihasilkan.

Jika ditinjau dari segi aliran bahan baku reaktor biogas, biodegester dibedakan

menjadi:

a. Bak (batch), pada tipe ini bahan baku rektor didalam wadah (ruang tertentu) dari

awal hingga selesainya proses digesti, umunya digunakan pada tahap ekspeeimen

untuk mengetahui potensi gas dari limbah organik.

b. Mengalir (continuous), untuk tipe ini, aliran bahan baku masuk dari residu keluar

pada selang waktu tertentu. Lama bahan baku selama dalam reaktor disebut waktu

retensi hidrolik (hydrolic retention time / HRT0

Adapun penijauan dari segi aliran letak penempatan biodegester dibedakan menjadi 3

yaitu:

a. Saluran biodegester dipermukaan tanah biasanya berasal dari tong bekas minyak

tanah / aspal. Kelemahan tipe ini adalah volume yang kecil, sehingga tidak

mencukupi untuk kebutuhan rumah tangga, dan juga kemamapuan material yang

rendah untuk menahan korosi dari biogas yang dihasilkan.

b. Saluran biodegester di bawah permukaan tanah, Biodigester ini terbuat dari

campuran semen, pasir, krikil, dan kapur yang terbentuk seperti sumuran dan

ditutup dari plat baja, volume tangki dapat diperbesar / diperkecil sesuai dengan

kebutuhan. Kelemahannya adalah jika ditempatkan pada daerah yang memiliki

suhu rendah (dingin), dingin yang diterima oleh plat baja merambat ke dalam

bahan islan, sehingga menghambat proses produksi.

c. seluruh tangki biogester di bawah permukaan tanah pada model ini, seluruh

instalasi biodigester ditanam tanah dengan konstruksi yang permanen, yang

membuat suhu digester stabil dan mendukung perkembangan bakteri Methanogen.

Di dalam desain biodigester terdapat beberapa komponen yang mesti diperhatikan

untuk ada. Secara umum ada 6 komponen utama, yaitu :

1. Saluran masuk slurry (kotoran segar)memaksimalkan potensi biogas,

memudahkan pengaliran, serta menghindari terbentuknya endapan pada saluran

masuk.

2. Saluran keluar residu megeuarkan kotoran yang sudah difermentasikan oleh

bakteri.

3. Kutup pengaman tekanan (control valve) pengatur tekanan gas dalam

biodigester, kutup pengaman ini menggunakan prinsip pipa T.

4. Sistem pengaduk Pengadukan dilakukan secra mekanis, sirkulasi substak

biodigester, atau sirkulasi ulang produksi biogas ke atas biodigester menggunakan

pompa.

5. Saluran gas

6. Tangki penyimpan gas ada dua, tangki bersatu dengan unit reaktor dan terpisah

dengan reaktor. Untuk tangki terpisah, dibuat khusus sehingga tidak bocor dan

tekanan yang terdapat dalam tangki seragam, serta dilengkapi H2S remova untuk

mencegah korosi.

Penentuan model digester, didasari oleh beberapa pertimbangan yaitu (Basri, 2009):

1. jenis tanah yang akan dipakai

2. Kebutuhan

3. Biaya

Ukuran digester biogas, tergantung dari jumlah, kualitas dan jenis limbah organik

yang tersedia dan temperatur saat proses fermentasi anaerob. Beikut gambar bentuk

penampang silinder digester anaerob (Cylindrical Shapep Bio-Gas digester Body) :

Gambar 6. Penampang digester biogas silinder (Saragih, 2010)

Keterangan :

Vc : Volume ruangan penampungan gas

Vgs : Volume ruangan penyimpanan gas

Vf : Volume ruangan fermentasi

VH : Volume ruangan hidrolik

Vs : Volum lapisan penampung lumpur

Kesimpulan

Berdasarkan kebutuhan akan energi terbarukan untuk memenuhi kebutuhan hidup

populasi penduduk yang semakin meningkat tajam, diperlukan sebuah energi

alternatif salah satunya menggunakan biogas. Biogas ini dapat diperoleh dengan

sebuah alat yang dikenal sebagai biodigester. Untuk mendapatkan biogas yang banyak

dan baik (kadar panas yang tinggi biogas sebagai bahan bakar) diperlukan

pengoptimalan dalam pengperasian biodigester. Untuk mendapatkan operasi yang

optimal adapun beberapa hal yang perlu diperhatikan yakni kehidupan daripada

mikroorganisme yang berperan dalam pembentukan biogas. Dalam hal ini bakteri,

dalam pemenuhan kehidupannya diperlukan pertimbangan rasio dari C/N dari tiap

bahan dasar yang digunakan serta pertimbanagn yang lain yang telah disampaikan

pada bab sebelumya..

Daftar Pustaka

(t.thn.). Dipetik September 11, 2014, dari http://www.datastatistik-indonesia.com

Abi, N. (2014, 01). Dipetik September 11, 2014, dari

http://nafiabiyyu.blogspot.com/2014/01/pengolahan-reaktor-dan-proses-kerja.html

Basri, H. (2009). Alternatif Cara Membuat Digester Biogas. Debioka .

Nawan. (2012, Juni 12). Dipetik September 11, 2014, dari

http://787bg.blogspot.com/2012/06/keunggulan-dan-kelemahan-biogas-dan.html

Saragih, B. R. (2010). Tinjauan Pustaka. Dalam Analisis Potensi (hal. 6-15). Jakarta:

Universitas Indonesia.

Syamsudin, T., & Iskandar, H. (2005). Bahan Bakar Alternatif Asal Ternak. Sinar Tani ,

No.3129 Tahun XXXVI.

Widodo, T. W., Asari, A., N, A., & R, E. (2006). Rekayasa dan Pengujian Reaktor Biogas

Skala Kelompok Tani Ternak. Jurnar Enjiniring Pertanian , vol.IV.

Yatrizal. (2010). Biogas. Energi (Sustainable Energy Monthly Magazine) , 1.