3

TINJAUAN PUSTAKA

Biogas

Produksi biogas merupakan suatu proses yang dikendalikan oleh mikroba.

Biogas mengeksploitasi proses biokimia untuk menguraikan berbagai jenis biomasa.

Biogas berpotensi dijadikan sebagai sumber energi, karena biodegradasi alami bahan

organik dalam kondisi anaerob setiap tahunnya diperkirakan menghasilkan 590-800

juta ton metana ke atmosfer (ISAT/GTZ, 1999).

Biogas merupakan bahan bakar gas dan bahan bakar yang dapat diperbaharui

yang dihasilkan secara anaerobic digestion atau fermentasi anaerob dari bahan

organik dengan bantuan bakteri metana seperti Methanobacterium sp. Bahan yang

dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan biogas yaitu bahan biodegradable

seperti biomassa (bahan organik bukan fosil), kotoran, sampah padat hasil aktivitas

perkotaan dan lain-lain. Biogas biasanya dibuat dari kotoran ternak seperti kerbau,

sapi, kambing, kuda dan lain-lain. Kandungan utama biogas adalah gas CH4 dengan

konsentrasi sebesar 50-80 % vol. Kandungan lain dalam biogas yaitu CO2, gas

hidrogen (H2), gas nitrogen (N2), gas karbon monoksida (CO) dan gas hidrogen

sulfida (H2S). Gas dalam biogas yang dapat berperan sebagai bahan bakar yaitu gas

CH4, H2 dan CO (Price dan Cheremisinoff, 1981).

Proses anaerobik menghasilkan energi, yaitu biogas yang dihasilkan oleh

bioreaktor yang dirancang khusus untuk substrat biomasa, termasuk limbah

pertanian, industri dan limbah perkotaan, yang terdegradasi secara anaerobik. Di

negara berkembang perluasan biogas telah diterapkan pada reaktor skala kecil yang

dirancang untuk mengolah limbah peternakan seperti kotoran sapi, babi dan ekskreta

unggas (ISAT/GTZ, 1999).

Pembentukkan Biogas

Biogas yang dibuat dari kotoran ternak sapi mengandung CH4 sebesar 55-65

%, CO2 sebesar 30-35 % dan sedikit H2, N2 dan gas-gas lain. Panas yang dihasilkan

sebesar 600 BTU/cuft. Gas alam yang mengandung CH4 sebesar 80 % dengan panas

sebesar 1000 BTU/cuft. Kandungan CH4 dari biogas dapat ditingkatkan dengan

memisahkan CO2 dan H2S yang bersifat korosif (Price dan Cheremisinoff, 1981).

4

Proses degradasi bahan organik secara anaerob dilakukan oleh mikroorganisme

dalam proses fermentasi (Polprasert, 1989), yang terlihat pada Gambar 1.

BO + H2O CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Sludge (padat dan cair)

Gambar 1. Reaksi Pembentukkan Biogas. Sumber : Polprasert, 1989

Pembentukkan biogas setidaknya melibatkan tiga komunitas bakteri yang di-

perlukan oleh rantai proses biokimia yang melepaskan metana (Nelson, 2011).

Digester anaerobik biasanya dirancang untuk beroperasi di zona suhu mesofilik (20-

40°C) atau termofilik (>40°C). Sludge yang dihasilkan dari proses penguraian

anaerobik yang berbentuk cair sering digunakan sebagai pupuk (Nelson, 2011).

Proses pembentukkan biometan dari perombakan limbah organik yang terlihat pada

Gambar 2.

Gambar 2. Proses Pembentukkan Biometana dari Limbah Organik Sumber : Brown dan Tata, 1985

Anaerob

Mikroorganisme

Asam organik, alkohol, neutral compound

Hidrolisis dan fermentasi

Asetat dekarboksilasi Formasi reduktif

metana

Metana + karbon dioksida

Limbah organik (Karbohidrat, protein, lemak)

Asetogenik dehidrogenasi

Asetogenik hidrogenasi

Hidrogen + karbon dioksida

Asetat

5

Proses fermentasi anaerobik adalah proses penggunaan bahan baku organik

dan merubahnya menjadi biogas, komponen utama yang terbentuk adalah CO2 dan

CH4 (Nelson, 2011). Proses fermentasi terdiri dari beberapa proses seperti hidrolisis

polimer (I), fermentasi (II), asetogenesis (III), dan metanogenesis (IV). Fase-fase

tersebut merupakan proses utama yang terjadi selama penguraian sampah organik

dan pembentukkan biogas (Nelson, 2011).

Hidrolisis. Tahap pertama dalam degradasi anearobik sebagian besar limbah organik

adalah hidrolisis. Hidrolisis merupakan pemecahan baha-bahan polimer secara

enzimatik menjadi bahan-bahan terlarut (biasanya monomer atau dimer) yang

kemudian dapat ditransportasi melewati membran sel. Hasil proses hidrolisis adalah

pembentukkan gula-gula dari karbohidrat, asam-asam lemak dari minyak/lemak, dan

asam-asam amino dari protein. Proses ini dilakukan oleh mikroorganisme yang

mampu menghasilkan enzim hidrolitik. Bakteri hidrolitik dapat dikelompokkan

berdasarkan tipe enzim ekstra atau eksoseluler yang dihasilkannya, dan bakteri ini

dapat terinhibisi oleh akumulasi gula dan asam amino. Faktor lingkungan yang

berpengaruh terhadap proses hidrolisis antara lain adalah pH dan suhu. Efisiensi

hidrolisis tertinggi untuk selulosa terjadi pada pH 6,7 dan terendah pada pH 5,1-5,2

(Eastman dan Ferguson, 1981). Suhu juga berpengaruh pada laju hidrolisis. Pada pH

netral dilaporkan bahwa hidrolisis optimum untuk selulosa terjadi pada suhu 40o C.

Fermentasi. Fermentasi merupakan proses utama disimiliasi bahan organik pada

lingkungan anaerobik. Bahan-bahan organik terlarut difermentasi menjadi berbagai

produk akhir, meliputi asam-asam format, asetat, propionat, butirat, laktat, suksinat,

etanol, karbon dioksida, dan gas hidrogen (Romli, 2010).

Asetogenesis. Bakteri metanogen tidak dapat menggunakan produk-produk

fermentasi dengan atom karbon lebih dari dua untuk pertumbuhannya. Bakteri ini

hanya menggunakan sumber-sumber energi sederhana, misalnya asetat, metanol,

metilamin, CO2 dan H2 atau format. Dalam proses oksidasi ini dihasilkan hidrogen

dan karbon dioksida, dan bakteri yang berfungsi untuk proses konversi ini dikenal

dengan bakteri asetogen.

6

Metanogenesis. Fungsi utama bakteri hidrolitik dan fermentatif adalah untuk

memecah biopolimer menjadi unit-unit monomer dan konversi monomer ini menjadi

produk-produk yang lebih sederhana. Proses dalam reaktor anaerobik aktivitas

bakteri fermentasi harus dilengkapi dengan aktivitas bakteri metanogen yang

mengkonversi produk-produk fermentasi menjadi gas metana yang tidak larut yang

akan terlepas ke atmosfer. Dua kelompok utama bakteri yang bertanggung jawab

dalam pembentukkan metana yaitu bakteri metanogen asetoklastik dan bakteri

metanogen pengguna hidrogen (Romli, 2010).

Komposisi Biogas

Biogas mengandung CH4 50-70% dan 30-50% CO2, serta sejumlah kecil gas

lainnya termasuk H2S, tergantung pada substrat (Sasse, 1988). Metana adalah

komponen terutama yang dapat menghasilkan nilai kalori sebesar 21-24 MJ/m3 atau

sekitar 6 kWh/m3 (Dimpl, 2010). Menurut Wellinger dan Lindenberg (2000),

komposisi biogas yang dihasilkan sangat tergantung pada jenis bahan baku yang

digunakan.

Komponen lainnya yang ditemukan dalam kisaran konsentrasi kecil (trace

element) antara lain senyawa sulfur organik, senyawa hidrokarbon terhalogenasi, H2,

N2, CO dan O2. Komposisi utama yang terdapat dalam biogas ditunjukkan pada

Tabel 1.

Tabel 1. Komposisi Kandungan Biogas

No. Komponen Satuan Komposisi 1* 2*

1 Gas Methan (CH4) %Vol 50-75 54-70 2 Karbon dioksida (CO2) %Vol 24-40 27-45 3 Nitrogen (N2) %Vol <2 0-1 4 Hidrogen (H2) %Vol <1 0-1 5 Karbon monoksida (CO) %Vol 0,1 6 Oksigen (O2) ppm <2 0,1 7 Hidrogen sulfida (H2S) ppm <2 sedikit

Keterangan : 1*: Hambali et al., 2007. 2*: Widarto dan Sudarto, 1997

7

Pemurnian Biogas

Kemurnian biogas menjadi pertimbangan yang sangat penting karena

berpengaruh terhadap nilai kalor/panas yang dihasilkan, sehingga biogas yang

dihasilkan perlu dilakukan pemurnian terhadap impuritas-impuritas yang lain.

Impuritas yang berpengaruh terhadap nilai kalor/panas adalah CO2, keberadaan CO2

dalam biogas sangat tidak diinginkan karena semakin tinggi kadar CO2 dalam CH4

maka semakin rendah nilai kalor biogas dan akan mengganggu proses pembakaran.

Pemisahan CO2 dari biogas terdapat berbagai teknologi yang dikembangkan, yaitu :

Absorbsi. Metode absorbsi biogas baik secara fisika maupun kimia efektif untuk laju

alir gas yang rendah dimana biogas dioperasikan pada kondisi normal. Salah satu

metode yang sederhana dan murah yaitu menggunakan air bertekanan sebagai

absorben (Shannon et al., 2006).

Adsorpsi pada Permukaan Zat Padat. Proses adsorpsi permukaan zat padat

melibatkan transfer zat terlarut dalam gas menuju ke permukaan zat padat, dimana

proses transfer digerakkan oleh gaya Van der wall. Adsorben yang digunakan

biasanya berbentuk granular yang mempunyai luas permukaan besar tiap satuan

volume. Pemurnian gas dapat menggunakan padatan yang berupa silika, alumina,

karbon aktif atau silikat yang kemudian dikenal dengan nama molecular sieve

(Wellinger dan Lindeberg, 2000).

Pemisahan Secara Kriogenik. Kriogenik merupakan salah satu metode pemurnian

yang melibatkan campuran gas dengan kondensasi fraksional dan destilasi pada

temperatur rendah. Proses kriogenik diawali dengan crude biogas ditekan hingga

mencapai 80 bar. Proses kompresi ini berjalan secara multistage dengan intercooler.

Biogas bertekanan kemudian dikeringkan untuk menghindari terjadinya pembekuan

selama proses pendinginan berlangsung. Kemudian biogas didinginkan oleh chiller

dan heat exchanger hingga -45 oC, CO2 yang terkondensasi dihilangkan di dalam

separator. Kemudian CO2 diproses lebih lanjut untuk menemukan kembali CH4 yang

terlarut, hasil dari proses recovery CH4 kemudian dimanfaakan kembali menuju inlet

gas. Melalui proses ini gas metana yang dihasilkan mencapai kemurnian 97 %

(Huang, 2005).

8

Pemisahan dengan Membran. Metode ini beberapa komponen atau campuran dari

gas ditransportasikan melalui lapisan tipis membran (< 1mm). Transportasi tiap

komponen dikendalikan oleh perbedaan tekanan parsial pada membran dan

permeabilitas tiap komponen dalam membran. Pencapaian gas metana dengan

kemurnian yang tinggi maka harus diikuti pula dengan permeabilitas yang tinggi.

Membran padat dapat disusun dari polimer selulosa asetat yang mempunyai

permebilitas untuk CO2 dan H2S mencapai 20 dan 60 kali berturut-turut lebih tinggi

dibanding permeabilitas CH4. Tekanan sebesar 25-40 bar diperlukan untuk proses

membran tersebut (Huang, 2005). Inti dari konsep pemisahan dengan membran

adalah selektifitas dan permeabilitas yang tinggi. Pemisahan CO2 dengan membran

konvensional sering dijumpai beberapa permasalahan. Permasalahan tersebut

mendorong para peneliti mengembangkan material baru untuk pemisahan CO2

dengan membran. Material baru tersebut adalah kombinasi antara polimerik

membran dan inorganik membran yang disebut dengan MMMs (Mixed Matrix

Membranes).

Pemilihan proses yang tepat untuk aplikasi tertentu tergantung pada skala

operasi yang digunakan, komposisi gas yang akan dimurnikan, tingkat kemurnian

yang dibutuhkan dan kebutuhan untuk pengurangan CO2 (MNES, 2001).

Kotoran Sapi

Sahidu (1983) mengemukakan hasil pengamatan beberapa peneliti bahwa

rata-rata satu ekor sapi menghasilkan kotoran sebanyak 27 kg/ekor/hari. Kotoran sapi

yang tinggi kandungan hara dan energinya berpotensi untuk dijadikan bahan baku

penghasil biogas (Sucipto, 2009). Kotoran sapi adalah limbah peternakan yang

merupakan buangan dari usaha peternakan sapi yang bersifat padat dan dalam proses

pembuangannya sering bercampur dengan urin dan gas seperti CH4 dan NH3.

Kandungan unsur hara dalam kotoran sapi bervariasi tergantung pada keadaan

tingkat produksinya, macam, jumlah makanan yang dimakannya, serta individu

ternak sendiri (Abdulgani, 1988). Rata-rata biogas yang dihasilkan oleh kotoran sapi

adalah 0,20-1,11 m3/kg dari bahan padatan kering, dengan kandungan CH4 sekitar

57-69% (Polprasert, 1989). Limbah ternak masih mengandung nutrisi atau zat padat

yang potensial untuk dimanfaatkan seperti protein, lemak, bahan ekstrak tanpa

nitrogen, vitamin, mineral mikroba atau biota, dan zat-zat yang lain. Kandungan

9

nutrisi ini yang mengakibatkan limbah ternak dapat dimanfaatkan untuk bahan

makanan ternak, pupuk organik, energi dan media berbagai tujuan (Munawaroh,

2010).

Kotoran (feses) sapi mempunyai kandungan selulosa yang cukup tinggi.

Berdasarkan hasil analisis diperoleh bahwa feses sapi mengandung selulosa

(22,59%), hemiselulosa (18,32%), lignin (10,20%), total karbon organik (34,72%),

total nitrogen (1,26%), rasio C/N 27,56 (Munawaroh, 2010). Kotoran hewan

dianggap substrat paling cocok untuk pemanfaatan biogas substrat dalam kotoran

sapi telah mengandung bakteri penghasil gas metana yang terdapat didalam perut

hewan ruminansia (Munawaroh, 2010).

Bahan Baku Pembuatan Pelet Pemurni

Kapur Tohor (CaO)

Kapur tohor merupakan material berwarna putih dengan rumus kimia CaO.

Kapur tohor mempunyai umur simpan yang relatif pendek jika dibiarkan dalam

ruangan terbuka. Penyimpanan CaO dalam ruang terbuka akan merubah CaO sedikit

demi sedikit menjadi Ca(OH)2 yang berbentuk bubuk putih karena bereaksi dengan

uap air yang ada di udara (Chang dan Tikkanen, 1988).

Kapur tohor atau CaO merupakan bahan yang bersifat sangat reaktif dengan

air dan akan membentuk Ca(OH)2 yang berbentuk bubuk (Chang dan Tikkanen,

1988). Reaksi yang terbentuk seperti pada Gambar 3.

CaO(s) + H2O (l) Ca(OH)2 (s)

Gambar 3. Reaksi Pembentukkan Ca(OH)2. Sumber : Chang dan Tikkanen, 1988

Kapur mati (Ca(OH)2 atau hydrated lime) akan terdekomposisi karena

bereaksi dengan CO2 dan menghasilkan CaCO3 yang merupakan bahan awal CaO

(kapur tohor) (Mackenzie dan Sharp, 1970). Pemanfaatan kapur tohor dalam skala

besar adalah untuk pembangunan gedung dan usaha pertanian. Pemanfaatan kapur

tohor telah semakin berkembang, khususnya untuk industri kimia. Kapur tohor juga

digunakan untuk penanganan air, penanganan limbah dan pemurnian gas (Mackenzie

dan Sharp, 1970).

10

Kapur tohor mempunyai kemampuan untuk mengurangi kandungan karbon

dioksida pada biogas, hal ini seperti yang dilaporkan pada penelitian yang dilakukan

oleh Wahono (2010) yang membandingkan kapur yang dicampur dengan zeolit alam

termodifikasi dan bahan-bahan lain sebagai penangkap karbon dioksida (CO2) pada

biogas. Data hasil penelitiannya dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2. Uji Coba Material Modifikasi Adsorben Zeolit (Uji Generator untuk Gerinda 670 watt)

Material tambahan Bentuk material Vavg Aavg Wavg NaOH (kerikil) Kerikil 147 1,1 162 Bentonit Pelet 176,9 1,13 200 Kaolin Pelet 181,9 1,13 206 Kapur tohor Pelet 164,7 1,1 181

Keterangan: Vavg tegangan listrik rata – rata (Volt), Aavg arus listrik rata – rata (Ampere), Wavg daya listrik rata-rata (Watt). Sumber: Wahono (2010)

Modifikasi adsorben zeolit dengan materi tambahan kapur tohor

menghasilkan daya listrik yang tinggi merupakan tujuan dari hasil konversi listrik

dari biogas, Daya listrik yang tinggi (180 – 200 Watt) tersebut memiliki korelasi

dengan kadar metana biogas yang dipergunakan sebagai bahan bakar (Wahono,

2010). Perbedaan kadar metana dalam biogas tersebut dapat terjadi karena perbedaan

kemampuan material penyerap dalam menyerap gas-gas pengotor. Kadar metana

biogas yang dihasilkan oleh hasil penyerapan material dalam alat filter biogas tinggi,

maka daya listrik yang dihasilkan juga tinggi dan begitu juga sebaliknya (Wahono,

2010).

Serbuk Gergaji Kayu

Serbuk gergaji kayu merupakan serbuk halus yang ukurannya relatif seragam.

Sedangkan limbah sabetan dan potongan kayu mempunyai ukuran besar dan

bervariasi. Limbah gergaji yang terdapat di industri penggergaji kecil biasanya

berasal dari jenis kayu campuran dengan berat jenis yang beraneka ragam

(Gusmaelina et al., 2003). Limbah pengolahan kayu dapat berbentuk serbuk gergaji,

kulit kayu, potongan kayu, serpihan, dan sabetan kayu. Menurut Mustofa (2001)

komposisi limbah pengolahan kayu yang paling tersedia dalam industri pengolahan

kayu adalah limbah sabetan sekitar 25,9% dari 50,8% limbah penggergaji kayu

11

seluruhnya. Limbah serbuk gergaji kayu sekitar 10% dan potongan kayu sekitar

14,3%.

Serbuk gergaji kayu mengandung komponen-komponen kimia seperti

selulosa, hemiselulosa, lignin, dan zat ekstraktif sehingga berpotensi digunakan

sebagai bahan penjerap (Zhao et al., 2011). Pemanfaatan serbuk gergaji kayu sebagai

bahan material penjerap merupakan salah satu teknologi yang murah karena bahan

bakunya mudah didapat. Serbuk gergaji telah dimanfaatkan dalam proses penjerapan

ion logam krom (Cr2+) pada pengelolaan limbah cair hasil pengolahan kulit. Pemanfaatan

serbuk gergaji kayu sebagai bahan material penjerap merupakan salah satu teknologi

yang murah karena bahan bakunya mudah didapat mengingat negara Indonesia

merupakan negara yang memiliki hutan yang sangat luas.

Hasil analisis komposisi kimia serbuk gergaji kayu albasia (Paraserianthes

falcataria) dapat dilihat pada Tabel 3, yang memperlihatkan bahwa tumbuhan ini

termasuk dalam kelas dengan kandungan selulosa tinggi, sedangkan kadar lignin

pada tanaman ini termasuk sedang yaitu berada diantara 18-33% (Pari, 1996).

Tabel 3. Komposisi Kimia Serbuk Kayu Albasia (Paraserianthes falcataria)

Komponen Kandungan (%)

Holoselulosa 70,52

Selulosa 40,99

Lignin 27,88

Pentosan 16,89

Abu 1,38

Air 5,64 Sumber: Pari (1996).

Serbuk gergaji kayu sebagai hasil samping dari industri gergaji kayu sampai

saat ini hanya sebagian kecil saja dimanfaatkan oleh masyarakat, seperti digunakan

dalam pembuatan batu-bata, industri keramik, campuran dalam pembuatan pupuk

organik, sedangkan selebihnya terbuang secara percuma (Sukarta, 2008).

12

Perekat Tapioka

Perekat tapioka umumnya digunakan sebagai perekat pada pembuatan briket

arang dan pembuatan pelet karena banyak terdapat di pasaran dan harganya lebih

murah. Menurut Tano (1997), tepung bila diproses secara hidrolisis, dinding sel

tepung berangsur-angsur akan membentuk gelatin karena molase dari tepung

mengubah sifat dirinya menjadi koloidal dan kemudian terbentuk pasta, sifat ini

disebut dengan gelatinasi. Terbentuknya gelatinasi untuk tepung kanji memerlukan

panas sekitar 60-64 0C. Perekat kanji atau tapioka mempunyai sifat tidak tahan

terhadap kelembaban, hal ini disebabkan tapioka mempunyai sifat dapat menyerap

air dari udara (Suryani, 1986).