3

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Limbah

Limbah adalah segala sesuatu yang merupakan sisa hasil buangan dari suatu

kegiatan/produksi yang sudah tidak terpakai lagi. Limbah menurut jenisnya dapat

digolongkan menjadi 3 macam yaitu limbah padat, cair dan gas. Komposisi limbah

pada umumnya terdiri dari dua komponen utama yaitu anorganik dan organik.

Komposisi limbah organik, dapat berupa limbah padat yang terdiri dari daun-daun

kering, limbah rumah tangga, biasanya dihasilkan oleh daerah pemukiman.

Sedangkan limbah anorganik seperti gelas, plastik dan lain-lain untuk daerah

pemukiman lebih sedikit dijumpai (Saputra, 2006).

Berdasarkan istilah tehknik limbah padat organik dapat dibedakan

menjadi dua kategori, yaitu garbage dan rubbish. Garbage (limbah mudah lapuk)

adalah limbah dari tumbuhan yang berasal dari pemeliharaan dan budidaya, dapur

rumah tangga, pusat perbelanjaan, pasar, restoran atau tempat dimana makanan

disajikan, disiapkan atau dijual. Limbah tersebut mengandung lebih banyak bahan

organik yang mudah membusuk dan lembab karena mempunyai rantai kimia yang

relatif pendek dan mengandung sedikit cairan. Garbage terdekomposisi dengan

cepat, terutama sekali dalam cuaca hangat, dan mengeluarkan bau busuk. Nilai

komersial dari garbage adalah sebagai bahan dasar pakan ternak dengan tetap

mempertimbangkan keamanan dan kriteria kesehatan (Davis dan Cornwell, 1989).

Berdasarkan komposisi kimianya, limbah dibagi menjadi limbah organik

dan limbah anorganik. Penelitian mengenai limbah padat di Indonesia,

4

menunjukkan bahwa 80% merupakan limbah organik, dan diperkirakan 78% dari

limbah tersebut dapat digunakan kembali (Outerbridge, 1991).

Limbah makanan adalah produk atau limbah produk dari proses produksi,

pengolahan, distribusi, dan konsumsi makanan (Westendorf, 2000). Menurut

Okazaki (2008), sisa makanan adalah makanan yang tidak dikonsumsi oleh manusia

dan dapat dihasilkan di tingkat manapun dalam rantai makanan (pertanian, pabrik

pengolahan, produsen, perusahaan komersial, dan rumah tangga).

Tabel 1. Karakteristik limbah makanan menurut literatur

Parameters Zhang dkk.

(2007)

Li dkk.

(2010)

Zhang dkk.

(2011)

Zhang dkk.

(2013)

TS (%, w.b.) 30,90 24 18,1 23,1

VS (%, w.b.) 26,35 232 17,1 21,0

VS/TS (%) 85,30 94,1 0,94 90,9

pH - - 6,5 4,2

Karbohidrat (%, d.b.) - 55,2 61,9 -

Protein (%, d.b.) – 15 - -

Lemak (%, d.b.) - 23,9 23,3 -

Minyak (%, d.b.) – - - 4,6

C (%, d.b.) 46,78 54 46,67 56,3

N (%, d.b.) 3,16 2,4 3,54 2,3

C/N 14,8 22,5 13,2 24,5

Menurut Zhang (2014), limbah makanan adalah substrat organik mudah

terurai, bahan organik yang terkandung dalam limbah bahan makanan cocok untuk

Sumber : Zhang dkk (2007),Li dkk (2010), Zhang dkk (2011), dan Zhang dkk

(2013)

5

pertumbuhan mikroba anaerobik. Komposisi limbah makanan akan bervariasi

dengan nasi, sayuran, daging telur dan komponen lainnya menurut kebiasaan

makan di setiap wilayah.

Karakterisasi limbah menurut Zhang dkk (2011), Zhang dkk (2013), Zhang

dkk (2007) dan Li dkk (2010) dengan parameter total solid, volatile solid,

keasaman, protein, lemak, minyak, dan unsur karbon tersaji dalam Tabel 1.

B. Komposisi Limbah Kantin dan Kandungan Biokimia

Limbah kantin dapat berasal dari nasi, sayuran, buah-buahan, ikan,

daging, telur, dan aneka sisa lainnya. Bahan organik yang terkandung dalam limbah

kantin tersebut terdiri dari karbohidrat, protein, lemak dan selulosa yang dapat

didegradasi secara biologi (Purnomo, 2010).

Menurut Ariany (2012) rata-rata komposisi limbah kantin berasal dari piring

kotor, meliputi nasi dan berbagai potongan lauk pauk. Potongan sayuran mentah

yang dibuang meliputi potongan kangkung, bayam, kulit wortel, kol, sawi, jagung,

sosin, daun singkong, daun melinjo, kacang panjang, daun bawang, seledri, kulit

kentang, dan daun kelapa bungkus ketupat. Potongan buah yang meliputi seluruh

bagian buah yang tidak termakan meliputi kulit sirsak, kulit pisang, kulit semangka,

kulit dan biji alpukat, buah naga dan kulit jeruk.

Tanin merupakan senyawa metabolit sekunder yang banyak ditemukan

dalam tumbuhan polong, tanin ini dalam dosis tertentu dapat menghambat produksi

metana (Deublin, 2008). Sebagian besar tanaman kaya akan berbagai metabolit

sekunder seperti tanin, terpenoid, alkaloid, dan flavonoid yang dari berbagai

6

penelitian secara invitro diketahui, senyawa-senyawa tersebut memiliki sifat anti

mikrobia (Rohyani, 2015).

Tanin berperan sebagai pendenaturasi protein serta mencegah proses

pencernaan bakteri, sedangkan flavonoid yaitu senyawa yang mudah larut dalam

air untuk kerja antimikroba dan antivirus (Naiborhu, 2002). Mekanisme kerjanya

dalam menghambat bakteri dilakukan dengan cara mendenaturasi protein dan

merusak membran sel bakteri dengan cara melarutkan lemak yang terdapat pada

dinding sel. Senyawa ini mampu melakukan migrasi dari fase cair ke fase lemak.

Terjadinya kerusakan pada membran sel mengakibatkan terhambatnya aktivitas dan

biosintesa enzim-enzim spesifik yang diperlukan dalam reaksi metabolisme dan

kondisi ini yang pada akhirnya menyebabkan kematian pada bakteri (Naiborhu

2002, dalam Rohyani, 2015 ).

Menurut Wikandari (2013), senyawa flavor buah yang telah diuji yaitu

heksanal, a- Pinene, Car-3-ene, Nonanal, E-2-heksenal, myrcene, dan oktanol

ditemukan sebagai inhibitor untuk produksi metana. Senyawa flavor tersebut dapat

mengurangi produksi metana sebesar 0-63%, 29-83%, dan 75-100% pada

konsentrasi 0,005, 0,05, dan 0,5%.

Menurut Shan (2007) dalam Javier (2011), alpukat mengandung asam

fenolik dan senyawa-senyawa flavonoid yang mempunyai aktivitas antimikrobia.

Menurut Javier (2011), bagian daging buah alpukat walaupun memiliki total

senyawa fenolik yang lebih rendah bila dibandingkan dengan bagian kulit dan

bagian biji, bagian daging tersebut memiliki aktivitas antimikrobia paling tinggi.

Pada bagian kulit mangga ditemukan berbagai senyawa antibakteri yaitu asam

7

fenolik, mangiferin, flavonol glikosida, dan gallotanin serta xanthose glycosida,

tanin terhidrolisis dan alkylresorcinols (Tokusoglu, 2011).

Sayuran berdaun hijau merupakan bagian utama dari diet seimbang yang

secara signifikan mengandung sejumlah mineral, vitamin dan antioksidan

(Gunathilake, 2016). Dalam penelitiannya bayam mengandung total fenol sebanyak

3, 81 ± 0,02 mg/g db, carotenoid 1,96 ± 0,02 mg/g db dan total antioksidan

sebanyak 7,24 ± 0,06. Kangkung mengandung total fenol sebanyak 2,46 ± 0,08

mg/g db, carotenoid 2,11 ± 0,02 mg/g db dan total antioksidan sebanyak 9,464 ±

029 mg/g db. Daun bawang mengandung total fenol sebanyak 3, 99 ± 0,16 mg/g

db, karotenoid 0,53 ± 0,01 mg/g db dan total antioksidan sebanyak 14,52 ± 0,11

mg/g db.

Menurut Ifesan (2013), total phenol, tanin dan alkaloid adalah zat

antimikrobia paling penting yang merupakan zat bioakif pada tumbuhan.

Dilaporkan bahwa total penol dari ekstrak menggunakan hexan dan ethanol pada

daun kelapa adalah (0,59 sampai 2,22 mgTAE/g), aktivitas antioksidan (45,28%),

dan daya hambat mikrobia daun kelapa mencapai 6 sampai 8 mikroorganisme.

C. Biogas

1. Definisi Biogas

Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau fermentasi

dari bahan-bahan organik termasuk diantaranya; kotoran manusia dan hewan,

limbah domestik (rumah tangga), limbah biodegradable atau setiap limbah organik

yang biodegradable dalam kondisi anaerobik. Kandungan utama dalam biogas

adalah metana (CH4), karbondioksida (CO2), gas Hidrogen (H2), gas Nitrogen (N2)

8

dan asam sulfida (H2S). Biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar kendaraan

maupun untuk menghasilkan listrik. Biogas yang dihasilkan oleh aktifitas anaerobik

sangat populer digunakan untuk mengolah limbah biodegradable karena bahan

bakar dapat dihasilkan sambil menghancurkan bakteri patogen dan sekaligus

mengurangi volume limbah buangan. Oleh sebab itu jika produksi biogas

menggunakan bahan baku berupa limbah / limbah yang bersifat biodegradable

(terurai oleh mikroorganisme) dapat diaplikasikan secara meluas di masyarakat

maka secara strategis dapat mendukung dan mensukseskan program pemerintah

tentang Clean Development Mechanism dan Environmental Sustainable

Development (Sutarno, 2007).

Biogas adalah campuran beberapa gas, tergolong bahan bakar gas yang

merupakan hasil fermentasi dari bahan organik dalam kondisi anaerob, dan gas

yang dominan adalah gas metana (CH4) dan gas karbondioksida (CO2)

(Simamora,1989). Biogas memiliki nilai kalor yang cukup tinggi, yaitu kisaran

4800-6700 kkal/m3, untuk gas metana murni (100 %) mempunyai nilai kalor 8900

kkal/m3. Menurut Maramba (1978), produksi biogas sebanyak 1275-4318 kkal

dapat digunakan untuk memasak, penerangan, menyeterika dan menjalankan lemari

es untuk keluarga yang berjumlah lima orang per hari.

Metana (CH4) dalam biogas, bila terbakar akan relatif lebih bersih daripada

batu bara, dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi karbondioksida

yang lebih sedikit. Pemanfaatan biogas memegang peranan penting dalam

manajemen limbah karena metana merupakan gas rumah kaca yang lebih berbahaya

dalam pemanasan global bila dibandingkan dengan karbondioksida. Karbon dalam

9

biogas merupakan karbon yang diambil dari atmosfer oleh fotosintesis tanaman,

sehingga bila dilepaskan lagi ke atmosfer tidak akan menambah jumlah karbon di

atmosfer bila dibandingkan dengan pembakaran bahan bakar fosil. Saat ini, banyak

negara maju meningkatkan penggunaan biogas yang dihasilkan baik dari limbah

cair maupun limbah padat atau yang dihasilkan dari sistem pengolahan biologi

mekanis pada tempat pengolahan limbah (Sutarno, 2007).

2. Proses Pembentukan Biogas

Proses pembuatan biogas dilakukan secara fermentasi yaitu proses

terbentuknya gas metana dalam kondisi anaerob dengan bantuan bakteri anaerob

di dalam suatu digester sehingga akan dihasilkan gas metana (CH4) dan gas

karbondioksida (CO2) yang volumenya lebih besar dari gas Hidrogen (H2), gas

Nitrogen (N2) dan asam sulfida (H2S). Proses fermentasi memerlukan waktu 7

sampai 10 hari untuk menghasilkan biogas dengan suhu optimum ± 5ºC dan pH

optimum pada range 6,4 -7,9. Proses tersebut dibantu dengan bakteri pembentuk

biogas yakni bakteri anaerob seperti Methanobacterium, Methanobacillus,

Methanococcus dan Methanosarchina (Price dan Cheremisinoff, 1981). Ada tiga

kelompok bakteri yang berperan dalam proses pembentukan biogas, diantaranya

adalah kelompok bakteri fermentatif, yaitu: Steptococci, Bacteriodes, dan

beberapa jenis Enterobactericeae, kelompok bakteri asetogenik, yaitu

Desulfovibrio, dan kelompok bakteri metana, yaitu Methanobacterium,

Methanobacillus, Methanosacaria, dan Methanococcus (Price dan Cheremisinoff,

1981). Kelompok bakteri tersebut berperan dalam tahapan acidogenenesis,

10

b

asetogenesis, dan metanaogenensis.

Penguraian bahan–bahan organik untuk menghailkan biogas bergantung

pada interaksi kompleks beberapa kelompok bakteri yang berbeda tersebut. Bahan-

bahan organik yang dapat terdegradasi dengan bantuan enzim maupun bakteri

dapat dilihat pada Gambar 1.

Polisakarida a Glukosa a asam asetat f CH4+CO2+H2

Gliserol c asam asetat f CH4+CO2+H2

Lemak a Asam lemak d asam asetat f CH4+CO2+H2

Protein a Asam amino e asam asetat f CH4+CO2+H2

Gambar 1. Perubahan polisakarida, lemak dan protein menjadi gas CH4,CO2 danH2

Keterangan :a: hidrolisisb: glikolisisc: fosforilasid: β-oksidasie: deaminasif: bakteri metana

(Price dan Paul, 1981)

Secara umum, reaksi pembentukan CH4 yaitu:

CxHyOz+(x-1/4y-1/2z)H2O (1/2x-1/8y+1/4z)CO2+(1/2x-1/8y+1/4z)CH4 (1)

Sebagai contoh, pada pembuatan biogas dengan menggunakan bahan baku

kotoran sapi atau kerbau yang banyak mengandung selulosa. Bahan baku dalam

bentuk selulosa akan lebih mudah dicerna oleh bakteri anaerob. Reaksi

pembentukan CH4 menurut Price dan Cheremisinoff ( 1981), adalah :

(C6H10O5)n + n H2O 3n CO2 + 3n CH4 (2)

11

Menurut Marchaim (1992) proses penguraian bahan organik pada pembuatan

biogas melewati beberapa tahap yang rumit dan secara garis besar dapat

dikelompokan menjadi:

a. Reaksi Hidrolisis dan Fermentasi

Hidrolisis merupakan teori tahap pertama dari proses anaerobic digestion,

dimana polimer- polimer bahan organik yang kompleks terdekomposisi menjadi

unit yang lebih kecil (oligomer dan monomer). Selama proses hidrolisis senyawa

seperti karbohidrat, lipid, asam nukleat, dan protein diubah menjadi glukosa,

gliserol, purin dan piridin. (gula- gula sederhana, asam amino, dan asam- asam

lemak rantai panjang). Hidrolisis karbohidrat memerlukan waktu beberapa jam,

hidrolisis protein dan lemak memerlukan waktu beberapa hari, namun lignoselulosa

dan lignin terdegradasi lambat dan tidak lengkap. Hidrolisis terjadi oleh aktivitas

enzim intraseluler hidrolitik (lipase, selulase, hemiselulase, protease, dan amylase).

Populasi bakteri ini ada yang obligat anaerob dan ada yang fakultatif anaerob

(Deublein, 2008).

b. Tahap Asidogenesis

Tahap asidogenesis merupakan tahapan kedua pada proses anaerobic

digestion, prosesnya adalah monomer hasil hidrolisis pada tahapan pertama

didegradasi menjadi molekul dengan atom C1-C5, alkohol, hidrogen, dan

karbondioksida. Degradasi ini dibantu oleh bakteri fakultatif dan obligat.

Karbohidrat, asam lemak, asam amino didegradasi melalui pathway masing-

masing. Untuk karbohidrat, dihasilkan asam propionate dari succinate pathway dan

acrylic pathway oleh propionic bacterium. Pembentukan asam butirat melalui jalur

12

asam butirat dengan bantuan clostridium. Asam lemak didegradasi melalui β

oksidasi, melalui ikatan Co-A dan dioksidasi setiap ikatannya, lalu dihasilkan asam

asetat. Sedangkan asam amino didegrasi melalui Stickldan reaction oleh bakteri

Clostridium botulinum (Deublein, 2008).

c. Tahap Asetogenesis

Tahapan dimana substrat dari tahapan asidogenesis yaitu asam- asam

organic dan alkohol didegradasi menjadi asam- asam asetat. Mikrooganisme

homoacetogenic secara langsung mengubah hidrogen dan karbondioksida menjadi

asam asetat. Ketika tekanan hidrogen parsial rendah, asam asetat, karbondioksida,

dan hidrogen yang dihasilkan tinggi. Namun, apabila tekanan hidrogen parsial

tinggi, akan dihasilkan butirat, propionat, dan etanol yang dominan (Deublein,

2008).

d. Tahap Metanogenesis

Tahap metanogenesis merupakan tahapan pembentukkan gas metana oleh

bakteri metanogenik, dimana substrat hasil asetogenesis yang berupa asam asetat,

hidrogen, dan karbondioksida diubah menjadi metana. Sebagian kecil substrat juga

berasal dari formats, metilamin, dan beberapa alkohol. Asetat akan mengalami

dekarboksilasi dan reduksi CO2, kemudian bersama-sama dengan H2 dan CO2

menghasilkan produk akhir, yaitu metana (CH4) dan karbondioksida (CO2). Proses

pembentukan gas metana menggunakan bantuan bakteri pembentuk metana seperti

Mathanobacterium, Mathanobacillus, Methanosacaria, dan Methanococcus

(Deublein, 2008).

13

3. Parameter Proses Fermentasi Biogas

Keberhasilan proses pembentukan biogas tidak terlepas dari parameter atau

faktor pendukung dari setiap prosesnya. Parameter atau faktor- faktor yang

mempengaruhi produksi gas metana antara lain :

a. pH

Rentang pH optimal dibagi menjadi dua grup, yaitu untuk asetogenesis pH

yang optimal antara 5,5- 6,5 dan untuk metanaogenesis pH yang optimal berada

pada rentang 7,8- 8,2. Sangat penting untuk mengetahui kondisi pH pada kondisi

yang sesuai, karena proses anaerobik sangat dipengaruhi oleh pH. Menurut

Deublein (2008), pH yang ideal untuk proses anaerobik adalah 6,8- 7,4. Pada pH

lingkungan yang rendah, aktifitas metanogenesis akan berkurang, berdampak pada

akumulasi asam asetat dan hidrogen. Semakin tinggi tekanan parsial hidrogen,

degradasi asam propionat oleh bakteri akan terhambat yang menyebabkan

akumulasi Volatile Fatty Acid , ketika produksi asam asetat turun akan menurunkan

pH yang akan menggagalkan proses fermentasi biogas..

b. Tipe Substrat

Selama proses anaerobik, substrat berperan penting dalam menentukan

tingkat dari degradasi anaerobik metabolisme oleh mikroorganisme akan berhenti

apabila komponen penting dari subtrat telah hilang. Sehingga, komponen penting

tersebut sebisa mungkin harus selalu tersedia, diantaranya karbohidrat, lemak,

protein, dan substansi mineral substrat (Deublein, 2008). Intermediet produk dari

dekomposisi substrat juga bisa menghambat degradasi. Sebagai contoh, degradasi

14

lemak akan menaikkan asam lemak yang akan menghambat degradasi lebih jauh

(Deublein, 2008).

c. Suhu

Suhu merupakan salah satu faktor terpenting yang mempengaruhi proses

anaerobik terutama ketika memproduksi metana. Suhu yang bervariasi memiliki

pengaruh lebih untuk pertumbuhan bakteri metana. Lebih jauh lagi, ini berefek

tidak hanya pada bakteri pembentuk metana namun juga bakteri pembentuk volatile

acid (Gerardi, 2003). Mengatur suhu optimal digester atau inkubasi merupakan hal

yang sangat penting pada proses anaerobik (Deublein, 2008).

d. Nutrien (C/N ratio)

C/N rasio substrat harus berada dalam kisaran 16:1 - 25:1. Karena kenyataan

bahwa tidak banyak biomassa dikembangkan dengan proses anaerob, kebutuhan

nutrisi sangat rendah. Sama seperti terlalu rendah C/N rasio menyebabkan

peningkatan produksi amonia dan penghambatan produksi metana; rasio C/N

terlalu tinggi menyebabkan pengaruh negatif dalam pembentukan protein dan

penurunan energi dan metabolisme struktural dari mikroorganisme. Hal ini

diperlukan untuk menjaga komposisi yang seimbang dari rasio C/N (Deublein,

2008).

e. Inhibitor

Konsentrasi inhibitor, komposisi substrat, dan adaptasi bakteri untuk

inhibitor adalah semua hal yang mempengaruhi proses penghambatan. Umumnya

inhibitor diantaranya termasuk oksigen, senyawa sulfur, asam organik, nitrat,

amonium dan amonia, serta logam berat (Deublein, 2008).

15

f. Tekanan Hidrogen Parsial

Sebuah proses tidak akan terganggu antara hidrogen produksi bakteri acetogenic

dan hidrogen untuk methanogenik cukup dekat. Konsentrasi hidrogen yang

seimbang diperlukan selama proses tersebut, karena methanogenik perlu hidrogen

yang cukup untuk produksi metana sedangkan tekanan parsial hidrogen harus

cukup rendah untuk mencegah bakteri asetogenik dari sekitar terlalu banyak

hidrogen dan akibatnya menghentikan produksi hidrogen. Tekanan parsial hidrogen

yang optimal tergantung pada jenis bakteri dan substrat (Deublein, 2008).

4. Komposisi Biogas

Komposisi Biogas menurut Deublin (2008), tersaji dalam Tabel 2.

Tabel 2. Komposisi biogas

No Komponen Volume (%)

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Gas Metana (CH4)

Karbondioksida (CO2)

Uap air (H2O)

Nitrogen (N2)

Hidrogen (H2)

Oksigen (O2)

Hidrogen sulfida (H2S)

Ammonia

50-75

25-45

2

<2

<1

<2

<1

<1

Komposisi biogas yang dihasilkan sangat dipengaruhi oleh bahan baku yang

digunakan (Wellinger dan Lindenberg, 2000). Namun demikian, komposisi biogas

yang utama adalah gas metana (CH4) dan gas karbondioksida (CO2) dengan sedikit

16

Hidrogen Sulfida (H2S). Komponen lainya yang ditemukan dalam kisaran

konsentrasi yang sangat kecil (trace element) antara lain senyawa Sulfur organik,

senyawa hidrokarbon terhalogenasi, gas 17 Hidrogen (H2), gas Nitrogen (N2), gas

Karbon Monoksida (CO) dan gas Oksigen (O2) yang tersaji dalam Tabel 2.

D. Pati

Menurut Whistler (1967), pati adalah karbohidrat yang merupakan polimer

glukosa, terdiri atas amilosa dan amilopektin. Pati dapat diperoleh dari biji-bijian,

umbi-umbian, sayuran, dan buah-buahan. Sumber alami pati antara lain adalah

jagung, labu, kentang,ubi jalar, pisang, barley, gandul, beras,sagu, ubi kayu,

ganyong, dan sorgum. Struktur kimia amilosa dan amilopektin tersaji dalam

Gambar 2 dan 3.

Gambar 2. Struktur kimia amylosa

Gambar 3. Struktur kimia amylopektin

17

Secara umum, pati dapat dikelompokkan menjadi pati yang dapat dicerna

dengan cepat atau Rapid Digestible Starch (RDS), dan pati yang memiliki daya

cerna lambat atau Slowly Digestible Starch (SDS). Contoh RDS yaitu beras dan

kentang yang telah dimasak serta beberapa sereal instan siap saji, dan contoh SDS

adalah pati sereal, produk pasta, dan RS (resistant starch), yaitu pati yang sulit

dicerna di dalam usus halus (Englyst, 1992).

E. Hipotesis

Pemisahan jenis limbah diduga dapat mempengaruhi jumlah biogas yang

dihasilkan.