Pembuatan Biogas dan Proses Yang Terjadi Dalam Digester

Seperti yang kita ketahui bahwasanya lingkungan kita telah terjadi polusi yang diakibatkan oleh bahan-bahan organik seperti sampah,  kotoran ternak, dll. Hal ini tentunya harus dicarikan solusi dimana limbah-limbah tersebut dapat kita olah menjadi hal yang bermanfaat.

Lalu muncul pertanyaan bagaimana cara kita mengatasi hal tersebut?

Salah satu caranya adalah dengan teknologi biogas, dimana limbah-limbah tersebut dapat didekomposisi oleh mikroorganisme sehingga tidak menyebabkan polusi. 

Pengolahan limbah menjadi biogas dapat dikatakan sangat murah, ramah lingkungan, dan yang paling penting adalah dapat mencegah adanya pemanasan global (global warming). Keuntungan lainnya adalah biogas termasuk “renewable source of energy” karena yang diolah adalah limbah-limbah organik yang tentunya tidak akan pernah habis.

Akhir-akhir ini ketertarikan terhadap sumber energi biogas meningkat, hal ini didasarkan pada fakta bahwa cadangan sumber energi fosil yang semakin berkurang. Salah satu yang kita lihat mungkin adalah dengan adanya kebijakan pemerintah dalam konversi minyak tanah ke gas atau yang kita kenal dengan elpiji.

Pada artikel ini kita akan membahas mengenai pengertian, sumber bahan baku, dan manfaat biogas serta ilustrasi pembuatan biogas dari kotoran sapi berikut faktor yang mempengaruhi kinerja digester yang merupakan bagian utama dari biogas.

Pengertian Biogas

Biogas merupakan bahan bakar gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau fermentasi dari bahan-bahan organik, termasuk diantaranya kotoran hewan, limbah domestik, seperti limbah rumah tangga, dll dalam reaktor atau biodigester dalam kondisi tanpa udara.

Secara singkat juga dapat dikatakan biogas adalah degradasi anaerobik bahan-bahan organik oleh bakteri-bakteri anaerobik.

Metana dalam biogas bila terbakar akan relatif lebih bersih daripada batubara dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi karbon dioksida yang lebih sedikit.

Biogas adalah gas yang mudah terbakar yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri-bakteri Anaerob atau bakteri yang hidup dalam kondisi kedap udara.

Karakteristik Biogas

Biogas didefinisikan sebagai gas yang dilepaskan jika bahan-bahan organik seperti kotoran hewan, kotoran manusia, jerami, sekam, dan sayur-sayuran difermentasi.

Biogas terdiri dari campuran metana sebesar 50 – 75 %, karbondioksida sebesar 25 – 45 %, serta sejumlah kecil hidrogen, nitrogen, dan hidrogen sulfida.

Tabel diatas adalah tabel komposisi gas dalam biogas yang bersumber dari komposisi biogas tahun 2009.

Pada tabel tersebut dapat kita lihat bahwa jenis gas yang menyusun gas dalam biogas terdiri atas dua komponen utama :

• Campuran kotoran dan sisa pertanian
• Kotoran sapi

Jenis gas yang menyusunnya yaitu ada metana sebesar 54 – 70 % pada campuran kotoran dan sisa pertanian, kemudian kotoran sapi sebesar 65,7 %.

Selanjutnya ada karbondioksida dengan besar 27 – 45 % pada campuran kotoran dan sisa pertanian dan sebesar 27 % pada kotoran sapi.

Sedangkan nitrogen, karbon monoksida, oksigen, propen, hidrogen sulfida menempati jumlah yang sedikit pada komposisi gas dalam biogas.

Manfaat Biogas

Manfaat energi biogas adalah menghasilkan gas metan sebagai pengganti bahan bakar khususnya minyak tanah dan dapat dipergunakan untuk memasak.

Dalam skala besar biogas dapat digunakan sebagai pembangkit energi listrik.

Disamping itu dari proses produksi biogas akan dihasilkan sisa kotoran ternak yang dapat langsung dipergunakan sebagai pupuk organik pada tanaman atau budidaya pertanian.

Manfaat energi biogas yang lebih penting lagi adalah mengurangi ketergantungan terhadap pemakaian bahan bakar minyak bumi yang tidak bisa diperbaharui.

Menurut Sri Wahyuni tahun 2008, limbah biogas yaitu kotoran ternak yang telah hilang gasnya merupakan pupuk organik yang sangat kaya akan unsur-unsur yang dibutuhkan oleh tanaman.

Nilai kalori dari 1 meter kubik biogas sekitar 6000 watt jam yang setara dengan setengah liter minyak diesel. Oleh karena itu juga sangat cocok digunakan sebagai bahan bakar alternatif yang ramah lingkungan pengganti minyak tanah, elpiji, butana, batubara, maupun bahan-bahan lain yang berasal dari fosil.

Biogas digunakan dalam berbagai keperluan seperti memasak, penerangan, pompa air, boiler, dll.

Baca Juga : Boiler : Pengertian, Jenis, dan Prosedur Perawatannya

Pemanfaatan biogas memiliki beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan bahan bakar minyak yang berasal dari fosil. Diantaranya biogas memiliki sifat yang ramah lingkungan dan dapat diperbaharui bahan bakar fosil yang pembakaran yang kurang sempurna akan menghasilkan karbon monoksida yang merupakan salah satu gas penyebab pemanasan global.

Sampah organik yang dibiarkan menumpuk dalam alam terbuka dapat menghasilkan gas metana sebagai akibat proses pembusukan sampah yang bereaksi dengan oksigen. Gas metan memiliki sifat polutan 21 x dari sifat polutan karbon dioksida.

Sehingga dengan dimanfaatkannya sampah sebagai bahan baku biogas dapat menekan jumlah gas metan yang langsung dilepaskan ke udara.

Karena gas metan merupakan salah satu komponen utama biogas digunakan dalam proses pembangkitan tenaga listrik dan bahan bakar

Digestifikasi Anaerobik Biogas

Digestifikasi anaerobik adalah proses pembusukan bahan organik oleh bakteri anaerobik pada kondisi tanpa udara yang menghasilkan biogas dan pupuk cair.

Ada dua jenis digestifikasi anerobik yaitu alamiah dan buatan

Metana dalam biogas bila terbakar akan relatif lebih bersih daripada batubara dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi karbon dioksida 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 karbon dioksida.

Karbon dalam biogas merupakan karbon yang diambil dari atmosfer oleh fotosintesis tanaman sehingga bila dilepaskan lagi ke atmosfer tidak akan menambah jumlah karbon atmosfer bila dibandingkan dengan pembakaran bahan bakar fosil.

Sumber Bahan Baku Biogas

Biogas dapat diproduksi dari bahan organik dengan bantuan bakteri untuk fermentasi (bakteri anaerob).

Untuk biogas yang sederhana, bahan organik yang umum digunakan di Indonesia adalah dari kotoran dan urine hewan meskipun juga digunakan beberapa bahan lain yaitu dari kotoran manusia, sampah bio organik, dan zat sisa proses pembuatan tahu.

Pemilihan bahan biogas sendiri juga telah ditentukan oleh faktor perbandingan kadar karbon dan hidrogen dalam bahan tersebut. Umumnya bahan organik yang memiliki kualitas biogas yang tinggi mempunyai rasio karbon nitrogennya sekitar 20 – 30 atau 20 – 25.

Rasio ini penting untuk diperhatikan karena berpengaruh pada berkembangnya bakteri yang akan menguraikan bahan organik tersebut sehingga terkadang kita perlu melakukan tahapan seperti penambahan karbon yaitu seperti ditambahkan jerami atau ditambahkan bahan yang mengandung nitrogen misalnya seperti urea agar bahwa mencapai rasio yang baik yaitu perbandingan karbon nidrogen 20.

Pada umumnya semua jenis bahan organik dapat diproses untuk menghasilkan biogas tetapi hanya bahan organik padat dan cair homogen serta kotoran urine hewan ternak yang cocok untuk sistem biogas.

Diperkirakan ada 3 jenis bahan baku untuk dikembangkan sebagai bahan baku biogas di Indonesia antara lain :

1. Kotoran hewan dan manusia
2. Sampah organik
3. Limbah cair

Limbah dari Kegiatan Peternakan

Limbah dari sektor peternakan terdiri dari limbah padat, limbah cair, dan limbah gas. Kegiatan peternakan sapi dapat memberikan dampak positif seperti terhadap pembangunan yaitu berupa peningkatan pendapatan peternak, perluasan kesempatan kerja, peningkatan ketersediaan pangan, dan penghemat devisa.

Namun apabila tidak dikelola dengan tepat kegiatan ini akan menimbulkan permasalahan lingkungan.

Pada dasarnya penggunaan biogas memiliki keuntungan ganda yaitu gas metan yang dihasilkan bisa berfungsi sebagai bahan bakar sedangkan limbah cair dan limbah padat dapat digunakan sebagai pupuk organik.

Limbah dari Pasar Sayur

Limbah dari sayur pasar terdiri dari banyak jenis diantaranya yaitu limbah kol, limbah sawi, limbah kulit, kecambah tauge, limbah jagung.

Biomassa

Biomassa merupakan bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintetik baik berupa produk maupun buangan.

Faktor yang Mempengaruhi Komposisi Biogas

Komposisi-komposisi dan produktivitas sistem biogas ini dipengaruhi oleh parameter-parameter seperti :

• Temperatur digester
• Tingkat kesamaan
• Tekanan
• Kelembaban udara

Dan utamanya yang paling penting terhadap komposisi dari biogas itu sendiri merupakan CH4 atau yang biasa kita kenal dengan metana.

jadi kandungan metane yang cukup tinggi yaitu sekitar 81,1 % dapat menggantikan peran elpiji dan petrol atau bensin.

Tetapi dalam biogas sendiri terdapat kandungan lain selain metana yaitu seperti H2S, CO2, dan N2 yang merupakan pengotor-pengotor dalam biogas yang perlu dilakukan pemurnian.

Apa Itu Biodigester?

Biodigester merupakan tempat dimana material organik diuraikan oleh bakteri secara anaerob atau tanpa udara menjadi gas metana dan CO2. Biodigester ini merupakan komponen utama dalam produksi biogas.

Biodigester harus dirancang sedemikian rupa sehingga proses fermentasi anaerob dapat berjalan dengan baik. Pada umumnya biogas dapat terbentuk ke sekitar 4 s/d 5 hari setelah material-material organiknya diisi ke dalam biodigester.

Fungsi Biodigester

Fungsi dari biodigester ini adalah :

• Mengurangi Jumlah Padatan

Karena padatan terurai menjadi gas namun tidak semua padatan dapat terurai.

• Menghasilkan Energi

Sebagaimana diketahui bahwa target utama dari proses “digestion” adalah menghasilkan gas metana yang mengandung energi 50 joule per kg, maka semakin besar kandungan metana dalam suatu biogas maka semakin besar juga energi dalam biogas.

• Mengurangi Bau Kotoran

Seperti kita ketahui, bahan baku biogas adalah kotoran sehingga dengan biodigester ini akan mengurangi bau kotoran.

Setidaknya dengan adanya biodigester, bau yang dihasilkan selama proses “digetion” dapat diarahkan supaya tidak menganggu kenyamanan dari manusianya.

• Menghasilkan Air Buangan yang Bersih

Sebagian air setelah proses “digestion” harus dikeluarkan sehingga bersihnya air buangan ini menjadi sangat penting jika digunakan untuk irigasi dan juga faktor-faktor yang lainnya.

• Menghasilkan Padatan yang Mengandung Bahan Gizi untuk Pupuk

Jadi padatan yang tidak terurai menjadi gas metana dapat dimanfaatkan sebagai pupuk asalkan masih mengandung bahan gizi yang cukup baik dan juga harus terjaga dari zat-zat yang berbahaya.

Komponen Penyusun Biodigester

Berikut ini adalah bagian-bagian biodigester :

• Saluran Masuk atau Slurry

Saluran tempat masuknya kotoran-kotorannya.

Jadi saluran ini digunakan untuk memasukkan kotoran ternak dan juga air kedalam reaktor utama atau biodigester.

Tujuan pencampurannya yaitu untuk memaksimalkan produksi biogas, memudahkan mengalirnya bahan baku, dan menghindar terbentuknya endapan pada saluran masuk.

Pada saat memasukkan material organik (kotoran ternak) tersebut diatas ke dalam digester tentunya wajib ditambahkan sejumlah air.

Nah apa sih fungsinya penambahan air tersebut?

Fungsi air yaitu selain untuk mempertahankan padatan totalnya kurang dari 15%, juga untuk mempermudah proses pencampuran dan proses mengalirnya material organik ke dalam bio digester.

Selain itu juga memiliki fungsi lain yaitu untuk mempermudah aliran-aliran gas yang terbentuk di bagian bawah dapat mengalir ke bagian atas biodigester nya.

• Ruang Fermentasi atau Digestion

Ruangan ini berfungsi sebagai tempat terjadinya proses digestion. Ruangan ini dibuat kedap udara untuk proses anaerob.

• Saluran Keluar Residu atau Sludge.

Fungsi saluran ini yaitu untuk mengeluarkan kotoran yang telah mengalami proses “digestion” oleh bakterinya. Saluran ini bekerja berdasarkan prinsip keseimbangan tekanan hidrostatik.

Jadi residu yang pertama kali keluar merupakan lumpur masukan yang pertama setelah waktu retensi. Sehingga slurry yang keluar sangat baik untuk pupuk karena mengandung kadar nutrisi yang masih tinggi.

• Tangki Penyimpan Biogas

Setelah residu keluar kemudian gas yang dihasilkan dari proses digester disimpan dalam tangki penyimpan biogas.

Syarat Penting Biodigester

Tentunya ada beberapa faktor yang mempengaruhi kinerja biodigester, antara lain :

• Lingkungan Anaerob

Biodigester harus tetap dijaga dalam keadaan anaerob supaya tidak terjadi kontak langsung dengan udara atau dengan oksigen karena udara mengandung oksigen sebanyak 21 % sehingga akan memasuki biodigester yang dapat menyebabkan perolehan produksi metananya.

• Temperatur Biodigester

Temperatur minimum supaya bakteri dapat berkembang dengan baik yaitu padahal 15 °C. Apabila biodigester beroperasi pada temperatur dibawahnya maka tidak ekonomis.

• pH

Bakteri alami pengurai bahan organik dapat berkembang dengan baik pada keadaan yang agak asam yaitu pada ph 6 – 7 atau mendekati netral.

• Kebutuhan Nutrisi

Nutrisi yang diperlukan seperti nitrogen, sulfur, fosfor, Potassium, kalsium, dan sejumlah unsur-unsur logam lainnya.

Baca Juga : Perbedaan Unsur Logam dan Non Logam Serta Contohnya

• Kadar padatan

Tiap jenis bakteri memiliki nilai kapasitas kebutuhan air tersendiri, jadi apabila kapasitas yang tepat maka aktivitas bakteri juga akan optimal sehingga proses pembentukan biogas akan mencapai titik optimum apabila konsentrasi bahan kering terhadap air yaitu sekitar 0.26 kg/l.

Pada umumnya proses pencampuran antara bahan organik dan air berkisar dengan perbandingan antara 1 : 1 dan 1 : 2.

Untuk membuat digester, diperlukan bahan bangunan seperti pasir, semen, batu kali, batu koral, bata merah, besi konstruksi, cat, dan pipa paralon.

Adapun lokasi yang akan dibangun sebaiknya dekat dengan kandang (jika sumber bahan biogas dari kotoran hewan) sehingga kotoran ternak dapat langsung disalurkan ke dalam digester di samping digester harus juga dibangun penampung sludge atau lumpur dimana Selat tersebut nantinya dapat dipisahkan dan dijadikan pupuk organik padat dan pupuk organik cair.

Proses Pembentukan Biogas

Proses pembuatan biogas dilakukan secara fermentasi yaitu proses terbentuknya gas metana dalam kondisi anaerob dengan bantuan bakteri anaerob didalam suatu digester sehingga akan dihasilkan gas metana dan gas karbondioksida yang volumenya lebih besar dari gas hidrogen, gas nitrogen, dan asam sulfida.

Proses fermentasi memerlukan waktu 7 – 10 hari untuk menghasilkan biogas dengan suhu optimum 35 °C dan pH optimum pada range 6,4 s/d 7,9.

Bakteri pembentuk biogas yang digunakan yaitu bakteri anaerob seperti metanobacterium metanobacilius, metanococcus dan metanosarcina.

Sebagai contoh pada pembuatan biogas dari bahan baku kotoran sapi atau kerbau yang banyak mengandung selulosa.

Bahan baku dalam bentuk selulosa akan lebih mudah dicerna oleh bakteri anaerob.

Reaksi Hidrolisis atau Tahap Pelarutan

Pada tahap hidrolisis ini bahan-bahan organik yang mengandung selulosa, hemiselulosa akan diurai menjadi senyawa dengan rantai yang lebih pendek, misalnya polisakarida akan terurai menjadi sakaraida, protein akan terurai menjadi peptida asam amino.

Pada tahap hidrolisis terjadi pemecahan enzimatis dari bahan yang tidak mudah larut seperti lemak, polisakarida, protein, asam nukleat, dll menjadi bahan yang mudah larut.

Pada tahap ini bahan yang tidak mudah larut seperti selulosa, polisakarida, dan lemak diubah menjadi bahan yang larut dalam air seperti karbohidrat dan asam lemak.

Tahap pelarutan berlangsung pada suhu 25 °C di digester dengan reaksi sebagai berikut :

Reaksi Asidogenic atau Tahap Pengasaman

Pada tahap pengasaman ini bakteri akan menghasilkan asam yang akan berfungsi untuk mengubah senyawa pendek hasil dari tahap sebelumnya yaitu hidrolisis, menjadi asam asetat, H2, dan karbondioksida

Bakteri yang menghasilkan asam merupakan bakteri anerobik yang dapat tumbuh dan berkembang pada keadaan asam yaitu pada pH 5,5 s/d 6,5. Pembentukan asam dalam kondisi anaerob sangat penting untuk membentuk gas metan oleh mikroorganisme pada proses selanjutnya.

Pada suasana anaerob, produk yang dihasilkan ini akan menjadi substrat pada pembentukan gas metan oleh bakteri metanogenik.

Tahap ini berlangsung pada suhu 25 °C s/d 30 °C di digester.

Adapun reaksi asidogenik senyawa glukosa adalah sebagai berikut :

Reaksi Metanogenik atau Tahap Pembentukan Gas Metana

Pada tahap ini bakteri metanogenik membentuk gas metana secara perlahan anaerob.

Bakteri penghasil asam dan gas metan bekerja secara simbiosis dimana bakteri penghasil asam membentuk keadaan atmosfer yang ideal untuk bakteri penghasil metan sedangkan bakteri pembentuk gas metan menggunakan asam yang dihasilkan bakteri penghasil asam.

Proses ini berlangsung selama 14 hari dengan suhu 25 °C s/d 35 °C di dalam digester.

Pada proses ini akan dihasilkan 70 % metana, 30 % karbondioksida, sedikit hidrogen dan asam sulfida.

Secara umum reaksinya adalah sebagai berikut :

Teknik Pencucian Biogas

Dalam suatu reaksi tentunya akan dihasilkan suatu senyawa yang mengandung pengotor didalamnya.

Jadi untuk memurnikannya perlu dilakukan teknik pencucian biogas yaitu pencucian biogas dari unsur H2O dan juga pencucian biogas dari unsur H2S.

• Dari Unsur H2O

Tujuan dari pengurangan H2O adalah karena kondensat yang terbentuk dapat terakumulasi dalam saluran gas dan dapat juga membentuk larutan asam yang korosif ketika H2S terlarut dalam air.

Pengurangan kadar H2O dapat dilakukan dengan cara melewatkan biogas pada suatu kolom yang terdiri dari silika gel atau karbon aktif karena seperti kita ketahui silka gel atau karbon aktif ini merupakan bahan penyerap yang dapat menyerap H2O.

Catatan :
Silika gel ini juga digunakan dalam desikator laboratorium dengan fungsi yang sama yaitu menyerap kadar air.

• Dari Unsur H2S

Dilakukan dengan cara penyerapan secara kimiawi yaitu dengan larutan absorben.

Kemudian absorben yang kaya H2S ini diregenerasi untuk melepas kembali H2Snya dalam bentuk gas atau sulfur padat.

Absorben yang biasanya digunakan untuk pencucian H2S ini yaitu larutan nitrit, larutan garam alkali, slurry besi oksida, atau seng oksida dan Iron chelated.

Biogas Dari Kotoran Sapi

Proses pembuatan biogas dari kotoran sapi dilakukan dengan langkah-langkah berikut :

• Campur kotoran sapi dengan air sampai terbentuk lumpur dengan perbandingan 1 banding 1 pada bak penampung sementara.

Bentuk lumpur akan mempermudah proses feeding atau pemasukan ke dalam digester.

• Mengalirkan Lumpur ke dalam digester pengisian pertama kran gas yang ada di atas digester sebaiknya dibuka agar pemasukan lebih mudah dan udara yang ada di dalam digester terdesak keluar.

Selain itu pada pengisian pertama juga dibutuhkan lumpur kotoran sapi dalam jumlah yang banyak sampai digestur penuh.

• Melakukan penambahan starter, biasanya menggunakan EM4 kemudian isi rumen segar dari Rumah Potong Hewan atau RPH sebanyak 5 karung untuk kapasitas digester 3,5 s/d 5 meter kubik.
• Setelah digester penuh keran gas ditutup supaya terjadi proses fermentasi.

Total hari pembentukan adalah sekitar 21 hari dalam hal ini kita perlu membuang gas yang pertama dihasilkan pada hari ke-1 sampai dengan hari ke-8 Karena yang terbentuk adalah gas CO2.

Hari selanjutnya baru terbentuk gas metan atau CH4 dan CO2 mulai menurun.

Berdasarkan beberapa riset dihasilkan kemurnian gas metan mencapai 50 % dalam hal ini sudah cukup bagus untuk digunakan sebagai bahan bakar memasak khususnya untuk di skala rumahan.

Mulai hari ke-21 ini kita sudah bisa menghasilkan energi biogas yang selalu terbarukan dengan adanya proses fermentasi biogas yang terbentuk tidaklah berbau seperti bau kotoran sapi selanjutnya digester terus diisi lumpur kotoran sapi secara continue sehingga dihasilkan juga yang optimal.

Kesimpulan

Sumber daya fosil mau tidak mau, suka tidak suka akan semakin menipis. Sumber energi alternatif telah banyak ditemukan sebagai pengganti bahan bakar minyak Salah satunya yaitu biogas pemerintah

Sudah saatnya mengalokasikan sebagian dari pengurangan subsidi BBM untuk mengembangkan biogas dari kotoran ternak ke seluruh pelosok negeri

Usaha ini tentu juga harus didukung dengan mengubah pola pikir masyarakat untuk menerima kehadiran teknologi baru.

Yuk, mari sama-sama kita dukung…

Oiya, terkait dengan pengolahan limbah, kami juga mempunyai artikel tentang instalasi pengolahan air limbah, jika teman-teman ada waktu luang dan tertarik dengan artikelnya silakan dibaca disini : IPAL (Instalasi Pengolahan Air Limbah) WWTP dan STP

Semoga Bermanfaat.