biogas

Temperatur operasi optimal untuk proses digester adalah 30-35oC dimana pertumbuhan bakteri dan produksi CH4 umumnya optimum. Namun begitu, dengan rancangan tanpa memperhitungkan tahanan termal bahan dinding, akan diperoleh temperatur digester sebesar 19-20oC. Dengan kondisi ini, kemampuan bakteri untuk mencerna bahan bio akan berkurang dua kali lipat.

Selain temperatur, supaya bakteri dapat tumbuh dengan baik juga memerlukan makanan (unsur hara). Makanan dari bakteri terutama mengandung unsur nitrogen, fosfor, magnesium, sodium, mangan, kalsium dan kobalt. Konsentrasi optimum dan batas penghambat proses digestion dari berbagai unsur tersebut dapat dilihat pada Tabel berikut.

Tabel. Batas optimum dan penghambat proses digestion dari berbagai unsur [1].


Selain nitrogen dalam bahan bio gas nitrogen umumnya juga terdapat dalam gas NH3. Konsentrasi NH3 yang baik dalam digester adalah 200-1500 mg/l [1]. Pada konsentrasi 1500-3000 mg/l, proses pertumbuhan bakteri akan terhambat pada pH 7,4. Pada konsentrasi NH3 diatas 3000 mg/l dapat menyebabkan racun pada digester pada pH manapun [1]. Sedangkan total perbandingan C/H pada digester yang optimum umumnya dicapai pada nilai 30.

Selain, temperatur dan makanan untuk bakteri, faktor lain yang perlu diperhatikan adalah derajat keasaman. Derajat keasaman (pH) dari digester yang baik berada pada kisaran 7-8,5. Sementara, derajat keasaman pada kebanyakan bahan bio adalah pada kisaran 5-9. Pada bahan bio kotoran sapi yang baru dimasukkan umumnya mempunyai pH 7,7. Kemudian setelah dimasukkan ke dalam digester dan dicampur dengan air, keasamannya turun hingga 6,58.

Lama proses suatu bahan bio dapat menghasilkan gas CH4 yang optimum sangat tergantung pada temperatur dan lama proses digestion. Untuk bahan kotoran sapi misalnya pada temperatur 30-35oC, produksi CH4 optimum terjadi pada hari ke-10. Setelah hari ke-10, produksi gas CH4 akan menurun.

Hasil proses digester kotoran sapi dapat menghasilkan volatil solid (VS) sekitar 34%. Prosentase ini dibawah rata-rata pemrosesan bahan bio yang umumnya berada pada kisaran 28-70%. Penyebab rendahnya prosesntasi VS yang dihasilkan dari digester kotoran sapi adalah jerami. Dimana diketahui bahwa jerami mengandung lignoselulose yang sulit dicerna oleh bakteri [1]. Hal yang menarik lainnya adalah bahwa dari pengalaman digester kapasitas 8,8 m3 (untuk 5 ekor sapi) dengan tekanan 0.8 cm H2O dapat dihasilkan gas bio sebesar 1,44 m3/hari (16,4%). Komposisi gas yang dihasilkan teridir dari CH4 (50,5%) dan CO2 (22,4%). Dengan VS sebesar 34%, laju produksi gas bio yang terjadi sebesar 0,16 m3/kg VS.

Dengan kapasitas yang lebih besar dari sebelumnya, yaitu 18 m3, mampu menampung kotoran 10-12 ekor sapi. Biaya investisasi sekitar 18,5 jt rupiah. Total solid = 4,2 kg/ekor/hari. VS = 3,8 kg/ekor/hari (90%). Kadar air kotoran sapi sebesar 13,6%. Gas yang dihasilkan sebesar 6 m3/hari yang mengandung CH4 sebesar 77%, CO2 sebesar 20,9%, H2S seebsar 1544,5 mikrogram/m3 dan NH3 sebesar 40,1 mikro gram/m3. Temperatur dalam digester juga masih rendah sekitar 25-27oC dengan pH 7-8,6. Lumpur yang dihasilkan menunjukkan penurunan COD sebesar 90% (19800 mg/l menjadi 1960 mg/l) dari kondisi bahan awal dan perbandingan BOD/COD sebesar 0,37 (awalnya 0,06). Harga ini lebih kecil dari kondisi normal limbah cair dimana BOD/COD sebesar 0,5. Analisa kandungan N = 1,82%, P = 0,73% dan K = 0,41% dari lumpur menunjukkan hasil yang hampir sama dengan pupuk kompos. Harga C/N dari bahan dalam digester sebesar 1:17 [2].

Ref:
1. Khasristya Amaru, 2004, Rancang Bangun dan Uji Kinerja Biodigester Plastik Polyethilene Skala Kecil (Studi Kasus Ds. Cidatar Kec. Cisurupan, Kab. garut), Tugas Akhir, Fakultas Pertanian, UNPAD, Indonesia.
2. Widodo, T.W., Asari, A., Ana, N., Elita, R., 2006, Rekayasa dan Pengujian Reaktor Biogas Skala Kelompok Tani Ternak, Jurnal Enjiniring Pertanian, Vol. IV, No. 1, April 2006.
Tahapan untuk terbentuknya biogas dari proses fermentasi anaerob dapat dipisahkan menjadi tiga. Tahap pertama adalah tahap hidrolisis. Tahap kedua adalah tahap pengasaman. Tahap ketiga adalah tahap pembentukan gas CH4.

Pada tahap hidrolisis, bahan-bahan biomas yanga 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 [1]. Pada tahap hidrolisis, mikroorganisme yang berperan adalah enzim ekstraselular seperti selulose, amilase, protease dan lipase [1].

Pada tahap pengasaman, bakteri akan menghasilkan asam yang akan berfungsi untuk mengubah senyawa pendek hasil hidrolisis menjadi asam asetat, H2 dan CO2. Bakteri ini merupakan bakteri anaerob yang dapat tumbuh pada keadaan asam. Untuk menghasilkan asam asetat, bakteri tersebut memerlukan oksigen dan karbon yang diperoleh dari oksigen yang terlarut dalam larutan. Selain itu, bakteri tersebut juga mengubah senyawa yang bermolekul rendah menjadi alkohol, asam organik, asam amino, CO2, H2S dan sedikit gas CH4 [1].

Pada tahap pembentukan gas CH4, bakteri yang berperan adalah bakteri metanogenesis. Bakteri ini akan membentuk gas CH4 dan CO2 dari gas H2, CO2 dan asam asetat yang dihasilkan pada tahap pengasaman [1]. Ketiga proses dalam reaktor biogas dapat dilihat pada Gambar di bawah.




Gambar. Proses dalam reaktor biogas.

Perlu diketahui bahwa laju pembentukan gas CH4 dalam reaktor biogas sangat dipengaruhi oleh temperatur. Temperatur ini akan berhubungan dengan kemampuan bakteri yang ada dalam reaktor. Bakteri psyhrophilic 0 – 7 oC, bakteri mesophilic pada temperatur 13 – 40 oC sedangkan thermophilic pada temperatur 55 – 60 oC [1].

Temperatur yang optimal untuk digester adalah temperatur 30 – 35 oC, kisaran temperatur ini mengkombinasikan kondisi terbaik untuk pertumbuhan bakteri dan produksi methana di dalam digester dengan lama proses yang pendek. Massa bahan yang sama akan dicerna dua kali lebih cepat pada 35°C dibanding pada 15°C dan menghasilkan hampir 15 kali lebih banyak gas pada waktu proses yang sama [1].

Selain temperatur, masih terdapat beberapa parameter penting yang perlu diperhatikan dan akan diuraikan pada bagian selanjutnya.

Ref:
1. Khasristya Amaru, 2004, Rancang Bangun dan Uji Kinerja Biodigester Plastik Polyethilene Skala Kecil (Studi Kasus Ds. Cidatar Kec. Cisurupan, Kab. garut), Tugas Akhir, Fakultas Pertanian, UNPAD, Indonesia.

Biogas sistem anaerob (kedap udara) dapat dibuat dengan mudah. Terdapat dua jenis sistem biogas, yaitu jenis terapung (floating) dan jenis kubah tetap (fixed dome). Pada tipe terapung, diatas tumpukan bahan bio (digester) diletakkan drum terbalik dalam posisi terapung.

Pada reaktor biogas jenis kubah tetap, digester diletakkan didalam tanah dan bagian atasnya dibuat ruangan dengan atap seperti kubah terbalik. Fungsi drum terbalik atau kubah terbalik ini untuk menampung biogas yang dihasilkan dari digester. Gambar-gambar di bawah menunjukkan kedua jenis reaktor biogas yang dimaksud.


Gambar. Reaktor biogas jenis terapung

Gambar. Reaktor biogas jenis kubah tetap.

Tumpukan bahan bio diselimuti oleh bahan yang tidak mudah bocor, misalnya plastik yang tahan pada temperatur agak tinggi. Kemudian dibagian luarnya dibuat dinding seperti membuat dinding bangunan rumah. Alternatif lain, dinding digester dapat dibuat dari plat yang agak tebal. Selain digester, diperlukan juga saluran masuk untuk bahan baku, saluran keluar lumpur sisa (slurry) dan saluran/pipa untuk distribusi biogas yang terbentuk.

Berikut contoh pemanfaatan kotoran sapi untuk biogas. Rata-rata dapat diasumsikan bahwa 1 ekor sapi menghasilkan kotoran 5 kg/hari. Dengan 16 ekor sapi akan diperoleh kotoran 80 kg/hari. Kotoran tersebut kemudian dicampur dengan air 80 liter. Hasil yang diperoleh adalah biogas 1 m3/hari atau setara dengan 0.65 m3 gas CH4 yang mengandung energi sebesar 6.5 kWh. Perlu dicatat bahwa beberapa penelitian bahkan menyebutkan kotoran sapi yang dikeluarkan perharinya di Indonesia bisa mencapai 22 kg/hari [1]. Angka terakhir ini sepertinya terlalu besar kalau hanya memperhitungkan fesesnya saja. Data yang lebih mutakhir menunjukkan bahwa pada peternakan sapi perah, sapi potong dan kerbau diperoleh kotoran rata-rata perhari sebesar 12 kg/ekor [2].
Jenis floating drum di Indonesia dengan kapasitas digester 27 m3 biaya yang dibutuhkan untuk membangunnya adalah sebesar Rp. 9.000.000. Untuk biodigester skala kecil kapasitas 0,2 m3 dapat dibuat dari dua drum bekas. Biaya untuk skala kecil ini sekitar Rp. 200.000 [1].

Khusus mengenai gas CH4 perlu diperhatikan adanya kemungkinan ledakan. Karakteristik lain dari CH4 murni adalah mudah terbakar. Kandungan metana dengan udara akan menentukan pada kandungan berapa campuran yang mudah meledak dapat dibentuk. Pada LEL (lower explosion limit) 5.4 vol% metana dan UEL(upper explosion limit) 13.9 vol%. Dibawah
5.4% tidak cukup metana sedangkan, diatas 14% terlalu sedikit oksigen untuk
menyebabkan ledakan. Temperatur yang dapat menyebabkan ledakan sekitar 650–750 oC , percikan api dan korek api cukup panas untuk menyebabkan ledakan [1, *].

More info:
1. Promosi projek biogas di Juhnde Jerman [*].
2. Biogas ukuran rumah tangga [2,]

Ref:
1. Khasristya Amaru, 2004, Rancang Bangun dan Uji Kinerja Biodigester Plastik Polyethilene Skala Kecil (Studi Kasus Ds. Cidatar Kec. Cisurupan, Kab. garut), Tugas Akhir, Fakultas Pertanian, UNPAD, Indonesia.
2. Syamsudin, T.R. dan Iskandar, H.H., 2005, Bahan Bakar Alternatif Asal Ternak, Sinar Tani, Edisi 21.27 Desember 2005, No. 3129 Tahun XXXVI.
Posted by suyitno at 18:28 2 comments
Labels: biogas
biogas (1)
Biogas adalah gas-gas yang dihasilkan dari proses penguraian anaerob (tanpa udara) atau fermentasi dari material organik seperti kotoran hewan, lumpur kotoran, sampah padat, atau sampah terurasi secara bio. Gas utama dari proses biogas terdiri dari methane dan CO2.

Biogas konvensional umumnya menggunakan proses cair dimana kotoran/sampah dicampur dengan air untuk membantu proses penguraian. Biogas sistem padat juga dimungkinkan, misalnya yang terjadi pada tempat pembuangan sampah padat (landfil). Karena CH4 mempunyai sifat sulit dikompres (berbeda dengan LPG), maka CH4 dari pembangkit biogas umumnya dipakai secara langsung. Beberapa pendapat lebih menyarankan gas dari biogas digunakan langsung untuk memasak, pemanas, penerangan, menggerakkan pompa atau kompresor, atau bahkan untuk sistem pendingin absorpsi dibandingkan dikonversi menjadi listrik [*].


Gas-gas yang dihasilkan dari reaktor biogas umumnya terdiri dari [*]:
1. Methane, CH4 = 55-75%.
2. Carbon dioxide, CO2 = 25-45%.
3. Carbon monoxide, CO = 0-0,3%.
4. Nitrogen, N2 = 1-5%.
5. Hydrogen, H2 = 0-3%.
6. Hydrogen sulfide, H2S = 0,1-0,5%.
7. Oxygen, O2 = sisanya


Jika diasumsikan [*]
1. Gas methane yang dihasilkan mencapai 65% (gas-gas sisanya tidak dapat dikonversi menjadi energi).
2. Reaktor biogas memproduksi gas 2000 m³/hari.
3. Nilai kalor rendah (LHV) CH4 = 50,1 MJ/kg.
4. Densitas CH4 = 0,717 kg/m³.
Atau dalam 1 m³ gas CH4 mengandung energi sebesar = 50,1 x 0,717 = 35,9 MJ = 0,00997 MWh.
Jumlah panas yang dihasilkan per hari adalah = 65% x 2000 m³ x 0,00997 MWh/m³ = 12.96 MWh.
Perlu diketahui bahwa:
1. Efisiensi untuk menghasilkan panas saja ~ 90%.
2. Efisiensi untuk menghasilkan panas dan listrik 85% (35% untuk listrik + 50% untuk panas).
3. Efisiensi untuk menghasilkan listrik saja ~ 35%.
Some important information about biogass: