Proses Pembuatan Biogas

Pembuatan biogas relatif sederhana, prinsip dasarnya adalah memasukkan substrat berupa bahan organik seperti kotoran ternak atau limbah pertanian lainnya ke dalam tabung reaktor /digester yang anaerob. Subtract atau bahan bahan organik dalam tabung digester mengalami fermentasi yang dilakukan oleh bakteri anaerob sehingga menghasilkan biogas yang selanjutnya dapat digunakan sebagai sumber energi.  Gas yang dihasilkan selama proses fermentasi dalam digester sebagian besar berupa metana yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi.

Proses terbentuknya biogas dari material organik yang terkumpul pada digester (reaktor) diuraikan menjadi dua tahap dengan bantuan bakteri. Tahap pertama material orgranik didegradasi menjadi asam lemah oleh bakteri pembentuk asam. Bakteri tersebut menguraikan sampah pada tingkat hidrolisis dan asidifikasi. Hidrolisis yaitu penguraian senyawa kompleks atau senyawa rantai panjang seperti lemak, protein, karbohidrat menjadi senyawa yang sederhana. Sedangkan asidifikasi yaitu pembentukan asam dari senyawa sederhana. Setelah material organik berubah menjadi asam asam, maka tahap kedua dari proses anaerobik digestion adalah pembentukan gas metana dengan bantuan bakteri pembentuk metana sepertimethanococus, methanosarcina, methano bacterium. Perkembangan proses anaerobik digestion telah berhasil pada banyak aplikasi.

Untuk memproduksi biogas, kita harus membangun instalasinya terlebih dahulu. Jenis intalasi yang akan dibangun disesuaikan dengan kapasitas yang kita inginkan sesuai dengan jumlah bahan organik yang tersedia dan dana. Biaya yang paling besar dalam proses pembuatan intalasi biogas adalah tipe reaktornya / digester. Tipe reaktor atau digester yang sudah familier adalah tipe kubah tetap (fixed dome type), tipe terapung (floating drum type) dan reaktor balon. Dilihat dari sisi konstruksinya, pada umumnya hanya digolongkan menjadi dua yaitu reaktor tipe kubah tetap dan terapung. Fixed dome (kubah tetap) mewakili konstruksi reaktor yang memiliki volume tetap sehingga produksi gas akan meningkatkan tekanan di dalam reaktor. Sedangkan floating drum (terapung) berarti ada bagian pada konstruksi reaktor yang dapat bergerak untuk menyesuaikan dengan kenaikan tekanan reaktor. Pergerakan bagian reaktor tersebut juga menjadi tanda telah dimulainya produksi gas di dalam reaktor biogas.

Digester merupakan instalasi utama penghasil biogas dalam unit biogas. Digester merupakan suatu tangki yang berfungsi sebagai pencerna kotoran sapi atau linbah yang merupakan bahan bakteri biogas secara anaerob (tanpa oksigen). Berdasarkan konstruksinya, desain digester digolongkan kedalam dua jenis, yaitu fixed dome dan floating drum.

           

Proses biologis pembentukan biogas dapat dibagi menjadi tiga tahap, yaitu tahap hidrolisis, tahap pengasaman, dan tahap methanogenik.

a.    Tahap Hidrolisis

Bahan Organik yang terdiri dari karbohidrat, lemak, protein yang terdapat pada material organik terhidrolisis. Materi organik kompleks dipecah oleh enzim extraseluler yang dihasilkan bakteri hidrolitik menjadi materi organik yang lebih sederhana. Produk yang dihasilkan larut di dalam air yang selanjutnya digunakan oleh bakteri pembentuk asam.

b.   Tahap Pembentukan Asam

Molekul monomer glukosa yang merupakan hasil dari tahap hidrolisis difermentasikan dalam keadaan anaerob menjadi beberapa benuk asam dengan bantuan enzim yang diproduksi oleh bakteri pembentuk asam. Monomer glukosa yang terdiri dari 6 atom diubah menjadi molekul-molekul yang mempunyai atom karbon sedikit (bersifat asam) yaitu antara lain molekul asam asetat (CH3COOH) dan etanol (CH3CH2OH).

c.    Tahap Methanogenik

Pada tahap methanogenik, asam-asam organik selanjutnya dirombak oleh bakteri Methanogen menjadi gas metana, karbondioksida dan beberapa gas dalam jumlah rendah. Beberapa referensi menyebutkan bahwa bakteri yang berperan dalam proses degradasi bahan organik secara anaerob, yaitu:

a. Kelompok bakteri Fermentatif                        :  Streptococoi, Bacterioides dan beberapa jenis bakteri sejenis Enterobacterriaceae.

b. Kelompok bakteri Asetogenik                        :   Desulfovibrio.

c. Kelompok bakteri Methanogenesis                 :   Methanobacterium, Methanococcus.

            Keberhasilan proses pembuatan biogas dipengaruhi oleh beberapa faktor. Lingkungan sangat berpengaruh terhadap kehidupan dan aktivitas bakteri dalam poses fermentasi anaerob. Kondisi lingkungan yang optimal, akan mendukung  aktivitas bakteri dalam melakukan proses fermentasi anaerob yang optimal, sehingga menghasilkan produksi biogas yang optimal. Kondisi lingkungan yang perlu diperhatikan, antara lain adalah sebagai berikut:

1. Lingkungan Abiotis

Proses methanogenesis dalam reaktor yang dilakukan oleh bakteri methanogen terjadi secara anaerob sempurna. Oleh karena itu tabung reaktor / digester harus kedap, sehingga oksigen (O2) yang masuk jumlahnya minimal. Meskipun, masuknya oksigen tidak menyebabkan kegagalan total dari pross fermentasi anaerob, namun pertumbuhan dan produksi biogas tidak sepenuhnya dalam kondisi anaerob. Dengan demikian, adanya konsentrasi O₂ dalam fermentasi anaerob akan menghambat produksi gas metana. Penurunan gas metana seiring dengan jumlah penambahan O₂ dalam fermentasi anaerob.

2. Temperatur

Aktifitas mikroorganisme pada pembentukan biogas juga dipengaruhi oleh temperatur. Secara umum ada tiga range temperatur dalam proses fermentasi anaerob, yaitu: 1). Thermophilic, fermentasi terjadi pada range temperatur 47 – 55 ºC; 2). Mesophilic, fermentasi terjadi pada range temperatur 35 – 38 ºC; 3). Psicrophilic, fermentasi terjadi pada range temperatur 4 – 20 ºC. Menurut Harahap, F. (1978), fermentasi anaerob pada digester dapat berlangsung pada temperatur 5 – 55  ºC. sedangkan temperatur optimal untuk fermentasi anaerob adalah 35 ºC.

3. Derajat Keasaman (pH)

            Fermentasi anaerob dapat berlangsung dengan baik jika pH bahan organik di dalam digester diupayakan 6,6 – 7,0 dengan pH optimum 7,0 – 7,2. Pada awal pencernaan dalam digester, pH bahan isian dalam digester dapat turun menjadi 6 atau lebih rendah. Walaupun bakteri pembentuk asam dapat berkembang dengan baik pada pH kurang dari 6, berbanding terbalik dengan bakteri methanogen yang pertumbuhannya malah menjadi terhambat.

4. Rasio C/N

            Unsur karbon (C) dalam proses fermentasi anaerob diperlukan untuk pembentukan gas metana, sedangkan unsur nitrogen (N) diperlukan oleh bakteri untuk pembentukan sel yang baru. Ratio C/N yang ideal adalah 25 – 30,  apabila ratio C/N bahan organik tinggi, berarti kadar karbon lebih banyak dari pada kadar nitrogen, sehingga mikrooganisme akan kekurangan nitrogen untuk metabolisme yang akan mengakibatkan terhambatnya proses perkembangan dari organisme dan menyebabkan produksi biogas akan berkurang. Sebaliknya, jika ratio C/N rendah, maka unsur karbon akan habis terlebih dahulu dan unsur nitrogen akan hilang membentuk ammonia (NH3). Untuk mendapatkan ratio C/N yang ideal, perlu dilakukan penambahan bahan yang mengandung karbon atau nitrogen yang tinggi.

5. Kadar Bahan Kering Isian

Kadar bahan kering dalam bahan organik yang dimasukan digester ikut berperan terhadap jumlah biogas yang dihasilkan. Kebutuhan air tiap bakteri berbeda-beda untuk aktifitasnya. Jika air yang terkandung dalam bahan dalam kapasitas tepat, maka aktifitas bakteri dapat berlangsung secara optimal, sehingga fermentasi anaerob juga menjadi optimal. Oleh karena itu produksi biogas juga ditentukan oleh kadar kering bahan isian. Kadar kering bahan isian yang optimal adalah 7 – 9%. Menurut penelitian Basuki, (1990), kadar bahan kering kotoran sapi potong adalah 20,86% dan kadar bahan kering isian adalah 7,82% (Fitri 2006).

6. Pengadukan

            Pengadukan kotoran sapi dan air sangat penting dilakukan agar kontak antara bahan isian dengan mikroorganisme berjalan secara optimal, sehingga produksi biogas optimal. Pengadukan slurry dalam digester dilakukan untuk menghindari terbentuknya lapisan kerak pada dasar digester dan permukaan atas slurry, yang akan menghambat keluarnya biogas dari digester. Selain itu, pengadukan juga bermanfaat untuk memberikan kondisi temperatur yang seragam pada digester.

7. Zat Toxic (Zat Penghambat)

            Zat toxic adalah zat yang dapat membunuh mikroorganisme yang diperlukan dalam pembuatan biogas, seperti air sabun, creolin dan lain-lain. Oleh karena itu, bahan pembuatan biogas harus dihindarkan dari terkontaminasi oleh zat toxic agar fermentasi anaerob dapat berlangsung dengan baik.

8. Starter Yang Digunakan

            Starter adalah bahan yang mengandung bakteri methanogen yang berfungsi untuk mempercepat proses fermentasi anaerob. Berdasarkan jenisnya, dikenal beberapa macam starter, yaitu: 1). Starter alami : berasal dari alam, misalnya : Lumpur aktif, sludge, timbunan kotoran dan timbunan sampah; 2). Starter semi buatan:berasal dari instalasi unit biogas yang dalam keadaan aktif; 3). Starter buatan: bakteri methanogen yang dibiakkan secara laboratoris dengan media buatan.