FERMENTASI GAS METHANE

Pengolahan limbah anaerob adalah sebuah metode biological untuk mengolah limbah organic. Mikrobiologi yang terlibat dalam proses termasuk fakultatif dan mikroorganisme anaerob, dimana tidak ada oksigen, mengubah material menjadi produk akhir gas seperti karbondioksida dan metana.
Keuntungan proses anaerob selama pengolahan anaerob adalah :
a. Yield biomass untuk proses anaerob lebih rendah dibanding system aerob
b. Aerasi tidak digunakan, biaya capital dan pemakaian energi rendah
c. Gas metana yang dihasilkan proses anaerob bisa dinilai secara ekonomis
d. Penyimpanan dari produksi lumpur, konservasi listrik dan produksi metana antara $0,2 samapai $0,5 per 1000 galon pengolahan limbah domestic (jewel 1987)
e. Loading organic lebih tinggi pada system anaerob dibandingkan system aerob
Kelemahan proses anaerob selama pengolahan anaerob adalah :
a. Energi yang dipakai untuk temperature reactor untuk memelihara aktifitas mikroba (350C)
b. Waktu tahan lebih tinggi pada proses anaerob dari pengolahan aerob.
c. Bau yang tidak disadari dihasilkan proses anaerob karena menghasilkan gas H2S dan merkaptan.
d. Settling biomass anaerob di clarifier lebih sulit untuk diolah dibandingkan sedimentasi biomass
e. Reactor operasi anaerob tidak semudah anaerob.
Produk akhir dari degradasi anaerob adalah gas, paling banyak metana (CH4), karbondioksida (CO2), dan sebagian kecil hidrogen sulfide (H2S) dan hydrogen (H2). Proses yang terlibat adalah fermentasi asam dan fermentasi metana. Dalam fermentasi asam, enzim ekstraseluler dari grup heterogen dan bakteri anaerob kompleks hidrolisis komponen limbah organic (protein, lipid, dan karbohidrat). Dalam fermentasi metana, rantai pendek asam lemak (selain asetat) diubah menjadi asetat, gas hydrogen, dan karbondioksida, proses yang dianjurkan acetogenesis. Selanjutnya, beberapa bakteri anaerob dibawa, metanogenesis - proses dimana hydrogen menghasilkan metana dari asetat dan reduksi karbondioksida. Stabilisasi material organic dapat terjadi. Fakultatif dan bakteri anaerob yang tergabung dalam proses fermentasi asam toleran terhadap perubahan pH dan temperature. Range pH pada fermentasi metana adalah 6,0 – 8,5 (Benefield dan Randall 1980), 6,8 – 7,4 (Ramalho 1983). Alkalinity yang dihasilkan dari degradasi senyawa organic membantu mengontrol pH .range pH 6,6 – 7,4 maka konsentrasi alkalin bervariasi dari 1000 sampai 5000 mgl sebagai kalsium karbonat.

Jika kita totalkan semua energi ikatan dari produk dan mengurangkannya dengan total energy ikatan bahan asal, energi yang dilepas adalah 810 kJ (nilai-nilai ini tidak terlalu tepat, karena energi ikatan merupakan perkiraan rata-rata ikatan dari dua jenis atom, yang mungkin bervariasi dari satu molekul ke yang lain. Kita lihat bahwa energi yang dibebaskan dari reaksi pembakaran metana adalah lebih besar dari reaksi pembakaran H2. Hal ini bukan berarti bahwa metana terbakar lebih hebat dari H2 melainkan karena jumlah molekul oksigen yang terlibat dalam kedua reaksi itu adalah berbeda. Jika kita bandingkan energi yang dibebaskan dari reaksi pembakaran metana dan H2 per mol O2, energi pembakaran metana menjadi 405 kJ , lebih kecil sedikit dari pembakaran H2. Jadi reaksi satu molekul O2 dengan H2 adalah sedikit lebih hebat dibandingkan dengan metana. Dalam perspektif yang lain, satu mol metana mempunyai kandungan energi yang lebih besar dalam reaksi pembakaran dengan oksigen daripada satu mol hidrogen, karena 1 mol metana bereaksi dengan 2 mol O2, sedangkan 1 mol hidrogen bereaksi dengan 0.5 mol hydrogen (lihat "per mol bahan bakar"). Karena satu mol gas (gas apapun) akan memenuhi ruangan dengan volume yang sama, 1 m3 metana akan mempunyai energi tiga kali lebih besar dari 1 m3 gas hidrogen. Tabel 1 menunjukkan gambaran skematis kandungan energi dari bahan bakar minyak. Bahan bakar minyak bukan terdiri dari senyawa murni, tetapi campuran yang sebagian besar adalah hidrokarbon jenuh. Oleh karena itu, reaksi yang tepat untuk pembakaran dari bahan bakar minyak:
2(-CH2-)+3O2->2CO2+2H2O
Seperti yang disebut dalam tabel 1, diperkirakan reaksi tersebut menghasilkan energi sebesar 1220 kJ. Per mol oksigen, energi yang dibebaskan hanyalah 407 kJ, energi yang setara dengan energi yang dihasilkan metana. Per gram bahan bakar energi yang di bebaskan adalah 43.6 kJ , lebih sedikit dari metana. Hal ini disebabkan hidrokarbon jenuh (terutama rantai pendek) yang mempunyai perbandingan H/C lebih kecil dari 2/1 karena kumpulan metil di ujung rantai hidrokarbon. Selain itu, bahan bakar minyak mempunyai campuran senyawa aromatik yang mempunyai perbandingan H/C lebih besar dari 2/1.


Contoh studi kasus :
A. Mengolah Kotoran Ternak Menjadi Energi Ramah Lingkungan
Lewat proses fermentasi, limbah yang baunya amat merangsang itu dapat diubah menjadi biogas. Energi biogas punya kelebihan dibanding energi nuklir atau batu bara, yakni tak berisiko tinggi bagi lingkungan. Selain itu, biogas tak memiliki polusi yang tinggi. Alhasil, sanitasi lingkungan pun makin terjaga. Dengan teknologi biogas, kandungan zat-zat alami yang terdapat pada kotoran ternak dapat dipakai untuk memenuhi kebutuhan energi yang kian meningkat. Jadi ribut-ribut soal pasokan energi yang kurang tidak bakal ada lagi. Pasalnya, biogas bisa dipakai untuk apa saja. Sebut saja mulai dari memasak, lampu penerangan, transportasi hingga keperluan lain yang perlu energi. Nah, bila biogas telah diaplikasikan secara luas, ribut-ribut kekurangan pasokan energi bisa dihindari. Dan urusan sanitasi lingkungan pun bisa teratasi. Biogas biasanya dikenal sebagai gas rawa atau lumpur. Gas campuran ini didapat dari proses perombakan kotoran ternak menjadi bahan organik oleh mikroba dalam kondisi tanpa oksigen. Proses ini populer dengan nama anaerob. Selama proses fermentasi, biogas pun terbentuk. Dari fermentasi ini, akan dihasilkan campuran biogas yang terdiri atas metana (CH4), karbon dioksida, hidrogen, nitrogen dan gas lain seperti H4S. Metana yang dikandung biogas berjumlah 54% – 70%, sedang karbon dioksida antara 27% – 43%. Gas-gas lainnya cuma punya persentase sedikit saja. Selama proses itu, mikroba yang bekerja butuh makanan. Makanan tersebut mengandung karbohidrat, lemak, protein, fosfor dan unsur-unsur mikro. Lewat siklus biokimia, nutrisi tadi akan diuraikan. Dengan begitu, akan dihasilkan energi untuk tumbuh. Dari proses pencernaan anaerobik ini akan dihasilkan gas metan. Bila unsur-unsur dalam makanan tadi tak berada dalam takaran yang seimbang alias kurang, bisa dipastikan produksi enzim untuk menguraikan molekul karbon kompleks oleh mikroba akan terhambat. Dan untuk menjamin semuanya berjalan lancar, unsur-unsur nutrisi yang dibutuhkan mikroba harus tersedia secara seimbang. Dalam pertumbuhan mikroba yang optimum biasanya dibutuhkan perbandingan unsur C : N : P sebesar 100 : 2,5 : 0,5. Selain masalah nutrisi, ada faktor lain yang perlu dicermati karena berpotensi mengganggu jalannya proses fermentasi. Ada beberapa senyawa yang bisa menghambat proses penguraian dalam suatu unit biogas. Untuk itu, saat menyiapkan bahan baku untuk produksi biogas, bahan-bahan pengganggu seperti antibiotik, desinfektan dan logam berat harus diperhatikan saksama. Gas metan hasil fermentasi ini akan menyumbang nilai kalor yang dikandung biogas, besarnya antara 590 – 700 K.Kal per kubik. Sumber utama nilai kalor biogas berasal dari gas metan itu, plus sedikit dari H2 serta CO. Sedang karbon dioksida dan gas nitrogen tidak memiliki konstribusi dalam soal nilai panas tadi. Sementara dalam hal tingkat nilai kalor yang dimiliki, biogas punya keunggulan yang signifikan ketimbang sumber energi lainnya, seperti coalgas (586 K.cal/m3) ataupun watergas (302 K.cal/m3). Nilai kalor biogas itu kalah oleh gas alam (967 K.cal/m3). Bahkan, menurut D. Wibowo dalam paper-nya Gas Bio Sebagai Suatu Sumber Energi Alternatif, setiap kubik biogas setara dengan setengah kilogram gas alam cair (liquid petroleum gases), setengah liter bensin dan setengah liter minyak diesel. Biogas pun sanggup membangkitkan tenaga listrik sebesar 1,25 – 1,50 kilo watt hour (kWh). Dari nilai kalor yang dikandung, biogas mampu dijadikan sumber energi dalam beberapa kegiatan sehari-hari. Mulai dari memasak, pengeringan, penerangan hingga pekerjaan yang membutuhkan pemanasan (pengelasan). Selain itu, biogas juga bisa dipakai sebagai bahan bakar untuk menggerakkan motor. Untuk keperluan ini, biogas sebelumnya harus dibersihkan dari kemungkinan adanya gas H2S karena gas tersebut bisa menyebabkan korosi. Agar tak timbul gas yang baunya seperti kentut itu, kita mesti melewatkan biogas pada ferri oksida. Nantinya ferri oksida inilah yang akan mengikat (gas) H2S tadi. Bila biogas digunakan sebagai bahan bakar motor maka diperlukan sedikit modifikasi pada sistem karburator. Hasil kerja motor dengan bahan bakar biogas ini dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan seperti pembangkit tenaga listrik, pompa air dan lainnya. Selain itu, biogas juga bisa dipadukan dengan sistem produksi lain.
B. Pembuatan Biogas dari Sampah Organik Sisa Sayuran
Tujuan penelitian ini adalah membuat biogas dari sampah organik sisa sayuran, dengan menggunakan bio-reaktor hasil rancangan penelitian. Bahan baku yang digunakan, yaitu sampah organik sisa sayuran, diambil dari salah satu pasar tradisional di kota Palembang, yang merupakan bahan buangan dan bahan yang tidak termanfaatkan. Biogas ini dibuat melalui proses fermentasi antara sampah organik dan campuran air beserta limbah tahu dan bakteri EM4 dengan perbandingan komposisi 1:1. Yang menjadi permasalahan dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh waktu fermentasi terhadap biogas yang dihasilkan, sehingga dapat diketahui waktu yang optimum untuk menghasilkan biogas dari sampah organik. Pada penelitian ini, data temperatur dan pH diamati setiap harinya selama 2 minggu. Dimana didapat temperatur yang paling optimum untuk menghasilkan biogas sebesar 31oC dan nilai pHnya berkisar antara 6,3-5,8. Sedangkan untuk biogasnya, yang telah dianalisa dengan menggunakan alat Orsat dan Chromatografi Gas, biogas yang paling optimum dihasilkan pada hari ke-12 dengan konsentrasi metana (CH4) sebesar 19,59% dan konsentrasi karbondioksida (CO2) sebesar 8,6 %. Hasil tersebut, tidaklah memenuhi untuk uji nyala. Dikarenakan biogas dapat menyala, jika terdapat kandungan metana sebesar 60-70%.

C. Biomass - Strategi Total Jepang
Pada tahun 2002, di Jepang, telah dicanangkan “biomass - strategi total Jepang” sebagai kebijakan negara. Sebagai salah satu teknologi pemanfaatan biomass sumber daya alam dapat diperbaharui yang dikembangkan di bawah moto bendera ini, dikenal teknologi fermentasi gas metana. Sampah dapur serta air seni, serta isi septic tank diolah dengan fermentasi gas metana dan diambil biomassnya untuk menghasilkan listrik, lebih lanjut panas yang ditimbulkan juga turut dimanfaatkan. Sedangkan residunya dapat digunakan untuk pembuatan kompos. Karena sampah dapur mengandung air 70 – 80 %, sebelum dibakar, kandungan air tersebut perlu diuapkan. Di sini, dengan pembagian berdasarkan sumber penghasil sampah dapur serta fermentasi gas metana, dapat dihasilkan sumber energi baru dan ditingkatkan efisiensi termal secara total.

(1) Jenis serta Struktur Tempat Pembuangan Akhir

Untuk tempat pembuangan akhir, metode penempatannya diatur menurut undang-undang pengolahan sampah, dan dibagi menjadi tempat pembuangan tipe aman, tempat pembuangan terkontrol, tempat pembuangan terisolasi. Mengenai penerimaan sampah umum ditangani oleh tempat pembuangan terkontrol. Penimbunan memanfaatkan reaksi penguraian senyawa organic oleh mikroba yang hidup di dalam tanah. Karena pada saat penimbunan akan dihasilkan gas dapat terbakar seperti gas metana, disiapkan tabung tahan gas untuk mencegah terjadinya kebakaran atau ledakan.

(2) Teknologi Pengolahan Air Rembesan

Pada saat dilakukan penimbunan, kualitas air rembesan (lindih) sangat dipengaruhi oleh karakteristik sampah yang ditimbun, skala tanah timbunan, kedalamannya, kondisi iklim, konstruksi timbunan dan sebagainya. Memang ini merupakan pengolahan yang disesuaikan dengan standar kapasitas buangan yang mengikuti lokasi, tetapi proses awal/ penyesuaian, proses biologi dan proses kimiawi menjadi bagian utama dalam pengolahan lindih yang dihasilkan, yang setelah diolah dikirim ke lokasi penimbunan.


Teknologi pengolahan sampah telah diperkenalkan dengan menitikberatkan pada teknologi pembakaran yang paling banyak diadopsi. Teknologi pengolahan sampah, merupakan teknologi yang keberadaannya dirasakan mutlak untuk menjaga agar lingkungan hidup lebih baik, dengan mengolah sampah yang dihasilkan dari rumah tangga serta dari aktivitas industri. Rencana ke depan, ingin mengembangkan teknologi pengolahan sampah yang dengan itu dapat menekan konsumsi sumber daya alam serta meringankan beban lingkungan.
DISADUR DARI : http://methanefermentation.blogspot.com/2011/03/methane-fermentation.html