Proses Kimia Pembentukan Biogas atau Chemical Process Formation of Biogas

1. Proses Kimia Pembentukan Biogas

Secara umum, langkah-langkah pembentukan biogas ada 3 yaitu :

1. Hidrolisis

Pada tahap hidrolisis, bahan organik di enzimatik secara eksternal oleh enzim ekstra selular (selulose, amilase, protease dan lipase) mikroorganisme. Bakteri memutuskan rantai panjang karbohidrat komplek, protein dan lipida menjadi senyawa rantai pendek. Sebagai contoh polisakarida diubah menjadi monosakarida sedangkan protein diubah menjadi peptida dan asam amino.

2. Asidifikasi

Pada tahap ini bakteri menghasilkan asam, mengubah senyawa rantai pendek hasil proses pada tahap hidrolisis menjadi asam asetat (CH₃COOH), hidrogen (H₂) dan karbondioksida (CO₂). Bakteri tersebut merupakan bakteri anaerobik yang dapat tumbuh dan berkembang pada keadaan asam. Untuk menghasilkan asam asetat, bakteri tersebut memerlukan oksigen dan karbon yang diperoleh dari oksigen yang terlarut dalam larutan. Pembentukan asam pada kondisi anaerobik tersebut penting untuk pembentuk gas metana oleh mikroorganisme pada proses selanjutnya. Selain itu, bakteri tersebut juga mengubah senyawa yang bermolekul rendah menjadi alkohol, asam organik, asam amino, karbondioksida, H₂S, dan sedikit gas metana.

3. Pembentukan Metana

Pada tahap ini bakteri metanogenik mendekomposisikan senyawa dengan berat molekul rendah menjadi senyawa dengan berat molekul tinggi. Sebagai contoh bakteri ini menggunakan hidrogen, CO₂ dan asam asetat untuk membentuk metana dan CO₂. Bakteri penghasil asam dan gas metana bekerjasama secara simbiosis. Bakteri penghasil asam membentuk keadaan atmosfir yang ideal untuk bakteri penghasil metana. Sedangkan bakteri pembentuk gas metana menggunakan asam yang dihasilkan bakteri penghasil asam. Tanpa adanya proses simbiotik tersebut, akan menciptakan kondisi toksik bagi mikroorganisme penghasil asam.

Persamaan Kimia

1. Proses Hidrolisis:

C₆H₁₂O₆à2CH₃CH₂COOH + O₂

C₆H₁₂O₆ àCH₃CH₂CH₂COOH + CH₃COOH + O₂

2. Proses Asidogenesis

2 CH₃CH₂CH₂COOH + SO₄^-2 àCH₃CH₂COOH + 3H₂O

4CH₃COOH + H₂S à CH₃COOH + HCO₃^– + 2H⁺ + 6H₂

2CH₃COOH + 4H₊ àCH₃CH₂CH₂COOH + 2H₂O

3. Proses Metanogenesis

HCO₃^– + 4H₂ + 2H⁺ à CH₃COOH

2CH₄ + 6H₂O à CH₄ + CO₂

Paramater Proses

Suhu

• Suhu digester anaerobik:
  • Suhu mesofilik :25-40 ⁰C: pengoperasian mudah
  • Suhu termofilik: 50-60 ⁰C: kendali sistem suhu yang lebih ketat
• Metana dapat diproduksi pada suhu rendah. Kondisi suhu optimal 20 ⁰C
• Produksi metana akan naik 2x setiap kenaikan suhu 10 ⁰C dalam rentang suhu mesofilik

pH dan sistem penyangga

• Kisaran pH yang optimal 6,5-7,5
  • Bakteri asidogen pH optimalnya sekitar 6
  • Bakteri asetogen dan metanogen pH optimalnya 7
• Produksi asam volatik dan CO₂ pada tekanan operasi diimbangi dengan memberikan basa (alkalinity):
  • Zat kapur
  • Natrium bikarbonat, dan
  • Natrium hidroksida

Kelarutan Gas

• Gas terbentuk dalam fase cair dan cenderung lepas ke udara
• Perpindahan fase cair menjadi gas dipengaruhi oleh desain proses:
  • Luas area antarmuka cairan dan gas
  • Kecepatan pengadukan,
  • suhu cairan yang mempengaruhi viskositas
  • Tegangan permukaan
• Laju pembentukan gas > laju perubahan cairan menjadi gas à menghasilkan konsentrasi gas yang tinggi dalam cairan
• Konsentrasi CO₂ dan H₂S yang berlebihan dapat menurunkan pH dan mempengaruhi proses biologis

Pengadukan

• Fungsi pengadukan:
  • Mengontrol pH dan
  • menjaga lingkungan homogen
  • Mendistribusikan larutan penyangga ke seluruh area digester
  • Mencegah penumpukan produk metabolisme berkonsentrasi tinggi yang dapat menghambat bakteri metanogen
• Pengadukan menggunakan pengaduk mekanis
  • Pengadukan cairan dengan memasukkan BIOGAS melalui pipa distribusi atau
  • pengadukan dengan menggunakan biogas yang diresirkulasi

Nutrisi

• Nutrisi yang dibutuhkan: nitrogen, fosfor dan unsur-unsur lain dalam jumlah mikronutrisi
• Fungsi nutrisi: membangun sel-sel yang membentuk mikroorganisme dan menghasilkan biogas
• Unsur kimia yang membentuk mikroorganisme antara lain karbon (50%), Oksigen (20%), Nitrogen (12%), Hidrogen (8%), Fosfor (2%), Sulfur (1%) dan Kalium (1%)
• Proses Pembentukan biogas membutuhkan rasio C:N = 25:1

Toksisitas

• Bakteri metanogen paling sensitif terhadap toksisitas dan oksigen
• Toksisistas NH₃, H₂S dan VFA tergantung pada pH.
  • NH₃ sekitar 150 mg/l dapat menghambat pertumbuhan mikroba
  • NH₃ menjadi racun pada pH > 7
  • H₂S dan VFA beracun pada pH < 7
  • Konsentrasi H₂S hingga 200 mg/l mengeluarkan bau menyengat

Tabel 6. Parameter Proses pada Tipikal Instalasi Komersial Biogas

HRT (Hydraulic Retention Time)

• Waktu Retensi Hidrolik atau HRT (Hydraulic Retention Time) adalah lama waktu rata-rata suatu senyawa yang mudah larut untuk tetap berada di ddalam bio-digester
• HRT yang terlalu singkat mengakibatkan proses degradasi tidak tuntas atau mendorong bakteri keluar dari digester
• HRT (hari) = Volume Digester (m³)/ Debit BIOGAS (m³/hari)