BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN PENELITIAN RELEVAN 2.1 ...repository.ump.ac.id/8891/3/EFRI FIRMAN...

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA DAN PENELITIAN RELEVAN

2.1 Tinjauan Pustaka

2.1.1 Limbah Kotoran sapi

Limbah merupakan hasil buangan dari kegiatan manusia, makhluk hidup

lainnya dan proses-proses alam yang belum dapat dimanfaatkan karena

pengolahannya tidak ekonomis. Limbah yang tidak diolah dengan benar akan

menyebabkan dampak negatif berupa polusi air, polusi udara, polusi tanah dan

juga dapat menjadi sarang penyakit (Wahyuni, 2011).

Limbah bahan organik yang sering digunakan sebagai pupuk organik yaitu

kotoran sapi yang dimanfaatkan untuk menyuburkan tanah, selain itu kotoran sapi

juga dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan biogas (Kurnia & Kartika,

2014). Pada pembuatan biogas limbah kotoran sapi seringkali digunakan sebagai

starter untuk mempercepat proses fermentasi anaerob dalam proses produksi

biogas, maka dari itu di dalam kotoran sapi secara alami terdapat mikroba yang

berperan pada tahap fermentasi anaerob dalam proses produksi biogas dari

kotoran sapi. Substrat pada kotoran sapi telah mempunyai bakteri penghasil gas

metana yang terdapat di dalam perut sapi. Bakteri yang terdapat di dalam usus

besar sapi tersebut berperan dalam fermentasi, dengan demikian kotoran sapi

biasa digunakan sebagai pemicu atau starter yang bertujuan untuk mempercepat

proses pembentukan gas bio pada digester (Irawan & Santoso, 2014).

Pengaruh Konsentrasi Em4... Efri Firman Azizi, Fkip Ump, 2018

6

Kotoran sapi yang digunakan pada pembuatan biogas merupakan kotoran

yang masih dalam kondisi segar supaya lebih mudah diproses daripada kotoran

yang tidak segar (lama) atau dikeringkan. Hal ini disebabkan kehilangan

substrat volatil solid selama waktu pengeringan (Irawan & Santoso, 2014).

Kotoran sapi mempunyai karakteristik seperti pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Karakteristik Kotoran Sapi

Komponen Massa (%)

Total Padatan

Total padatan volatile

(mudah menguap)

Total Kjeldahl

Nitrogen

Selulosa

Lignin

Hemiselulosa

3-6

80-90

2-4

15-20

5-10

20-25

Sumber : Irawan & Suwanto (2016).

2.1.2 Pengertian Biogas

Biogas merupakan gas yang dihasilkan dari proses fermentasi anaerob

dari bahan-bahan organik. Biogas sendiri menpunyai beberapa komponen

diantaranya yaitu : metana (CH4) sebanyak ± 60%, karbondioksida (CO2)

sebanyak ± 38%, O2 H2, N2, dan H2S sebanyak ± 2%. Biogas seringkali

dimanfaatkan sebagai alternatif pengganti bahan bakar fosil. Selain ramah

lingkungan, biogas juga dapat diperbaharui sehingga digunakan sebagai pengganti

bahan bakar fosil seperti elpiji. Pada skala besar biogas dapat dimanfaatkan

sebagai pembangkit energi listrik (Irawan & Suwanto, 2016). Komposisi biogas

ditunjukkan pada Tabel 2.2.


7

Tabel 2.2 Komposisi Biogas Unsur Rumus Konsentrasi (%Volume)

Metana

Karbon dioksida

Uap air

Oksigen

Nitrogen

Hidrogen Sulfida

Amonia

Hidrogen

CH4

CO2

H2O

O2

N2

H2S

NH3

H2

50-75

25-45

2-7

<2

<2

<2

<1

<1

Sumber : Rahayu, dkk. (2015).

Bahan yang terkandung dalam biogas didominasi gas metana. Gas metana

merupakan gas yang diproduksi oleh bakteri metanogenik yang beragam dan

bekerja sinergis di lingkungan anaerobik (Elsgaard,dkk. 2016). Gas metana dapat

terbakar dengan oksigen. Energi yang dihasilkan dari proses pembakaran

membuat biogas dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Proses produksi biogas

dilakukan oleh mikroorganisme melalui proses penguraian limbah organik.

Limbah organik digunakan sebagai substrat atau media pertumbuhan mikroba.

Setiap zat organik dapat didegradasi secara biologis yang digunakan sebagai

bahan untuk menghasilkan gas bio (Rahayu, dkk. 2015).

Bakteri pembusuk yang menghasilkan biogas melalui proses penguraian

bahan organik dikenal sebagai bakteri metanogenesis. Bakteri metanogenesis

biasanya terdapat di lumpur sungai, rawa-rawa, sumber air panas (hot spring), dan

di dalam perut hewan herbivora misalnya sapi. Bakteri anaerobik di dalam perut

hewan ruminansia berperan penting dalam membantu proses pencernaan rumput.

Bakteri tersebut dapat memecah selulosa di dalam rumput menjadi molekul-

molekul yang dapat diserap, sehingga mempercepat proses pencernaan rumput.

Bakteri tersebut terdapat di dalam sisa pembuangan hasil metabolisme hewan

ruminansia yaitu berupa feses dan urin. Di alam bakteri tersebut dapat


8

memproduksi gas bio dari kotoran hewan melalui fermentasi anaerob (Irawan &

Suwanto, 2016).

2.1.3 Prinsip Dasar Biogas

Prinsip dasar teknologi biogas merupakan suatu proses penguraian bahan-

bahan organik oleh mikroorganisme dalam kondisi anaerob untuk menghasilkan

campuran dari beberapa gas, seperti metan dan CO2. Biogas ini dihasilkan

menggunakan bantuan bakteri metanogen atau metanogenik. Bakteri ini secara

alami terdapat dalam limbah yang mengandung bahan organik, misalnya limbah

ternak dan sampah organik. Pada umumnya, biogas diproduksi dengan

menggunakan digester (reaktor biogas) yang dirancang supaya kedap udara

(anaerobik), sehingga proses penguraian oleh mikroorganisme dapat berjalan

dengan optimal (Wahyuni, 2011).

2.1.4 Starter Effective Microorganism-4 (EM-4)

Larutan Efective Microoganisme yang dikenal EM4 pertama kali

ditemukan oleh Teruo Higa dari universitas Ryukyus, Jepang. Mikroba fermentasi

yang terdapat di dalam EM4 kurang lebih 80 genus mikroba. Dari berbagai genus

mikroba tersebut, terdapat lima golongan utama penyusun EM4 yaitu bakteri

fotosintetik, Lactobacillus, Streptomyces, ragi, dan Actinomycetes (Indriani,

2004).

EM4 merupakan salah satu starter (biakan) yang sering digunakan dalam

pembuatan biogas. Hal ini dikarenakan starter tersebut mempunyai peran untuk

mempercepat degradasi atau fermentasi bahan organik pada tahap pembentukan

biogas. Kandungan mikroorganisme pada EM4 dapat mengaktifkan bakteri


9

pelarut sehingga merangsang pertumbuhan mikroorganisme pada saat fermentasi

anaerob berlangsung. Penambahan EM4 pada bahan organik dapat mempercepat

proses degradasi senyawa-senyawa organik sehingga proses fermentasi anaerob

dilakukan oleh mikroorganisme yang terdapat dalam bahan organik secara alami.

Dengan demikian volume biogas yang dihasilkan lebih optimal. Hal ini

disebabkan oleh jumlah bahan organik yang didegradasi pada keadaan seimbang

dengan jumlah pertumbuhan mikroorganisme dalam bahan organik tersebut

(Irawan & Santoso, 2014).

2.1.5 Fermentasi Anaerob

Fermentasi bahan organik dapat dilakukan melalui proses aerobik dan

proses anaerobik. Fermentasi aerob akan menghasilkan gas amoniak (NH3), dan

karbondioksida (CO2), sedangkan pada fermentasi anaerobik akan menghasilkan

biogas. Pada fermentasi anaerob untuk membentuk biogas akan melalui beberapa

tahap, yaitu :

1. Hidrolisis

Tahap hidrolisis meliputi proses degradasi bahan organik limbah

seperti protein, polisakarida, lemak. Pada tahap hidrolisis ini terjadi proses

penguraian bahan organik yang komplek menjadi sederhana, sehingga terjadi

perubahan struktur dari bentuk polimer menjadi bentuk monomer (Dinda &

Maya, 2013). Mikroba yang berperan dalam proses hidrolisis yaitu Cellvibrio

sp., Cellulomonas sp., Cytophaga sp., Basillus subtilis, Bacillus licheniformis,

Pseudomonas sp., Lactobacillus sp. (Rosyidah, 2016).


10

Adapun mekanisme reaksi hidrolisa senyawa selulosa menjadi glukosa

biogas menurut Dublein, dkk. (2008) yaitu :

(C6H10O5)n + nH2O → n(C6H12O6)

Selulosa Glukosa

2. Pengasaman,

Pada tahap pengasaman terdapat 2 tahapan penting, yakni tahap

asidogenesis dan tahap asetogenesis. Tahap asidogenesis merupakan suatu

tahap pengasaman yang akan mengkonversikan produk hasil hidrolisis

menjadi substrat metanogenik oleh bakteri asidogenik. Tahap asedogenik

dilakukan oleh berbagai bakteri yaitu bakteri obligat anaerob dan bakteri

anaerob fakultatif. Contoh bakteri asidogenik yaitu Lactobacillus sp,

Streptococus sp (Benito, dkk. 2010). Asetogenetik merupakan suatu tahap

yang menguraikan asam butieat dan propionat menjadi asam asetat, gas H2,

dan CO2 (Clinton & Herlina, 2015). Salah satu contoh bakteri asetogenik

yaitu Acetobacter aceti (Rosyidah, 2016)

Adapun mekanisme reaksi pengasaman pada tahap pembentukan

biogasyakni:

1. Asidogenesis (Fermentasi)

Menurut Dublein, dkk. (2008), mekanisme reaksi asidogenesis sebagai

berikut:


11

a) C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2

(etanol)

b) C6H12O6 + 2H2 2CH3CH2COOH + 2H2O

(asam propionat)

c) C6H12O6 CH3CH2CH2COOH + 2CO2+ 2H2

(asam butirat)

2. Asektogenesis :

Menurut Dublein, dkk. (2008), mekanisme reaksi asetogenesis sebagai

berikkut:

a) C2H5OH + 2H2O CH3COOH + 3H2

(asam asetat)

b) CH3CH2COOH CH3COOH +CO2 + 3H2

(asam asetat)

c) CH3CH2CH2COOH 2CH3COOH +2H2

(asam asetat)

3. Metanogenik

Dinda & Maya (2013) menjelaskan methanogenesis, merupakan

proses konversi dari asetat, hidrogen dan karbondioksida menjadi gas metan.

Pada tahap metanogenik terjadi proses pembentukan gas metana. Bakteri

pereduksi sulfat yang terdapat dalam proses metanogenik akan mereduksi

sulfat dan komponen sulfur lainnya menjadi hidrogen sulfida. Bakteri yang

berperan pada tahap metanogenik yaitu Methanobacterium melianskii,

Methanococcus sp., dan Methanosarcina sp.(Benito,dkk. 2010).


12

Adapun mekanisme reaksi pembentukan biogas menurut Dublein, dkk.

(2008) :

a) CH3COOH CH4 + CO2

(metana)

b) 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O

(metana)

2.1.6 Faktor-faktor yang mempengaruhi digesti anaerob

Digesti anaerob merupakan suatu proses biologis, yang dipengaruhi oleh

faktor-faktor lingkungan. Proses perombakan bahan organik secara anaerob pada

pembentukan biogas dapat dipengaruhi oleh faktor-faktor yaitu, faktor biotik dan

faktor abiotik. Faktor biotik seperti mikroorganisme dan jasad aktif di dalam

proses ataupun mikroba dan jasad kehidupan. Faktor abiotik meliputi:

karakteristik substrat, pH, suhu, keberadaan sulfur, rasio C/N dan P dalam

bahan/substrat; suhu, dan pengadukan.

2.1.6.1 Faktor Biotik

Pada proses fermentasi anaerob dalam fase pembentukan gas bio, terjadi

suatu kehidupan bakteri yang bersimbiosis dan hidup secara sinergis. Apabila

simbiosis semakin banyak, maka akan semakin baik daya dukungnya terhadap

lingkungan kehidupan bakteri metana tersebut (Kurnia & Kartika, 2014).

2.1.6.2 Faktor Abiotik

Lingkungan abiotik meliputi faktor luar yang berpengaruh secara langsung

terhadap produksi biogas yang dihasilkan. Faktor-faktor abiotik ini antara lain :


13

a. Karakteristik substrat

Pada pembuatan biogas, bahan baku mempunyai peran penting dalam

proses pembentukan biogas. Salah satu cara untuk menentukan bahan baku

yang sesuai untuk digunakan sebagai bahan utama dalam pembuatan biogas

yaitu mengetahui perbandingan Karbon (C) dan Nitrogen (N) atau dikenal

dengan rasio C/N (Kurnia & Kartika, 2014). Rasio C/N kotoran sapi

ditunjukkan pada Tabel 2.2

Tabel 2.2 Rasio C/N Pada Bahan-Bahan Organik

Bahan Rasio C/N

Kotoran bebek

Kotoran manusia

Kotoran Ayam

Kotoran Kambing

Kotoran Domba

Kotoran kerbau/sapi

Enceng gondok

Kotoran gajah

Jerami (jagung)

Jerami (padi)

Jerami (gandum)

Gergajian

8

8

10

12

19

24

25

43

60

70

90

>200

Sumber : Karki(1984).

Hubungan antara jumlah karbon dan nitrogen yang terkandung dalam

bahan organik dinyatakan dalam terminologi rasio C/N. Unsur karbon pada

bahan organik dalam bentuk karbohidrat dan nitrogen tersimpan dalam

bentuk protein, amonia, asam nitrat, dan lain sebagainya merupakan sumber

makanan bagi bakteri anaerobik. Unsur karbon (C) digunakan sebagai

sumber energi dan unsur nitrogen digunakan untuk membangun struktur sel

bakteri anaerob (Kurnia & Kartika, 2014). Perbandingan rasio C/N yang

paling baik yaitu 30. Hal tersebut dikarenakan di Indonesia bakteri


14

menggunakan karbon dan nitrogen pada Rasio C/N 25 - 30 (Hublin, dkk.

2012). Maka dari itu, perbandingan C/N harus diperhatikan dalam

pembentukan biogas.

b. Derajat keasaman (pH)

Bakteri-bakteri metana selain tidak menghendaki suasana asam juga

tidak menghendaki suasana lingkungan yang terlalu basa. Suasana netral

atau sedikit basa (7 – 8,5) adalah suasana yang paling baik untuk

menghasilkan biogas (Waskito, 2011). Pada tahap awal fermentasi bahan

organik akan membentuk asam (asam organik yang akan menurunkan

pH).

c. Suhu

Bakteri-bakteri metana pada umumnya adalah bakteri golongan

mesofil yaitu bakteri yang hidupnya dapat subur hanya pada suhu di sekitar

suhu kamar (Waskito, 2011). Produksi biogas akan menurun secara cepat

akibat perubahan temperatur yang mendadak di dalam digester. Suhu

digester yang baik berkisar 25-30oC. Upaya yang praktis untuk

menstabilkan temperatur adalah dengan memberikan penutup di atas

digester. Hal ini bertujuan agar digester tidak terkena sinar matahari secara

langsung,

Menurut Darmanto, dkk. (2012) berdasarkan suhu pada fermentasi

anaerobik, bakteri diklasifikasikan menjadi tiga, yakni


15

1) Psychrophilic (10-20°C),

Bakteri psychrophilic akan hidup pada temperatur 10- 20°C. Pada

kondisi psychrophilic (10-20oC) terjadi proses perombakan bahan

organik oleh bakteri namun berjalan lambat.

2) Mesophilic (20-40°C),

Bakteri mesophilic akan hidup pada temperatur 20-40°C. Pada kondisi

mesophilic, proses perombakan berlangsung cukup baik.

3) Thermophilic (40-60°C).

Bakteri thermophilic akan hidup pada temperatur 40- 60°C. Pada kondisi

thermophilic, untuk proses perombakan yang dilakukan oleh bakteri

thermophilic akan terjadi perombakan optimal pada 55oC.

d. Pengadukan

Proses pengadukan berperan untuk mengontrol dan menjaga

lingkungan yang seragam. Pengadukan dilakukan untuk mendistribusikan

larutan penyangga ke seluruh area digester dan mencegah penumpukan

hasil metabolisme berkonsentrasi tinggi yang bisa menghambat

pembentukan bakteri metanogen (Rahayu et al, 2015). Pengadukan akan

sangat mempengaruhi peningkatan produksi metana. Hal tersebut

dikarenakan aktivitas metabolisme dari bakteri pembentuk asetat dan bakteri

pembentuk metana memerlukan jarak yang saling berdekatan. Selain itu,

pengadukan dapat mengurangi terjadinya pemisahan sludge dan

terbentuknya scum (Gerardi, 2003).


16

e. Bahan Penghambat

Potensi produksi biogas dari kotoran sapi mempunyai keterbatasan.

Salah satu keterbatasan utama adalah kandungan amonia / amonium tinggi

dari kotoran sapi yang dapat mengganggu pertumbuhan mikroba anaerobik

(Akman et al, 2015).

2.2 Penelitian Relevan

Beberapa masalah yang berkaitan dengan permasalahan yang akan diteliti dan

dapat dijadikan sebagai rujukan penelitian, yaitu:

2.2.1 Pengaruh EM4 (Effective Microorganisme) Terhadap Produksi Biogas

Menggunakan Bahan Baku Kotoran Sapi.

Irawan & Suwanto (2016) melakukan penelitian dengan menggunakan

beberapa konsentrasi EM4 yaitu 8%, 9%, dan 10%. Hasil Penelitian

menunjukkan konsentrasi 10% lebih efektif untuk meghasilkan biogas yaitu,

tekanan gas total 104098 N/M2, massa biogas 0,04286411 kg, dan laju aliran

massa biogas 0,0126653 kg/hari.

2.2.2 Pengaruh Perbedaan Starter Terhadap Produksi Biogas dengan Bahan

Baku Enceng Gondok.

Irawan& Santoso (2014) melakukan penelitian dengan 3 variabel

percobaan yaitu percobaan 1 dengan perbandingan bahan baku enceng gondok

dan air 1 : 1 ditambahkan starter EM4 3,6 kg, selanjutnya pada percobaan 2

perbandingan bahan baku enceng gondok dan air 1 : 1 ditambahkan starter

kotoran sapi 6 kg, sedangkan percobaan 3 perbandingan bahan baku enceng

gondokdan air 1 : 1 ditambahkan starter EM4 1,8 kg dan starter kotoran sapi 3

kg. hasil yaitu pada percobaan 1 dengan penambahan EM4 lebih efektif untuk


17

produksi gas dengan menghasilkan tekanan mencapai 104165, 72 N/m2, massa

biogas sebesar 0,379034 kg dan laju aliran massa mencapai 0,0126345

kg/hari.

Secara skematis, tinjauan pustaka dapat disajikan dalam Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Alur kerangka teori penelitian

Proses perombakan selesai

1. Hidrolisis

2. Asidogenesis

3. Asetogenesis

4. Methanogenesis

Berpotensi sebagai sumber energi alternatif

Limbah Kotoran sapi

Konsentrasi EM4 :

Penambahan EM4 5%

Penambahan EM4 6,5%

Penambahan EM4 8%

Penambahan EM4 10%

Digester anaerob/ Sistem perombakan anaerob

Fermentasi anaerob

Produk Biogas

1. Methan (CH4)

2. Karbondioksida (CO2)

3. Karbon monoksida (CO)

4. Nitrogen (N)

5. Oksigen (O2)

6. Hidrogen sulfida (H2S)


BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN PENELITIAN RELEVAN 2.1 ...repository.ump.ac.id/8891/3/EFRI FIRMAN...

Documents

Transcript of BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN PENELITIAN RELEVAN 2.1 ...repository.ump.ac.id/8891/3/EFRI FIRMAN...