Tel: (021) 75791355 Email: sekr-ptseik@bppt.go.id

Dasar-Dasar Fermentasi Anaerobik


Dasar-Dasar Fermentasi Anaerobik

Ir. Rohmadi Ridlo, M.Eng.

 

1. Pembangkit Biogas


Seperti namanya, biogas dihasilkan dalam proses biologi. Dengan tidak adanya oksigen (anaerobik berarti tanpa oksigen), bahan organik dipecah untuk membentuk campuran gas yang dikenal sebagai biogas. Proses ini banyak ditemukan di alam, yang berlangsung di darat, di bagian bawah danau, di lubang lumpur dan dalam rumen ruminansia. Bahan organik diubah hampir seluruhnya menjadi biogas dengan menggunakan berbagai mikroorganisme yang berbeda. Energi (panas) dan biomassa baru juga dihasilkan.

Campuran gas yang dihasilkan terutama terdiri dari metana (50-75 vol.%) dan karbon dioksida (25-50 vol.%). Biogas juga mengandung sejumlah kecil hidrogen, hidrogen sulfida, amonia dan gas-gas lainnya. Komposisi gas pada dasarnya ditentukan oleh substrat, proses fermentasi (pencernaan) dan berbagai desain teknis dari biogas plant. Proses dimana biogas terbentuk dapat dibagi menjadi sejumlah tahap (lihat Gambar 1). Tahap individu dekomposisi (degradasi) harus dikoordinasikan dan diselaraskan dengan satu sama lain dalam cara yang terbaik untuk memastikan bahwa proses secara keseluruhan berjalan lancar.

Selama tahap pertama, yaitu tahap hidrolisis, senyawa kompleks bahan awal (seperti karbohidrat, protein dan lemak) dipecah menjadi senyawa organik sederhana (mis asam amino, gula dan asam lemak). Bakteri hidrolitik terlibat dalam tahap ini dan mengeluarkan enzim yang akan mendekomposisi materi dengan cara biokimia.

Produk antara yang dibentuk oleh proses ini kemudian lebih lanjut dipecah selama tahap asidogenesis (fase pengasaman) oleh fermentasi bakteri (pembentuk asam) menjadi asam lemak lebih rendah (asam asetat, asam propionat dan asam butirat) bersama dengan karbon dioksida dan hidrogen. Selain itu, jumlah kecil dari asam laktat dan alkohol juga terbentuk. Sifat dari produk yang terbentuk pada tahap ini dipengaruhi oleh konsentrasi hidrogen pada tahap antara ini.

Dalam tahap asetogenesis, terjadi pembentukan asam asetat, produk ini kemudian diubah oleh bakteri acetogenic ke prekursor biogas (asam asetat, hidrogen dan karbon dioksida). Tekanan parsial hidrogen sangat penting dalam hubungan ini. Kandungan hidrogen yang terlalu tinggi mencegah konversi produk antara asidogenesis, karena alasan yang berhubungan dengan energi. Sebagai konsekuensi, asam organik, seperti asam propionat, asam isobutirat, asam isovaleric dan asam hexanoic, menumpuk dan menghambat pembentukan metana. Karena alasan ini, bakteri acetogenic (bakteri pembentuk hidrogen) harus hidup dekat berdampingan dalam komunitas biotik (biocoenosis) dengan bakteri metanogen pemakan hidrogen, yang mengkonsumsi hidrogen bersama-sama dengan karbon dioksida selama pembentukan metana (transfer hydrogen antarspesies), sehingga memastikan lingkungan yang dapat diterima untuk bakteri acetogenic.

Selama fase methanogenesis berikutnya, tahap akhir dari generasi biogas, semua asam asetat, hidrogen dan karbon dioksida diubah menjadi metana oleh mikroorganisme metanogen dalam kondisi sangat anaerobik.

Metanogen hydrogenotrophic (tumbuh pada hidrogen dan karbon dioksida) menghasilkan metana dari hidrogen dan karbon dioksida, sedangkan bakteri pembentuk metana acetoclastic menghasilkan metana oleh pembelahan asam asetat. Di bawah kondisi yang berlaku pada biogas plant dari hasil pertanian, pada kondisi organic loading rate lebih tinggi, metana terutama terbentuk melalui jalur reaksi memanfaatkan hidrogen, sedangkan metana terbentuk melalui jalur reaksi yang melibatkan pembelahan asam asetat hanya pada kondisi organic loading rate relatif rendah. Hal ini diketahui dari pencernaan limbah lumpur bahwa 70% metana berasal dari pembelahan asam asetat dan hanya 30% dari pemanfaatan hidrogen. Pada biogas plant dari limbah pertanian, hal ini benar pada digester berkapasitas tinggi yang baik dengan waktu retensi sangat singkat. Penelitian terbaru menegaskan bahwa transfer hidrogen antarspesies jelas yang menentukan laju pembentukan metana.

Pada dasarnya, empat fase degradasi anaerob berlangsung secara bersamaan dalam proses satu tahap. Namun, karena bakteri yang terlibat dalam berbagai tahapan degradasi memiliki kebutuhan yang berbeda dalam hal habitat (misalnya tentang nilai pH dan suhu), kompromi harus ditemukan dalam teknologi proses. Karena mikroorganisme metanogen adalah rantai terlemah dalam biocoenosis (suatu tumbuh-tumbuhan, hewan dan mikrob yang mendiami suatu komonitas lingkungan hidup yang khusus, tanpa melibatkan faktor fisika dan kimia, lingkungannya) karena tingkat pertumbuhan rendah dan yang paling sensitif untuk menanggapi gangguan, kondisi lingkungan harus disesuaikan dengan persyaratan dari bakteri pembentuk metana. Dalam prakteknya upaya secara fisik memisahkan hidrolisis dan asidogenesa dari methanogenesis dengan menerapkan dua tahap proses yang berbeda (dua-tahap proses manajemen) hanya berhasil secara terbatas karena, meskipun nilai pH rendah dalam tahap hidrolisis (pH <6,5 ), metana masih akan terbentuk. Gas hidrolisis yang dihasilkan karena itu juga mengandung metana selain karbon dioksida dan hidrogen, yang mana mengapa gas hidrolisis telah dimanfaatkan atau diperlakukan untuk menghindari konsekuensi negatif terhadap lingkungan dan risiko keselamatan.

Dalam proses multi-stage, lingkungan yang berbeda dapat terjadi pada tahap digester individu tergantung pada desain biogas plant dan cara operasional, serta pada sifat dan konsentrasi biomassa segar yang digunakan sebagai substrat. Pada gilirannya, kondisi ambient mempengaruhi komposisi dan aktivitas biocoenosis mikroba dan dengan demikian memiliki pengaruh langsung pada produk metabolik yang dihasilkan.

 

 

2. Kondisi Lingkungan di Reaktor


Ketika menjelaskan kondisi lingkungan perlu untuk membedakan antara fermentasi/pencernaan basah dan pencernaan padatan/kondisi solid (juga disebut pencernaan kering), karena kedua proses tersebut berbeda secara signifikan dalam hal kadar air, kandungan nutrisi dan transportasi massa. (Istilah pencernaan dan fermentasi juga kadang-kadang digunakan secara bergantian.) Uraian dalam tulisan berikut hanya berkaitan dengan pencernaan basah, mengingat dominasinya dalam praktek.

 

Gambar 1: Skema representasi dari dekomposisi anaerobik

2.1. Oksigen

Archea [1] metanogen adalah salah satu organisme hidup tertua di planet ini, dan muncul sekitar tiga sampai empat miliar tahun lalu, jauh sebelum atmosfer seperti yang kita kenal dibentuk. Bahkan saat ini, oleh karena itu, mikroorganisme ini masih bergantung pada lingkungan tanpa oksigen. Sebagian besar spesies mati oleh sejumlah kecil oksigen. Pada lazimnya merupakan hal yang sulit untuk benar-benar mencegah masuknya oksigen ke dalam digester. Alasan mengapa aktivitas mikroorganisme metanogen tidak segera dihambat atau mereka tidak semua mati adalah bahwa mereka hidup berdampingan dengan bakteri pemakan oksigen dari tahap degradasi sebelumnya. Beberapa dari mereka adalah apa yang dikenal sebagai bakteri anaerob fakultatif. Ini mampu bertahan hidup baik di bawah pengaruh oksigen dan juga sepenuhnya tanpa oksigen. Penyediaan beban oksigen tidak terlalu tinggi, mereka mengkonsumsi oksigen sebelum merusak archea metanogen, yang benar-benar bergantung pada lingkungan bebas oksigen. Lazimnya, oleh karena itu, oksigen dari atmosfer yang dimasukkan ke dalam ruang gas dari digester untuk tujuan desulfurisasi biologis tidak memiliki dampak merugikan pada pembentukan metana.

Dari sudut pandang biologi, pembagian secara ketat proses pencernaan basah dan kering (padat) adalah menyesatkan, karena mikroorganisme yang terlibat dalam proses pencernaan selalu membutuhkan medium cair untuk bertahan hidup dan tumbuh. Kesalahpahaman juga berulang kali muncul ketika mendefinisikan isi bahan kering massa segar yang akan dicerna, karena itu merupakan praktek umum untuk menggunakan beberapa substrat yang berbeda (bahan baku), masing-masing dengan kandungan bahan kering yang berbeda. Dalam hubungan ini harus jelas kepada operator biogas plant bahwa bukan isi bahan kering substrat individu yang menentukan klasifikasi proses tetapi isi bahan kering campuran substrat yang dimasukkan ke digester. Klasifikasi ke dalam pencernaan basah atau kering karena itu tergantung pada isi bahan kering apa yang terkandung dalam digester. Hal ini sekali lagi perlu dipastikan bahwa dalam kedua kasus mikroorganisme memerlukan air yang cukup di lingkungan mereka.

Meskipun tidak ada definisi garis pemisah yang tepat antara pencernaan basah dan kering, dalam praktiknya telah menjadi kebiasaan untuk berbicara pencernaan basah ketika menggunakan tanaman energi dengan kandungan bahan kering sampai kira-kira 12% di digester, karena isi digester umumnya masih dapat dipompa dengan kadar air ini. Jika kandungan bahan kering di digester naik menjadi 15-16% atau lebih, bahan biasanya tidak lagi dapat dipompa dan proses ini disebut pencernaan kering.

 

2.2. Temperatur

Prinsip umum adalah bahwa tingkat reaksi kimia meningkat dengan suhu lingkungan. Namun ini hanya berlaku sebagian untuk proses dekomposisi dan konversi biologis. Dalam kasus ini perlu diingat bahwa mikroorganisme yang terlibat dalam proses metabolisme memiliki suhu optimum yang berbeda. Jika suhu di atas atau di bawah kisaran optimal, mikroorganisme yang relevan dapat dihambat atau dalam kasus yang ekstrim, menderita kerusakan yang tidak dapat dipulihkan.

Mikroorganisme yang terlibat dalam dekomposisi dapat dibagi menjadi tiga kelompok berdasarkan suhu optimal mereka. Sebuah perbedaan digambarkan antara mikroorganisme psychrophilic, mesofilik dan termofilik:

  • Kondisi optimum untuk mikroorganisme psychrophilic berada pada suhu di bawah 25 °C. Pada suhu ini meskipun tidak ada kebutuhan untuk memanaskan substrat atau digester, namun kinerja degradasi dan produksi gas yang dapat dicapai rendah. Lazimnya, oleh karena itu, operasi keekonomian dari biogas plant menjadi tidak layak.
  • Mayoritas bakteri pembentuk metana memiliki temperature optimum pertumbuhan mereka pada kisaran suhu mesofilik antara 37 dan 42 ° C. Pembangkit biogas yang beroperasi di kisaran mesofilik paling luas dalam praktek karena hasil gas yang relatif tinggi dan stabilitas proses yang baik diperoleh pada rentang suhu.
  • Jika hal ini bertujuan agar kuman berbahaya harus dibunuh oleh higienisasi substrat atau jika produk samping atau limbah dengan suhu intrinsik tinggi digunakan sebagai substrat (misalnya air limbah pabrik kelapa sawit/palm oil mill effluent-POME, air proses, dll), kultur thermophilic adalah pilihan yang cocok untuk pencernaan proses. Kondisi thermophilic ini memiliki temperatur optimal pada kisaran suhu antara 50 dan 60 ° C. Suhu proses yang tinggi membuat laju dekomposisi yang lebih tinggi dan viskositas lebih rendah. Ini harus dipertimbangkan, namun mungkin diperlukan lebih banyak energi untuk memanaskan proses fermentasi. Dalam rentang suhu ini proses fermentasi juga lebih sensitif terhadap gangguan atau penyimpangan dalam penyediaan substrat atau pada cara operasi dari digester, karena dalam kondisi termofilik ada lebih sedikit spesies yang berbeda dari mikroorganisme metanogen.

Dalam prakteknya ada batas kisaran suhu untuk thermophilic, dimana perubahan suhu yang cepat dapat menyebabkan kerugian bagi mikroorganisme, sedangkan jika perubahan suhu perlahan mikroorganisme metanogen dapat menyesuaikan diri dengan tingkat suhu yang berbeda. Oleh karena itu tidak begitu luas kisaran suhu mutlak yang sangat penting untuk manajemen proses yang stabil, tapi kekonstanan pada tingkat suhu tertentu.

Fenomena pemanasan sendiri sering diamati dalam praktek, dan harus disebutkan dalam hubungan ini. Efek ini terjadi ketika substrat yang sebagian besar terdiri dari karbohidrat digunakan dalam kombinasi dengan tidak adanya input cairan dan wadah terisolasi dengan baik. Pemanasan sendiri disebabkan produksi panas oleh kelompok-kelompok individu mikroorganisme selama dekomposisi karbohidrat. Konsekuensinya dapat terjadi pada suatu sistem yang awalnya beroperasi di bawah kondisi mesofilik suhu naik ke rentang 43-48 °C. Perubahan suhu dapat dikelola dengan penurunan kecil dalam produksi gas untuk periode singkat. Namun, tanpa intervensi yang diperlukan dalam proses (seperti pengurangan jumlah input), mikroorganisme tidak dapat beradaptasi dengan perubahan suhu dan, dalam kasus terburuk, produksi gas bisa betul-betul berhenti.

 

2.3. Nilai pH

Situasi yang berkaitan dengan nilai pH adalah serupa dengan suhu. Mikroorganisme yang terlibat dalam berbagai tahap dekomposisi memerlukan nilai pH yang berbeda untuk pertumbuhan optimum. Misalnya pH optimum hydrolysa dan bakteri pembentuk asam adalah dalam kisaran dari pH 5,2-6,3. Mereka tidak benar-benar bergantung pada nilai pH tersebut, dan masih mampu mengkonversi substrat pada nilai pH sedikit lebih tinggi. Satu-satunya konsekuensi adalah bahwa aktivitas mereka sedikit berkurang. Sebaliknya, nilai pH dalam kisaran netral 6,5-8 benar-benar penting bagi bakteri yang membentuk asam asetat dan untuk archaea metanogen. Akibatnya, jika proses fermentasi berlangsung dalam satu digester tunggal, kisaran pH ini harus dipertahankan.

Terlepas dari apakah proses ini satu tahap atau multi-stage, nilai pH dibentuk secara otomatis dalam sistem oleh alkali dan produk asam metabolik yang terbentuk dalam proses dekomposisi anaerobik. Reaksi berantai berikut, menunjukkan betapa sensitif keseimbangan ini.

Jika terlalu banyak bahan organik dimasukkan ke proses dalam jangka waktu terlalu pendek, atau jika methanogenesis terhambat karena alasan lain, produk metabolisme asam asidogenesa akan terakumulasi. Biasanya nilai pH dibentuk di kisaran netral oleh karbonat dan buffer amonia. Jika kapasitas buffer sistem habis, yaitu jika terlalu banyak terbentuk asam organik, maka nilai pH turun. Hal ini pada gilirannya meningkatkan efek penghambatan hidrogen sulfida dan asam propionat, sehingga proses di digester berhenti dalam waktu yang sangat singkat. Di sisi lain, nilai pH cenderung meningkat jika amonia dilepaskan sebagai hasil dari pemecahan senyawa nitrogen organik; amonia bereaksi dengan air untuk membentuk amonium. Akibatnya efek penghambatan amonia meningkat. Sehubungan dengan proses kontrol, harus diingat bahwa karena kelembamannya, nilai pH adalah dapat secara terbatas digunakan untuk mengendalikan biogas plant, karena pentingnya maka harus selalu diukur.

 

2.4. Supply Nutrient

Mikroorganisme yang terlibat dalam degradasi anaerob memiliki kebutuhan spesifik spesies dalam hal macronutrients, mikronutrien dan vitamin. Konsentrasi dan ketersediaan komponen ini mempengaruhi laju pertumbuhan dan aktivitas bermacam populasi. Ada kebutuhan spesifik konsentrasi minimum dan maksimum, yang sulit untuk menentukan karena berbmacam kultur yang berbeda dan terkadang mereka cukup mampu beradaptasi. Dalam rangka untuk mendapatkan sebanyak mungkin metana dari substrat, pasokan nutrisi yang optimal untuk mikroorganisme harus dipastikan. Jumlah metana yang pada akhirnya dapat diperoleh dari substrat akan tergantung pada proporsi protein, lemak dan karbohidrat yang dikandungnya. Faktor-faktor ini juga mempengaruhi kebutuhan nutrisi.

Rasio yang seimbang antara makronutrien dan mikronutrien diperlukan untuk memastikan manajemen proses yang stabil. Setelah karbon, nitrogen adalah nutrisi yang paling dibutuhkan. Hal ini diperlukan untuk pembentukan enzim yang melakukan metabolisme. Rasio C: N dari substrat karena itu penting. Jika rasio ini terlalu tinggi (banyak C dan tidak banyak N), metabolisme menjadi tidak memadai yang berarti bahwa ada karbon dalam substrat tidak sepenuhnya dikonversi, sehingga tidak akan tercapai hasil metana yang maksimum. Dalam kasus sebaliknya, surplus nitrogen dapat menyebabkan pembentukan jumlah berlebihan amonia (NH3), yang bahkan dalam konsentrasi rendah akan menghambat pertumbuhan bakteri dan, dalam skenario terburuk, dapat menyebabkan runtuhnya seluruh populasi mikroorganisme. Agar proses berjalan tanpa gangguan, rasio C: N karena itu perlu berada di kisaran 10 - 30: 1. Terlepas dari karbon dan nitrogen, fosfor dan sulfur juga nutrisi penting. Sulphur adalah bagian konstituen dari asam amino, dan senyawa fosfor diperlukan untuk membentuk pembawa energi ATP (adenosine triphosphate) dan NADP (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate). Dalam rangka untuk memasok mikroorganisme dengan nutrisi yang cukup, rasio C: N: P: S di reaktor harus 600: 15: 5: 3.

Selain makronutrien, pasokan yang cukup dari elemen tertentu sangat penting bagi kelangsungan hidup mikroorganisme. Permintaan untuk mikronutrien umumnya tidak masalah di sebagian besar biogas plant dari limbah pertanian/perkebunan, terutama ketika biogas plant diberi feed dengan kotoran hewan. Namun kekurangan elemen ini sangat umum terjadi pada fermentasi tunggal tanaman energi. Unsur-unsur yang diperlukan oleh archaea metanogen adalah cobalt (Co), nikel (Ni), molibdenum (Mo) dan selenium (Se), dan kadang-kadang juga tungsten (W). Ni, Co dan Mo yang diperlukan dalam kofaktor (senyawa kimia non-protein yang diperlukan untuk aktivitas biologis protein) untuk reaksi penting dalam metabolisme mereka. Magnesium (Mg), besi (Fe) dan mangan (Mn) juga mikronutrien penting yang diperlukan untuk transpor elektron dan fungsi enzim tertentu.

Oleh karena itu konsentrasi elemen dalam reaktor adalah variabel yang penting. Perbandingan berbagai sumber dalam literatur tentang topik ini mengungkapkan berbagai variasi besar (kadang-kadang dengan faktor sebanyak 100) dalam konsentrasi elemen yang dianggap penting.

 Tabel 1: Konsentrasi elemen menurut berbagai sumber referensi

Trace Elemen

Kisaran Konsentrasi (mg/liter)

Literatur 1

Literatur 2

Literatur 3a

Literatur 4b

Co

0,003-0,06

0,003-10

0,06

0,12

Ni

0,005-0,5

0,005-15

0,006

0,015

Se

0,08

0,08-0,2

0,008

0,018

Mo

0,005-0,05

0,005-0,2

0,05

0,15

Mn

---

0,005-50

0,005-50

---

Fe

1-10

0,1-10

1-10

---

Sumber: GIZ 2011

a. Konsentrasi minimum mutlak dalam biogas plant

b. Direkomendasikan konsentrasi optimum

Rentang konsentrasi yang ditunjukkan dalam Tabel 1 hanya sebagian berlaku untuk biogas plant pertanian karena dalam beberapa kasus studi yang dijelaskan dalam sumber-sumber tersebut dilakukan di sektor air limbah pada kondisi awal yang berbeda dan menggunakan metode investigasi yang berbeda. Selanjutnya, sebaran dari kisaran tersebut sangat luas, dan detail sangat sedikit diberikan dari kondisi proses yang berlaku (misalnya tingkat beban organik, waktu retensi, dll). Trace elemen (unsur sangat kecil yang diperlukan) dapat membentuk senyawa bebas fosfat, sulfida dan karbonat dalam reaktor, dalam hal ini mereka tidak lagi tersedia untuk mikroorganisme. Analisis konsentrasi elemen dalam bahan baku tidak dapat memberikan informasi yang dapat dipercaya tentang ketersediaan trace elemen, saat hanya sekedar menentukan konsentrasi total. Akibatnya, jumlah yang lebih besar dari elemen harus ditambahkan ke proses dari yang dibutuhkan semata-mata untuk mengimbangi kekurangan konsentrasi. Ketika menentukan kebutuhan itu selalu perlu untuk memperhitungkan konsentrasi trace elemen dari semua substrat. Hal ini juga diketahui dari analisis konsentrasi trace elemen dari berbagai pakan ternak yang mereka bergantung pada fluktuasi yang cukup besar. Hal ini membuat sangat sulit untuk mengoptimalkan dosis trace elemen dalam situasi di mana ada kekurangan.

Namun demikian, untuk mencegah kelebihan dosis dari trace elemen, konsentrasi mikronutrien dalam digester harus ditentukan sebelum trace elemen ditambahkan. Overdosis dapat mengakibatkan konsentrasi logam berat dalam digestate (residu fermentasi) melebihi batas yang diizinkan untuk digunakan di pertanian, dalam hal ini digestate tidak dapat digunakan sebagai pupuk organik.

 

2.5. Inhibitor

Mungkin ada berbagai alasan mengapa produksi gas terhambat. Ini termasuk penyebab teknis yang mempengaruhi pengoperasian pabrik. Zat yang dikenal sebagai inhibitor juga dapat memperlambat proses. Ini adalah zat yang dalam keadaan tertentu, bahkan dalam jumlah kecil menurunkan tingkat dekomposisi atau bahkan beracun, membuat proses dekomposisi menjadi macet. Pembedaan harus ditarik antara inhibitor yang masuk digester melalui penambahan substrat dan mereka yang terbentuk sebagai produk antara dari tahap individu dekomposisi.

Ketika mempertimbangkan bagaimana suatu digester diberi umpan harus diingat bahwa menambahkan substrat berlebihan juga dapat menghambat proses pencernaan, karena setiap konstituen dari substrat dapat memiliki efek yang merugikan pada bakteri jika konsentrasi terlalu tinggi. Hal ini berlaku khususnya untuk zat seperti antibiotika, desinfektan, pelarut, herbisida, garam dan logam berat, bahkan jumlah mampu menghambat proses dekomposisi. Pemasukan antibiotik umumnya disebabkan penambahan kotoran hewan atau lemak hewan, meskipun efek penghambatan antibiotik individu sangat bervariasi. Namun, bahkan elemen penting juga dapat menjadi racun bagi mikroorganisme jika ada dalam konsentrasi yang terlalu tinggi. Karena mikroorganisme mampu beradaptasi dengan zat-zat tersebut untuk tingkat tertentu, sulit untuk menentukan konsentrasi sebagai zat menjadi dianggap berbahaya.

Beberapa inhibitor juga berinteraksi dengan zat lain. Misalnya logam berat, hanya memiliki dampak yang merugikan pada proses fermentasi jika mereka hadir dalam larutan. Namun, mereka terikat oleh hidrogen sulfida, yang juga terbentuk dalam proses pencernaan, dan diendapkan sebagai sulfida yang sukar larut. Karena H2S hampir selalu terbentuk selama fermentasi metana, umumnya tidak diharapkan bahwa logam berat akan mengganggu proses. Hal ini tidak berlaku untuk senyawa tembaga yang beracun bahkan pada konsentrasi sangat rendah (40-50 mg / l) karena efek antibakteri mereka.

Berbagai macam jenis zat yang bertanggung jawab dalam menghambat proses terbentuk dalam proses fermentasi. Secara khusus, bahkan konsentrasi rendah nonionik, amonia bebas (NH3) memiliki dampak berbahaya pada bakteri; amonia bebas ini berada dalam kesetimbangan dengan konsentrasi amonium (NH4+) (amonia bereaksi dengan air untuk membentuk amonium dan ion OH- dan sebaliknya). Ini berarti bahwa dengan nilai pH semakin basa, atau dengan kata lain karena konsentrasi ion OH- meningkat, keseimbangan digeser dan konsentrasi amonia meningkat. Kenaikan nilai pH 6,5 menjadi 8,0, misalnya, menyebabkan peningkatan 30 kali lipat dalam konsentrasi amonia bebas. Kenaikan suhu di digester juga menghasilkan kesetimbangan bergeser ke arah amonia dengan efek menghambat. Untuk sistem fermentasi yang tidak beradaptasi dengan konsentrasi nitrogen yang tinggi, ambang penghambatan adalah dalam kisaran 80-250 mg/l NH3. Tergantung pada nilai pH dan suhu pencernaan, ini setara dengan konsentrasi amonium dari 1,7-4 g/l. Pengalaman menunjukkan bahwa penghambatan nitrogen pada proses biogas diperkirakan pada konsentrasi total nitrogen amonia dari 3,000-3,500 mg/l.

Produk lain dari proses pencernaan adalah hidrogen sulfida (H2S), yang tidak terdisosiasi, bentuk terlarut dapat menghambat proses dekomposisi sebagai cytotoxin (memiliki efek toksik tertentu pada sel-sel tertentu) pada konsentrasi serendah 50 mg/l. Karena nilai pH jatuh dengan proporsi kenaikan H2S bebas, akibatnya adalah meningkatkan risiko penghambatan. Salah satu cara yang mungkin untuk mengurangi konsentrasi H2S adalah dengan cara pengendapan sebagai sulfida dengan bantuan ion besi. H2S juga bereaksi dengan logam berat lainnya, dan terikat dan diendapkan disertai dengan pembentukan ion sulfida (S2-). Namun demikian, seperti disebutkan sebelumnya, sulfur juga merupakan makronutrien penting. Karena konsentrasi sulfur yang cukup diperlukan untuk pembentukan enzim, pengendapan yang berlebihan dalam bentuk sulfida pada gilirannya bertanggung jawab untuk menghambat metanogenesis. Efek penghambatan zat individu karena itu tergantung pada sejumlah faktor yang berbeda, dan sulit untuk menentukan nilai batas tetap. 

 

 

3. Parameter Operasi


3.1. Laju Loading Organik dan Waktu Retensi Digester

Setiap kali sebuah pabrik biogas dirancang dan dibangun, sebagian besar perhatian biasanya diberikan pada pertimbangan ekonomi. Akibatnya, ketika ukuran digester dipilih fokusnya adalah bukan pada hasil gas maksimum atau dekomposisi lengkap dari bahan organik yang terkandung dalam substrat. Jika dimaksudkan untuk mencapai dekomposisi lengkap dari unsur organik, kadang-kadang akan diperlukan waktu retensi sangat panjang untuk substrat dalam digester, dan dengan volume tangki besar, karena beberapa zat mengambil waktu yang sangat lama untuk dipecah. Oleh karena itu tujuan harus untuk mendapatkan kinerja degradasi optimum pada biaya ekonomi yang masih dapat diterima.

Dalam hal ini tingkat beban organik (organic loading rate/OLR) merupakan parameter operasi yang penting. Hal ini menunjukkan berapa banyak kilogram padatan volatil (Volatile Solid/VS, atau bahan kering organik - organic dry matter/ODM) dapat dimasukkan ke digester per m3 volume kerja per unit waktu. Tingkat beban organik dinyatakan sebagai kg VS/(m3•d).

 Tabel 2: Inhibitor dalam proses dekomposisi anaerobik dan konsentrasi di mana mereka menjadi merusak

Inhibitor

Konsentrasi Inhibitor

Komentar

Oksigen

>0,1 mg/l

Penghambatan archaea metanogen anaerobik

Hidrogen sulfida

> 50 mg/l H2S

efek penghambatan naik dengan turunnya nilai pH

Volatile fatty acid

> 2,000 mg/l HAc

(pH = 7.0)

efek penghambatan naik dengan turunnya nilai pH. adaptasi tinggi dari bakteri

Ammoniacal nitrogen

> 3,500 mg/l NH4+

(pH = 7.0)

efek penghambatan naik dengan meningkatnya nilai pH dan meningkatnya suhu. adaptasi tinggi dari bakteri

Logam berat

Cu > 50 mg/l

Zn > 150 mg/l

Cr > 100 mg/l

Hanya logam terlarut yang memiliki efek penghambatan. Detoksifikasi dengan pengendapan sulfida

Disinfektan, antibiotik

---

efek penghambatan produk-spesifik

                                         Persamaan 1

m = jumlah substrat ditambahkan per unit waktu [kg/hari]

c = konsentrasi material organic (volatile solid) [% VS]

VR = volume reactor [m3]

Tingkat pembebanan organik dapat ditentukan untuk setiap tahap (diisolasi dan vessel dipanaskan), untuk sistem secara keseluruhan (volume kerja total semua tahapan) dan dengan atau tanpa dimasukkannya resirkulasi material. Mengubah variabel referensi dapat menyebabkan hasil yang kadang-kadang sangat berbeda untuk tingkat pembebanan organik dari biogas plant. Untuk mendapatkan perbandingan yang paling berarti dari tingkat pembebanan organik dari berbagai biogas plant disarankan untuk menentukan parameter ini untuk seluruh sistem tanpa mempertimbangkan materi resirkulasi, dengan kata lain secara eksklusif untuk substrat segar.

Parameter lain yang relevan untuk memutuskan pada ukuran vessel adalah waktu retensi hidrolik (HRT). HRT adalah lamanya waktu substrat dihitung untuk tetap berada pada digester sampai habis. Perhitungan melibatkan menentukan rasio volume reaktor (VR) dengan volume substrat ditambahkan setiap hari. Waktu retensi hidrolik dinyatakan dalam hari.

                                                          Persamaan 2: Hydraulic retention time

(VR= volume reactor [m3]; V=volume substrat ditambahkan harian [m3/d]

Waktu retensi yang sebenarnya akan berbeda dari ini, karena komponen individu dikeluarkan dari digester pada tingkat yang berbeda tergantung pada derajat pencampuran, misalnya sebagai akibat dari sirkuit arus pendek. Ada korelasi yang erat antara tingkat pembebanan organik dan waktu retensi hidrolik (Gambar 2).

Jika komposisi substrat diasumsikan tetap sama, karena loading rate organik meningkat input lebih ditambahkan ke digester, dan akibatnya waktu retensi dipersingkat. Agar mampu mempertahankan proses pencernaan, waktu retensi hidrolik harus dipilih sedemikian rupa sehingga penggantian konstan isi reaktor tidak memaksa mikroorganisme daripada yang dapat diisi kembali oleh pertumbuhan baru selama waktu itu (tingkat dua kali lipat dari beberapa archaea metanogen, misalnya, adalah 10 hari atau lebih). Hal ini juga harus diingat bahwa dengan waktu retensi singkat mikroorganisme akan memiliki sedikit waktu untuk menurunkan substrat dan akibatnya hasil gas tidak akan memadai. Oleh karena itu sama pentingnya untuk menyesuaikan waktu retensi untuk tingkat dekomposisi tertentu dari substrat. Jika jumlahyang ditambahkan per hari diketahui, volume reaktor yang diperlukan dapat dihitung dalam hubungannya dengan penguraian substrat dan waktu retensi yang ditargetkan.

Gambar 2: Korelasi antara tingkat pembebanan organik dan waktu retensi hidrolik untuk berbagai konsentrasi substrat

Tujuan utama dari parameter operasi yang diuraikan diatas dari suatu biogas plant adalah untuk menggambarkan situasi beban, misalnya untuk membandingkan biogas plant yang berbeda. Hal ini hanya selama proses start-up dimana parameter dapat membantu kontrol pabrik dalam mencapai kenaikan steady. Biasanya, sebagian besar perhatian diberikan untuk tingkat pembebanan organik. Dalam kasus biogas plant dengan cairan input volume besar dan kandungan rendah bahan organik degradable, waktu retensi lebih penting.

 

3.2. Produktivitas, Yield, dan Tingkat Degradasi

Produktivitas (P (CH4)), yield (A (CH4)) dan tingkat degradasi (hVS) adalah parameter yang tepat untuk menggambarkan kinerja biogas plant. Jika produksi gas diberikan dalam kaitannya dengan volume digester, ini disebut sebagai produktivitas plant. Ini didefinisikan sebagai hasil bagi produksi gas harian dan volume reaktor, dan akibatnya indikasi efisiensi pabrik. Produktivitas dapat berhubungan dengan baik produksi biogas (P (biogas)) dan produksi metana (P (CH4)) dan diberikan dalam Nm3/(m3 d).

   [Nm3m-3d-1]                                             Persamaan 3: Produktivitas metana

Dimana: V(CH4) = produksi metana [Nm3/d], VR = volume reaktor [m3]

Produksi gas dinyatakan dalam kaitannya dengan bahan masukan adalah yield. Yield bisa juga berhubungan dengan produksi biogas (A (biogas)) atau produksi metana (A (CH4)). Ini didefinisikan sebagai hasil bagi dari volume gas yang dihasilkan dan jumlah bahan organik ditambahkan, dan diberikan dalam Nm3/t VS.

   [Nm3t-1VS]                             Persamaan 4: Yield metana

V(CH4) = produksi metana [Nm3/d]; mVS = volatile solid yang ditambahkan [t/d]

Yield menunjukkan efisiensi produksi biogas atau produksi metana dari substrat yang dimasukan. Yield merupakan nilai informatif sebagai parameter individu, namun, karena mereka tidak termasuk loading digester efektif. Untuk alasan ini, yield harus selalu dipandang sehubungan dengan tingkat pembebanan organik.

Tingkat degradasi (hVS) memberikan informasi tentang efisiensi substrat dikonversi. Tingkat degradasi dapat ditentukan atas dasar padatan volatil (VS) atau kebutuhan oksigen kimia (Chemical Oxygen Demand/COD). Mengingat metode analisis yang paling umum digunakan dalam praktek, disarankan untuk menentukan tingkat degradasi padatan volatil atau nilai COD.

 

           Persamaan 5: Tingkat degradasi (hVS) biomass

Dimana:

VSSub= massa segar volatile solid ditambahkan [kg/t FM]; mzu= massa segar ditambahkan [t];

VSAbl= kandungan volatile solid dikeluarkan dari digester [kg/t FM]; mAbl= massa digestate [t]

 

3.3. Pengadukan

Dalam rangka untuk mendapatkan tingkat produksi biogas yang tinggi perlu ada kontak intensif antara bakteri dan substrat, yang umumnya dicapai dengan pencampuran menyeluruh di tangki pencernaan. Tanpa pencampuran menyeluruh berlangsung di digester, setelah waktu tertentu tanpa pengadukan, isi dapat diamati bersama dengan pembentukan lapisan. Ini disebabkan perbedaan densitas dari berbagai konstituen dari substrat dan juga untuk dorongan ke atas dari pembentukan gas. Dalam kondisi ini sebagian besar massa bakteri mengumpul di lapisan bawah, sebagai akibat dari kepadatan yang lebih tinggi, sedangkan substrat untuk didekomposisi sering mengumpulkan di lapisan atas. Dalam kasus seperti bidang kontak terbatas pada daerah batas antara dua lapisan ini, dan sedikit degradasi berlangsung. Selain itu, beberapa padatan melayang ke atas untuk membentuk lapisan sampah yang membuatnya lebih sulit untuk gas untuk keluar.

Hal ini penting, karena itu, untuk membuat kontak antara mikroorganisme dan substrat dengan mencampur isi tangki pencernaan. Namun demikian, pencampuran berlebihan harus dihindari. Khususnya bakteri yang membentuk asam asetat (aktif di asetogenesis) dan archaea di methanogenesis membentuk sebuah komunitas biotik yang yang sangat penting jika proses pembentukan biogas terganggu. Jika komunitas biotik ini hancur oleh gaya geser yang berlebihan sebagai akibat pengadukan intensif, dekomposisi anaerobik dapat terpengaruh secara negatif.

Oleh karena itu kompromi harus ditemukan dimana kedua kondisi cukup memadai. Dalam praktik ini biasanya dicapai dengan agitator yang berputar perlahan sehingga gaya geser relatif rendah, tetapi isi dari reaktor dicampur secara menyeluruh pada interval tertentu (misalnya hanya untuk sebentar, waktu yang telah ditetapkan).

 

3.4. Potensi Laju Loading Organik dan Waktu Retensi Digester

3.4.1. Kemungkinan yield gas

Jumlah biogas diproduksi di sebuah pabrik biogas pada dasarnya tergantung pada komposisi substrat. Untuk menentukan ini, jika mungkin tes pencernaan harus dilakukan dengan campuran substrat yang relevan. Hasil gas dapat diperkirakan dari jumlah dari hasil gas dari substrat yang membentuk input, dengan asumsi bahwa nilai hasil gas untuk substrat individu tersedia dari referensi tabel. Untuk substrat yang kurang umum yang datanya tidak tersedia dari tes pencernaan, hasil gas dapat diperkirakan dengan bantuan koefisien pencernaan, karena ada persamaan antara proses dekomposisi di sebuah pabrik biogas dan proses pencernaan dalam ruminansia.  

Data ini dapat digunakan untuk menghitung padatan volatil dan massa masing-masing kelompok zat dicerna per kg bahan kering [2-24]:

Konsentrasi VS: (1000 - abu mentah) / 10 [% DM]

Dicerna protein: (protein kasar • DCCP) / 1000 [kg / kg DM]

Dicerna lemak: (lemak kasar • DCCL) / 1000 [kg / kg DM]

karbohidrat dicerna: ((serat kasar • DCRF) + (NFE • DCNFE)) / 1000 [kg / kgDM]

Perhitungan lebih lanjut diilustrasikan menggunakan contoh rumput silase (padang rumput yang luas, pertumbuhan pertama).

Perhitungan:

Konsentrasi VS: (1000 - 102) / 10 = 89,8% (DM)

Protein dicerna: (112 • 62%) / 1000 = 0,0694 kg / kg DM

Dicerna lemak: (37 • 69%) / 1000 = 0,0255 kg / kg DM

karbohidrat dicerna: ((296 • 75%) + (453 • 73%)) / 1000 = 0,5527 kg / kg DM

Massa dari kelompok substansi individu per kg padatan volatil karena itu dapat dihitung dengan cara ini. Hasil ini dikalikan dengan nilai dari Tabel 3 untuk mendapatkan biogas dan hasil metana yang ditunjukkan pada Tabel 5.

Menurut ini, 162,5 liter biogas dengan kandungan metana sekitar 53% diperoleh per kg massa segar. Dalam konteks ini harus tegas menyatakan bahwa dalam kebanyakan kasus hasil metana dicapai dalam praktek akan secara signifikan lebih tinggi dari hasil dihitung. Menurut pengetahuan saat ini tidak ada metode yang cukup statistik yang kuat untuk menghitung yield gas khusus dengan presisi. Metode yang dijelaskan di sini hanya memungkinkan perbandingan dibuat antara substrat yang berbeda.

Namun, sejumlah faktor lain juga mempengaruhi hasil biogas yang dicapai, seperti waktu retensi dari substrat dalam digester, kandungan total padatan, kandungan asam lemak dan setiap adanya inhibitor. Peningkatan waktu retensi, misalnya, meningkatkan tingkat degradasi dan akibatnya juga menimbulkan produksi gas. Sebagaimana waktu retensi meningkat, semakin banyak metana dilepaskan, yang meningkatkan nilai kalor dari campuran gas.

Meningkatkan suhu juga mempercepat laju degradasi. Ini hanya cocok untuk batas tertentu, namun, karena sekali suhu maksimum terlampaui bakteri menderita kerugian dan efek sebaliknya malahan dicapai. Namun, tidak hanya produksi gas meningkat, tetapi karbon dioksida lebih juga dilepaskan dari fase cair, yang pada gilirannya menghasilkan campuran gas yang memiliki nilai kalori yang lebih rendah.

Kandungan bahan kering di digester (total padatan: TS) dapat mempengaruhi hasil gas dalam dua cara. Pertama, transportasi massal terhambat jika konten TS tinggi, bahwa mikroorganisme hanya dapat mengurai substrat di sekitar mereka. Untuk kandungan total padatan yang sangat tinggi ≥ 40% pencernaan bahkan dapat berhenti, karena tidak ada lagi air yang cukup untuk pertumbuhan mikroorganisme. Kedua, tingginya kandungan total padatan dapat menyebabkan masalah dengan inhibitor, karena ini hadir dalam bentuk terkonsentrasi karena kandungan air rendah. Pretreatment mekanik atau termal dari substrat dapat meningkatkan hasil karena meningkatkan ketersediaan substrat untuk bakteri.

 

3.4.2. Kualitas Gas

Biogas adalah campuran gas yang terutama terdiri dari metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2), bersama dengan uap air dan berbagai gas lainnya.

Yang paling penting dari ini adalah kandungan metana, karena ini adalah komponen yang mudah terbakar dari biogas dan dengan demikian secara langsung mempengaruhi nilai kalorinya. Hanya ada kesempatan terbatas untuk mempengaruhi komposisi biogas dengan cara kontrol proses selektif.

Pertama dan terpenting komposisi biogas tergantung pada komposisi bahan masukan. Selain itu, kandungan metana dipengaruhi oleh parameter proses seperti suhu pencernaan, pemuatan reaktor dan waktu retensi hidrolik, serta oleh gangguan proses dan metode desulfurisasi biologis yang digunakan.

Hasil metana dicapai pada dasarnya ditentukan oleh komposisi substrat, dengan kata lain dengan proporsi lemak, protein dan karbohidrat (lihat Bagian 3.4.1). Sehubungan dengan massa mereka, hasil metana yang lebih tinggi dapat dicapai dengan lemak dibandingkan dengan karbohidrat.

Berkenaan dengan kualitas campuran gas, konsentrasi hidrogen sulfida (H2S) memiliki peranan penting untuk diperhatikan. Seharusnya H2S tidak terlalu tinggi, karena bahkan konsentrasi rendah dari hidrogen sulfida dapat memiliki efek penghambatan pada proses degradasi. Pada saat yang sama konsentrasi tinggi H2S dalam biogas menyebabkan kerusakan korosi bila digunakan dalam unit gas engine atau untuk boiler. Gambaran dari komposisi rata-rata biogas diberikan dalam Tabel 6.

 Tabel 6: Rata-rata komposisi biogas

Komponen

Konsentrasi

Metana

50-75 vol.%

Karbon dioksida

25-45 vol.%

Air

2-7 vol.%

Hidrogen sulfida

20-20.000 ppm

Nitrogen

<2 vol.%

Oksigen

<2 vol.%

Hidrogen

<1 vol.%


[1] Archea adalah jenis-jenis mikroorganisme yang terdiri dari tiga polimerase RNA, termasuk eukariota.

Statistik Pengunjung

4.png4.png9.png7.png8.png
Today75
Yesterday101
This week75
This month1148
2
Online

Hubungi Kami

Gedung Energi 625 Klaster V
Kawasan PUSPIPTEK Serpong, Tangerang Selatan 15314

Tel: (021) 75791355

Fax: (021) 75791355

Web: ptseik.bppt.go.id