ALL ABOUT ME: Komposisi Kimia Biogas

Tugas 5

Komposisi Kimia Biogas

Zaenal Abidin (4209100102)

Teknik Sistem Perkapalan

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

1. Pendahuluan

Biogas adalah gas mudah terbakar (flammable) yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri-bakteri anaerob (bakteri yang hidup dalam kondisi kedap udara) (Anonim, 2009). Pada umumnya semua jenis bahan organik bisa diproses untuk menghasilkan bio-gas, namun demikian hanya bahan organik (padat, cair) homogen seperti kotoran dan urine (air kencing) hewan ternak yang cocok untuk sistem biogas sederhana.
Salah satu cara menentukan bahan organik yang sesuai untuk menjadi bahan masukan sistem bio-gas adalah dengan mengetahui perbandingan karbon (C) dan nitrogen (N) atau disebut rasio C/N. Beberapa percobaan yang telah dilakukan oleh ISAT menunjukkan bahwa aktivitas metabolisme dari bakteri methanogenik akan optimal pada nilai rasio C/N.

Pada umumnya biogas terdiri atas gas metana (CH4) 50% sampai 70%, gas karbon dioksida (CO2) 30% sampai 40%, hidrogen (H2) 5% sampai 10%, dan gas-gas lainnya dalam jumlah yang sedikit. Biogas kira-kira memiliki berat 20% lebih ringan dibandingkan dengan udara bebas. Biogas memiliki suhu pembakaran antara 650OC – 750OC. Biogas tidak berbau dan tidak berwarna. Apabila dibakar, akan menghasilkan nyala api biru cerah seperti gas LPG. Nilai kalor gas metana adalah 20 MJ/m3 dengan efisiensi pembakaran sebesar 60% pada konvensional kompor biogas.

2. Komposisi Kimia Biogas

Biogas menghasilkan bahan bakar ramah lingkungan. Biogas terbuat dari bahan-bahan alami, seperti kotoran manusia dan hewan, serta limbah-limbah organik lain. Komponen biogas antara lain sebagai berikut : ± 60 % CH₄ (metana), ± 38 % CO₂ (karbon dioksida) dan ± 2 % N₂, O₂, H₂, & H₂S. Sumber energi Biogas yang utama yaitu kotoran ternak Sapi, Kerbau, Babi dan Kuda.

Karbon dalam biogas merupakan karbon yang diambil dari atmosfer oleh fotosintesis tanaman, sehingga bila dilepaskan lagi ke atmosfer tidak akan menambah jumlah karbon di atmosfer bila dibandingkan dengan bahan bakar fosil. Biogas juga tidak menghasilkan limbah yang bisa mencemari lingkungan. Gas metana dalam biogas bisa terbakar sempurna. Sebaliknya, gas metana dalam bahan bakar fosil tidak bisa terbakar sempurna dan akan membahayakan lingkungan. Seperti kita ketahui, metana termasuk dalam gas-gas rumah kaca yang bisa menyebabkan pemanasan global (global warming).

Biogas yang terbentuk dapat dijadikan bahan bakar karena mengandung gas metan (CH₄) dalam persentase yang cukup tinggi. Komponen biogas tersajikan pada Tabel 1.

Jenis Gas	Persentase
Metan (CH₄) Karbondioksida (CO₂) Air (H₂O) Hidrogen sulfide (H₂S) Nitrogen (N₂) Hidrogen	50-70% 30-40% 0,3% Sedikit sekali 1- 2% 5-10%

Tabel 2.1. Komponen penyusun biogas

Sebagai pembangkit tenaga listrik, energi yang dihasilkan oleh biogas setara dengan 60 – 100 watt lampu selama 6 jam penerangan. Kesetaraan biogas dibandingkan dengan bahan bakar lain dapat dilihat pada Tabel 3.

Aplikasi	1m³ Biogas setara dengan
1 m³ biogas	Elpiji 0,46 kg Minyak tanah 0,62 liter Minyak solar 0,52 liter Kayu bakar 3,50 kg

Tabel 2.2. Nilai kesetaraan biogas dan energi yang dihasilkan

Sumber : Wahyuni, 2008

Potensi produksi gas dari berbagai jenis kotoran dan hasil produksinya per kg(m3):

Sapi/kerbau 0,023 – 0,040

Babi 0,040 – 0,059

Unggas 0,065 – 0,116

Manusia 0,020 – 0,028

Tabel. 2.2. Aplikasi Biogas

Peningkatan kualitas biogas dapat dilakukan dengan beberapa parameter yaitu menghilangkan hidrogen sulfur, kandungan air, dan karbon dioksida. Hidrogen sulfur mengandung racun dan zat yang menyebabkan korosi. Apabila gas ini dibakar, maka akan membentuk senyawa baru bersama oksigen yaitu sulfur dioksida (SO2) atau sulfur trioksida (SO3) dan pada saat yang sama akan membentuk sulfur acid (H2SO3) yaitu senyawa yang lebih korosif. Konsentrasi hidrogen sulfur yang masih ditoleransi yaitu 5 ppm. Penghilangan karbondioksida bertujuan untuk meningkatkan kualitas biogas sehingga gas tersebut dapat juga digunakan untuk bahan bakar kendaraan, sedangkan kandungan air berpotensi pada menurunnya titik penyalaan biogas serta dapat menimbulkan korosif (Switenia, dkk 2008).

Komposisi gas yang dikeluarkan dari digester tergantung pada substrat, beban bahan organik, dan tingkat pemberian makan digester

Komponen	Sampah rumah tangga	Pengolahan air limbah tanaman lumpur	Limbah pertanians	Limbah industri pangan pertanian
CH4% vol	50-60	60-75	60-75	68
CO2% vol	38-34	33-19	33-19	26
N2% vol	5-0	1-0	1-0	-
O2% vol	1-0	<0,5	<0,5	-
H2O% vol	6 (à 40 ° C)	6 (à 40 ° C)	6 (à 40 ° C)	6 (à 40 ° C)
Jumlah% vol	100	100	100	100
H2S mg/m3	100-900	1000 - 4000	3000-10 000	400
NH3 mg/m3	-	-	50 - 100	-
Aromatik mg/m3	0-200	-	-	-
Organochlorinated atau organofluorated mg/m3	100-800	-	-

Karakteristik fisik

Menurut komposisinya, biogas menyajikan karakteristik menarik untuk membandingkan dengan gas alam dan propana. Biogas adalah gas yang lumayan lebih ringan dari udara, menghasilkan dua kali lebih sedikit kalori oleh pembakaran dengan volume yang sama dari gas alam.

Jenis gas	Biogas 1 Sampah rumah tangga	Biogas 2 Agrifood industri	Gas alam
Komposisi	60% CH4 33% CO2 1% N2 0% O2 6 H2O%	68% CH4 26% CO2 1% N2 0% O2 5 H2O%	97,0% CH4 2,2% C2 0,3% C3 0,1% C4 + 0,4% N2
PCS kWh/m3	6,6	7,5	11,3
PCI kWh/m3	6,0	6,8	10,3
Kepadatan	0,93	0,85	0,57
Mass (kg/m3)	1,21	1,11	0,73
Indiex dari Wobbe	6,9	8,1	14,9

Meskipun mirip dengan gas alam, biogas mentah memiliki sifat tertentu undesireable kimia dan fisik yang dapat menghambat pengolahan dan pemanfaatan sebagai sumber energi terbarukan. Di bawah ini adalah rincian dari characterisctics dari biogas yang dihasilkan dari limbah susu digester anaerobik kotoran dibandingkan dengan gas alam.

*Constituents*	*Units*	*Natural Gas*	*Biogas*
Methane (CH4)	Vol%	91	55-70
Ethane (C2H6)	Vol%	5.1	0
Propane (C3H8)	Vol%	1.8	0
Butane (C4H10)	Vol%	0.9	0
Pentane (C5H12)	Vol%	0.3	0
Carbon Dioxide (CO2)	Vol%	0.61	30-45
Nitrogen (N2)	Vol%	0.32	0-2
Volatile Organic Compunds (VOC)	Vol%	0	0
Hydrogen (H2)	Vol%	0	0
Hydrogen Sulfide (H2S)	ppm	~1	>500
Ammonia (NH3)	ppm	0	~100
Carbon Monoxide (CO)	ppm	0	0
Water Dew Point	ºC	<-5	Saturated
Heating Value	BTU/SCF	1031	~600

Tabel 2.2 Perbandingan konstituen dalam gas alam dan biogas.

Karakteristik Kimia

Metana

Metana (CH4) gas terdiri dari satu karbon dan empat atom hidrogen dan merupakan komponen utama dari gas alam. Keduanya tidak berbau dan tidak berwarna, CH4 menyediakan sekitar

1.000 BTU energi panas per kaki kubik ketika dibakar. Satu BTU adalah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu satu pon air satu derajat Fahrenheit. Metana diproduksi sebagai bahan bakar fosil yang tidak terbarukan yang dihasilkan selama periode ribuan atau jutaan tahun. Membusuk tumbuhan dan hewan pun terperangkap jauh di bawah batuan dasar diubah menjadi produk minyak bumi (batubara, minyak dan gas alam) oleh tekanan yang ekstrim dan panas. Dengan tidak adanya oksigen, bakteri metanogen yang bertanggung jawab untuk mengubah bahan organik menjadi CH4 (proses yang sama yang terjadi pada pencernaan anaerobik dibahas sebelumnya). Setelah sumber daya ini diambil dari waduk penyimpanan alami di bawah permukaan, maka tidak ada lagi tersedia, setidaknya tidak sampai proses berulang selama seribu tahun lagi atau lebih. Batas ledakan metana adalah 5-15% saat

dicampur dengan air.9 Proses pencernaan anaerobik menghasilkan antara 50-60% CH4 untuk

susu pupuk limbah (Pellerin et al., 1987). Semakin tinggi kandungan CH4 dalam biogas, semakin tinggi kandungan panas dan tersedia dengan BTU yang lebih besar itu.

Karbon Dioksida

Karbon dioksida adalah gas atmosfer yang terdiri dari satu karbon dan dua atom oksigen. Seperti metana, keduanya tidak berbau dan tidak berwarna. CO2 diproduksi baik oleh pembakaran bahan organik dengan adanya oksigen atau oleh fermentasi mikroba dan respirasi tanaman. Dalam biogas, CO2 diproduksi ketika bakteri metanogen memecah senyawa organik sederhana, melalui proses fermentasi. Yang utama dua

komponen biogas yang CH4 dan CO2, produk dari konversi senyawa organik sederhana oleh bakteri metanogen. Karena CO2 dapat dengan mudah diukur di lapangan, keseimbangan biasanya dianggap CH4. Dengan demikian tingkat tinggi CO2 adalah indikasi dari konten metana miskin dan karena itu nilai energi yang lebih rendah. Meskipun konsentrasi CO2 tinggi dalam biogas dapat menghalangi beberapa aplikasi energi, Scott dan Minott (2003) mencatat CO2 yang relatif tinggi dalam biogas dapat bantuan yang sebenarnya dalam pengisian elektrolit karbonat penting dalam sel bahan bakar karbonat cair. Di sisi lain, tingkat tinggi CO2 dapat menambah lingkungan asam dalam generator diesel dan mungkin memerlukan penghapusan lebih pemanfaatan biogas volume tinggi kegiatan seperti mengintegrasikan biogas menjadi komersial aliran pipa gas alam. Menghapus kontaminan CO2 dan lainnya dari aliran biogas bisa mahal, terutama untuk operasi pertanian kecil.

Lacak Komponen

Komponen jejak membuat kurang dari 2% dari biogas kotoran-susu dicerna. Komponen jejak umum dari pupuk susu digester anaerobik termasuk amonia, hidrogen sulfida (H2S), dan uap air. Tergantung pada penggunaan biogas, komponen yang paling jejak harus dihapus dari biogas. Uap air dapat sangat berbahaya karena sangat corrossive bila dikombinasikan dengan komponen asam seperti hidrogen sulfida (H2S) dan pada tingkat lebih rendah, karbon dioksida (CO2). Kontaminan utama dalam biogas adalah H2S. Komponen ini bersifat beracun dan korosif, dan menyebabkan kerusakan yang signifikan pada pipa, peralatan dan instrumentasi. Dalam pembakaran, H2S hadir dalam gas juga dirilis sebagai belerang dioksida, berkontribusi terhadap polusi udara.

Selama pencernaan anaerobik, kepala gas yang mengandung lebih dari 6% H2S dapat membatasi metanogenesis (Chynoweth dan Isaacson, 1987). Pengukuran di Dairy AA di Candor, NY menunjukkan konsentrasi H2S rata-rata 1500 ppm (0,15%), jauh dari tingkat membatasi (Zicari, 2003). Setelah pencernaan anaerobik, terdapat banyak bahan kimia, fisika dan metode biologi yang digunakan untuk menghilangkan H2S dari aliran biogas. Banyak dari metode ini adalah padat karya dan menghasilkan aliran limbah yang menimbulkan kekhawatiran pembuangan lingkungan dan risiko. Salah satu metode umum untuk menghilangkan H2S pada sistem AD pedesaan adalah dengan teknologi yang disebut "Iron Sponge", yang menggunakan chip terhidrasi besi kayu diresapi untuk mengikat dengan belerang.

3. Rasio C/N

Hubungan antara jumlah karbon dan nitrogen yang terdapat pada bahan organik dinyatakan dalam terminologi rasio karbon/nitrogen (C/N). Apabila rasio C/N sangat tinggi, nitrogen akan dikonsumsi sangat cepat oleh bakteri metanogenik sampai batas persyaratan protein dan tak lama bereaksi ke arah kiri pada kandungan karbon pada bahan. Sebagai akibatnya, produksi metan akan menjadi rendah. Sebaliknya, apabila rasio C/N sangat rendah, nitrogen akan bebas dan berakumulasi dalam bentuk amoniak (NH4). Amoniak ini akan meningkatkan derajat pH bahan dalam digester/ruang reaksi. pH lebih tinggi dari 8,5 akan mulai menunjukan akibat racun pada polusi bakteri metan.

Kotoran hewan, khususnya kotoran sapi, mempunyai rata-rata rasio C/N sekitar 24. Bahan tanaman seperti jerami dan limbah gergajian mengandung persentase karbon lebih tinggi. Rasio C/N dari beberapa limbah komoditas terdapat pada tabel 1. Bahan dengan rasio C/N-nya rendah sehingga didapatkan rata-rata rasio campuran input pada tingkat yang dikehendaki.

Bahan	Rasio C/N
Kotoran bebek Kotoran manusia Kotoran ayam Kotoran kambing Kotoran babi Kotoran domba Kotoran kerbau/sapi Air hyacinth Kotoran gajah Jerami (jagung) Jerami (padi) Jerami Gandum Tahi gergaji	8 8 10 12 18 19 24 25 43 60 70 90 di atas 200

Tabel 3.1. Rasio C/N dari beberapa bahan organik.

4. Jenis Biogas dan Kandungannya

Ada dua macam Biogas yang dikenal saat ini, yaitu Biogas (yang juga sering disebut gas rawa) dan Biosyngas. Perbedaan mendasar dari kedua bahan diatas adalah cara pembuatannya.

4.1 Biogas

Biogas dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik dengan bantuan bakteri anaerob pada lingkungan tanpa oksigen bebas. Energi biogas didominasi oleh Komposisi biogas terdiri atas metana (CH₄) 55-75%, Karbon dioksida (CO₂) 25-45%, Nitrogen (N₂) 0-0.3%, Hidrogen (H₂) 1-5%, Hidrogen sulfide (H₂S) 0-3%, Oksigen (O₂) 0.1-0.5%. Nilai kalori dari 1 meter kubik Biogas sekitar 6.000 watt jam yang setara dengan setengah liter minyak diesel.

4.2 Biosyngas

Biosyngas (atau lebih sering disingkat Syngas atau Producer Gas) adalah produk antara (intermediate) yang dibuat melalui proses gasifikasi termokimia dimana pada suhu tinggi material kaya karbon seperti batubara, minyak bumi, gas alam atau biomassa dirubah menjadi Karbon monoksida (CO) dan Hidrogen (H₂). Apabila bahan bakunya batubara, minyak bumi dan gas alam, maka disebut Syngas, sedangkan jika bahan bakunya biomassa maka disebut Biosyngas. Biosyngas dapat digunakan langsung menjadi bahan bakar atau sebagai bahan baku untuk proses kimia lainnya. Kandungan energi biosyngas kurang lebih 3 – 8 MJ/N.m³ (mega joules per normal meter kubik), tetapi dapat mencapai 10 – 20 NJ/N.m³ jika menggunakan oksigen murni digunakan dalam proses gasifikasi. Jika dalam proses gasifiksi ditambahkan uap/steam, yang disebut “reforming”, gas yang dihasilkan akan mengandung hidrogen (H₂) dalam konsentrasi tinggi.

Gasifikasi biomassa adalah substoichiometric kontinyu (oksigen kelaparan) pembakaran proses yang "terbakar" biomassa (misalnya, serpihan kayu) dengan udara dan uap dalam reaktor menghasilkan syngas dan cairan pirolisis (ter) sebagai bahan bakar.

Komposisi:	Batubara ^Gas-1	Bio-Gas²	Nat. Gas ³
Hidrogen (H 2)	14,0%	18,0%	-
Karbon Monoksida (CO)	27,0%	24,0%	-
Karbon Dioksida (CO 2)	4,5%	6,0%	-
Oksigen (O 2)	0,6%	0,4%	-
Metana (CH 4)	3,0%	3,0%	90,0%
Nitrogen (N 2)	50,9%	48,6%	5,0%
Etana (C 2 H 6)	-	-	5,0%
HHV (Btu / scf)	163	135	1,002

Tabel 4.2.1. komposisi berbagai macam biogas

Catatan:

(1) Meskipun kandungan hidrogen total gas alam yang tinggi, jumlah hidrogen bebas rendah. Karena gas ini, karakteristik alam tidak mudah untuk membakar beberapa gas diproduksi dengan kandungan hidrogen yang tinggi bebas mereka.

Kandungan hidrogen yang tinggi dari hasil gas alam di banyak uap air yang dihasilkan dalam gas pembakaran dengan efisiensi Sejalan rendah.

5. Karagenan

Karagenan merupakan nama yang diberikan untuk keluarga polisakarida linear bersulfat yang diperoleh dari alga merah dan penting untuk pangan. Dalam bidang industri, karagenan berfungsi sebagai stabilisator (pengatur keseimbangan), thickener (bahan pengentalan), pembentuk gel, dan lain-lain. Karagenan dapat diperoleh dari hasil pengendapan dengan alkohol, pengeringan dengan alat (drum drying), dan dengan proses pembekuan. Jenis alkohol yang dapat digunakan untuk pemurnian hanya terbatas pada methanol, etanol dan isopropanol (Winarno, 1996).

Berdasarkan kandungan sulfatnya, Doty(1987) membedakan karagenan menjadi dua fraksi yaitu kappa karagenan yang mengandung sulfat kurang dari 28% dan iota karagenan jika lebih dari 30%. Sedangkan Winarno (1996), membagi karagenan menjadi tiga fraksi berdasarkan unit penyusunnya yaitu kappa, iota, dan lambda karagenan. Menurut Reen (1986) kappa karagenan dihasilkan dari rumput laut jenis Eucheuma cottonii, sedangkan iota karagenan dihasilkan dari Eucheuma spinosum.

Struktur Molekul karagenan

Karagenan merupakan senyawa hidrokoloid yang terdiri dari ester, kalium, natrium, magnesium, dan kalsium sulfat dengan galaktosa 3,6 anhidrogalaktosa kopolimer (Winarno, 1996). Sedangkan menurut Arifin (1994) menyatakan bahwa karagenan merupakan senyawa kompleks polisakarida yang dibangun oleh sejumlah unit galaktosa dan 3,6- anhidrogalaktosa, baik yang mengandung sulfat maupun yang tidak mengandung sulfat, dengan ikatan α -1,3-D galaktosa dan β -1,4-3,6 anhidrogalaktosa secara bergantian.

Sifat-sifat karagenan

Di pasaran, karagenan merupakan tepung yang berwarna kekuning-kuningan, mudah larut dalam air dan membentuk larutan kental atau gel. Menurut Suryaningrum (1988), sifat-sifat karagenan meliputi kelarutan, stabilitas pH, pembentukan gel dan viskositas. Sifat-sifat karagenan dapat dilihat pada Tabel 5.1

	Kappa	Iota	Lambda
Ester Sulfat	25-30 %	28 – 35 %	32 – 34 %
3,6-anhidrogalaktosa	28 – 38 %	-	30 %
Kelarutan
Air Panas	Larut pada suhu > 70 0C	Larut pada suhu > 70 0C	Larut
Air dingin	Larut Na+	Larut Na+	Larut dalam semua garam
Susu Panas	Larut	Larut	Larut
Susu Dingin + Tspp	Kental	Kental	Lebih Kental
Larutan Gula	Larut (panas)	Susah larut	Larut (panas)
Larutan garam	Tidak Larut	Tidak Larut	Larut (panas)
Larutan organik	Tidak Larut	Tidak larut	Tidak larut
Gel
Pengaruh kation	Membentuk gel kuat dengan K+	Gel sangat kuat Ca+	Tidak membentuk gel
Tipe gel	Rapuh	Elastis	Tidak membentuk gel
Stabilitas
PH netral dan basa	Stabil	Stabil	Stabil
Asam (pH 3,5)	Terhidrolisa	Terhambat dengan panas	Terhidrolisa

.Tabel 5.1. Sifat-sifat Karagenan

6. Bahan Baku Biogas

Pada umumnya semua bahan organik yang mudah membusuk seperti jerami padi yang memiliki rasio C/N 68, kotoran hewan, serta kotoran manusia dapat dijadikan biogas. Hanya saja biogas kotoran manusia terkendala pada aspek kepantasan (sosial). Kotoran unggas maupun hewan ternak dipilih karena ketersediaannya yang melimpah, memiliki keseimbangan nutrisi, mudah dicerna, dan relatif dapat diproses secara biologi.

Hardyanti (2007) menyebutkan bahwa biogas dengan zat penyusun yang berbeda (variasi bahan baku) akan menghasilkan nilai kalor yang berbeda pula, tergantung pada mutu substrat. Potensi biogas berbagai jenis bahan diperlihatkan oleh Tabel 6.1.