Biogas dan Inovasi Perlakuan Awal Bahan Baku yang Digunakan

Saya beberapa kali lewat di TPA , sampah  menggunung dan akan  terus menerus meningkat, karena  kehidupan manusia selalu  menghasilkan sampah, sehingga perlu dikelola dengan baik.  Bali misalnya,  menjadi salah satu daerah dengan produksi sampah terbanyak di Indonesia. Setiap harinya, sampah yang dihasilkan di Bali mencapai 4.281 ton, atau 1,5 juta ton setiap tahun.Namun, dari jumlah tersebut, baru 48 persen yang dapat dikelola, sementara 52 persen lagi belum (https://www.suara.com/pressrelease/2021/09/11/061000/).  Sampah yang ada di TPA memang beragam, perlu dipilah kalau ingin diolah menjadi Biogas. Produksi biogas  dengan bahan baku sampah perlu lebih dipahami dengan cermat. Oleh karena jenis sampah beragam maka perlu diberikan perlakuan awal terhadap sampah sebagai bahan baku biogas. 

Dalam tulisan ini akan diuraikan tentang Biogas, perlakuan awal terhadap bahan baku biogas, dan tantangan penggunaan bahan baku yang beragam dalam memperoduksi biogas. 

 

BIOGAS , APA ITU? 

Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik yang mendegradasi bahan-bahan organik. Contoh dari bahan organik ini adalah kotoran, limbah domestik, atau setiap limbah organik yang dapat diurai oleh makhluk hidup dalam kondisi anaerobik. Kandungan utama dalam biogas adalah metana dan karbon dioksida.Biogas merupakan sumber energi terbarukan dan ramah lingkungan. Energi dari biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar kendaraan maupun untuk menghasilkan listrik.

Penyusun utama biogas adalah metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2) dan beberapa gas lain. Gas metana, hidrogen, dan karbon monoksida dapat dibakar atau dioksidasi dengan oksigen sehingga melepaskan energi. 

Biogas, yang mengandung metana yang kaya energi, diproduksi oleh dekomposisi mikroba dari bahan organik dalam kondisi anaerobik. Di bawah kondisi yang terkendali, proses ini dapat digunakan untuk produksi energi dan residu kaya nutrisi yang cocok untuk digunakan sebagai bahan pemupukan. Biogas dapat digunakan untuk produksi panas, listrik atau bahan bakar kendaraan. Substrat yang berbeda dapat digunakan dalam proses dan, tergantung pada karakter substrat, berbagai teknologi reaktor tersedia. Proses mikrobiologis yang mengarah pada produksi metana sangat kompleks dan melibatkan berbagai jenis mikroorganisme, seringkali bekerja dalam hubungan yang erat karena terbatasnya jumlah energi yang tersedia untuk pertumbuhan.

Kini, produksi biogas melalui teknologi pencernaan anaerobik telah berkembang pesat selama bertahun-tahun. Saat ini, karena permintaan energi yang tinggi dan masalah lingkungan seiring dengan meningkatnya populasi dunia, dorongan untuk proses pencernaan anaerobik mendapatkan momentum dalam penelitian dan industri untuk pembangkitan energi yang berkelanjutan.

Dalam hal ini, terdapat peningkatan fokus pada pemanfaatan bahan baku yang lebih baik untuk produksi biogas yang lebih baik. Namun demikian, tantangan hasil biogas yang rendah, waktu retensi yang tinggi, dan biaya investasi yang tinggi menghambat kinerja maksimum produksi biogas dalam sistem pencernaan anaerobik. Kemacetan ini sangat bergantung pada ketersediaan, komposisi, dan kemampuan terdegradasi bahan baku yang digunakan untuk produksi biogas.

Potensi besar terletak pada produksi biogas dari berbagai bahan baku seperti sisa tanaman, sisa ternak, limbah kota, limbah TPA, limbah makanan, biomassa akuatik, limbah keratin, dan bahan baku lignoselulosa karena ketersediaan dan kelimpahannya. Namun, sebagian besar bahan baku ini memiliki tingkat degradasi yang lambat sehingga membutuhkan waktu penyimpanan yang lebih lama. Selain itu, beberapa bahan baku ini membentuk perantara beracun atau mengandung senyawa beracun, yang menghambat proses produksi biogas. Namun demikian, kelimpahan dan dengan demikian biaya rendah dari bahan baku ini menegaskan bahwa ada kebutuhan untuk strategi baru untuk pemanfaatan yang lebih baik dari aliran limbah semacam itu.

Secara teoritis, biogas dapat diproduksi dari fraksi organik dari bahan apa saja, seperti kayu, sisa tanaman, wol tekstil, bulu ayam, limbah lignoselulosa, limbah makanan industri, limbah buah, dll. Namun, saat ini, biogas biasanya hanya diproduksi dari bahan baku. yang mudah dimanfaatkan oleh komunitas mikroba yang bertanggung jawab untuk mengubah bahan baku ini menjadi biogas. Namun, bahan baku yang mudah dicerna ini, yaitu residu tanaman dan ternak, limbah kota yang dipilah dari sumber, limbah makanan, air limbah dengan kandungan organik tinggi, dll., tidak melimpah atau tersedia untuk produksi biogas, sehingga membatasi jumlah biogas. yang dapat diproduksi. Namun demikian, pengembangan teknologi inovatif yang bertujuan untuk pemanfaatan bahan baku yang tersedia tetapi tidak mudah terurai akan menghasilkan peningkatan produksi biogas.

 PERLAKUAN AWAL TERHADAP BAHAN BAKU YANG DIGUNAKAN 

Alasan utama mengapa beberapa bahan baku tidak ideal untuk produksi biogas adalah: (a) tidak dapat dicerna oleh mikroorganisme, (b) pencernaan oleh mikroorganisme sangat sulit dicapai, (c) pencernaan dapat dicapai tetapi dengan cara yang sangat lambat, dan (d) adanya inhibitor dalam bahan baku atau produksi senyawa penghambat selama degradasi mikroba. Tujuan dari "pretreatment" adalah untuk memfasilitasi proses pencernaan dengan menghilangkan penghalang ini dan membuat konten organik substrat mudah diakses dan digunakan oleh komunitas mikroba. Ada beberapa pendekatan menuju pretreatment, yang dapat diklasifikasikan sebagai fisik, kimia, fisikokimia, dan biologis (Taherzadeh dan Karimi, 2008). Tinjauan ini mempertimbangkan beberapa strategi inovatif, membantu pemanfaatan bahan baku yang tidak dapat dicerna, lambat, sulit dicerna, dan penghambat untuk produksi biogas. Perlakuan awal yang ideal untuk digunakan untuk memproses bahan baku ini harus hemat biaya, meningkatkan aksesibilitas bahan baku terhadap mikroorganisme, tidak menggunakan atau menghasilkan zat yang menghambat produksi biogas, tidak memerlukan energi tinggi, dan tidak menghasilkan produk sampingan yang berbahaya bagi lingkungan. Tinjauan singkat tentang biokimia produksi biogas, hasil teoretis, bahan baku potensial yang tersedia, dan tantangan yang terkait dengan bahan baku ini akan membantu dalam memahami bagaimana strategi inovatif menuju pra-perlakuan dapat diterapkan.

Bahan baku untuk produksi biogas disiapkan sebelum pencernaan dengan menghilangkan kontaminan seperti pasir, logam, dan kotoran lainnya tergantung pada sumber bahan baku. Selain itu, ukuran bahan baku dapat dikurangi (untuk bahan baku yang luas permukaan yang tersedia tidak dapat diakses oleh bakteri hidrolisis), dan penghambat dari bahan baku seperti rasa buah dan minyak dari limbah pabrik minyak sawit (POME) dapat dihilangkan.

Bahan baku organik mengalami langkah degradasi yang berbeda selama proses pencernaan anaerobik (AD), dan dibahas secara singkat sebagai berikut. Langkah pertama adalah hidrolisis, di sini bahan baku dihancurkan oleh aksi komunitas beragam bakteri hidrolitik yang menghasilkan eksoenzim. Produk dari langkah pertama ini adalah gula sederhana, asam amino, dan asam lemak. Langkah ini telah dilaporkan sebagai langkah pembatas laju untuk biomassa yang sulit dicerna (Fernandes et al., 2009) seperti limbah kaya lignoselulosa dan keratin. Selain itu, beberapa produk sampingan beracun dapat terbentuk selama langkah ini (Neves et al., 2006).

Langkah kedua adalah asidogenesis, pada langkah ini monomer dari hidrolisis diubah menjadi asam organik rantai pendek, alkohol, beberapa senyawa organik-nitrogen dan organik-sulfur, bersama dengan hidrogen dan karbon dioksida. Langkah ini telah dilaporkan sebagai langkah tercepat dalam proses AD (Vavilin et al., 1996). Jika bahan baku memiliki kapasitas penyangga yang rendah dan laju pemuatan organik tinggi, akumulasi asam lemak yang mudah menguap dapat mengakibatkan penurunan pH, yang akan menghambat metanogen yang menghasilkan metana pada langkah terakhir. Langkah ketiga adalah asetogenesis, disini mikroorganisme homoasetogenik mereduksi hidrogen dan karbon dioksida menjadi asam asetat (Deublein dan Steinhauser, 2011). Pada tahap ini, bakteri asetogenik hanya dapat bertahan hidup pada konsentrasi hidrogen yang sangat rendah, sehingga produksi hidrogen yang berlebihan dari tahap asidogenesis dapat menghambat bakteri tersebut (Deublein dan Steinhauser, 2011). Langkah keempat adalah metanogenesis, di mana produksi metana berlangsung dalam kondisi anaerobik yang ketat. Langkah ini telah dilaporkan sebagai langkah pembatas laju untuk bahan baku yang mudah terdegradasi dan yang memiliki kapasitas penyangga rendah (Rozzi dan Remigi, 2004). Ada dua kelompok utama bakteri metanogenik yang dapat dibedakan, yaitu metanogen hidrogenotrofik dan metanogen asetotrofik yang masing-masing mengubah hidrogen dan karbon dioksida, dan asam asetat menjadi metana. Keseimbangan antara mikroorganisme pembentuk hidrogen dan pemakan hidrogen sangat penting, karena oksidasi anaerobik, yaitu pembentukan asetat hanya dapat terjadi pada tekanan parsial hidrogen yang rendah karena alasan termodinamika.

Meningkatnya produksi limbah organik yang tidak dapat dicerna meningkatkan minat dalam kombinasi proses termokimia dan biokimia seperti gasifikasi dan fermentasi. Gasifikasi dan fermentasi terdiri dari beberapa langkah proses. Awalnya, bahan baku diumpankan ke gasifier di mana suhu meningkat menjadi kira-kira. 1200 C. Saat suhu naik, air bahan baku menguap (pada 100 C), tar dan arang dihasilkan, dan gas pirolisis dihasilkan. Langkah-langkah reaksi utama pada titik ini adalah gas air dan reaksi Boudouard (Persamaan (1), (2)). Selain itu, gas bereaksi satu sama lain (reaksi fase gas) dan dengan karbon (reaksi gas-padat). Metana juga dapat diproduksi oleh reaksi karbon dan hydrogen.

PENCERNAAN BAHAN BAKU  DAN TANTANGANNYA

 

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, biomassa yang mudah diolah terutama digunakan sebagai bahan baku untuk proses pencernaan anaerobik. Bahan baku yang umum dan mudah diproses termasuk kotoran ternak, limbah pengolahan makanan, dan lumpur limbah. Di sisi lain, biomassa yang sulit diproses berada dalam kelimpahan tinggi dan terakumulasi secara luar biasa. Biomassa ini, bila diolah dengan benar, dapat menjadi bahan baku yang berharga untuk produksi biogas, sehingga mengurangi pencemaran lingkungan dan meningkatkan pemulihan

Gasifikasi bahan baku yang tidak dapat dicerna

Selama gasifikasi, bahan baku digasifikasi oleh paparan suhu tinggi (1000-1200 C) dan zat pengoksidasi. Uap, oksigen, dan udara terutama digunakan sebagai aliran pengoksidasi. Gas yang dihasilkan (syngas) terutama terdiri dari H2, CO, dan CO2, yang selanjutnya dapat difermentasi untuk produksi biogas. Selain itu, pada akhir gasifikasi, sisa abu, dalam bentuk bahasa gaul, tertinggal di dalam gasifier. Komposisi syngas dan abu sangat dipengaruhi oleh komposisi bahan baku

Strategi non-pretreatment yang inovatif

Meskipun beberapa metode pretreatment telah muncul selama beberapa tahun terakhir, tantangan tertentu seperti biaya tinggi, produk sampingan lingkungan yang berbahaya, hasil biogas yang rendah, dan kebutuhan energi yang tinggi masih bertahan. Untuk mengatasi tantangan ini, beberapa strategi non-pretreatment inovatif yang bertujuan untuk meningkatkan penggunaan bahan baku yang tersedia dan berbiaya rendah untuk produksi biogas dibahas di bagian ini. Strategi yang dibahas meliputi produksi biogas terintegrasi, digester inovatif

Kesimpulan

Bahan baku untuk produksi biogas mungkin mengandung senyawa yang tidak dapat dicerna, sulit dicerna, dan penghambat. Oleh karena itu, perlu adanya pretreatment atau metode inovatif lainnya untuk memudahkan pencernaan secara biologis. Bahan yang tidak dapat dicerna dapat diolah dengan kombinasi proses gasifikasi-fermentasi. Selain itu, senyawa yang sulit dicerna seperti lignoselulosa bandel atau keratin dapat diolah terlebih dahulu dengan metode termal, kimia, fisikokimia, atau biologis.

Daftar Pustaka

• Patinvoh, R. J., Osadolor, O. A., Chandolias, K., Horvth, I. S., & Taherzadeh, M. J. (2017). Innovative pretreatment strategies for biogas production. Bioresource technology, 224, 13-24.
• Yenign, O., & Demirel, B. (2013). Ammonia inhibition in anaerobic digestion: a review. Process Biochemistry, 48(5-6), 901-911.
• Adney, W.S., van der Lelie, D., Berry, A.M., Himmel, M.E. 2009. Understanding the Biomass Decay Community. in: Biomass Recalcitrance, Blackwell Publishing Ltd., pp. 454-479. 2.
• Ahmad, A., Ghufran, R., Wahid, Z.A. 2011. Bioenergy from anaerobic degradation of lipids in palm oil mill effluent. Rev. Environ. Sci. Bio/Technol., 10(4), 353-376.
•   Angelidaki, I., Ahring, B.K. 1992. Effects of free long-chain fatty acids on thermophilic anaerobic digestion. Appl. Microbiol. Biotechnol., 37(6), 808-812.
•  Angelidaki, I., Sanders, W.T.M. 2004. Assessment of the anaerobic biodegradability of macropollutants. Rev. Environ. Sci. Biotechnol., 3(2), 117-129.
• Banks, C.J., Lo, H.-M. 2003. Assessing the effects of municipal solid waste incinerator bottom ash on the decomposition of biodegradable waste using a completely mixed anaerobic reactor. Waste Manage. Res., 21(3), 225-234.