Mengenal Sifat-sifat Komponen Biogas

Di pinggiran danau Buyan dan Tamblingan,Desa pancasari, di pinggiran hutan Batukau saya bersama mahasiswa membantu salah satu  peternak  untuk mengolah kotoran ternaknya menjadi biogas. Setelah dilakukan beberapa diskusi dan simulasi akhirnya dibangun instalasi dengan 1100 liter. Ada hal menarik yang saya tambahkan yaitu dengan  penambahan konsorsium mikroba lokal, untuk menghasilkan  lebih optimal  gas metana  yang dihasilkan.

Produk yang diharapkan kualitas metana yang tinggi, serta  limbahnya kotoranya  dapat digunakan sebagai  pupuk C/N lebih tinggi sehingga dapat mengurangi penggunaan pupuk kimia, sehingga dapat mencegah kelebihan pupuk kimia. Dan, tulisan ini mengungkapkan sifat-sifat komponen  biogas.

Perlu di ketahui, bahwa Biogas adalah salah satu sumber daya terbarukan yang paling menarik karena kemampuannya mengubah limbah menjadi energi. Biogas dihasilkan selama proses pencernaan anaerobik dari berbagai sumber limbah organik dengan kombinasi terutama CH4 (~50 mol/mol), CO2 (~15 mol/mol), dan beberapa jejak gas. Persentase jejak gas ini terkait dengan kondisi operasi dan bahan baku. Karena kotoran dari gas sisa, biogas mentah harus dibersihkan sebelum digunakan untuk banyak aplikasi. Oleh karena itu, pembersihan, peningkatan, dan pemanfaatan biogas menjadi topik penting yang banyak dipelajari dalam beberapa tahun terakhir.

Kemudian, dengan menggunakan perkembangan terkini, dijelaskan metode pembersihan yang telah digunakan untuk menghilangkan komponen yang tidak diinginkan dalam biogas. Selain itu, proses peningkatan ditinjau secara sistematis sesuai dengan teknologinya, rentang pemulihan, dan metode mutakhir di bidang ini, terkait perolehan biometana dari biogas. Selain itu, metode peningkatan ini telah ditinjau secara komprehensif dan dibandingkan satu sama lain dalam hal konsumsi listrik dan kehilangan metana.

Dokpri

Perbandingan ini mengungkapkan bahwa scrubbing amina adalah salah satu metode yang paling menjanjikan dalam hal kehilangan metana dan kebutuhan energi dari sistem. Pada bagian pemanfaatan biogas, biogas mentah dan biometana telah dinilai dengan data terbaru yang tersedia dari literatur sesuai dengan area dan metode penggunaannya. Tampaknya biogas dapat digunakan sebagai biofuel untuk menghasilkan energi melalui CHP dan sel bahan bakar dengan efisiensi tinggi. Selain itu, dapat digunakan dalam mesin pembakaran internal yang mengurangi emisi gas buang dengan menggunakan biofuel.

Terakhir, produksi bahan kimia seperti biometanol, bioetanol, dan alkohol yang lebih tinggi sedang dalam tahap pengembangan untuk pemanfaatan biogas dan dibahas secara mendalam. Tinjauan ini mengungkapkan bahwa sebagian besar pendekatan pemanfaatan biogas masih dalam tahap awal. Kesenjangan yang membutuhkan penyelidikan lebih lanjut di lapangan telah diidentifikasi dan disorot untuk penelitian di masa depan

Pada bagian ini, teknologi terbaru untuk perbaikan dan peningkatan biogas serta proses methanasi biologis yang dihasilkan dirangkum. Makalah ini membahas prinsip-prinsip utama dari berbagai metode pemutakhiran, fitur/konsekuensi teknis dan ilmiah untuk efisiensi biometanasi, tantangan yang perlu ditangani untuk perbaikan lebih lanjut, dan penerapan konsep pemutakhiran.

Seperti disebutkan pada bagian sebelumnya, rasio CH4 dan CO2 dalam biogas sebagian besar berkisar antara 50--70% dan 30--50%, tergantung sebagian pada kandungan organik dan pH substrat. Selain gas CH4 dan CO2, biogas mungkin mengandung gas N2 dalam rentang konsentrasi 0--3% tergantung pada volume ruang head pada awal produksi gas di dalam reactor. 

Komponen minor terpenting adalah karbon monoksida (CO), O2, hidrogen sulfida, H2, dan NH3. Bergantung pada sumber substrat dalam reaktor, biogas mungkin mengandung kontaminan lain seperti siloksan (0--41 mg Si/m3), hidrokarbon volatil (alkohol, asam lemak, terpena) atau hidrokarbon terfluorinasi, uap terklorinasi, logam berat, dan aromat

Semua gas kecuali CH4 yang terkandung dalam biogas adalah gas yang tidak diinginkan dan dikenal sebagai polutan biogas. Untuk proses pemurnian biogas, langkah pertama adalah pembersihan biogas dan langkah kedua adalah peningkatan biogas. Pembersihan biogas dilakukan untuk menghilangkan komponen berbahaya atau beracun seperti H2S, Si, CO, siloksan, VOC, dan NH3. Langkah kedua, upgrading biogas, bertujuan untuk meningkatkan nilai kalor biogas dan mengubahnya menjadi bahan bakar standar. 

Selain itu, peningkatan biogas adalah proses pemisahan gas bertingkat yang melibatkan pemisahan gas CO2, mengeringkan gas untuk menghilangkan kadar air, dan mengekstraksi serta mengompres komponen kecil lainnya. Agar biogas dapat digunakan dalam aplikasi yang berbeda, kandungan metananya harus minimal 90% (v/v) . Biogas yang ditingkatkan yang memiliki kandungan metana 95% (v/v) disebut biometana

Karbon Dioksida

Hampir semua bagian biogas yang tidak mudah terbakar adalah gas CO2, dan hal ini mengurangi nilai kalori per satuan volume biogas. Hal ini membatasi penggunaan biogas seperti biofuel untuk transportasi, memasak, dan penerangan, dll., yang membutuhkan teknologi pembakaran langsung. 

CO2 menimbulkan kerugian seperti ruang ekstra yang ditempati di area penyimpanan biogas dan penggunaan energi ekstra dalam kompresi biogas. Es kering terbentuk sebagai hasil kompresi biogas dengan CO2 dan hal ini menimbulkan masalah pembentukan gumpalan dan pembekuan di katup atau titik pengukuran. Hal ini mempersulit penyimpanan biogas dalam wadah untuk transportasi dan membatasi penggunaannya. Untuk alasan tersebut, penghilangan CO2 dalam biogas menjadi penting dalam hal penggunaannya dalam skala yang lebih besar.

Berbagai teknologi komersial tersedia untuk memisahkan CO2 dari biogas. Kelarutan CO2 yang lebih tinggi dalam air daripada gas CH4 memungkinkan mereka untuk dipisahkan satu sama lain dengan memanfaatkan perbedaan kelarutannya dalam air. Pada suhu 25 C, kelarutan CO2 dalam air 26 kali lebih tinggi daripada kelarutan CH4 dalam air. Biometana yang mengandung 95--99% (v/v) CH4 dapat diperoleh dari hasil proses pemisahan dengan cara ini. 

Water scrubbing adalah salah satu metode yang paling umum digunakan untuk pembersihan biogas .. Biogas dikirim ke kolom absorpsi dengan menekan dari bawah (6-10 bar) dan air disuplai dari atas kolom pada waktu yang bersamaan. Kolom serapan yang digunakan diisi dengan bahan pengemas secara acak agar dapat bekerja lebih efektif. Air jenuh dipindahkan ke flash tank di mana tekanan diturunkan menjadi sekitar tiga bar untuk meminimalkan kehilangan metana. 

Air meninggalkan tangki flash dan pergi ke kolom desorpsi. Udara dibawa ke tangki desorpsi karena meningkatkan gaya penggerak untuk desorpsi CO2 dengan menurunkan tekanan parsialnya. Sistem peningkatan scrubber air biogas mentah 1000 Nm3/jam perlu mensirkulasikan 200 m3/jam air pada tekanan 8 bar pada suhu 20 C. Manfaat water scrubber adalah H2S dapat dihilangkan dengan penghilangan CO2 karena kelarutan H2S dalam air lebih tinggi daripada CO2. 

Jika H2S dihilangkan dengan CO2 pada saat yang sama, kualitas air dapat menurun dengan cepat, oleh karena itu dianjurkan menggunakan air tawar. Sistem upgrading memiliki beberapa keuntungan seperti ekonomis, memiliki efisiensi tinggi, tidak memerlukan bahan kimia tambahan, dan memperoleh tingkat pemulihan metana yang tinggi di atas 97% Namun, investasi awal yang tinggi dan permintaan energi yang tinggi selama regenerasi air merupakan kelemahan utama dari sistem ini.

CO2 adalah komponen utama kedua dari biogas. Selama proses degradasi bahan organik yang kompleks, berbagai jenis bakteri terlibat untuk menghasilkan biogas. CO2 diproduksi selama beberapa langkah ini dan bertindak sebagai akseptor elektron untuk mikroorganisme metanogenik. 

Persentase komponen ini di dalam biogas dipengaruhi oleh suhu, tekanan, dan kandungan cairan di dalam digester.Konsentrasi CO2 terlarut dalam air menurun dengan meningkatnya suhu selama proses fermentasi yang menyebabkan peningkatan kadar CO2 dalam biogas yang dihasilkan. Berbeda dengan dua parameter lainnya (tekanan dan kandungan cairan di dalam digester), ketika lebih tinggi akan menyebabkan peningkatan konsentrasi CO2 terlarut dalam air, yang menyebabkan penurunan kadar CO2 dalam biogas yang dihasilkan. Hal ini dianggap bermanfaat untuk biogas.

Kandungan energi volumetrik biogas menurun dengan meningkatnya persentase CO2. Ketika biogas digunakan sebagai bahan bakar kendaraan, CO2 dianggap sebagai pengotor; oleh karena itu, harus dihilangkan dari biogas mentah. Namun, itu dapat ditoleransi untuk pembangkit listrik dan panas. Ketika CO2 dicampur dengan air, CO2 akan diubah menjadi asam karbonat. Formasi ini akan menyebabkan beberapa kerusakan pada peralatan..

UAP AIR

Proses pencernaan anaerobik dikategorikan berdasarkan kelembaban dalam kandungan digester, yang terkait dengan kadar air bahan baku. Ada dua jenis pencernaan anaerobik utama: pencernaan anaerobik basah (cair) dengan kadar air dari 85% sampai 99,5% dan pencernaan anaerobik kering (padatan tinggi) dengan kelembaban dari 60% sampai 85%. Dengan demikian, selama proses pencernaan anaerobik, sejumlah kecil air ini menguap menjadi salah satu komponen biogas. Proporsi dalam biogas tergantung pada suhu dan tekanan internal digester.

Air dalam biogas mentah dapat menimbulkan beberapa masalah seperti korosi peralatan dan reaksi dengan komponen lain seperti CO2, NH3, dan H2S untuk menghasilkan larutan asam. Selanjutnya, hal itu dapat menyebabkan penyumbatan saluran pipa, pengukur aliran, katup, kompresor, dll., selama pendinginan berikutnya. Dua fase hidup berdampingan; cair dan gas menyebabkan osilasi aliran yang dapat mengganggu kontrol operasi. 

Selain itu, air menurunkan kandungan energi dan mempengaruhi nilai panas biogas. Singkatnya, air memberikan dampak negatif terhadap pemanfaatan biogas, sehingga biogas perlu dikeringkan terlebih dahulu sebelum digunakan.

HIDROGEN SULFIDA

Hidrogen sulfida dianggap sebagai salah satu gas paling beracun karena dapat menimbulkan risiko serius bagi kesehatan manusia dan dapat membunuh dengan cepat (dari 30 menit hingga satu jam) jika konsentrasinya mencapai 0,05% dari udara yang dihirup. Ini juga dapat digunakan sebagai racun saraf yang kuat. Ketika gas ini bergabung dengan zat alkali di jaringan, dapat membentuk natrium sulfida dan menyebabkan kerusakan pada sistem pernapasan dan mata. 

Ketika tiba di aliran darah, itu terkait dengan hemoglobin yang menyebabkan pembentukan hemoglobin yang tidak dapat direduksi yang menyebabkan gejala toksik. Demikian pula, itu menggairahkan lendir manusia dengan cara yang kuat. Ini dengan cepat diambil oleh paru-paru dan lambung dan dapat menyebabkan konjungtivitis.

Gas ini terjadi dalam jumlah kecil (tingkat ppm) selama degradasi protein selama proses pencernaan anaerobik dari belerang yang terikat secara organik (protein pembawa S). Laju produksi gas ini berbeda dengan laju protein pada substrat yang masuk ke digester. 

Tingkat rendah dicatat dengan limbah sayuran. Sedangkan kadar tertinggi berasal dari bahan kaya protein seperti tetes tebu, yang menghasilkan lebih dari 3% volume H2S. Namun rata-rata dihasilkan oleh kotoran hewan seperti kotoran unggas dan kotoran sapi dan babi dengan kadar H2S masing-masing 0,5% dan 0,3%. Biasanya gas dalam biogas dari instalasi pengolahan air limbah ini lebih tinggi dibandingkan dengan biogas dari TPA. Sumber gas H2S lainnya berasal dari transformasi biokimia mineral belerang (sulfat) menjadi sulfida oleh bakteri pereduksi sulfat. 

Sulfida menghambat metanogen dan dapat menurunkan produksi metana. Sumber gas H2S lainnya berasal dari transformasi biokimia. Selama proses AD, ketika terjadi degradasi senyawa belerang (S) dan desulfurisasi sulfat (SO42), H2S dihasilkan. Mikroorganisme membutuhkan SO42 karena tidak hanya diubah menjadi bahan seluler dengan enzim tetapi juga berperilaku seperti akseptor elektron saat bahan organik teroksidasi. Jika SO42 ada di dalam reaktor AD, H2S dihasilkan dari H2 dan SO42. 

Bakteri pereduksi sulfat dan metanogen bersaing satu sama lain untuk mendapatkan H2 dalam reaktor AD. Dalam keadaan ini, bakteri pereduksi sulfat dapat mendominasi metanogen karena laju pertumbuhan mikroba yang lebih tinggi, permintaan H2 yang lebih tinggi, dan hasil energi yang lebih tinggi selama reduksi. Oleh karena itu, jika terdapat sulfat selama pencernaan anaerobik, bakteri pereduksi sulfat selalu menghasilkan H2S.

H2S adalah pengotor yang paling bermasalah dan umum dalam biogas mentah seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3. Ini adalah gas tidak berwarna dengan bau telur busuk yang kuat yang muncul bahkan pada konsentrasi yang sangat rendah (0,05 hingga 500 ppm). Itu mudah terbakar. 

Ketika dicampur dengan oksigen, itu membentuk campuran eksplosif. Pada pembakaran, bila bereaksi dengan air akan membentuk sulfur dioksida (SO2) yang merupakan bahan beracun dan menyebabkan gas buang tampak korosif akibat terbentuknya asam sulfat. Yang terakhir menyebabkan hujan asam mengendap yang berbahaya bagi lingkungan. Emisi udara dari SO2 terbatas di beberapa negara. H2S juga menghasilkan asam lemah ketika dilarutkan dalam air. 

Pada suhu kamar, dapat menghasilkan sulfida logam melalui reaksi dengan oksida logam tertentu seperti oksida seng dan oksida besi. Itu juga dapat menghasilkan hidrosulfida atau logam sulfida melalui reaksi dengan alkali. Demikian pula, dapat menghasilkan sulfida dengan kelarutan rendah melalui reaksi dengan ion logam dalam bentuk cair kecuali logam alkali dan amonium. Untuk senyawa tembaga, jenis gas ini bersifat kaustik. Selain itu juga merusak banyak komponen mesin

 SILOKSAN

Siloksan adalah senyawa organik berdasarkan kombinasi dan pengulangan atom silikon dan oksigen yang dikelilingi oleh gugus metil. Biasanya mereka diklasifikasikan sebagai VOC karena terdegradasi menjadi volatile methyl siloxanes (VMS). Yang terakhir memiliki struktur linier atau siklik dan degradasinya membuat mereka menjadi spesies dengan berat molekul rendah

Siloksan sebagian besar ditambahkan ke produk konsumen perawatan kesehatan untuk meningkatkan pelumasan. Mereka digunakan dalam berbagai produk termasuk kosmetik, sampo, sabun, deterjen, dalam penggunaan industri sebagai prekursor dalam produk silikon polimer, cat, dll. 

Sebagian besar senyawa ini dialirkan ke instalasi pengolahan air limbah (IPAL) setelah dibilas, di mana senyawa tersebut diserap oleh lumpur. Karena siloksan ini tahan terhadap degradasi biologis dan kimiawi dan memiliki kelarutan yang rendah, mereka terakumulasi di dalam lumpur, menjadikannya reservoir siloksan. Reservoir lain untuk siloksan adalah TPA, di mana sebagian besar residu produk yang mengandung siloksan dibuang .

Saat mengolah lumpur dengan proses pencernaan anaerobik atau limbah di tempat pembuangan akhir, siloksan hadir dalam biogas mentah sebagai pengotor. Oleh karena itu, jumlah siloksan dalam biogas yang dihasilkan dari digester yang menggunakan limbah makanan, sisa produk pertanian, atau kotoran hewan diperkirakan jauh lebih sedikit daripada yang dihasilkan oleh landfill atau digester yang mengolah lumpur. 

Studi sebelumnya menunjukkan bahwa jumlah maksimum siloksan yang diharapkan dapat ditemukan dalam biogas yang dihasilkan dari tempat pembuangan sampah adalah dari 4 hingga 9 ppm, sementara persentase ini melebihi 41 ppm dalam biogas dari digester yang mengolah lumpur.

Seperti disebutkan di atas, siloksan yang ada dalam biogas mentah adalah kotoran yang bermasalah. Karena hal ini mempengaruhi kinerja biogas sebagai sumber energi, hal ini juga mempengaruhi peralatan yang digunakan selama produksi energi. Sedangkan selama proses pembakaran biogas, oksigen bereaksi dengan VMS pada suhu dan tekanan tinggi, endapan SiO2 putih terbentuk dalam bentuk morfologi yang berbeda (endapan putih, kaca, kristal, mikrokristalin, dan amorf). 

Dalam beberapa kasus, endapan ini diasosiasikan dengan komponen lain seperti kalsium atau belerang. Endapan ini dapat menghasilkan sifat isolasi abrasif dan termal, yang dapat menyebabkan kerusakan pada turbin, mengurangi masa pakai dan efisiensi mesin, serta menyebabkan kerusakan pada asesorisnya seperti katup, kepala mesin, dan busi. Selain itu, endapan ini dapat menyebabkan ledakan di ruang bakar, keracunan katalis, dan dapat menyumbat pipa. Untuk itu, dalam biogas mentah, batas siloksan yang disarankan adalah 0,2 mg m3, dan di beberapa industri, aturan ketatnya adalah <0,1 mg/m3

Nitrogen, Amonia Nitrogen, dan Oksigen

Nitrogen dan oksigen umumnya tidak ada dalam reaktor karena kondisi anaerobik. Jika nitrogen terdeteksi dalam biogas mentah, itu merupakan tanda kuat denitrifikasi atau kebocoran udara di dalam reaktor. Selain itu, di antara penyebab senyawa nitrogen yang ada dalam biogas, penyebab utamanya adalah pelepasan senyawa nitrogen setelah bakteri mereduksi protein dalam media pereduksi yang selanjutnya diubah menjadi amonia. 

Biogas yang dihasilkan dari digester limbah organik atau pertanian umumnya mengandung proporsi nitrogen yang rendah (biasanya 0,1%) dibandingkan dengan yang dihasilkan dari tempat pembuangan akhir (kebanyakan dari 5% sampai 15%). Sebaliknya, amonia berair dapat digunakan untuk pemurnian dan peningkatan biogas dengan menyerap H2S dan CO2. Sebuah studi baru-baru ini menunjukkan efek positif yang signifikan dari nitrogen amonia pada peningkatan biogas. Dengan 5500 mg/L amonia nitrogen, kandungan CH4 dalam biogas mencapai 94,1%.

Sejumlah kecil oksigen terdapat dalam biogas mentah yang dihasilkan dari pencernaan anaerobik, karena oksigen akan bereaksi dengan H2S atau dikonsumsi oleh bakteri anaerob fakultatif pada awal proses pencernaan anaerobik, dan oksigen itu sendiri tidak akan terdeteksi. 

Demikian pula, ekstraksi gas TPA menyebabkan tekanan internal yang rendah, yang menyebabkan beberapa penyerapan udara. Oksigen dapat menyebabkan ledakan jika kandungan CH4 dalam biogas adalah 60% dan udara mencapai kisaran antara 8,5% dan 20,7% pada suhu 25 C. Selain itu, oksigen dapat menyebabkan pembentukan campuran yang mudah terbakar [20]. Oleh karena itu, rasio udara harus disesuaikan dengan hati-hati. Jumlah oksigen 1% sampai 2% dianggap ideal. Demikian pula, rasio nitrogen terhadap oksigen 4:1 dalam biogas mentah disebut ideal.

 SENYAWA ORGANIK YANG MUDAH MENGUAP

Senyawa organik volatil (VOC) ada dalam jumlah kecil di biogas. Mereka dibagi menjadi keluarga kimia yang berbeda seperti aromatik, alkana, alkohol, halogen, senyawa belerang (tidak termasuk hidrogen sulfida), karbonil, dan siloksan. Jenis dan konsentrasi senyawa ini dalam biogas bergantung pada asal substrat. 

Sebagai contoh, konsentrasi yang sangat rendah dari senyawa-senyawa ini tercatat dalam biogas pencerna peternakan. Sebaliknya, konsentrasi ini meningkat pada gas yang dihasilkan oleh air limbah, limbah rumah tangga, dan tempat pembuangan sampah. Bahan yang menghasilkan komponen tersebut antara lain senyawa pembersih, produk kosmetik, senyawa silikon, lak, bahan pembusa, obat-obatan, agregat, perekat, pelarut, pestisida, plastik sintetik, propelan, tekstil, pelapis, dll. 

Peningkatan konsentrasi senyawa ini dalam biogas dikaitkan dengan emisi langsung dari substrat atau penguapan setelah degradasi senyawa (molekul kompleks) dan transformasi mereka menjadi massa molekul rendah. Akibatnya, VOC yang diukur dalam biogas pada awal pencernaan pada dasarnya berasal dari volatilisasi langsung, sedangkan konsentrasi yang diukur setelah durasi tertentu pencernaan dalam biogas ditentukan oleh laju biodegradasi substrat

Meskipun konsentrasinya rendah dalam biogas mentah (biasanya 1% volume), seperti hidrogen sulfida, VOC menyebabkan masalah peralatan dan efek lingkungan negatif seperti gas rumah kaca, kontaminan air tanah, dan bau yang tidak menyenangkan, dan dapat mempengaruhi kesehatan manusia. Misalnya, asam dapat terbentuk selama pembakaran hidrokarbon terhalogenasi (dengan adanya air) seperti asam fluorida (HF) atau asam klorida (HCl) yang dapat menyebabkan pengasaman, degradasi peralatan prematur, dan korosi bahan dan permukaan katalitik. 

Demikian pula, organoklorida dalam biogas dapat menyebabkan korosi mesin pembakaran, dan senyawa silikon dan klorida menjadikan gas TPA sebagai bahan bakar kendaraan jauh lebih mahal dan seringkali terlalu rumit. Umumnya, akumulasi VOC mempengaruhi berfungsinya sistem untuk mengubah biogas menjadi energi; untuk alasan ini, kandungannya dalam biogas harus dikontrol dengan hati-hati.

 PARTIKULAT

Beberapa peneliti telah melaporkan adanya partikulat (debu) dalam biogas mentah yang dihasilkan dari pencernaan atau tempat pembuangan sampah. Hal ini dapat menyebabkan kerusakan mekanis pada turbin gas dan mesin gas karena sifat abrasifnya, atau menyebabkan penyumbatan saat mengendap di tangki penyimpanan gas dan kompresor. Mereka juga dapat membentuk inti kondensasi tetesan air. Untuk alasan ini, kandungan total partikel dan aerosol dalam biogas harus dijaga di bawah 0,01 mg/m3.

KESIMPULAN. 

Mengegetahui karakteristik komponen penyusun biogas , pentingnya adalah (1)  memudahkan kita dalam  pemilihan bahan untuk membuat peralatan fermentor biogas. (2) memudahkan kita untuk memilih Teknik permunian biogas yang digunakan, sehingga konsentrasi Metana bisa ditingkatkan.