Prinsip Teori Pembentukan Gas Bio

1.  Latar belakang

Peningkatan jumlah penduduk ,peningkatan pendapatan serta kesadaran akan gizi telah mendorong terhadap kegiatan perekonomian dalam rangka  penyediaan berbagai jenis bahan pangan.  Diantara bahan  pangan tadi, makanan yang banyak digemari oleh masyarakat Indonesia ialah tahu karena selain harganya terjangkau dan mengandung protein yang tinggi.  Oleh karena itu pangsa pasar tahu sangat luas sehingga banyak  pengrajin yang terjun untuk menekuni usaha ini.  Usaha pembuatan tahu menghasilkan hasil sampingan yang berupa ampas tahu yang cukup banyak.  Ampas tahu masih mengandung  gizi cukup tinggi dan baik untuk makanan ternak sapi. Dalam rangka memanfaatkan ampas tahu tadi, banyak pengrajin tahu juga melakukan diversifikasi usahanya dengan  kegiatan beternak sapi perah , karena kebutuhan masyarakat yang meningkat baik  terhadap   produk susu  maupun olahannya (es yohurt)   . Salah satu tempat yang melakukan kegiatan terpadu antara pengusahaan tahu dan ternak sapi perah berada di kelurahan Nagrog Indihiang kecamatan Indihiang kota Tasikmalaya.

Walaupun ternak sapi perah dapat memanfatkan  limbah tahu yang berupa ampas , akan tetapi di sisi lain ternak sapi juga menghasilkan  kotoran sapi yang menjadi salah satu sumber pencemaran lingkungan.  Upaya mengurangi pencemaran yang disebabkan oleh kotoran tersebut telah dilakukan tetapi sebatas  untuk pembuatan pupuk organic, padahal kotoran sapi ini dapat pula diolah  menjadi bahan yang memiliki nilai yang lebih tinggi yaitu  gas bio/ biogas. Selain dari kotoran sapi, bahan baku untuk biogas ini berasal dari berbagai macam seperti sampah, kotoran manusia, kotoran hewan lainnya. Limbah-limbah  organik (biomassa) tadi dapat dimanfaatkan menjadi energi melalui proses pencernaan oleh bakteri  anaerob (tanpa oksigen).  Gasbio yang dihasilkan berupa campuran beberapa gas yang tergolong bahan bakar , yaitu gas  metan (CH₄) dan gas karbondioksida (CO₂). Produksi gas metan dari biomassa bukan merupakan proses yang baru.  Alexander Volta di abad 18 (1776) menemukan gas metana dalam gas yang dihasilkan rawa/ payau. Hasil identifikasi gas yang dapat terbakar ini dilakukan oleh Willam Henry pada tahun 1806. Becham (1868) murid Louis Pasteur dan Tappeiner (1882) adalah orang pertama yang memperlihatkan asal mikrobiologis dari pembentukan gas metan.

Kotoran sapi merupakan campuran antara  feces, urin dan sisa sisa pakan tersusun dari bahan-bahan organic yang strukturnya rumit dan berupa rantai yang panjang.  Di dalam kotoran sapi secara alami terdapat bakteri yang akan  menggunakan energi yang terdapat pada bahan organic tadi. Rantai panjang bahan organic perlu dipecah dulu menjadi rantai pendek agar energi yang ada dapat digunakan oleh bakteri melalui serangkaian reaksi. Pemecahan rantai panjang menjadi rantai pendek oleh enzim yang terdapat pada bakteri disebut reaksi pembusukan (fermentasi) yang akan membentuk gas bio yaitu metana.

2.  Pencemaran lingkungan oleh limbah kotoran sapi.

 Kotoran sapi sebagai limbah pengusahaan peternakan dapat menjadi penyebab menurunnya mutu lingkungan melalui pencemaran lingkungan yang akan  menggangu kesehatan manusia. 

 Feces dan urine merupakan komponen terbesar dari kotoran sapi ,masih mengandung nutrisi atau zat padat yang potensial untuk mendorong kehidupan jasad renik yang dapat menimbulkan pencemaran.  Suatu studi mengenai pencemaran air (air permukaan dan air bawah tanah)  oleh limbah peternakan melaporkan bahwa total sapi dengan berat badannya 5000 kg, selama satu hari kotorannya dapat mencemari 9.084 x 10 ⁷ m³ air.   Sapi dengan bobot 450 kg menghasilkan limbah berupa feses dan urin lebih kurang 25 kg per hari sehingga jumlah air yang mendapatkan pencemaran dapat dihitung, apalagi kalau pembuangan kotoran tadi dilakukan langsung ke sungai.  Salah satu akibat pencemaran air tersebut ialah meningkatnya kadar nitrogen sehingga menyebabkan penurunan konsentrasi oksigen yang disebabkan oleh proses nitrifikasi.  Pencemaran air juga terjadi karena proses dekomposisi  kotoran ternak akan meningkatkan  BOD dan COD (Biological/Chemical Oxygen Demand).

Selain melalui air pencemaran juga  terjadi secara biologis .  Kotoran yang basah merupakan media yang baik bagi pertumbuhan lalat.  Pencemaran biologis lainnya ialah adanya pathogen yang membahayakan manusia seperti adanya Salmonella sp penyebab disentri, dan penularan penyakit antraks.

Dalam keadaan keringpun  kotoran sapi dapat menimbulkan pencemaran yaitu dengan menimbulkan debu, dan bau yang ditimbulkannya.    

Pengaruh negative lainnya  yaitu proses pencernaan sapi akan menghasilkan gas metan yang cukup tinggi yang merupakan salah satu gas yang menyebabkan pemanasan global dan perusakan ozon.

3.  Potensi Kotoran Sapi sebagai penghasil Gas Bio

Substrat yang dianggap paling cocok sebagai bahan dasar pembuatan gas bio yaitu kotoran sapi karena substrat tersebut telah mengandung bakteri di dalam system pencernaannya yang berfungsi untuk mencerna selulosa dan lignin dari rumput atau hijauan berserat tinggi.

 Berdasarkan hasil analisis diperoleh bahwa tinja sapi mengandung 22.59% sellulosa, 18.32% hemi-sellulosa, 10.20 % lignin, 34.72% total karbon organik, 1.26 total nitrogen, 27.56 CN ratio 6:1 0.73% P, dan 0.68% K. Hewan – hewan ini tidak dapat memproses rumput yang mereka makan, bila tidak ada bakteri anaerobik yang memecah selulosa dan kandungan lainnya didalam rumput menjadi molekul yang dapat diserap oleh perut mereka. Sisa pencernaan oleh   bakteri anaerobic  di dalam perut sapi ini adalah gas metana yang dikeluarkan oleh sapi melalui mulut.

Bakteri yang terbawa oleh kotoran sapi apabila digunakan untuk produksi gas bio dalam tangki penghasil gas (pencena) akan mempercepat terbentuknya gas bio.  Komposisi gas bio terdiri dari : metana  antara  50 – 80%, 20 – 50% karbondioksida dan sedikit gas lain seperti karbon monooksida, hidrogen, nitrogen, oksigen,hidrogen sulfide. Kualitas gas bio yang baik adalah gas bio yang kadar metananya tinggi (diatas 70%). Semakin tinggi kandungan metana maka semakin besar kandungan energi (nilai kalor) pada gas bio.  Gasbio memiliki nilai kalor yang cukup tinggi, yaitu kisaran 4800-6700 kkal/m³, untuk gas metan murni (100 %) mempunyai nilai kalor 8900 kkal/m³. 

Pada umumnya peternak sapi di Indonesia mempunyai rata- rata 2 – 5 ekor sapi dengan lokasi yang tersebar tidak berkelompok ,melakukan pembuangan limbahnya dengan begitu saja ke lingkungan.   Umumnya setiap kilogram susu yang dihasilkan ternak perah menghasilkan 2 kg limbah padat (feses), dan setiap kilogram daging sapi menghasilkan 25 kg feses.

Hasil biogas dari rata 3 – 5 ekor sapi tersebut setara dengan 1-2 liter minyak tanah/hari .  Volume gas bio 1 m³ setara dengan elpiji 0,46 kg, minyak tanah 0,62 liter, minyak solar 0,52 liter kayu bakar 3,5 kg.

 .

3.  Mekanisme pembentukan gas bio.

Pembentukan gasbio dilakukan oleh mikroba pada situasi anaerob, yang meliputi tiga tahap yaitu tahap Hidrolisis, tahap Asidifikasi dan tahap pembentukan gas metan (metanogenik).  Pembentukan gas bio dapat dilihat pada gambar 1. di bawah ini.

 

Gambar 1.  Pembentukan Gas Bio

1.  Tahap I (Hidrolisis).

Tahap  ini dikenal pula sebagai tahap pemecahan polimer oleh enzim yang berasal dari bakteri. Pada tahap hidrolisis terjadi pelarutan bahan-bahan organic dan pencernaan bahan organic komplek menjadi sederhana, perubahan struktur bentuk primer menjadi bentuk monomer dengan bantuan air (hidro). Contohnya ialah :

·      Celulosa yang  terdiri dari polimer gula dipecah menjadi gugus gula oleh selulase,

·        amilosa oleh amylase menjadi gula (monosakarida),

·       protein oleh protease  menjadi peptide dan asam amino

·       lemak oleh lipase menjadi asam lemak.

2.  Tahap pengasaman.

·         Pada tahap ini, bakeri mengubah senyawa rantai pendek hasil proses pada tahap hidrolisis menjadi  asam asetat, hidrogen (H₂) dan karbondioksida (CO₂). Bakteri tersebut merupakan bakteri anaerobik yang dapat tumbuh dan berkembang pada keadaan asam. Untuk menghasilkan asam asetat, bakteri tersebut memerlukan oksigen dan karbon yang diperoleh dari oksigen yang terlarut dalam larutan. Pembentukan asam pada kondisi anaerobik tersebut penting untuk pembentuk gas metana oleh mikroorganisme pada proses selanjutnya.

·         Selain itu bakteri tersebut juga mengubah senyawa yang bermolekul rendah menjadi asam organic (Asam propionate, asam butirat),  alkohol,  asam amino, karbondioksida, H₂S, dan sedikit gas.

3.  Tahap Pembentukan Gas Metana

Pada tahap ini bakteri metanogenik mendekomposisikan senyawa dengan

berat molekul rendah menjadi senyawa dengan berat molekul tinggi. Sebagai

contoh bakteri ini menggunakan hidrogen, CO2 dan asam asetat untuk membentuk

metana dan CO2. Bakteri penghasil asam dan gas metana bekerjasama secara

simbiosis. Bakteri penghasil asam membentuk keadaan atmosfir yang ideal untuk

bakteri penghasil metana. Sedangkan bakteri pembentuk gas metana

menggunakan asam yang dihasilkan bakteri penghasil asam. Tanpa adanya proses

simbiotik tersebut, akan menciptakan kondisi toksik bagi mikroorganismepenghasil asam.

Reaksi-reaksi kimia yang berlangsung pada saat pembentukan gas 

Bakteri yang membantu dalam proses-prosses ini ialah : Bakteri yang membantu dalam proses Streptococcus bovis, . Butyrivibrio fibrisolvens, Bacteroides succinogenes, , Methanobrevibacter ruminantium, Methanobacterium formicicum , Methanobacillus, ethanomicrobium mobile, Methanococcus, Methanobacterium, dan Methanosarcina

4. Penutup

Dari uraian diatas jelaslah bahwa kotoran sapi sangat berpotensi untuk pembuatan gas bio karena ketersediannya cukup sebagai limbah dari usaha peternakan , juga sudah mengandung bakteri – bakteri yang dapat mempercepat terbentuknya gas bio apabila diproses dalam tangki pencerna (bio digester).  Pembuatan gas bio yang berasal dari kotoran sapi sangat bermanfaat untuk meningkatkan kualitas lingkungan hidup serta mengurangi gas metan sebagai salah satu gas penyebab pemanasan global.  Serangkaian tahapan reaksi harus dilalui agar kotoran sapi  menghasilkan gas bio yaitu tahap hidrolisis, tahap pengasaman dan tahap pembentukan gas metan.  Reaksi-reaksi tersebut hanya akan terjadi oleh bantuan bakteri-bakteri anaerobic yang mengasilkan enzim.

Daftar Pustaka:

http://www.energysavers.gov/your_workplace/farms_ranches/index.cfm/mytopic=30003, How Anaerobic Digestion (Methane Recovery) Works [dikunjungi  16 April 2010].

http://crat.sci.waikato/farm/content/microbiology.html#, cowsgut,[dikunjungi  16 April 2010].

http://crat.africa-web.org/Biogas/BIOGAS%20CHEMISTRY.htm ,Biogas Chemistry [dikunjungi  16 April 2010].

Kharistya amar, 2004, Rancang Bangun dan Uji Kinerja Biodigester Plastik Polyethilene Skala Kecil, Skripsi, Program Studi Teknik Pertanian, Jurusan Teknologi Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Padjadjaran ,Bandung Adobe Acrobat Document