1.1 Tinjauan Fisika dan Konversi Energi

Tekanan yang terjadi pada biogas terdapat dalam biodigester. Tekanan adalah gaya normal

yang diberikan pada suatu permukaan persatuan luas.

P= F/A . . . . . . . . . . . . . . . . .(1)

Dimana : F= gaya yang bekerja, (N)

A=luas permukaan, (m2)

Karena gaya yang bekerja pada biodigester berupa berupa fluida cair maka dari persamaan (1) bisa

didekati dengan

Dimana : p = massa jenis fluida (kg/m3)

g= percepatan gravitasi, (m/s2)

h= kedalaman, (m)

ph= tekanan hidrostatis, (Pa) atau (Nm2)

Manometer digunakan untuk mengukur beda antara intensitas tekanan di suatu titik dan tekanan

atmosfer.

Sehingga dapat diuraikan persamaan tekanan yang terjadi, sebagai berikut :

P + p gas bio g Xi + p gX = Pa + p gH. . . . . . . . .(3)

Dimana: P= tekanan dalam biodigester (N/m2)

Pa=tekanan udara luar (1 atm)

p=massa jenis fluida (kg/m3)

p gas bio= massa jenis gas bio (kg/m3)

g= gravitasi (m/s)

X= tinggi fluida(m)

Xi= tinggi gas dalam manometer (m)

H= tinggi fluida (m)

Energi dari suatu benda adalah ukuran dari kesanggupan benda tersebut untuk

melakukan suatu usaha. Satuan energy adalah joule. Energy terbagi dalam berbagai dalam berbagai

macam atau jenis, contohnya energy panas, energy air, energy batu-bara, energy minyak bumi, energy

listrik, energy matahari, energy nuklir, dan energy gas bumi.

Energy yang disebutkan di atas termasuk energy yang tidak dapat diperbaharui.

Artinya, energy tersebut sumbernya terbatas dan sulit diperbanyak. Penggunaan energy secara tidak

terbatas dapat mempercepat habisnya sumber energy sehingga saat ini pemerintah gencar melakukan

kampanye hemat energy. Kebutuhan manusia yang tidak terbatas selalu dibatasi dengan ketersediaan

sumber daya untuk memenuhinya. Salah satu masalah keterbatasan manusia pada zaman modern ini

adalah bahan bakar khususnya bahan bakar minyak bumi (BBM). Hal itu karena BBM merupakan

sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui. Kondisi tersebut dialami oleh hampir seluruh

negara di dunia, termasuk Indonesia.

Setelah harga BBM naik beberapa hari yang lalu, kehidupan masyarakat baik di desa

maupun di kota semakin sulit. Warga berlomba-lomba mencari sumber energy alternative, ada yang

menggunkan energy matahari, energy air, maupun energy angin. Namun, sejauh ini masih belum

ditemukan sumber energy yang benar-benar bias mengantikan bahan bakar minyak. Kebanyakan

sumber energy alternative tidak bisa menghasilkan energy sebesar energy yang dihasilkan bahan

bakar minyak. Sebenarnya ada sumber energy alternative yang relative sederhana dan sangat cocok

untuk masyarakat pedesaan. Energy alternatif itu adalah biogas.

Biogas memiliki kandungan energy tinggi yang tidak kalah dari kandungan energy

dari bahan bakar fosil. Nilai kalori dari 1m³ biogas setara dengan 0,6-0,8 liter minyak tanah. Untuk

menghasilkan listrik 1Kwh dibutuhkan 0,62-1m³ biogas yang setara dengan 0,52 liter minyak solar.

Oleh karena itu biogas sangat cocok menggantikan minyak LPG, minyak tanah, dan bahan bakar.

Biogas mengandung 75% metana. Semakin tinggi kandungan metana dalam bahan bakar, semakin

besar kalori yang dihasilkan. Oleh karena itu, biogas juga memiliki karakteristik yang sama dengan

gas alam. Dengan demikian, jika biogas diolah dengan benar, bisa digunakan untuk menggantikan gas

alam.

Biogas saat ini telah dapat digunakan sebagai bahan bakar generator pembangkit

listrik. Generator yang sebelumnya menggunakan solar atau bensin sebagai bahan bakarnya dan dapat

digantikan dengan biogas. Sebagai sumber energi, dalam proses pemanfaatannya, tentu saja hal itu

menjadi kendala tersendiri. Karena itu, untuk penyimpanan energi yang dihasilkan melalui biogas,

terlebih dahulu melalui konversi energi menjadi energi listrik. Energi gerak yang ada digunakan

untuk mengerakkan turbin sehingga dapat dikonversi menjadi energi listrik dengan menggunakan

generator. Energy listrik yang dihasilkan tersebut dapat disimpan dalam bentuk arus DC, baik sebagai

aki maupun baterai. Sementara limbah dari biogas dapat digunakan sebagai pupuk. Bahkan, unsur-

unsur tertentu seperti protein, selulose, dan lignin tidak bisa digantikan oleh pupuk kimia.

1.2 Ketersediaan

Biogas adalah campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenik yang terjadi

pada material-material yang dapat terurai secara alami dalam kondisi anaerobik. Pada umumnya

biogas terdiri atas gas metana (CH4) 50-70%,karbondioksida (CO2) 30-40%, hydrogen (H2) 5-10%,

dan gas-gas lainnya dalam jumlah yang sedikit. Biogas memiliki berat 20% lebih ringan

dibandingkan udara dan memiliki suhu pembakaran antara 650-750°C.

Beberapa hal yang menarik pada teknologi biogas adalah kemampuannya untuk

membentuk biogas dari limbah organik yang jumlahnya berlimpah dan tersedia secara bebas.

Sejumlah bahan organic dapat digunakan bersama-sama dengan beberapa persyaratan produksi gas

atau pertumbuhan normal bakteri metan yang sesuai. Beberapa sifat bahan organic tersebut

mempunyai dampak yang nyata pada tingkat produksi gas, yaitu: rasio C/N, ketersediaan kotoran

hewan, pengadukan dan konsistensi input, padatan tak stabil, proses fermentasi, nilai PH (berkisan

antaran 6-7), suhu (optimal 35°C), laju pengumpalan, waktu tinggal dalam digester.

Sebelum merencanakan untuk membuat alat penghasil biogas, perlu diperhatikan

ketersediaan kotoran ternak dan suhu udara yang sesuai. Ketersediaan ternak merupakan syarat

mutlak yang harus dipenuhi. Arti ketersediaan dalam hal ini tidak hanya pada jumlah yang

mencukupi, tetapi juga kelangsungannya (kontinuitas). Di daerah yang banyak peternakan, hal ini

tidak menjadi masalah karena kotoran mudah diperoleh dalamjumlah yang mencukupi. Dengan alat

yang akan dibuat ini, diperlukan kotoran ternak segar (misalnya kotoran sapi) sebanyak 200 kg atau

sekitar 8 ember berukuran 22 liter untuk pengisian awal. Sebulan kemudian,setelah gas pertama

dihasilkan dibutuhkan kotoran ternak sekitar 15kg/hari.

Kebutuhan kotoran ternak per harinya akan dapat dipenuhi hanya dengan memiliki

seekor sapi saja. Namun,untuk amannya paling tidak peternak harus memiliki 2 ekor sapi atau

minimum 15 ekor kambing. Sebagai bahan perbandingan , table 1.1 menyajikan potensi kotoran yang

dihasilkan oleh beberapa jenis ternak.

Jenis Ternak Kotoran Padat Kotoran CairSapi 23,59 9,07Kuda 16,10 3,63Babi 2,72 1,59Domba 1,13 0,68Ayam 0,05  

Table 1.1 hasil kotoran dari seekor ternak dewasa (kg/hari)

Tipe Kotaran Hewan Produksi Gas Per Kg kotoran (m³)Sapi 0,023-0,040Babi 0,040-0,059Peternak ayam 0,065-0,116

Tabel 1.2 Potensi Produksi Gas Dari Berbagai Tipe Kotoran Hewan.

1.3 Pemanfaatan

Biogas (gas bio) merupakan gas yang timbul jika bahan-bahan organic seperti

kotoran hewan atau sampah direndam didalam air dan disimpan di dalam tempat tertutup atau

anaerob (tanpa oksigen dari udara). Biogas ini sebenarnya dapat terjadi pada kondisi alami, namun

untuk mempercepat dan menampung gas ini, diperlukan alat yang memenuhi syarat terjadinya gas

tersebut.

Jika kotoran ternak telah dicampur air atau isian (slurry) dan dimasukkan ke dalam

alat pembuat biogas maka akan terjadi proses pembusukan yang terdiri dari dua tahap, yaitu proses

aerob dan proses anaerob. Pada proses yang pertama diperlukan oksigen dan hasil prosesnya berupa

karbondioksida (CO2). Proses ini berakhir setelah oksigen di dalam alat ini habis. Selanjutnya proses

pembusukan berlanjut dengan tahap kedua yaitu proses anaerob. Pada proses kedua inilah biogas

dihasilkan. Dengan demikian, untuk menjamin terjadinya biogas, alai ini harus tertutup rapat, tidak

berhubungan dengan udara luar sehingga tercipta udara hampa udara. Biogas yang terbentuk dapat

dijadikan bahan bakar Karena mengandung gas metan (CH4) dalam presentase yang cukup tinggi.

Biogas memiliki kandungan energy tinggi yang tidak kalah dari kandungan energy

dari bahan bakar fosil. Nilai kalori dari 1m³ biogas setara dengan 0,6-0,8 liter minyak tanah. Untuk

menghasilkan listrik 1Kwh dibutuhkan 0,62-1m³ biogas yang setara dengan 0,52 liter minyak solar.

Oleh karena itu biogas sangat cocok menggantikan minyak LPG, minyak tanah, dan bahan bakar.

Biogas mengandung 75% metana. Semakin tinggi kandungan metana dalam bahan bakar, semakin

besar kalori yang dihasilkan. Oleh karena itu, biogas juga memiliki karakteristik yang sama dengan

gas alam. Dengan demikian, jika biogas diolah dengan benar, bisa digunakan untuk menggantikan gas

alam.

Biogas saat ini telah dapat digunakan sebagai bahan bakar generator pembangkit

listrik. Generator yang sebelumnya menggunakan solar atau bensin sebagai bahan bakarnya dan dapat

digantikan dengan biogas. Sebagai sumber energi, dalam proses pemanfaatannya, tentu saja hal itu

menjadi kendala tersendiri. Karena itu, untuk penyimpanan energi yang dihasilkan melalui biogas,

terlebih dahulu melalui konversi energi menjadi energi listrik. Energi gerak yang ada digunakan

untuk mengerakkan turbin sehingga dapat dikonversi menjadi energi listrik dengan menggunakan

generator. Energy listrik yang dihasilkan tersebut dapat disimpan dalam bentuk arus DC, baik sebagai

aki maupun baterai. Sementara limbah dari biogas dapat digunakan sebagai pupuk. Bahkan, unsur-

unsur tertentu seperti protein, selulose, dan lignin tidak bisa digantikan oleh pupuk kimia. Dari

alasan-alasan dapat disimpulkan bahwa biogas adalah bahan bakar alternative terbaik.

Dengan adanya biogas maka dapat diperoleh manfaat sebagai berikut :

Membantu menurunkan emisi gas rumah kaca (GRK) yang bermanfaat

dalam memperlambat laju pemanasan global.

Menghemat pengeluaran masyarakat dengan memanfaatkan biogas sebagai

pengganti bahan bakar minyak tanah/ kayu bakar untuk memasak dan dapat

digunakan sebagai pembangkit listrik.

Meningkatkan pendapatan masyarakat dengan dihasilkannya pupuk organic

yang berkualitas atau dapat menghemat biaya pembelian pupuk bagi yang

memerlukan.

Pemakaian kayu dan minyak akan berkurang.

Memperingan beban keuangan negara karena subsidi BBM minyak tanah

berkurang.

Mewujudkan lingkungan yang bersih dan dapat mengurangi pencemaran

lingkungan.

Membuka lapangan kerja baru.

Biogas yang dihasilkan oleh alat ini mempunyai kandungan energy atau tenaga .

biogas mempunyai banyak manfaat karena didalamnya mengandung gas metan yang mudah terbakar.

Keberadaan gas ini diperlukan untuk berbagai keperluan . sebagai perbandingan, setiap kubik biogas

dapat digunakan untuk keperluan sebagai berikut :

Menjalankan mesin 1 PK selama 2 jam.

Menghasilkan listrik 1,25 Kwh.

Menyalakan kompor gas untuk masak tiga kali sehari bagi satu keluarga

dengan jumlah anggota 5 orang.

Menyalakan lampu setingkat dengan bola lampu 60 watt selama 6 jam.

Menjalankan kulkas berkapasitas satu kubik selama 1 jam.

Menjalankan mesin tetas berkapasitas 1 kubik selama setengah jam.

1.4 Cadangan

Cadangan biogas di Indonesia sendiri sangat melimpah, karena banyakx hewan

ternak yang dapat menghasilkan 23,59%kotoran sapi, 16,10%kotoran kuda, 2,72% kotoran babi,dan

0,05%kotoran ayam seperti yang telah dipaparkan dalam table 1.1.

Apabila untuk kotoran ternah susah tidak memungkinkan untuk pembuatan biogas,

dapat dilakukan dengan sampah organic hasil pertanian seperti jerami dan enceng gondok untuk

digunakan biogas.

1.5 Teknologi Biogas

Biogas adalah campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenik yang terjadi

pada material-material yang dapat terurai secara alami dalam kondisi anaerob. Pada umumnya biogas

terdiri atas gas metana (CH4) 50-70%,karbondioksida (CO2) 30-40%, hydrogen (H2) 5-10% dan gas-

gas lainnya dalam jumlah yang sedikit. Biogas kira-kira memiliki berat 20% lebih ringan

dibandingkan udara dan memiliki suhu pembakaran antara 650-750°C. biogas tidak berbau dan tidak

berwarna yang apabila dibakar akan menghasilkan nyala api biru cerah seperti gas LPG. Nilai kalor

gas metana adalah 20 MJ/m³ dengan efisiensi pembakaran 60% pada konvensional kompor biogas.

Beberapa hal yang menarikpada teknologi biogas adalah kemempuannya untuk

membentuk biogas dari limbah organic yang jumlahnya berlimpah dan tersedia secara bebas. Variasi

dari sifat-sifat biokimia menyebabkan produksi biogas juga bervariasi. Sejumlah bahan organic dapat

digunakan bersama-sama dengan beberapa persyaratan produksi gas atau pertumbuhan normal bakteri

metan yang sesuai. Beberapa sifat bahan organic tersebut mempunyai dampak yang nyata pada

tingkat produksi gas yaitu :

1. Rasio C/N

Hubungan antara jumlah karbon dan nitrogen yang terdapat pada bahan organic dinyatakan

dalam terminology rasio karbon atau nitrogen. Apabila rasio C/N sangat tinggi, nitrogen akan

dikonsumsi sangat cepat oleh bakteri metan sampai batas persyaratan protein dan tak lama

beraksi kea rah 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). NH4 akan meningkatkan derajat pH bahan dalam

digester. pH lebih tinggi dari 8,5 akan mulai menunjukkan akibat racun pada populasi bakteri

metan.

2. Kotoran Hewan.

Kotoran hewan, khususnya kotoran sapi mempunyai rata-rata rasio C/N sekitar 24.

Bahan Rasio C/Nkotoran bebek 8Kotoran manusia 8kotoran ayam 10kotoran kambing 12kotoran babi 18kotoran domba 19kotoran sapi 24kotoran gajah 43jerami (jagung) 60jerami (padi) 70jerami gandum 90

Table 1.4 Rasio C/N dari beberapa bahan Organik

3. Pengadukan dan konsistensi input

Sebelum dimasukan ke dalam digester, kotoran sapi dalam keadaan segar,dicampur

dengan air (perbandingan 1:1) berdasarkan unit volume (air dan kotoran sapi dalam volume

yang sama). Namun, jika kotoran sapi dalam bentuk kering, jumlah air harus ditambah

sampai kekentalan yang diinginkan (bervariasi antara 1:1,25 samapai 1:2). Pengadukan

dilakukan untuk menjaga total partikel padat tidak mengendap pada dasar digester. Jika

terlalu pekat,partikel-partikel menghambat aliran gas yang terbentuk pada bagian bawah

digester. Sebagai akibatnya,produksi gas lebih sedikit daripada perolehan optimum.

4. Padatan tak stabil

Berat padatan organic terbakar habis pada suhu 538°C didiefinisikan sebagai padatan

tak stabil. Potensial produksi biogas dari bahan-bahan organic, dapat dikalkulasi berdasarkan

kandungan padatan tak stabil. Semakin tinggi kandungan padatan tak stabil dalam satu unit volume

dari kotoran sapi segar akan menghasilkan produksi gas yang lebih banyak.

5. Proses fermentasi

Proses fermentasi atau proses pencernaan mengacu berbagai reaksi dan interaksi

yang terjadi di antara bakteri metanogen dan non-metanogen dan bahan yang diumpankan ke dalam

pencernaan sebagai input. Ini adalah phisio-kimia yang kompleks dan proses biologis melibatkan

berbagai factor dan tahapan bentuk. Penghancuran input yang merupakan bahan organic dicapai

dalam tiga tahapan, yaitu (a) hidrolisa, (b) acidification, dan (c) methanization.

CH₃COOh CH₄ + CO₂

Asam asetat metana karbondioksida

2CH₃CH₂OH + CO₂ CH₄ + 2CH₃COOH

Etanol karbondioksida metana asam asetat

CO₂ + 4H₂ CH₄ + H₂O

Karbondioksida hydrogen metana air

Persamaan tersebut menunjukan bahwa banyak produk,hasil samping dan

produk antara dihasilkan pada proses pencernaan input dalam kondisi anaerob sebelum produk

akhir (metana) diproduksi. Proses fermentasi dipengaruhi oleh:

a). Nilai pH

Produksi biogas secara optimal dapat dicapai bila nilai pH dari campuran

input di dalam digester berada dalam kisaran 6 dan 7. Derajat keasaman atau pH dalam digester

juga merupakan fungsi waktu di dalam digester tersebut. Pada tahap awal proses fermentasi, asam

organic dalam jumlah besar diproduksi oleh bakteri pembentuk asam, pH dalam digester dapat

mencapai dibawah 5. Keadaan ini cenderung menghentikan proses pencernaan atau proses

fermentasi. Bakteri-bakteri metanogenik sangat peka terhadap pH dan tidak bertahan hidup

dibawah pH 6.6. Kemudian proses pencernaan berlangsung konsentrasi NH4 bertambah

pencernaan nitrogen dapat meningkatkan nilaipH di atas 8. Ketika produksi metana dalam kondisi

stabil, kisaran nilai pH adalah 7,2-8,2.

b). Suhu

Bakteri metanogen dalam keadaan tidak aktif pada kondisi suhu ekstrim

tinggi maupun rendah. Suhu optimum yaitu 35°C.ketika suhu udara turun sampai 10°C produksi

gas menjadi berhenti. Produksi gas sangat bagus yaitu pada kisaran mesofilik, antara suhu 25°C

dan 30°C. Penggunaan isolasiyang memadai pada digester membantu produksi gas khususnya di

daerah dingin.

c). Laju pengumpanan

Laju pengumpanan adalah jumlah bahan yang dimasukkan ke dalam digester

per unit kapasitas per hari. Pada umumnya 6 kg kotoran sapi per m³ volume digester adalah

direkomendasikan padasuatu jaringan pengelola kotaran sapi. Apabila terjadi pemasukan bahan

yang berlebihan akan terjadi akumulasi asam dan produksi metana akan terganggu. Sebaliknya,

bila pengumpalan kurang dari kapasitas digester, produksi gas juga menjadi rendah.

d). Waktu tinggal dalam digester

Waktu tinggal dalam digester adalah rata-rata periode waktu saat input masih

berada dalam digester dan proses fermentasi oleh bakteri metanogen. Dalam jaringan dari

digester dengan kotoran sapi, waktu tingal dihitung dengan pembagian volume total dari digester

oleh volume input yang ditambah setiap hari. Waktu tinggal juga tergantung pada suhu. Di atas

suhu 35°C atau suhu lebih tinggi ,walaupun tinggal semakin singkat.

e). Toxicity

Ion mineral, logam berat, dan detrgen adalah beberapa material racun yang

memepengaruhi pertumbuhan normal bakteri pathogen di dalam digester. Ion mineral dalam

jumlah kecil ( sodium, potasium, kalsium, ammonium, dan belerang) juga merangsang

pertumbuhan bakteri. Namun, bila ion-ion dalam konsentrasi yang tinggi akan berakibat

meracuni.

F). Sludge

Sludge adalah limbah keluaran berupa lumpur dari lubang pengeluaran

digester setelah mengalami proses fermentasi oleh bakteri metana kondisi anaerob. Setelah

ekstrasi biogas (energy), sludge dari digester sebagai produk samping dari system pencernaan

secara aerob. Dalam keadaan stabil, bebas pathogen dapat dipergunakan untuk memperbaiki

kesuburan tanah dan meningkatkan produksi tanaman.

Gambar 1.1 Digester biogas.

TUGAS

FISIKA LINGKUNGAN II

ANIMAL POWER

(MEMBUAT BIOGAS DENGAN KOTORAN SAPI)

Oleh:

KELOMPOK 6

Ryan wardana (0810930054)

Rahmatia Putri (0810933006)

Dewi Indriyani (0810933018)

Ayu Puspita P. (0810933016)

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

MALANG

2011

DAFTAR PUSTAKA

http://id.wikipedia.org/wiki/Biogas

http://www.jevuska.com/topic/teknik+pembuatan+biogas+dari+kotoran+sapi+pdf.html

MEMBUAT BIOGAS DARI KOTORAN TERNAK _ dekfendy.htm