Pencernaan anaerobik

Ini adalah halaman topik . Fokus Appropedia adalah pada penelitian asli , namun halaman ini memberikan konteks yang berguna dan membantu menavigasi situs. Anda dapat membantu Appropedia dengan memperbaiki halaman ini .Baca selengkapnya...

Pencernaan anaerobik adalah proses di mana mikroorganisme memecah bahan yang dapat terbiodegradasi tanpa adanya oksigen. Produk dari proses ini adalah biogas (campuran karbon dioksida (CO2) dan metana) dan pencernaan (pupuk kaya nitrogen). Biogas dapat dibakar untuk menghasilkan panas, atau dapat dibersihkan dan digunakan dengan cara yang sama seperti gas alam atau sebagai bahan bakar mobil. Limbah pencernaannya kaya akan mineral dan dapat digunakan sebagai pupuk pertanian atau kondisioner tanah.

Aplikasi

Proses anaerobik basah banyak digunakan untuk mengolah lumpur air limbah dan sampah organik karena memberikan pengurangan volume dan massa bahan masukan. Sebagai bagian dari sistem pengelolaan sampah terpadu, pencernaan anaerobik mengurangi emisi gas TPA ke atmosfer.

Pencernaan anaerobik kering juga telah digunakan secara luas. Misalnya ada sistem Axpo Kompogas AG. Ini adalah sistem yang dikembangkan sepenuhnya dan telah menghasilkan 27 juta Kwh listrik dan Biogas pada tahun 2009. Truk tertua milik perusahaan ini telah menempuh jarak 1.000.000 kilometer yang dikendarai dengan biogas dari limbah rumah tangga dalam 15 tahun terakhir. ^[1]

Pencernaan anaerobik merupakan sumber energi terbarukan karena prosesnya menghasilkan biogas kaya metana dan karbon dioksida yang cocok untuk produksi energi yang membantu menggantikan bahan bakar fosil. Selain itu, padatan kaya nutrisi yang tersisa setelah pencernaan dapat digunakan sebagai pupuk

Proses

Ada 2 jenis proses: proses pencernaan anaerobik basah dan proses pencernaan anaerobik kering . Pada kedua jenis proses tersebut, terdapat sejumlah bakteri yang terlibat dalam proses pencernaan anaerobik antara lain bakteri pembentuk asam asetat (asetogen) dan bakteri pembentuk metana (metanogen). Bakteri ini memakan bahan baku awal, yang mengalami sejumlah proses berbeda dan mengubahnya menjadi molekul perantara termasuk gula, hidrogen & asam asetat sebelum akhirnya diubah menjadi biogas.
Spesies bakteri yang berbeda mampu bertahan hidup pada rentang suhu yang berbeda. Bakteri yang hidup optimal pada suhu antara 35-40°C disebut bakteri mesofil atau mesofilik. Beberapa bakteri dapat bertahan hidup pada kondisi yang lebih panas dan tidak bersahabat yaitu 55-60°C, bakteri ini disebut bakteri termofil atau termofilik. Metanogen berasal dari kelompok primitif archaea. Keluarga ini termasuk spesies yang dapat tumbuh dalam kondisi ventilasi hidrotermal yang tidak bersahabat. Spesies ini lebih tahan terhadap panas dan oleh karena itu dapat beroperasi pada suhu termofilik, suatu sifat unik yang dimiliki keluarga bakteri.

Seperti halnya sistem aerobik, bakteri dalam sistem anaerobik, mikroorganisme yang tumbuh dan berkembang biak di dalamnya memerlukan sumber unsur oksigen untuk bertahan hidup.

Dalam sistem anaerobik tidak ada gas oksigen. Dalam pencerna anaerobik, gas oksigen dicegah memasuki sistem melalui penahanan fisik dalam tangki tertutup. Anaerob mengakses oksigen dari sumber selain udara sekitarnya. Sumber oksigen bagi mikroorganisme ini dapat berasal dari bahan organik itu sendiri atau alternatifnya dapat disuplai oleh oksida anorganik dari dalam bahan masukan.
Ketika sumber oksigen dalam sistem anaerobik berasal dari bahan organik itu sendiri, maka produk akhir 'antara' utamanya adalah alkohol, aldehida, dan asam organik ditambah karbon dioksida. Dengan adanya metanogen khusus, zat antara diubah menjadi produk akhir 'akhir' berupa metana, karbon dioksida dengan kadar hidrogen sulfida yang sangat sedikit. Dalam sistem anaerobik, sebagian besar energi kimia yang terkandung dalam bahan awal dilepaskan oleh bakteri metanogenik dalam bentuk metana.

Populasi bakteri anaerob biasanya membutuhkan waktu yang cukup lama untuk menjadi efektif sepenuhnya. Oleh karena itu merupakan praktik umum untuk memasukkan mikroorganisme anaerobik dari bahan yang populasinya sudah ada. Proses ini disebut 'penyemaian' pada reaktor dan biasanya dilakukan dengan penambahan lumpur limbah atau bubur ternak.

tahapan

Ada empat tahapan biologis dan kimia utama pencernaan anaerobik:

1. Hidrolisis
2. Asidogenesis
3. Asetogenesis
4. Metanogenesis

Dalam kebanyakan kasus, biomassa terdiri dari polimer organik besar. Agar bakteri dalam pencerna anaerobik dapat mengakses potensi energi bahan, rantai ini pertama-tama harus dipecah menjadi bagian-bagian penyusunnya yang lebih kecil. Bagian penyusun atau monomer seperti gula ini sudah tersedia oleh bakteri lain. Proses memutus rantai ini dan melarutkan molekul yang lebih kecil ke dalam larutan disebut hidrolisis. Oleh karena itu hidrolisis komponen polimer dengan berat molekul tinggi ini merupakan langkah pertama yang diperlukan dalam pencernaan anaerobik. Melalui hidrolisis molekul organik kompleks dipecah menjadi gula sederhana, asam amino, dan asam lemak.

Asetat dan hidrogen yang dihasilkan pada tahap pertama dapat digunakan langsung oleh metanogen. Molekul lain seperti asam lemak volatil (VFA) dengan panjang rantai lebih besar dari asetat harus terlebih dahulu dikatabolisme menjadi senyawa yang dapat langsung dimanfaatkan oleh metanogen.

Proses biologis asidogenesis adalah penguraian lebih lanjut komponen-komponen yang tersisa oleh bakteri asidogenik (fermentatif). Di sini VFA dibuat bersama dengan amonia, karbon dioksida dan hidrogen sulfida serta produk sampingan lainnya. Proses asidogenesis mirip dengan proses asam susu.

Tahap ketiga pencernaan anaerobik adalah asetogenesis. Molekul sederhana yang tercipta melalui fase asidogenesis selanjutnya dicerna oleh asetogen untuk menghasilkan sebagian besar asam asetat serta karbon dioksida dan hidrogen.

Tahap akhir pencernaan anaerobik adalah proses biologis metanogenesis. Di sini metanogen memanfaatkan produk antara dari tahap sebelumnya dan mengubahnya menjadi metana, karbon dioksida, dan air. Komponen inilah yang membentuk sebagian besar biogas yang dikeluarkan dari sistem. Metanogenesis sensitif terhadap pH tinggi dan rendah dan terjadi antara pH 6,5 dan pH 8. Sisa bahan yang tidak dapat dicerna yang tidak dapat dimakan oleh mikroba, bersama dengan sisa bakteri mati merupakan hasil pencernaan.

Persamaan kimia umum yang disederhanakan untuk keseluruhan proses yang diuraikan di atas adalah sebagai berikut:

C ₆ H ₁₂ O ₆ → 3CO ₂ + 3CH ₄

Konfigurasi pencerna anaerobik

Digester anaerobik dapat dirancang dan direkayasa untuk beroperasi menggunakan sejumlah konfigurasi proses yang berbeda:

• Batch atau terus menerus
• Suhu: Mesofilik atau termofilik
• Kandungan padatan: Padatan tinggi atau padatan rendah
• Kompleksitas: Satu tahap atau multitahap

Batch atau terus menerus

Sistem batch adalah bentuk pencernaan yang paling sederhana. Biomassa ditambahkan ke reaktor pada awal proses secara batch dan disegel selama proses berlangsung. Produksi biogas akan terbentuk dengan pola sebaran normal seiring berjalannya waktu. Operator dapat menggunakan fakta ini untuk menentukan kapan mereka yakin proses pencernaan bahan organik telah selesai.

Suhu

Ada dua tingkat suhu operasional konvensional untuk pencerna anaerobik, yang ditentukan oleh spesies metanogen dalam pencerna:

• Mesofilik yang berlangsung optimal pada suhu sekitar 37°-41°C atau pada suhu lingkungan antara 20°-45°C dimana mesofil merupakan mikroorganisme utama yang ada
• Termofilik yang berlangsung optimal sekitar 50°-52° pada suhu tinggi hingga 70°C dimana termofil merupakan mikroorganisme utama yang ada.
  

Ada lebih banyak spesies mesofil daripada termofil. Bakteri ini juga lebih toleran terhadap perubahan kondisi lingkungan dibandingkan termofil. Oleh karena itu, sistem mesofilik dianggap lebih stabil daripada sistem pencernaan termofilik. Sistem pencernaan termofilik dianggap kurang stabil, namun peningkatan suhu memfasilitasi laju reaksi yang lebih cepat dan karenanya menghasilkan gas yang lebih cepat. Pengoperasian pada suhu yang lebih tinggi memfasilitasi sterilisasi yang lebih besar pada hasil pencernaan akhir.
Kelemahan pengoperasian pada suhu termofilik adalah diperlukan lebih banyak masukan energi panas untuk mencapai suhu operasional yang benar. Peningkatan energi ini tidak sebanding dengan peningkatan keluaran biogas dari sistem tersebut. Oleh karena itu penting untuk mempertimbangkan keseimbangan energi untuk sistem ini

Padat

Biasanya ada dua parameter operasional berbeda yang terkait dengan kandungan padatan bahan baku ke dalam reaktor:

• Padatan tinggi
• Padatan rendah

Digester dapat dirancang untuk beroperasi pada kandungan padatan yang tinggi, dengan konsentrasi padatan tersuspensi total (TSS) lebih besar dari 20%, atau konsentrasi padatan rendah kurang dari 15%.

Pencerna dengan padatan tinggi memproses bubur kental yang memerlukan lebih banyak masukan energi untuk memindahkan dan memproses bahan baku. Ketebalan material juga dapat menyebabkan masalah abrasi. Digester dengan kandungan padatan tinggi biasanya memiliki kebutuhan lahan yang lebih rendah karena volume air yang lebih rendah.

Digester dengan kepadatan rendah dapat mengangkut material melalui sistem menggunakan pompa standar yang memerlukan input energi jauh lebih rendah. Digester dengan tingkat kepadatan rendah memerlukan jumlah lahan yang lebih besar dibandingkan dengan sistem pencernaan dengan tingkat kepadatan tinggi karena peningkatan volume yang terkait dengan peningkatan rasio cairan: bahan baku pada reaktor. Terdapat manfaat yang terkait dengan pengoperasian dalam lingkungan cair karena memungkinkan sirkulasi bahan yang lebih menyeluruh dan kontak antara bakteri dan makanannya. Hal ini memungkinkan bakteri lebih mudah mengakses zat yang mereka makan dan meningkatkan kecepatan hasil gas.

Jumlah tahapan

Sistem pencernaan dapat dikonfigurasi dengan tingkat kerumitan yang berbeda:

• Satu tahap atau satu tahap
• Dua tahap atau multistage

Sistem pencernaan satu tahap adalah sistem di mana semua reaksi biologis terjadi dalam satu reaktor atau tangki penampung tertutup. Memanfaatkan satu tahap mengurangi biaya konstruksi, namun mengurangi kontrol terhadap reaksi yang terjadi dalam sistem. Bakteri asidogenik, melalui produksi asam, menurunkan pH tangki. Bakteri metanogenik beroperasi pada kisaran pH yang ditentukan secara ketat. Oleh karena itu, reaksi biologis berbagai spesies dalam reaktor satu tahap dapat bersaing secara langsung satu sama lain. Sistem reaksi satu tahap lainnya adalah laguna anaerobik. Laguna ini merupakan cekungan tanah berbentuk kolam yang digunakan untuk pengolahan dan penyimpanan kotoran dalam jangka panjang. Di sini reaksi anaerobik terkandung dalam lumpur anaerobik alami yang terkandung di kolam.
Dalam sistem pencernaan dua tahap atau multi-tahap, pembuluh pencernaan yang berbeda dioptimalkan untuk memberikan kontrol maksimal terhadap komunitas bakteri yang hidup di dalam pencernaan. Bakteri asidogenik menghasilkan asam organik dan lebih cepat tumbuh dan berkembang biak dibandingkan bakteri metanogenik. Bakteri metanogenik memerlukan pH dan suhu yang stabil untuk mengoptimalkan kinerjanya.

Biasanya hidrolisis, asetogenesis, dan asidogenesis terjadi dalam bejana reaksi pertama. Bahan organik kemudian dipanaskan sampai suhu operasional yang diperlukan (baik mesofilik atau termofilik) sebelum dipompa ke dalam reaktor metanogenik. Tangki hidrolisis atau asidogenesis awal sebelum reaktor metanogenik dapat menyediakan penyangga terhadap laju penambahan bahan baku

Tempat tinggal

Waktu tinggal di dalam reaktor bervariasi tergantung jumlah dan jenis bahan pakan, konfigurasi sistem pencernaan, dan apakah itu satu tahap atau dua tahap.

Dalam kasus pencernaan termofilik satu tahap, waktu tinggalnya mungkin sekitar 14 hari, yang relatif cepat jika dibandingkan dengan pencernaan mesofilik. Sifat plug-flow dari beberapa sistem ini berarti bahwa degradasi material secara penuh mungkin tidak terjadi dalam jangka waktu ini. Dalam hal ini pencernaan yang keluar dari sistem akan berwarna lebih gelap dan lebih berbau.

Dalam pencernaan mesofilik dua tahap, waktu tinggal dapat bervariasi antara 15 dan 40 hari.

Dalam kasus pencernaan UASB mesofilik, waktu tinggal hidraulik dapat mencapai (1 jam-1 hari) dan waktu retensi padat dapat mencapai hingga 90 hari . Dengan cara ini sistem UASB mampu memisahkan waktu retensi padat dan hidrolik dengan pemanfaatan selimut lumpur.

Pencerna kontinyu memiliki perangkat mekanis atau hidrolik, bergantung pada tingkat padatan dalam bahan, untuk mencampur isinya sehingga bakteri dan makanan dapat bersentuhan. Mereka juga memungkinkan bahan berlebih untuk terus diekstraksi untuk mempertahankan volume yang cukup konstan di dalam tangki pencernaan.

Pencernaan anaerobik kering

Proses ini tidak menggunakan pupuk kandang sama sekali sehingga lebih cocok untuk aplikasi tertentu yang tidak memerlukan pengolahan pupuk kandang. Proses ini dapat dilakukan dengan beberapa cara. Misalnya, ada proses Wiessmann-Bioferm “Kompoferm”. ^{[2] [3]} Ada juga sistem Axpo Kompogas AG, ^[4] proses Dranco yang dirancang oleh OWS, ^[5] serta sistem oleh Jan Klein Hesselink. ^{[6] [7]}

Produk

Ada tiga produk utama pencernaan anaerobik: biogas, pencernaan dan air.

Biogas

Biogas adalah produk limbah akhir dari bakteri yang memakan bahan baku biodegradable, dan sebagian besar berupa metana dan karbon dioksida, dengan sejumlah kecil hidrogen dan sedikit hidrogen sulfida. Sebagian besar biogas dihasilkan pada pertengahan proses pencernaan, setelah populasi bakteri bertambah, dan berkurang seiring dengan habisnya bahan yang dapat membusuk. Gas biasanya disimpan di atas reaktor dalam gelembung gas yang dapat ditiup atau diekstraksi dan disimpan di sebelah fasilitas dalam wadah gas.
Metana dalam biogas dapat dibakar untuk menghasilkan panas dan listrik, biasanya dengan mesin reciprocating atau mikroturbin sering kali dalam pengaturan kogenerasi dimana listrik dan limbah panas yang dihasilkan digunakan untuk menghangatkan reaktor atau memanaskan bangunan. Kelebihan listrik dapat dijual ke pemasok atau dimasukkan ke jaringan listrik lokal. Listrik yang dihasilkan oleh reaktor anaerobik dianggap sebagai energi terbarukan dan dapat menarik subsidi. Biogas tidak berkontribusi terhadap peningkatan konsentrasi karbon dioksida di atmosfer karena gas tersebut tidak dilepaskan langsung ke atmosfer dan karbon dioksida berasal dari sumber organik dengan siklus karbon yang pendek.
Biogas mungkin memerlukan pengolahan atau 'penggosokan' untuk memurnikannya agar dapat digunakan sebagai bahan bakar. Hidrogen sulfida merupakan produk beracun yang terbentuk dari sulfat dalam bahan baku dan dilepaskan sebagai komponen jejak biogas. Jika kadar hidrogen sulfida dalam gas tinggi, peralatan pembersih dan penggosok gas (seperti pengolahan gas amina) akan diperlukan untuk memproses biogas hingga mencapai tingkat yang dapat diterima secara regional (ditentukan oleh EPA AS atau Badan Lingkungan Inggris dan Welsh) . Metode alternatif untuk hal ini adalah dengan menambahkan besi klorida FeCl ₃ ke dalam tangki destruksi untuk menghambat produksi hidrogen sulfida.
Siloksan yang mudah menguap juga dapat mencemari biogas; senyawa tersebut sering ditemukan dalam limbah rumah tangga dan air limbah. Di fasilitas pencernaan yang menerima bahan-bahan ini sebagai komponen bahan baku, siloksan dengan berat molekul rendah akan menguap menjadi biogas. Ketika gas ini dibakar dalam mesin gas, turbin atau boiler, siloksan diubah menjadi silikon dioksida (SiO ₂ ) yang mengendap di dalam mesin, sehingga meningkatkan keausan dan juga dapat mencemari biogas; senyawa tersebut sering ditemukan dalam limbah rumah tangga dan air limbah.
Di fasilitas pencernaan yang menerima bahan-bahan ini sebagai komponen bahan baku, siloksan dengan berat molekul rendah akan menguap menjadi biogas. Ketika gas ini dibakar dalam mesin gas, turbin atau boiler, siloksan diubah menjadi silikon dioksida (Si02) yang mengendap di dalam mesin, sehingga meningkatkan keausan.

Mencerna

Pencernaan merupakan bahan sisa setelah pencernaan anaerobik, mengandung nitrogen, fosfor dan kalium sehingga digunakan sebagai pupuk. Ini terdiri dari bahan yang tidak dapat dicerna dan organisme mati dan biasanya mengisi 90-95% kantong setelah pencernaan terjadi. Selama AD tidak ada unsur hara yang hilang sehingga siklus unsur hara tertutup dan bahan dapat digunakan kembali. Ada banyak insentif untuk menggunakan pencernaan untuk tanah Anda dan dianggap lebih bergizi dan sehat untuk tanah. Karena kandungannya menetralkan benih invasif, spesies invasif menciptakan persaingan dengan spesies asli sehingga pupuk ini akan sangat mengurangi ancaman tersebut. Patogen sangat berkurang karena adanya perlakuan awal pada sistem serta mikroba di dalam pencernaan. Pencernaan memungkinkan lebih sedikit emisi yang dilepaskan dan dari kelebihan air dan minyak yang digunakan. Menurut The Anaerobic Digestion and Bioresources Association "1 ton pupuk buatan yang diganti dengan pencernaan akan menghemat 1 ton minyak, 108 ton air, dan 7 ton emisi CO2".

Air

Air yang merupakan hasil samping AD cukup minim dan dapat digunakan kembali untuk siklus selanjutnya.

Keuntungan Pencernaan Anaerobik

Sampah organik yang dibuang ke tempat pembuangan sampah akan menghasilkan sejumlah besar gas rumah kaca, termasuk Karbon Dioksida dan Metana . AD dapat memainkan peran penting sebagai cara untuk menangani sampah organik dan menghilangkan emisi gas rumah kaca tersebut, melalui penangkapan dan pengolahan yang lebih efisien; mengubahnya menjadi produk yang bermanfaat. AD memulihkan energi yang seharusnya hilang ke atmosfer dan menghasilkan pupuk hayati yang berharga. Biogas dapat digunakan untuk menghasilkan listrik, panas, biofuel atau dibersihkan dan disuntikkan ke jaringan gas. sistem AD menghemat uang dan dapat menghasilkan pendapatan kecil bagi mereka yang menghasilkannya juga. Transformasi dari pupuk kandang menjadi pupuk membantu menciptakan pupuk yang lebih bergizi dan menghilangkan bakteri penyebab penyakit. AD dapat dibuat agar sesuai dengan sebagian besar lahan pertanian dan bahkan dalam skala kecil dapat mengurangi penggunaan gas dan emisi secara signifikan.

Proyek terkait

Lihat juga

• Pencernaan anaerobik bokashi : proses pencernaan anaerobik domestik, yaitu untuk sisa-sisa dapur
• Mendaur ulang limbah pertanian untuk menghasilkan air panas

Referensi

Data halaman

Kata kunci	mencegah pemborosan , pemborosan
SDG	SDG12 Konsumsi dan produksi yang bertanggung jawab
Penulis	Doaa Balfakih , KVDP , Katelyn Peakes , Ethan
Lisensi	CC-BY-SA-3.0
Bahasa	Bahasa Inggris (id)
Terjemahan	Turki , Korea , Portugis , Cina
Terkait	4 subhalaman , 53 halaman tautan di sini
Alias	Biodigester , Pencernaan Anaerob , Digestor Anaerob
Dampak	4.300 tampilan halaman
Dibuat	16 April 2008 oleh Doaa Balfakih
Diubah	18 Juni 2024 oleh Felipe Schenone
Kutip sebagai	Doaa Balfakih , KVDP , Katelyn Peakes , Ethan (2008–2024). "Pencernaan anaerobik" . Appropedia . Diakses pada 21 Juni 2024 .
Kueri API	dasar , semantik , html , file , lebih banyak lagi