Biogas

Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau fermentasi dari bahan-bahan organik termasuk di antaranya; kotoran manusia dan hewan, limbah domestik (rumah tangga), sampah biodegradable atau setiap limbah organik yang biodegradable dalam kondisi anaerobik. Kandungan utama dalam biogas adalah metana dan karbon dioksida.Biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar kendaraan maupun untuk menghasilkan listrik.

Biogas dan aktivitas anaerobik

Biogas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik sangat populer digunakan untuk mengolah limbah biodegradable karena bahan bakar dapat dihasilkan sambil Mengurai dan sekaligus mengurangi volume limbah buangan. Metana dalam biogas, bila terbakar akan relatif lebih bersih daripada batu bara, dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi karbon dioksida yang lebih sedikit. Pemanfaatan biogas memegang peranan penting dalam manajemen limbah karena metana merupakan gas rumah kaca yang lebih berbahaya dalam pemanasan global bila dibandingkan dengan karbon dioksida. Karbon dalam biogas merupakan karbon yang diambil dari atmosfer oleh fotosintesis tanaman, sehingga bila dilepaskan lagi ke atmosfer tidak akan menambah jumlah karbon di atmosfer bila dibandingkan dengan pembakaran bahan bakar fosil.

Saat ini, banyak negara maju meningkatkan penggunaan biogas yang dihasilkan baik dari limbah cair maupun limbah padat atau yang dihasilkan dari sistem pengolahan biologi mekanis pada tempat pengolahan limbah.

Pupuk dari limbah biogas

Limbah biogas, yaitu kotoran ternak yang telah hilang gasnya (slurry) merupakan pupuk organik yang sangat kaya akan unsur-unsur yang dibutuhkan oleh tanaman. Bahkan, unsur-unsur tertentu seperti protein, selulose, lignin, dan lain-lain tidak bisa digantikan oleh pupuk kimia. Pupuk organik dari biogas telah dicobakan pada tanaman jagung, bawang merah, dan padi.

Biogas terhadap gas alam

Jika biogas dibersihkan dari pengotor secara baik, ia akan memiliki karakteristik yang sama dengan gas alam. JIka hal ini dapat dicapai, produsen biogas dapat menjualnya langsung ke jaringan distribusi gas. Akan tetapi gas tersebut harus sangat bersih untuk mencapai kualitas pipeline. Air (H₂O), hidrogen sulfida (H₂S) dan partikulat harus dihilangkan jika terkandung dalam jumlah besar di gas tersebut. Karbon dioksida jarang harus ikut dihilangkan, tetapi ia juga harus dipisahkan untuk mencapai gas kualitas pipeline. JIka biogas harus digunakan tanpa pembersihan yang ektensif, biasanya gas ini dicampur dengan gas alam untuk meningkatkan pembakaran. Biogas yang telah dibersihkan untuk mencapai kualitas pipeline dinamakan gas alam terbaharui.

Metana

Metana adalah hidrokarbon paling sederhana yang berbentuk gas dengan rumus kimia CH₄. Metana murni tidak berbau, tapi jika digunakan untuk keperluan komersial, biasanya ditambahkan sedikit bau belerang untuk mendeteksi kebocoran yang mungkin terjadi.
Sebagai komponen utama gas alam, metana adalah sumber bahan bakar utama. Pembakaran satu molekul metana dengan oksigen akan melepaskan satu molekul CO₂ (karbondioksida) dan dua molekul H₂O (air):

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Metana adalah salah satu gas rumah kaca. Konsentrasi metana di atmosfer pada tahun 1998, dinyatakan dalam fraksi mol, adalah 1.745 nmol/mol (bagian per milyar), naik dari 700 nmol/mol pada tahun 1750. Pada tahun 2008, kandungan gas metana di atmosfer sudah meningkat kembali menjadi 1.800 nmol/mol.

Reaksi kimia

Reaksi-reaksi utama pada metana adalah pembakaran, pembentukan ulang uap menjadi syngas, dan halogenasi. Secara umum, reaksi metana sulit dikontrol. Oksidasi sebagian menjadi metanol, misalnya, merupakan reaksi yang agak sulit untuk dilakukan karena reaksi kimia yang terjadi tetap membentuk karbon dioksida dan air meskipun jumlah oksigen yang tersedia tidak mencukupi. Enzim metana monooksigenase dapat digunakan untuk memproduksi metanol dari metana, tapi karena jumlahnya yang terbatas maka tidak dapat digunakan dalam reaksi skala industri.^[8]

Reaksi asam-basa

Seperti hidrokarbon lainnya, metana adalah asam yang sangat lemah. Nilai pKa-nya pada DMSO diperkirakan 56.^[9] Metana tidak dapat dideprotonasi dalam larutan, tapi konjugat basanya dengan metillitium sudah diketahui. Protonasi dari metana dapat dibuat dengan cara mereaksikannya dengan asam super sehingga menghasilkan CH₅⁺, terkadang disebut ion metanium. ^[10]

Pembakaran

Pada reaksi pembakaran metana, ada beberapa tahap yang dilewati. Hasil awal yang didapat adalah formaldehida (HCHO atau H₂CO). Oksidasi formaldehid akan menghasilkan radikal formil (HCO), yang nantinya akan menghasilkan karbon monoksida (CO):

CH₄ + O₂ → CO + H₂ + H₂O

H₂ akan teroksidasi menjadi H₂O dan melepaskan panas. Reaksi ini berlangsung sangat cepat, biasanya bahkan kurang dari satu milisekon.

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Akhirnya, CO akan teroksidasi dan membentuk CO₂ samil melepaskan panas. Reaksi ini berlangsung lebih lambat daripada tahapan yang lainnya, biasanya membutuhkan waktu beberapa milisekon.

2 CO + O₂ → 2 CO₂

Hasil reaksi akhir dari persamaan diatas adalah:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O (ΔH = −891 kJ/mol (dalam kondisi temperatur dan tekanan standar))

Portal Kimia

Reaksi dengan halogen

Metana bereaksi dengan halogen maka reaksi kimianya adalah:

CH₄ + X₂ → CH₃X + HX

dimana X adalah atom halogen: fluorin (F), klorin (Cl), bromin (Br), atau iodin (I). Mekanisme untuk proses ini dinamakan halogenasi radikal bebas. Reaksi dimulai dengan radikal Cl· menempel pada metana untuk menghasilkan CH₃·, keduanya bergabung dan membentuk metil klorida (CH₃Cl). Reaksi lainnya akan menghasilkan diklorometana (CH₂Cl₂), kloroform (CHCl₃), dan karbon tetraklorida (CCl₄). Energi yang diperlukan untuk reaksi ini dapat melalui radiasi ultraviolet atau pemanasan.^[11]

Penggunaan

Metana digunakan dalam proses industri kimia dan dapat diangkut sebagai cairan yang dibekukan (gas alam cair, atau LNG). Ketika dalam bentuk cairan yang dibekukan, metana akan lebih berat daripada udara karena gas metana yang didinginkan akan mempunyai massa jenis yang lebih besar, . Metana yang berada pada suhu ruangan biasa akan lebih ringan daripada udara. Gas alam, yang sebagian besar adalah metana, biasanya didistribusikan melalui jalur pipa.

Bahan bakar

Metana adalah salah satu bahan bakar yang penting dalam pembangkitan listrik, dengan cara membakarnya dalam gas turbin atau pemanas uap. Jika dibandingkan dengan bahan bakar fosil lainnya, pembakaran metana menghasilkan gas karbon dioksida yang lebih sedikit untuk setiap satuan panas yang dihasilkan. Panas pembakaran yang dihasilkan metana adalah 891 kJ/mol. Jumlah panas ini lebih sedikit dibandingkan dengan bahan bakar hidrokarbon lainnya, tapi jika dilihat rasio antara panas yang dihasilkan dengan massa molekul metana (16 g/mol), maka metana akan menghasilkan panas per satuan massa (55,7 kJ/mol) yang lebih besar daripada hidrokarbon lainnya. Di banyak kota, metana dialirkan melalui pipa ke rumah-rumah dan digunakan untuk pemanas rumah dan kebutuhan memasak. Metana yang dialirkan di rumah ini biasanya dikenal dengan gas alam. Gas alam mempunyai kandungan energi 39 megajoule per meter kubik, atau 1.000 BTU per kaki kubik standar.
Metana dalam bentuk gas alam terkompresi digunakan sebagai bahan bakar kendaraan dan telah terbukti juga sebagai bahan bakar yang lebih ramah lingkungan daripada bahan bakar fosil lain macam bensin dan diesel.^[12]

Produksi

Proses biologi

Di alam, metana diproduksi oleh alam dalam proses yang disebut metanogenesis. Proses yang memiliki beberapa tahap ini digunakan oleh beberapa mikroorganisme sebagai sumber energi. Reaksi bersihnya adalah:

CO₂ + 8 H⁺ + 8 e^- → CH₄ + 2 H₂O

Tahapan akhir dari proses ini dikatalis oleh enzim metil-koenzim M reduktase. Metanogenesis merupakan salah satu bentuk respirasi anaerob yang digunakan oleh organisme yang menempati tempat pembuangan akhir, hewan pemamah biak, dan rayap.
Sampai saat ini belum diketahui dengan pasti apakah beberapa tanaman juga termasuk dalam emisi metana.^[13][14][15]

Proses industri

Metana dapat diproduksi dengan hidrogenasi karbon dioksida dalam proses Sabatier. Metana juga merupakan hasil sampaing hidrogenasi karbon monoksida dalam proses Fischer-Tropsch. Teknologi ini dipakai dalam skala industri untuk memproduksi molekul yang rantainya lebih panjang dari metana.

Sumber alternatif

Selain ladang gas, metode alternatif untuk mendapatkan metana adalah melalui biogas yang dihasilkan oleh fermentasi substansi organik, misalnya pupuk kandang, limbah cair, tempat pembuangan sampah, pada kondisi anaerob (tanpa oksigen). Penanaman padi juga menghasilkan metana dalam jumlah besar selama pertumbuhannya. Metana hidrat/klarat merupakan salah satu sumber masa depan metana yang potensial. Saat ini, hewan ternak adalah penyumbang 16% emisi metana dunia ke atmosfer.^[16] Beberapa penelitian telah menemukan beberapa cara untuk mengurangi metana yang dihasilkan oleh hewan pemamah biak.^{[17] [18]} Sebuah studi yang paling baru pada tahun 2009 menyebutkan bahwa 51% emisi gas rumah kaca global dihasilkan oleh siklus hidup dan rantai pengiriman produk ternak, termasuk semua daging, susu dan produk samping lainnya, dan proses pengangkutan mereka.

Organisme aerobik

Organisme aerobik atau aerob adalah organisme yang melakukan metabolisme dengan bantuan oksigen. Aerob, dalam proses dikenal sebagai respirasi sel, menggunakan oksigen untuk mengoksidasi substrat (sebagai contoh gula dan lemak) untuk memperoleh energi.

• Aerob obligat membutuhkan oksigen untuk melakukan respirasi sel aerobik.
• Aerob fakultatif dapat menggunakan oksigen tetapi dapat juga menghasilkan energi secara anaerobik.
• Mikroaerofil adalah organisme yang bisa menggunakan oksigen tetapi dalam konsentrasi yang sangat kecil (mikromolar).
• Organisme aerotoleran dapat hidup walaupun terdapat oksigen di sekitarnya, tetapi mereka tetap anaerobik karena mereka tidak menggunakan oksigen sebagai terminal electron acceptor (akseptor elektron terminal).

Contoh dari bakteri aerob obligat adalah: Nocardia (Gram positif), Pseudomonas aeruginosa (Gram negatif), Mycobacterium tuberculosis (Acid Fast), and Bacillus (Gram positif)

Organisme anaerobik fakultatif

Organisme anaerobik fakultatif adalah organisme, biasanya bakteri, yang menghasilkan ATP secara respirasi aerobik jika terdapat oksigen tetapi juga mampu melakukan fermentasi.
Beberapa contoh bakteri anaerobik fakultatif adalah Staphylococci (Gram positif), Corynebacterium (Gram positif), dan Listeria (Gram positif). Organisme dalam Kerajaan fungi dapat juga tergolong anaerobik fakultatif, contohnya khamir.