Fermentasi Gas Metan

PENDAHULUAN

Gas metan termasuk gas rumah kaca (greenhouse gas), bersama dengan gas karbondioksida (CO₂) memberikan efek rumah kaca yang menyebabkan terjadinya fenomena pemanasan global. Pengurangan gas metan secara lokal ini dapat berperan positif dalam upaya penyelesaian permasalahan global. Terdapat berbagai sumber metan, seperti metan yang dihasilkan oleh bakteri metanogen pada ternak ruminasia, gas metan dari proses fermentasi anaerobik pada pembuatan biogas.

Metanogenesis pada sistem pencernaan rumen hewan ruminansia merupakan salah satu alur reaksi fermentasi makromolekul yang menghasilkan gas CH₄ melalui reduksi CO₂ dengan gas hidrogen yang dikatalisis oleh enzim yang dihasilkan bakteri metanogenik. Pembentukan gas metan di dalam rumen berpengaruh terhadap pembentukan produk akhir fermentasi di dalam rumen, terutama jumlah mol ATP, yang pada gilirannya mempengaruhi efisiensi produksi mikrobia rumen. Penurunan produksi gas metan (CH₄) dari ternak ruminansia merupakan sarana untuk meningkatkan efisiensi pakan. Oleh karena itu perlu suatu upaya manipulasi guna mengoptimalkan keuntungan dan mengurangi efek negatif yang ditimbulkan.

Fermentasi anaerobik pada pengolahan limbah ternak menjadi biogas menghasilkan gas metan yang dihasilkan pada dekomposisi bahan organik yang diproduksi dari sektor pertanian dan peternakan. Gas metan ini dimanfaatkan sebagai sumber energi, misal untuk kompor gas atau listrik serta hasil sampingnya dapat digunakan sebagai pupuk organik. Pengolahan biogas ini dapat menjadi salah satu sarana untuk mengurangi pencemaran lingkungan oleh gas metan.

Pengertian Fermentasi Metan dan Kriteria Bakteri Metanogen

            Methane fermentation merupakan proses fermentasi biomassa hingga menghasilkan gas metan yang dapat digunakan sebagai biogas pengganti bahan bakar berbasis minyak bumi (Anonim, 2012).

            Bakteri metanogen terjadi secara alami di dalam sedimen yang dalam atau dalam pencernaan herbivora. Kelompok ini dapat berupa kelompok bakteri gram positif dan gram negatif dengan variasi yang banyak dalam bentuk. Mikroorganisme metanogen tumbuh secara lambat dalam air limbah dan waktu tumbuh berkisar 3 hari pada suhu 35°C dengan 50 hari pada suhu 10°C. bakteri metanogen dibagi menjadi dua kategori, yaitu 1) bakteri metanogen hidrigenotropik (seperti chemolitotrof yang menggunakan hidrogen) merubah hidrogen dan karbondioksida menjadi metan, 2) bakteri metanogen asetotropik atau bakteri asetoklastik atau bakteri penghilang asetat, yang merubah asetat menjadi metan dan CO₂. Bakteri asetoklastik tumbuh jauh lebih lambat daripada bakteri pembentuk asam. Kelompok ini terdiri dari dua kelompok, yaitu Metanosarkina dan Metanotrik. Kurang lebih sekitar 2/3 metan dihasilkan dari konversi asetat oleh metanogen asetotropik. Sepertiga sisanya adalah hasil reduksi karbondioksida oleh hydrogen.

Mekanisme Fermentasi Metan

            Proses pembentukan metan digunakan untuk stabilisasi limbah, seperti kotoran lumpur, pupuk kandang, limbah industry, dan fraksi organik dari limbah kota (Classen et al., 1999; Finstein, 2010; Verstraete et al., 2002). Dalam proses degradasi biokimia, senyawa organik kompleks didekomposisi menjadi senyawa organik dan anorganik sederhana. Selama proses pembentukan metan, mikroba mereduksi sulfat menjadi sulfit dan hidrogen sulfida yang terjadi selama amonifikasi anaerobik dan reduksi nitrat menjadi ammonia. Selain pengurangan asimilasi nitrat, denitrifikasi dapat terjadi (Scherer et al., 2000).

            Tahap awal metabolisme anaerobik serupa dengan proses aerobik. Ketika oksigen terlarut hilang, beberapa organisme khemolitotrof memanfaatkan senyawa mineral teroksidasi (sulfat dan nirat sebagai akseptor hidrogen terakhir). Oksidasi hasil itu, seperti di bawah kondisi aerobik, melalui rantai respirasi, tetapi produk akhir adalah hydrogen atau molekul nitrogen dan energi (Santosh et al., 2004). Proses digesti yang dilepaskan ke lingkungan merupakan produk akhir berenergi tinggi, seperti alkohol atau metan. Pembentukan metan adalah proses yang kompleks yang mengalami empat fase: hidrolisis, acidogenesis-fase pengasaman, acetogenesis, metanogenesis. Keterlibatan  dalam konversi biokimia H₂ dan CO₂ menjadi metana dan asetat menjadi metana dan CO₂ adalah berbagai enzim dan kelompok prostetik yang hanya terjadi pada metanogen.

            Senyawa ini terdiri dari: turunan Deazariboflavine F420, methanopterin, methanofurane, nikel-tetrapyrol faktor F430 dan koenzim M (merkaptan sulfonat). Pengikatan CO₂ secara autotrof oleh metanogen terjadi tanpa bagian dari reaksi siklus ribulosa-bisphosphatic. Sintesis bahan selular dengan CO₂ terjadi melalui jalur reduktif dari asetil-CoA dengan piruvat (Mashaphu, 2005;. Saxena et al., 2009). Pada tahap pertama dari proses, CO₂ diikat oleh methanofurane (MFR) yang kemudian dikurangi menjadi methenyl, metil metilen, dan pada tahap akhir-metan, yang terikat oleh koenzim: Tetrahy-dromethanopterin, 2- methylthioethanesulfonic acid dan 2-mercaptoethanesulfonic acid (Medigan et al., 2000). Jumlah hidrogen untuk asimilasi H₂. Sebagai hasil dari aktivasi hidrogen dengan hidrogenase yang bereaksi dengan faktor F420. Kebanyakan metanogen menggunakan H₂ sebagai sumber elektron, yang dihubungkan dengan terjadinya hidrogenase.

Nilai methanopterin untuk tahap pengurangan CO₂ kelompok metil dari piruvat. Kelompok metil dalam proses karbonilasi diubah menjadi gugus karbonil dengan bantuan enzim karbon monoksida dehidrogenase (Mashaphu, 2005;. Saxena et al., 2009). Yang terlibat dalam jalur metanogenesis adalah koenzim banyak yang tidak memiliki kelompok flavinic atau quinonic (Gambar 2). Metabolisme metanogenesis adalah unik, karena berjalan di sepanjang jalur yang membutuhkan koenzim yang tidak terjadi pada organisme lain, kecuali metanogen.

Methanogenes C1 berpartisipasi dalam metabolisme jalur methanofurane, methanopterin dan koenzim M, sedangkan koenzim F420 dan B bertindak sebagai elektron donor. Senyawa C1 tidak mengandung ikatan karbon-karbon. Mereka berisi monokarbon senyawa, seperti metana (CH₄), metanol (CH₃OH), dimetil karbonat (CH₃OCOOCH₃) dan senyawa monokarbon lainnya. Senyawa ini muncul dalam lingkungan sebagai akibat dari pencernaan dan pembusukan produk dari bahan nabati dan hewani dan juga pestisida. Metana dihasilkan oleh metanogen archaeons menggunakan karbondioksida sebagai akseptor elektron (Medigan et al., 2000;. Mashaphu, 2005). Derivtif Deazariboflavine - F420 adalah koenzim transfer elektron yang digunakan oleh banyak enzim, seperti hydrogenase, dehidrogenase format, metilen dehidrogenase dari tetrahydromethanopterin (H4MPT), metilen reduktase H4MPT dan reduktase heterodihydrogen sulfida. Seperti disebutkan sebelumnya, MFR berpartisipasi dalam tahap inisiasi methanogenese hanya ketika CO₂ terikat dengan furane. Dalam tahap berturut-turut, itu dikurangi ke tingkat formil dan ditransformasikan ke koenzim berikutnya tetrahydromethanopterin. Ada empat jenis tetrahydromethanopterin yang mungkin terjadi dalam tiga derajat yang berbeda dari oksidasi (Mashaphu, 2005).

Tahap Degradasi Anaerobik Pada Limbah Organik

            Hidrolisis. Selama hidrolisis dari polimer yang sebagian besar senyawa organik tidak larut, yaitu karbohidrat, protein lemak, didekomposisi monomer larut, yaitu gula sederhana, asam amino dan asam lemak. Tahap pembentukan metan ini melalui enzim ekstraseluler dari kelompok hidrolisis (amilase, protease, lipase) yang dihasilkan oleh strain yang tepat dari bakteri hidrolisis. Hidrolisis polimer yang sulit didekomposisi, yaitu, selulosa dan cellucottons dianggap tahap yang membatasi laju pencernaan limbah. Selama pencernaan limbah padat, hanya 50% dari senyawa organik mengalami biodegradasi. Bagian yang tersisa dari senyawa tetap dalam keadaan utama mereka karena kurangnya enzim yang berpartisipasi dalam degradasi mereka (Conrad, 1999;. Parawira et al., 2008). Tingkat proses hidrolisis tergantung pada parameter seperti: Ukuran partikel, pH, produksi enzim, difusi dan adsorpsi enzim pada partikel limbah mengalami proses pencernaan. Hidrolisis dilakukan oleh bakteri dari kelompok anaerob relatif genera: Streptococcus, Enterobacterium.

            Acidogenesis. Selama tahap ini, bakteri pengasam mengkonversi zat kimia yang larut dalam air, termasuk produk hidrolisis pendek-rantai asam organik (format, asetat, propionat, butirat, pentanoic), alkohol (metanol, etanol), aldehida, karbon dioksida dan hidrogen. Dari dekomposisi protein, asam amino dan peptida muncul, yang mungkin menjadi sumber energi bagi mikroorganisme anaerobik. Acidogenesis mungkin dua-arah karena efek dari berbagai populasi mikroorganisme. Proses ini dapat dibagi menjadi dua jenis: Hidrogenasi dan dehidrogenasi. Jalur dasar transformasi menghasilkan asetat, CO₂ dan H₂, sedangkan produk acidogenesis lainnya memainkan peran signifikan. Sebagai hasil dari transformasi, metanogen dapat langsung menggunakan produk baru sebagai substrat dan sumber energi. Akumulasi elektron oleh senyawa, seperti laktat, etanol, propionat, butirat, asam lemak volatiol yang lebih tinggi adalah respon bakteri terhadap peningkatan konsentrasi hidrogen dalam larutan. Produk baru tidak dapat digunakan secara langsung oleh bakteri metanogen dan harus dikonversi oleh bakteri obligatif yang memproduksi hidrogen dalam proses yang disebut acetogenesis. Diantara produk acidogenesis, amonia dan hidrogen sulfida yang memberikan bau yang tidak menyenangkan kuat untuk tahap ini (Ntaikou et al., 2010;. Classen et al., 1999; Conrad, 1999). Bakteri fase asam termasuk anaerob fakultatif menggunakan oksigen sengaja diperkenalkan ke dalam proses, menciptakan kondisi yang menguntungkan bagi pengembangan anaerob wajib genera berikut: Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Micrococcus atau Flavobacterium.

            Acetogenesis. Dalam proses ini, bakteri asetat termasuk dari genera dan Syntrophomonas Syntrophobacter yang mengkonversi produk asam fase ke asetat dan hidrogen yang dapat digunakan oleh bakteri metanogen  (Schink, 1997). Bakteri Methanobacterium suboxydans berfungsi untuk dekomposisi asam pentanoat menjadi asam propionat, sedangkan Methanobacterium propionicum menyumbang dekomposisi asam propionat menjadi asam asetat. Akibatnya dari acetogenesis, hidrogen dilepaskan, yang menunjukkan beracun efek pada mikroorganisme yang melaksanakan proses. Oleh karena itu, suatu simbiosis diperlukan untuk bakteri acetogenik dengan bakteri metana autotrof menggunakan hidrogen, selanjutnya disebut syntrophy (Schink, 1997;. De Bok et al, 2005). Acetogenesis adalah fase yang menggambarkan efisiensi produksi biogas, karena sekitar 70% dari metana muncul diproses reduksi asetat. Akibatnya, asetat merupakan produk setengah jadi kunci dari proses metana pencernaan. Dalam fase acetogenesis sekitar 25% dari asetat terbentuk dan sekitar 11% hidrogen, dihasilkan dalam proses degradasi limbah.

            Metanogenesis. Fase ini terdiri dalam produksi metan oleh bakteri metanogen. Metan dalam tahap proses yang dihasilkan dari substrat yang adalah produk dari tahap sebelumnya, yaitu, asam asetat, H₂, CO₂ dan format dan metanol, atau metilamin dimetil sulfida. Terlepas dari kenyataan bahwa bakteri hanya beberapa mampu menghasilkan metan dari asam asetat, mayoritas CH₄ yang timbul dalam proses pencernaan metana hasil dari konversi asam asetat dengan bakteri metan heterotrofik (Demirel dan Scherer, 2008). Hanya 30% gas metana yang dihasilkan dalam proses ini berasal dari CO₂ pengurangan dilakukan oleh bakteri metan autotrofik. Selama proses ini H₂ habis, yang menciptakan kondisi yang baik untuk pengembangan bakteri asam yang menimbulkan rantai pendek asam organik di fase pengasaman dan akibatnya - terlalu rendah produksi H₂ di fase asetogenik. Sebuah konsekuensi dari konversi tersebut mungkin gas yang kaya CO₂, karena hanya bagian kecil yang akan diubah menjadi metan (Griffin et al., 2000.; Karakashev et al., 2005).

Faktor Yang Mempengaruhi Produksi Metan

            Temperatur. Produksi metan dapat dihasilkan pada temperatur antara 0°C sampai 97°C. Walaupun bakteri metan psycrophilic tidak dapat diisolasi, bakteri termofilik beroperasi secara optimum pada temperature 50 sampai 75°C ditemukan di daerah panas. Methanothermus fervidus ditemukan di Iceland dan tumbuh pada temperature 63 sampai 97°C.

            Karena pertumbuhan bakteri metan yang lebih lambat dibandingkan bakteri acidogenik, maka bakteri metan sangat sensitive terhadap perubahan kecil temperature. Karena penggunaan asam volatile oleh bakteri metan, penurunan temperature cenderung menurunkan laju pertumbuhan bakteri metan. Oleh karena itu, penguraian mesofilik harus didesain untuk beroperasi pada temperature anatar 30 sampai 35°C untuk fungsi optimal.

            Waktu tinggal. Waktu tinggal air limbah dalam reactor anaerob, yang tergantung pada karakteristik air limbah dan kondisi lingkungan, harus cukup lama untuk proses metabolisme oleh bakteri anaerobic dalam reactor pengurai. Penguraian didasarkan pada bakteri yang tumbuh menempel mempunyai waktu tinggal yang rendah (1 sampai 10 hari) daripada bakteri yang terdispersi dalam air (10 sampai 60 hari). Waktu tinggal pengurai mesofilik dan termofilik anatra 25 sampai 35 hari tetapi dapat lebih rendah lagi.

            pH. Kebanyakan pertumbuhan bakteri metanogenik berada pada kisaran pH 6,7 samapi 7,4, tetapi optimalnya pada kisaran pH anatar 7,0 sampai 7,2 dan proses dapat gagal jika pH mendekati 6,0. Bakteri acidogenik menghasilkan asam organik yang cenderung menurunkan pH bioreaktor. Salah satu metode untuk memperbaiki keseimbangan pH adalah meningkatkan alkalinity dengan menambah bahan kimia seperti lime (kapur), anhydrous ammonia, sodium hidroksida atau sodium bikarbonat.

               Komposisi kimia air limbah. Bakteri metanogenik dapat menghasilkan metan dari karbohidrat, protein, dan lipida, dan juga senyawa komplek aromatic (contoh: ferulik, vanilik, dan asam syringik). Walaupun demikian beberapa senyawa lignin dan n-parafin sulit terurai oleh bakteri anaerobic. Rasio C:N:P untuk bakteri anaerobic adalah 700:5:1. Metanogen menggunakan ammonia dan sulfur sebagai sumber nitrogen dan sulfur. Walaupun sulfide bebas adalah toksik terhadap metanogen bakteri pada tingkat 150 sampai 200 mg/l, unsur ini sumber sulfur utama untuk bakteri metanogen.

                Kompetisi metanogen dengan bakteri pemakan sulfat. Bakteri pereduksi sulfat dan metanogen memperebutkan donor electron yang sama, asetat dan H_2. Bakteri pemakan sulfat memiliki afinitas yang lebih tinggi terhadap asetat (Ks= 9,5 mg/l) daripada metanogen (Ks=32,8 mg/l). Ini berarti bahwa bakteri pemakan sulfat akan memenangkan kompetisi pada kondisi konsentrasi asetat yang rendah. Bakteri pemakan sulfat dan metanogen sangat kompetitif pada rasio COD/SO₄ berkisar 1,7 sampai 2,7. Pada rasio yang lebih tinggi baik untuk metanogen, sedangkan bakteri pemakan sulfat lebih baik pada rasio yang lebih kecil.

                    Zat toksik. Beberapa zat toksik yang dapat menghambat pembentukan metan antara lain: 1) oksigen, metanogen adalah bakteri anaerob dan dapat terhambat pertumbuhannya oleh oksigen dalam kadar trace level, 2) ammonia, ammonia beracun untuk bakteri metanogen karena produksi ammonia tergantung pH (ammonia bebas terbentuk pada pH tinggi), sedikit toksisitas yang dapat diamati pada pH netral. Ammonia dapat menghambat pembentukan metanogen pada konsentrasi 1500 sampai 3000 mg/l, 3) hidrokarbon terklorinasi, kloroform sangat toksik terhadap bakteri metanogen dan cenderung menghambat ecara total, hal ini dapat diukur dari produksi metan dan akumulasi hydrogen pada konsentrasi di atas 1 mg/l, 4) senyawa benzene, 5) formaldehid, 6) asam volatile, 7) asam lemak rantai panjang, 7) logam berat, 8) sianida, 9) sulfide, 10) tannin, 11) salinitas, 12) efek balik, sistem anaerobik dapat dihambat oleh beberapa hasil antara selama proses.

Manfaat Bakteri Metanogen

            (Haryati, 2006), proses pencernaan anaerobik , yang merupakan dasar dari reaktor biogas yaitu proses pemecahan bahan organik oleh aktivitas bakteri metanogenik dan bakteri asidogenik pada kondisi tanpa udara . Bakteri ini secara alami terdapat dalam limbah yang mengandung bahan organik, seperti kotoran binatang, manusia, dan sampah organik rumah tangga . Jika dilihat dari segi pengolahan limbah, proses anaerob juga memberikan beberapa keuntungan yaitu menurunkan nilai COD dan BOD, total solid, volatile solid, nitrogen nitrat, dan nitrogen organik. Bakteri coliform dan patogen lainnya, telur insek, parasit, bau juga dihilangkan atau menurun. Di daerah pedesaan yang tidak terjangkau listrik, penggunaan biogas memungkinkan untuk belajar dan melakukan kegiatan komunitas di malam hari . Beberapa alasan lain mengapa biogas dapat dimanfaatkan sebagai energi alternatif dan semakin mendapat perhatian yaitu :

(a) Harga bahan bakar yang terus meningkat .

(b) Dalam rangka usaha untuk memperoleh bahan bakar lain yang dapat diperbaharui .

(c) Dapat diproduksi dalam skala kecil di tempat yang tidak terjangkau listrik atau energi lainnya .

(d) Dapat diproduksi dalam konstruksi yang sederhana.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. 2012. Methane Fermentation. Available at http://id.scribd.com/doc/50947036/Methane-Fermentation. Accessed date 12 Desember 2012.

Classen PAM, Van Lier JB, Lopez Contreras AM, Van Niel EWJ, Sittsma L, Stams AJ, De Vries SS, Westhuis RA (1999). Utilisation of biomass for the supply of energy carries. Appl. Microbiol. Biotechnol. 52: 741-755.

Conrad R (1999). Contribution of hydrogen to methane production and control of hydrogen concentration in methanogenic soils and sediments. FEMS Microbiol. Ecol. 28: 193-202.

De Bok FAM, Harmsen HJK, Plugge CM, De Vries MC, Akkermans ADL, De Vos WM, Stams AJM (2005). The first true obligatory syntrophic propionate-oxidizing bacterium, Pelotomaculum Schinkii sp. nov., co-culture with Methanospirillumhungatei, and emended description of the genus Pelotomaculum. Int. J. Syst. Evolut. Microbiol. 55: 1697-1703.

Griffin ME, McMahon KD, Mackie RI, Raskin L (2000). Methanogenic population dynamics during start-up of anaerobic digesters treating municipal soild waste and biosolids. Biotechnol. Eng. 57: 342-355.

Haryati, T. 2006. Biogas: Limbah Peternakan Yang Menjadi Sumber Energi Alternatif. Wartazoa Vol. (16):3 160-169.

Karakashev D, Batstone DJ, Angelidaki I (2005). Influence of environmental conditions on methanogenic compositions in anaerobic biogas reactors. Appl. Environ. Microbiol. 71: 331-338.

Medigan MT, Martinko JM, Parker J (2000). Brock biology of microorganisms. Prentice Hall International, New Jersey.

Ntaikou I, Antonopoulou G, Lyberatos G (2010). Biohydrogen production from biomass and wastes via dark fermentation: a review. Waste Biomass Valor, 1: 21-39.

Tabatabaei M, Zakaria MR, Rahim AR, Wright ADG, Shirai Y, Abdullah N, Sakai K, Ikeno S, Mori M (2009). PCR-based DGGE and FISH analysis of methanogens in an anaerobic closed digester tank for treating palm oil mill effluent. Electron J. Biotechnol. 12: 1-12.

Verstraete W, Doulami F, Volcke E, Tavarnier M, Nollet H, Roels J.(2002). The importance of anaerobic digestion for global environmental development. J. Environ. Syst. Eng. 706: 97-102.