Pencernaan anaerobik

Pencernaan anaerobik adalah serangkaian proses di mana mikroorganisme memecah bahan yang dapat terurai secara hayati tanpa adanya oksigen. Proses ini digunakan untuk keperluan industri atau rumah tangga untuk mengelola limbah atau menghasilkan bahan bakar. Sebagian besar fermentasi yang digunakan secara industri untuk menghasilkan produk makanan dan minuman, serta fermentasi rumahan, menggunakan pencernaan anaerob.

Pencernaan anaerobik terjadi secara alami di beberapa tanah dan di sedimen danau dan cekungan samudra, di mana biasanya disebut sebagai "aktivitas anaerobik." Ini adalah sumber gas rawa metana yang ditemukan oleh Alessandro Volta pada tahun 1776.

Proses pencernaan dimulai dengan hidrolisis bakteri dari bahan masukan. Polimer organik yang tidak larut, seperti karbohidrat, dipecah menjadi turunan yang dapat larut yang tersedia untuk bakteri lain. Bakteri asidogenik kemudian mengubah gula dan asam amino menjadi karbon dioksida, hidrogen, amonia, dan asam organik. Dalam asetogenesis, bakteri mengubah asam organik yang dihasilkan ini menjadi asam asetat, bersama dengan tambahan amonia, hidrogen, dan karbon dioksida di antara senyawa lainnya. Akhirnya, metanogen mengubah produk ini menjadi metana dan karbon dioksida. Populasi arkea metanogenik memainkan peran yang sangat diperlukan dalam pengolahan air limbah anaerobik.

Pencernaan anaerobik digunakan sebagai bagian dari proses untuk mengolah limbah yang dapat terurai secara hayati dan lumpur limbah. Sebagai bagian dari sistem pengelolaan limbah terpadu, penguraian anaerobik mengurangi emisi gas TPA ke atmosfer. Pencerna anaerobik juga dapat diberi makan dengan tanaman energi yang ditanam dengan tujuan tertentu, seperti jagung.

Penguraian anaerobik banyak digunakan sebagai sumber energi terbarukan. Proses ini menghasilkan biogas, yang terdiri dari metana, karbon dioksida, dan jejak gas 'kontaminan' lainnya.Biogas ini dapat digunakan secara langsung sebagai bahan bakar, dalam mesin gas panas dan listrik gabunganatau ditingkatkan menjadi biometana berkualitas gas alam. Digestat yang kaya nutrisi juga dapat digunakan sebagai pupuk.

Dengan penggunaan kembali sampah sebagai sumber daya dan pendekatan teknologi baru yang telah menurunkan biaya modal, penguraian anaerobik dalam beberapa tahun terakhir telah mendapat perhatian lebih di kalangan pemerintah di sejumlah negara, di antaranya adalah Inggris (2011), Jerman, Denmark (2011), dan Amerika Serikat.

Proses

Banyak mikroorganisme yang mempengaruhi pencernaan anaerobik, termasuk bakteri pembentuk asam asetat (asetogen) dan arkea pembentuk metana (metanogen). Organisme ini mendorong sejumlah proses kimiawi dalam mengubah biomassa menjadi biogas.

Oksigen gas dikeluarkan dari reaksi dengan penahanan fisik. Anaerob menggunakan akseptor elektron dari sumber selain gas oksigen. Akseptor ini dapat berupa bahan organik itu sendiri atau dapat disuplai oleh oksida anorganik dari dalam bahan input. Ketika sumber oksigen dalam sistem anaerobik berasal dari bahan organik itu sendiri, produk akhir 'antara' terutama adalah alkohol, aldehida, dan asam organik, ditambah karbon dioksida. Dengan adanya metanogen khusus, zat antara diubah menjadi produk akhir 'akhir' berupa metana, karbon dioksida, dan sedikit hidrogen sulfida. Dalam sistem anaerobik, sebagian besar energi kimia yang terkandung di dalam bahan awal dilepaskan oleh archaea metanogenik sebagai metana.

Populasi mikroorganisme anaerobik biasanya membutuhkan waktu yang cukup lama untuk membentuk diri mereka sendiri agar sepenuhnya efektif. Oleh karena itu, praktik yang umum dilakukan adalah memasukkan mikroorganisme anaerobik dari bahan dengan populasi yang sudah ada, sebuah proses yang dikenal sebagai "penyemaian" digester, yang biasanya dilakukan dengan penambahan lumpur limbah atau bubur ternak.

Tahapan proses

Empat tahap utama pencernaan anaerobik melibatkan hidrolisis, asidogenesis, asetogenesis, dan metanogenesis. Keseluruhan proses dapat digambarkan dengan reaksi kimia, di mana bahan organik seperti glukosa dicerna secara biokimiawi menjadi karbon dioksida (CO2) dan metana (CH4) oleh mikroorganisme anaerobik.

Hidrolisis

Dalam banyak kasus, biomassa terdiri dari polimer organik yang besar. Agar bakteri dalam pengurai anaerobik dapat mengakses potensi energi dari bahan tersebut, rantai-rantai ini harus dipecah terlebih dahulu menjadi bagian-bagian penyusunnya yang lebih kecil. Bagian-bagian penyusun ini, atau monomer, seperti gula, sudah tersedia untuk bakteri lain. Proses pemutusan rantai ini dan pelarutan molekul-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 secara 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 digunakan oleh metanogen.

Asidogenesis

Proses biologis asidogenesis menghasilkan pemecahan lebih lanjut dari 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 pembuatan susu asam.

Asetogenesis

Tahap ketiga dari pencernaan anaerobik adalah asetogenesis. Di sini, molekul sederhana yang dibuat melalui fase asidogenesis dicerna lebih lanjut oleh asetogen untuk menghasilkan sebagian besar asam asetat, serta karbon dioksida dan hidrogen.

Metanogenesis

Tahap akhir dari pencernaan anaerobik adalah proses biologis metanogenesis. Di sini, metanogen menggunakan produk perantara dari tahap sebelumnya dan mengubahnya menjadi metana, karbon dioksida, dan air. Komponen-komponen ini 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 digunakan oleh mikroba dan sisa-sisa bakteri yang mati membentuk digestate.

Konfigurasi

Pencerna anaerobik dapat dirancang dan direkayasa untuk beroperasi menggunakan sejumlah konfigurasi yang berbeda dan dapat dikategorikan ke dalam mode proses batch vs kontinu, kondisi suhu mesofilik vs termofilik, porsi padatan yang tinggi vs rendah, dan proses satu tahap vs multi tahap. Proses kontinu membutuhkan desain yang lebih kompleks, tetapi tetap saja, ini mungkin lebih ekonomis daripada proses batch, karena proses batch membutuhkan lebih banyak biaya pembangunan awal dan volume digester yang lebih besar (tersebar di beberapa batch) untuk menangani jumlah limbah yang sama dengan digester proses kontinu.

Energi panas yang lebih tinggi diperlukan dalam sistem termofilik dibandingkan dengan sistem mesofilik, tetapi sistem termofilik membutuhkan waktu yang jauh lebih singkat dan memiliki kapasitas keluaran gas yang lebih besar dan kandungan gas metana yang lebih tinggi, sehingga kita harus mempertimbangkan pertukaran itu dengan cermat. Untuk kandungan padatan, rendah akan menangani kandungan padatan hingga 15%. Di atas tingkat ini dianggap sebagai kandungan padatan yang tinggi dan juga dapat dikenal sebagai pencernaan kering. Dalam proses satu tahap, satu reaktor menampung empat langkah pencernaan anaerobik. Proses multistage menggunakan dua atau lebih reaktor untuk pencernaan untuk memisahkan fase metanogenesis dan hidrolisis.

Batch atau kontinu

Pencernaan anaerobik dapat dilakukan sebagai proses batch atau proses kontinu. Dalam sistem batch, biomassa ditambahkan ke reaktor pada awal proses. Reaktor kemudian ditutup selama proses berlangsung. Dalam bentuknya yang paling sederhana, pemrosesan batch membutuhkan inokulasi dengan bahan yang sudah diproses untuk memulai pencernaan anaerobik. Dalam skenario tipikal, produksi biogas akan terbentuk dengan pola distribusi normal dari waktu ke waktu. Operator dapat menggunakan fakta ini untuk menentukan kapan mereka yakin bahwa proses pencernaan bahan organik telah selesai. Mungkin ada masalah bau yang parah jika reaktor batch dibuka dan dikosongkan sebelum prosesnya selesai dengan baik.

Jenis pendekatan batch yang lebih maju telah membatasi masalah bau dengan mengintegrasikan pencernaan anaerobik dengan pengomposan di dalam kapal. Dalam pendekatan ini, inokulasi dilakukan melalui penggunaan perkolat degasifikasi yang disirkulasi ulang. Setelah pencernaan anaerobik selesai, biomassa disimpan di dalam reaktor yang kemudian digunakan untuk pengomposan di dalam kapal sebelum dibuka. Karena pencernaan batch sederhana dan membutuhkan lebih sedikit peralatan dan tingkat pekerjaan desain yang lebih rendah, ini biasanya merupakan bentuk pencernaan yang lebih murah menggunakan lebih dari satu reaktor batch di pabrik dapat memastikan produksi biogas yang konstan.

Dalam proses pencernaan berkelanjutan, bahan organik ditambahkan secara konstan (campuran lengkap berkelanjutan) atau ditambahkan secara bertahap ke reaktor (aliran sumbat kontinu; masuk pertama - keluar pertama). Di sini, produk akhir secara konstan atau berkala dibuang, menghasilkan produksi biogas yang konstan. Satu atau beberapa digester secara berurutan dapat digunakan. Contoh bentuk pencernaan anaerobik ini termasuk reaktor tangki berpengaduk kontinu, selimut lumpur anaerobik aliran atas, lapisan lumpur granular yang diperluas, dan reaktor sirkulasi internal.

Disadur dari: en.wikipedia.org