Bio Generator Hidrogen Berbahan Baku Sampah

         

       Sampah dibuat kompos sudah sangat populer, sudah biasa.  Tetapi sampah sebagai bahan baku pembuatan gas hidrogen atau sampah dibuat menjadi gas hidrogen, ini baru keren. Lagi pula pembuatannya ramah lingkungan. Pembuatannya mirip dengan gas bio dari limbah organik. Pembuatan gas bio memanfaatkan bakteri metan dalam tangki cerna yang kedap udara (anaerob).  Pembuatan gas hidrogen memanfaatkan rayap dalam wadah termitarium semi kedap udara. Bisa menggunakan drum atau sejenisnya. 

       Proses pembuatan hidrogen secara konvensional umumnya mengacu pada metode-metode yang telah lama digunakan dan mendominasi produksi hidrogen skala industri. Berikut adalah penjelasan metode utama:

1. 

•  adalah metode paling umum dan ekonomis untuk produksi hidrogen secara konvensional, terutama dari gas alam (metana).

• Proses ini melibatkan reaksi antara metana (CH₄) dan uap air (H₂O) pada suhu tinggi (700–1100°C) dengan bantuan katalis. Reaksi utama:

• $${\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">CH</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">4</span></span>}}<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">+</span></span>{\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">H</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">2</span></span>}}\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">O</span></span>}<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">\to </span></span>\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">CO</span></span>}<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">+</span></span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">3</span></span>}{\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">H</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">2</span></span>}}$$

• Gas karbon monoksida (CO) yang dihasilkan kemudian dapat direaksikan lagi dengan uap air untuk menghasilkan tambahan hidrogen dan karbon dioksida (CO₂):

  $$\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">CO</span></span>}<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">+</span></span>{\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">H</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">2</span></span>}}\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">O</span></span>}<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">\to </span></span>{\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">CO</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">2</span></span>}}<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">+</span></span>{\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">H</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">2</span></span>}}$$

• Hidrogen yang dihasilkan kemudian dimurnikan, biasanya dengan proses penyerapan tekanan (Pressure Swing Adsorption, PSA).

• : Menghasilkan emisi CO₂ sebagai produk samping sehingga berdampak pada lingkungan.

2. 

•  adalah proses pemisahan air (H₂O) menjadi hidrogen (H₂) dan oksigen (O₂) menggunakan arus listrik.

• Proses ini berlangsung dalam sel elektrolisis yang terdiri dari dua elektroda (katoda dan anoda) yang dicelupkan dalam larutan elektrolit (misalnya KOH). Reaksi dasar:

• $$\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">2</span></span>}{\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">H</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">2</span></span>}}\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">O</span></span>}<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">\to </span></span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">2</span></span>}{\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">H</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">2</span></span>}}<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">+</span></span>{\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">O</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">2</span></span>}}$$

• : Secara komersial lebih mahal dibandingkan steam reforming karena memerlukan energi listrik dalam jumlah besar, kecuali jika menggunakan sumber energi terbarukan atau nuklir.

3. 

• Proses ini memanfaatkan reaksi kimia pada suhu sangat tinggi untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen tanpa emisi CO₂.

• Salah satu contoh adalah siklus sulfur-iodine (S-I) yang terdiri dari tiga tahap reaksi kimia, seluruhnya dijalankan pada suhu tinggi dan reaktan selain air didaur ulang dalam sistem.

• Proses ini masih lebih banyak digunakan dalam riset dan pengembangan, terutama untuk integrasi dengan energi panas dari reaktor nuklir.

4. 

• Selain metana, senyawa organik seperti gliserol juga dapat digunakan untuk produksi hidrogen melalui pirolisis atau steam reforming dengan pemanasan konvensional dan katalis. Contoh reaksi pirolisis gliserol:

• $${\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">C</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">3</span></span>}}{\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">H</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">8</span></span>}}{\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">O</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">3</span></span>}}<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">+</span></span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">3</span></span>}{\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">H</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">2</span></span>}}\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">O</span></span>}<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">\to </span></span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">7</span></span>}{\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">H</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">2</span></span>}}<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">+</span></span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">3</span></span>}{\text{<span style="font-size: medium;"><span style="font-family: times;">CO</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; medium;"><span\; style="font-family:\; times;">2</span></span>}}$$

     Selanjutnya proses pembuatan hidrogen dari sampah adalah dengan memanfaatkan rayap (termite), dimana dalam proses pencernaan makanannya rayap bisa menghasilkan gas hidrogen. Rayap (termite) memiliki sistem pencernaan yang sangat unik dan efisien untuk mencerna bahan berserat seperti kayu dan serat tumbuhan. Proses ini tidak hanya memungkinkan rayap memperoleh energi dari bahan lignoselulosa, tetapi juga menghasilkan gas hidrogen (H₂) sebagai produk samping utama. Rayap merupakani salah satu penghasil hidrogen alami terbesar di ekosistem, sekaligus contoh simbiosis mikroba-inang yang sangat efisien dalam pencernaan lignoselulosa. Tahapan  pencernaan makanan oleh rayap yang pada akhirnya menghasilkan hidrogen adalah sbb."

1. 

• Di dalam usus rayap, terutama di bagian hindgut (usus belakang), hidup komunitas mikroorganisme yang sangat beragam, termasuk bakteri, archaea, dan protista flagelata.

• Mikroorganisme ini, terutama protista flagelata dan beberapa bakteri seperti Clostridium spp. dan Enterobacter cloacae, berperan penting dalam fermentasi bahan organik dan produksi hidrogen.

2. 

• : Kayu atau serat tumbuhan yang dimakan rayap dipecah secara mekanis dan sebagian secara enzimatis di saluran pencernaan bagian depan.

• : Sisa-sisa bahan yang tidak tercerna masuk ke hindgut, tempat mikroorganisme melakukan fermentasi anaerob terhadap polisakarida seperti selulosa dan hemiselulosa.

• :

  • Protista flagelata memecah selulosa menjadi gula sederhana, lalu memfermentasinya menjadi asam asetat, karbon dioksida (CO₂), dan hidrogen (H₂).

  • Enzim utama yang terlibat dalam produksi hidrogen adalah [FeFe]-hidrogenase, yang banyak ditemukan pada mikroorganisme usus rayap.

  • Contoh reaksi fermentasi:

    $${\text{<span style="font-family: times;"><span style="font-size: medium;">C</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; times;"><span\; style="font-size:\; medium;">6</span></span>}}{\text{<span style="font-family: times;"><span style="font-size: medium;">H</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; times;"><span\; style="font-size:\; medium;">12</span></span>}}{\text{<span style="font-family: times;"><span style="font-size: medium;">O</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; times;"><span\; style="font-size:\; medium;">6</span></span>}}<span\; style="font-family:\; times;"><span\; style="font-size:\; medium;">\to </span></span>\mathrm{<span\; style="font-family:\; times;"><span\; style="font-size:\; medium;">2</span></span>}{\text{<span style="font-family: times;"><span style="font-size: medium;">CH</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; times;"><span\; style="font-size:\; medium;">3</span></span>}}\text{<span style="font-family: times;"><span style="font-size: medium;">COOH</span></span>}<span\; style="font-family:\; times;"><span\; style="font-size:\; medium;">+</span></span>\mathrm{<span\; style="font-family:\; times;"><span\; style="font-size:\; medium;">2</span></span>}{\text{<span style="font-family: times;"><span style="font-size: medium;">CO</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; times;"><span\; style="font-size:\; medium;">2</span></span>}}<span\; style="font-family:\; times;"><span\; style="font-size:\; medium;">+</span></span>\mathrm{<span\; style="font-family:\; times;"><span\; style="font-size:\; medium;">4</span></span>}{\text{<span style="font-family: times;"><span style="font-size: medium;">H</span></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; times;"><span\; style="font-size:\; medium;">2</span></span>}}$$

    (Glukosa diubah menjadi asam asetat, karbon dioksida, dan hidrogen oleh mikroorganisme anaerob.)

3. 

• Sebagian besar hidrogen yang dihasilkan digunakan kembali oleh mikroba lain di dalam usus rayap, terutama oleh bakteri asetogenik (pembentuk asam asetat) dan, pada beberapa spesies rayap, oleh metanogen (pembentuk metana).

• Namun, pada beberapa spesies rayap, hidrogen yang tidak dikonsumsi akan dilepaskan ke lingkungan sebagai gas.

4. 

• Sistem pencernaan rayap sangat efisien: hingga 99% selulosa dapat diubah menjadi produk fermentasi, dengan hidrogen sebagai salah satu produk utama.

• Produksi hidrogen ini sangat dipengaruhi oleh jenis rayap, makanan, serta komposisi komunitas mikroba di dalam ususnya.

Tahap Proses	Pelaku Utama	Produk Utama	Keterangan
Hidrolisis selulosa	Enzim selulase dari mikroba	Selobiosa, glukosa	Enzim endo-β-1,4-glukanase, eksoglukanase, β-glukosidase memecah selulosa menjadi gula sederhana
Fermentasi anaerob	Protozoa, bakteri hidrogenogen	Asam asetat, H₂, CO₂, CH₄	Mikroba fermentasi menghasilkan energi dan gas hidrogen sebagai produk samping
Penyerapan produk fermentasi	Rayap	Energi (dari asam asetat)	Rayap menyerap asam asetat sebagai sumber energi utama

         Gas hidrogen adalah gas ringan, tidak berwarna, tidak berbau, sangat mudah terbakar, dengan titik didih dan titik leleh yang sangat rendah, serta memiliki energi ikatan molekul yang tinggi. Sifat-sifat ini menjadikannya bahan bakar potensial dan bahan kimia penting dalam berbagai aplikasi industri dan energi. Gas hidrogen memiliki massa jenis  14 kali lebih ringan dari udara, sehingga sering digunakan untuk pengisi balon udara agar bisa melayang terbang di udara. Karakteristik gas hidrogen (H₂) secara fisik dan kimia adalah sebagai berikut:

Karakteristik	Keterangan
Wujud	Gas diatomik, tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa
Massa jenis (densitas)	Sekitar 0,089–0,09 kg/m³ pada suhu 15°C dan tekanan 1 atm (sekitar 14 kali lebih ringan dari udara)
Titik didih	Sekitar -252,9°C (pada tekanan 1 atm)
Titik leleh	Sekitar -259°C
Titik pengapian	Sekitar 560°C
Kelarutan	Sedikit larut dalam air, lebih larut dalam pelarut organik
Energi pembakaran	Nilai kalor sekitar 10.790 kJ/m³ (pada 0°C dan 1 atm)
Konsentrasi ledakan	Campuran dengan udara: 4,1% sampai 75%; dengan oksigen: 4,5% sampai 95%
Kecepatan pembakaran	Sekitar 8,99 m/s
Sifat kimia	Sangat mudah terbakar, bereaksi dengan oksigen membentuk air (reaksi eksotermik), bersifat reduktor pada suhu tinggi, memiliki ikatan kovalen yang sangat kuat (energi ikatan ~436 kJ/mol)
Konduktivitas listrik	Dalam bentuk padatan, hidrogen memiliki konduktivitas listrik yang tinggi
Difusivitas dan viskositas	Difusi sangat cepat karena massa molekul yang sangat kecil, viskositas rendah

Keterangan tambahan:

• Hidrogen adalah unsur paling ringan dan paling melimpah di alam semesta, dengan nomor atom 1 dan berat molekul sekitar 2,01594 g/mol untuk molekul H₂.
• Karena ukurannya yang sangat kecil dan ikatan kovalen yang kuat, molekul hidrogen stabil pada kondisi standar, tetapi mudah bereaksi terutama pada suhu tinggi atau dengan katalis.
• Hidrogen memiliki sifat gas inert pada suhu ruang (sukar bereaksi), tetapi dapat bertindak sebagai gas reduktor dalam reaksi kimia tertentu.
• Gas hidrogen sangat mudah terbakar dan dapat membentuk campuran yang mudah meledak dengan udara atau oksigen dalam rentang konsentrasi yang
• Pemanfaatan gas hidrogen sangat beragam, mulai dari industri kimia, transportasi ramah lingkungan, pembangkit listrik, hingga penyimpanan energi, menjadikannya salah satu kandidat utama dalam transisi menuju ekonomi rendah karbon di masa depan

Termitarium Bio Generator Hidrogen

         Ini baru sebuah gagasan penulis, pemilik blog ini. Layaknya tangki cerna biogas menggunakan drum.  Termitarium bio generator hidrogen ini adalah  memasukkan ratu dan koloni rayap kedalam drum. Ratu dan koloni rayap diambil  dari alam. Ratu rayap harus diambil utuh dan lengkap dalam kapsul  sarkopaganya berikut sebagian sarang koloni rayap.  Kedalam drum diisi kayu kering yang sudah dibasahi, dan ditimbun tanah secukupnya. lebih bagus tanah bekas bongkaran gundukan sarang rayap (termitarium). kayu dimaksudkan  sebagai makanan rayap.

          Bagian bawah / dasar drum dibuat beberapa lubang kecil  (2mm) yang bisa untuk lalu lalang rayap nantinya. drum di letakkan langsung pada tanah tanpa alas.   Sisi - sisi dinding drum dibuat lubang yang lebih lebar (15 cm) untuk tempat memasukkan umpan (sampah/kayu). Bagian atas drum ditutup kedap udara, dan dipasang lubang konektor untuk menampung gas hidrogen.  penampung gas hidrogen bisa hanya dengan kantong plastik kedap udara yang dipasang/ diikat pada konektor.   Gambaran rinci kontruksi bio generator hidrogen bisa dilihat pada gambar. Disain ini masih menyisakan pertanyaan : apakah termitarium (sarang rayap) dapat tumbuh dalam ruang kedap udara ?.

          Jika tangki bio generator hidrogen akan dibuat yang besar, bagian dasarnya tidak perlu dilubangi.  Sebagai gantinya dasar tangki diisi tanah dengan ketebalan proporsional  ketinggian tangki. Penampung gas tidak bisa hanya dengan kantong plastik, tetapi harus dengan tangki khusus (gas holder) yang dilengkapi pompa isap otomatis.  Pompa isap bekerja otomatis berdasarkan tekanan gas pada ruang bio generator. Jika  tekanan dalam tangki ruang bio generator melebihi tekanan normal (1 ATM) artinya  dalam tangki tersebut sudah mulai terkumpul gas-gas, utamanya gas hidrogen.  Sampai dengan tekanan tertentu > 1 ATM pompa otomatis bekerja  mengisap gas dimasukan kedalam tangki gas (gas holder). pompa berhenti kerja bila tekanan dalam tangki bio generator = 1 ATM.

Prinsip Kerja Bio Generator Hidrogen 

• Rayap yang dipelihara dalam tangki bio generator, akan makan selulosa (sampah, kayu) kemudian dicerna untuk tumbuh kembang rayap. dalam proses pencernaan rayap  akan dilepaskan sejumlah gas hidrogen.
• Hidrogen yang keluar dari perut rayap, akan menembus keluar melalui pori-pori tanah (sarang rayap / termitarium) yang ada dalam tangki bio generator.  Gas hidrogen akan bergerak naik  ke atas.  Bagian atas drum yang kedap udara mengakibat gas akan terkumpul dan terkonsentrasi. Melalui lubang konektor gas, gas hidrogen disalurkan ke tempat penapung gas. (misal kantong plastik).  Kantong plastik menggelembung, artinya gas hidrogen sudah terkumpul.
• secara berkala lakukan pembasahan dengan semprotan air pada tanah agar kelembaban terjaga. Pada kurun waktu tertentu tambahkan sampah,  kayu sebagai makanan rayap.
• Ganti kantong palstik yang  sudah menggelembung (terisi gas hidrogen) dengan kantong plastik yang baru. Gas hidrogen yang tertampung dalam kantong bisa dimanfaatkan.