View
238
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
1
Abstrak—Penelitian dilakukan dengan membuat biogas dalam
tiga jenis komposisi bahan yaitu S (limbah sayuran), K (kotoran
sapi dan limbah sayuran), dan T (kotoran sapi, limbah sayuran,
dan limbah cair tahu) dengan menggunakan reaktor digester
kedap udara. Terdapat tiga tahap utama dalam penelitian ini
yaitu, tahap preparasi yang meliputi preparasi bahan, reaktor
digester, dan sample bag, tahap pemrosesan yang meliputi
pencampuran bahan dan proses fermentasi, dan tahap pengujian
yang meliputi pengamatan manometer dan termometer setiap
hari serta pengujian kromatografi gas. Dari hasil pengamatan
manometer diketahui bahwa penambahan substrat limbah
sayuran tiap 1% dapat menurunkan produk biogas kurang lebih
4%. Sedangkan penambahan limbah cair tahu pada percobaan
T2 dapat meningkatkan produksi biogas hingga 25%.
Kata Kunci—biogas, kotoran sapi, limbah cair tahu, limbah
sayuran, metana.
I. PENDAHULUAN
ERKURANGNYA sumber cadangan energi seperti
minyak bumi, batu bara, dan gas bumi tengah dialami oleh
berbagai negara dan tidak terkecuali Indonesia. Pada 2011, BP
Migas memperkirakan bahwa cadangan minyak potensial di
Indonesia hanya akan bertahan sampai 12 tahun, sedangkan
untuk gas hanya akan bertahan sampai 46 tahun. Kondisi ini
dipersulit dengan adanya fakta bahwa konsumsi energi di
Indonesia juga mengalami peningkatan secara bertahap. Salah satu solusi energi terbarukan adalah biogas. Biogas
merupakan salah satu bentuk produk sekunder dari biomasa.
Bukan hanya buangan hewan pemakan tanaman yang dapat
digunakan sebagai sumber biomasa, tetapi juga semua sampah
organik dan buangan yang berasal dari tanaman juga dapat
digunakan sebagai sumber biomasa [11].
Untuk mengimbangi jumlah konsumsi energi yang
meningkat maka diperlukan adanya peningkatan produksi
biogas. Peningkatan produksi biogas dapat dilakukan dengan
beberapa metode yaitu menggunakan bahan aditif, penggunaan
kembali slurry, menjaga nilai parameter seperti pH,
temperatur, laju pengisian reaktor digester, dan pengadukan,
serta menggunakan biofilter [16].
Salah satu penelitian untuk meningkatkan produksi biogas
yang dilakukan sebelumnya adalah penggunaan bahan aditif
dengan menambahkan limbah cair tahu ke dalam bahan baku
penghasil biogas yaitu kotoran sapi. Berdasarkan penelitian
Utami, Triwikantoro, dan Muntini dengan empat variasi
perbandingan massa limbah tahu dan kotoran sapi, produksi
biogas tertinggi diperoleh dari campuran bahan limbah tahu
dan kotoran sapi dengan perbandingan massa 70:30 [15].
Penelitian lain mengenai peningkatan produksi biogas adalah
dengan penggunaan bahan aditif berupa limbah tanaman tomat
ke dalam bahan utama pembentukan biogas berupa kotoran
kelinci [16].
Pada penelitian ini akan dilakukan pembentukan biogas
dengan bahan utama berupa kotoran sapi dan bahan aditif
berupa limbah sayuran dan limbah cair tahu. Kandungan zat
organik yang terdapat pada tiap substrat ditampilkan pada
Tabel 1. Komolka, Gorecka, dan Dziedzic menyebutkan pula
bahwa dalam 100 gr sayuran kubis tanpa daun terluar terdapat
3,09 gr hemiselulosa, 7,87 gr selulosa, dan 1,7 gr lignin [6].
Pengamatan laju produksi biogas dilakukan dengan
mengamati perubahan tekanan gas melalui manometer. Pada
manometer tersebut, tekanan akan terbaca melalui perubahan
ketinggian air dalam manometer. Dari selisih ketinggian
tersebut, nilai tekanan biogas dapat diketahui dengan (1).
P = P0 + ρgh (1)
dengan: P = tekanan gas yang diukur (N/m2)
P0 = tekanan gas udara (1.105 N/m
2)
ρ = massa jenis air ( 1000 kg/m3)
h = tinggi (m)
Jika nilai tekanan gas telah diketahui, maka nilai mol gas
dapat dicari dengan menggunakan (2).
PV = nRT (2)
dengan: P = tekanan gas yang diukur (N/m2)
V =volume ruang kosong dalam reaktor (m3)
Analisis Peran Limbah Sayuran dan Limbah
Cair Tahu pada Produksi Biogas Berbasis
Kotoran Sapi
I. Ghevanda, Triwikantoro
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh
Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: triwi@physics.its.ac.id
B Tabel 1.
Kandungan zat organik sayuran kubis, limbah cair tahu, dan kotoran sapi.
Parameter Sayuran kubis (gr) Limbah cair tahu Kotoran sapi
Protein 2,4[5], 1,4[12] 0,45%[15] 6,74%[13]
Lemak 2,2[5], 0,02[12] - 2,45%[13]
Karbohidrat 4,9[5], 5,3[12] 2,08%[15] 36,64%[13]
Glukosa - 2,31%[15]
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
2
n =jumlah mol total (mol)
R =konstanta gas (8,314 J/mol.K)
T =temperatur (K)
II. METODE
A. Peralatan dan Bahan
Peralatan yang dipakai dalam penelitian ini adalah
perangkat instalasi reaktor biogas yang terdiri dari 6 buah
jurigen berkapasitas 20 l dan 1 buah jurigen berkapasitas 35 l,
selang akuarium, plastik polietilen, piringan karet ban dalam
sepeda (diameter 2,5 cm), lem PVC, selotip kabel, klep bekas
ban sepeda motor, gelas ukur 500 ml, kertas uji pH universal,
dan manometer, serta termometer untuk pengukuran suhu
ruangan. Untuk karakterisasi sampel digunakan peralatan uji
kromatografi gas. Sedangkan bahan yang digunakan adalah
limbah sayuran, limbah cair tahu, kotoran sapi, batu kapur, dan
air.
B. Prosedur Kerja
Tahap pertama dari prosedur kerja dalam penelitian ini
adalah tahap persiapan yang meliputi pembuatan reaktor
digester, penampung gas, dan preparasi bahan pengisi biogas. Reaktor digester beserta penampung gas dibuat seperti pada
Gambar 1.
Setelah itu dilakukan uji kebocoran reaktor digester dan
penampung gas. Uji kebocoran pada reaktor digester dilakukan
dengan cara mengisi reaktor digester dengan air sampai penuh
dan dibiarkan selama satu hari dalam keadaan reaktor tertutup
rapat. Jika masih terjadi kebocoran air, maka reaktor
diperbaiki dan diuji kembali. Uji kebocoran pada penampung
gas dilakukan dengan cara menenggelamkan penampung gas
secara keseluruhan kecuali bagian ujung selang dalam keadaan
penampung gas terisi penuh dengan udara. Jika terdapat
gelembung-gelembung udara yang lolos, maka penampung gas
diperbaiki kembali dan diuji kembali. Langkah berikutnya
adalah menyiapkan bahan isian reaktor digester. Preparasi
bahan pengisi biogas berupa sampah sayuran dilakukan
dengan penghalusan untuk mempercepat proses fermentasi.
Gambar 1. Instalasi reaktor biogas (a) tampak kiri dan (b)
kanan.
Tahap selanjutnya adalah preparasi pembuatan biogas.
Dalam percobaan ini digunakan 3 jenis komposisi yaitu limbah
sayuran saja (S), kotoran sapi ditambah limbah sayuran (K),
dan kotoran sapi ditambah limbah sayuran dan limbah cair
tahu. Komposisi percobaan S, K, dan T dapat dilihat pada
Tabel 2.
Setiap jenis substrat tersebut disiapkan dan diukur dengan
kertas uji pH universal dan ditambah air dengan perbandingan
tertentu sesuai kandungan air setiap substrat. Ratnaningsih
dalam Yeni, Dewilda, dan Sari menyebutkan bahwa kadar air
yang disyaratkan untuk pembentukan biogas adalah 91%-93%
[17]. Nilai kandungan air tiap substrat berdasarkan beberapa
referensi ditampilkan dalam Tabel 3. Setelah itu, masing-
masing substrat diaduk hingga homogen lalu diukur derajat
keasaman tiap campuran substrat dan ditambahkan sejumlah
larutan Ca(OH)2 hingga derajat keasaman setiap substrat
menjadi netral. Ukpai, Ibeh, Agbo, dan Elekwa menyebutkan
bahwa pengendalian efektif pH membutuhkan adanya
sejumlah senyawa alkali untuk membentuk larutan buffer
didalam sistem reaktor digester [14]. Setelah derajat keasaman
(pH) setiap campuran substrat telah disesuaikan dan setelah
pengadukan kembali, maka setiap campuran substrat
dimasukkan ke dalam reaktor digester. Setelah sample bag dan
selang sambungan manometer telah terpasang pada reaktor,
maka selanjutnya dilakukan pengasapan agar oksigen didalam
reaktor berkurang. Pengasapan dilakukan dengan bantuan
selang (diameter 2 inch) yang disambung dengan pipa paralon
(diameter 2 inch) sebagai saluran asap buang motor yang
dimasukkan kedalam alat reaktor sebelum alat reaktor digester
ditutup rapat.
Setelah alat reaktor ditutup rapat, maka proses fermentasi
anaerob mulai berjalan. Setiap hari dilakukan pengamatan
perubahan tekanan gas, pengamatan temperatur ruangan, dan
pengadukan dengan cara menggoyangkan alat reaktor digester
agar kehomogenan tetap tercapai. Pengamatan dan
pengadukan dilakukan hingga tekanan gas mengalami
penurunan dan hasilnya dianalisis.
Tabel 2.
Komposisi percobaan S (limbah sayuran), K (limbah sayuran dan kotoran
sapi), dan T (limbah sayuran, kotoran sapi, dan limbah cair tahu)
Jenis
Percobaan
Kotoran Sapi
(ml)
Limbah
Sayuran (ml)
Limbah Cair
Tahu (ml)
Air
(ml)
S - 10840 - 10840
K
K1 1790 5370 - 7160
K2 1790 5670 - 7460
K3 1790 6270 - 8060
T
T1 1790 5150 2400 4980
T2 1790 5140 2500 4890
T3 1790 5130 2600 4800
Tabel 3.
Nilai kandungan air setiap substrat pengisi reaktor
Jenis Substrat Kandungan Air (%)
Sayuran >80 [3], 89,14±0,5 [2]
Limbah Cair Tahu 93,5±0,5 [2]
Kotoran Sapi 20-70 [1]
(a) (b)
Gambar 1. Reaktor digester (a) dengan sambungan pada manometer dan
(b) dengan sambungan pada sample bag.
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
3
Tahap ketiga adalah karakterisasi biogas dengan uji
kromatografi gas. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui
komposisi gas. Dalam penelitian tugas akhir ini dilakukan dua
jenis metode uji kromatografi gas yaitu metode FID dan
metode TCD.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Analisis Produksi Biogas Kotoran Sapi dengan Bahan
Aditif Berupa Limbah Sayuran dan Limbah Cair Tahu.
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, didapatkan
data mengenai perubahan ketinggian air pada manometer dan
suhu saat pengambilan data untuk percobaan S, K, dan T.
Data-data tersebut digunakan untuk mengetahui nilai mol
dengan menggunakan persamaan 1 dan persamaan 2. Adapun
grafik hubungan antara waktu dengan perubahan mol gas tiap
1 l volume bahan untuk percobaan S dapat dilihat pada
Gambar 2. Dari hasil pengamatan perubahan ketinggian kolom
air pada manometer, diketahui bahwa limbah sayuran mampu
menghasilkan gas sebanyak 3,1193×10-3
mol tiap 1 liter beban
reaktor. Nilai tersebut merupakan nilai mol biogas tertinggi
yang dapat terbentuk dengan volume biogas terakumulasi. Hal
ini menandakan bahwa limbah sayuran mempunyai potensi
untuk menghasilkan biogas.
Adapun grafik hubungan antara waktu dengan perubahan
mol gas tiap 1 l volume bahan untuk percobaan K (limbah
sayuran dan kotoran sapi) dapat dilihat pada Gambar 3. Pada
percobaan K1, K2, dan K3 berturut-turut ditambahkan limbah
sayuran sebanyak 75%, 76%, dan 78% dari volume total
campuran substrat pengisi masing-masing reaktor. Jika dilihat
dari kurva pada Gambar 3, terlihat bahwa semakin banyak
limbah sayuran ditambahkan maka produksi biogas akan
semakin berkurang. Pada tabel 4.3 berikut dapat dilihat nilai
mol gas tertinggi yang dihasilkan oleh percobaan K1, K2, dan
K3.
Adanya perbedaan pada posisi ketinggian fase stasioner.
dapat dipengaruhi oleh konsentrasi nutrien yang terdapat pada
substrat yang digunakan dalam masing-masing percobaan.
Berdasarkan komposisi bahan masing-masing percobaan dan
keterangan pada Tabel 1, kandungan organik pada masing-
masing percobaan dapat dilihat pada Tabel 5. Selain itu,
penambahan limbah sayuran yang semakin banyak pada biogas
berbasis kotoran sapi membuat kandungan substrat berserat
semakin banyak dan kemungkinan timbulnya scum akan
semakin besar. Ojolo, Dinrifo, dan Adesuyi menyebutkan
bahwa dengan digester yang lebih besar dan bahan berserat
dengan ukuran dan jenis yang berbeda maka masalah scum
(lapisan kerak pada permukaan campuran) dapat meningkat
dengan meningkatnya kandungan substrat berserat [7]. Selain
itu, limbah organik yang mengandung serat akan susah untuk
dicerna dan akan mengapung dipermukaan [9], [10].
Adapun grafik hubungan antara waktu dengan perubahan
mol gas tiap 1 l volume bahan untuk percobaan T (limbah
sayuran, limbah cair tahu, dan kotoran sapi) dapat dilihat pada
Gambar 4.
Berdasarkan keterangan pada Tabel 1, persentase
kandungan organik dan nilai mol biogas tertinggi tiap 1 liter
beban reaktor pada tiap-tiap percobaan T ditampilkan dalam
Tabel 6.
Gambar 2. Kurva perubahan mol terhadap waktu dengan volume biogas
terakumulasi untuk percobaan S (limbah sayuran).
Gambar 3. Hasil pengamatan perubahan mol pada percobaan K (limbah
sayuran dan kotoran sapi) dengan variasi volume limbah sayuran
terhadap waktu.
Tabel 4.
Nilai persentase penurunan mol gas tertinggi tiap 1 liter beban reaktor
percobaan K2 dan K3 terhadap percobaan K1.
Percobaan n/L % penurunan
K1 5,684728×10-3 0
K2 5,445583×10-3 4,206806
K3 5,003794×10-3 11,9783
Tabel 5.
Persentase kandungan zat organik untuk setiap sampel.
Percobaan Kandungan organik Nilai rata-rata
S1 6,72% – 10,96% 8,84%
S2 8,5% – 12,85% 10,68%
S3 16,49% - 19,68% 18,09%
S4b 18,08% - 21,17% 19,63%
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
4
Melalui kurva pada Gambar 4 terlihat adanya perbedaan
jumlah produk biogas. Berdasarkan Tabel 6 mengenai
kandungan zat organik dalam setiap komposisi substrat,
percobaan T2 memiliki nilai mol/l biogas hampir 25% lebih
besar dibandingkan nilai mol/l biogas T1. Terjadinya
peningkatan produksi biogas ini dapat dikarenakan adanya
peningkatan kandungan organik pada percobaan T2. Rujukan
[8] juga memberikan suatu gambaran mengenai hubungan
konsentrasi zat organik dalam substrat terhadap laju
pembentukan biogas yang dapat dilihat pada Gambar 5.
Jika dibandingkan dengan percobaan T1, terdapat
penurunan 10 ml volume limbah sayuran dan peningkatan 100
ml volume limbah cair tahu pada percobaan T2. Peningkatan
produksi biogas pada percobaan T dapat terjadi karena adanya
penambahan limbah cair tahu dalam substrat percobaan. Hal
lain yang dapat berpengaruh terhadap laju produksi biogas
adalah jumlah kandungan substrat berserat pada percobaan T2
yang lebih sedikit dibandingkan pada percobaan T1. Selain
sulit dicerna, substrat berserat juga dapat memicu timbulnya
lapisan kerak di permukaan.
B. Analisis Pengaruh Limbah Sayuran dan Limbah Cair
Tahu pada Kualitas Biogas.
Kualitas biogas digambarkan dengan kandungan gas metana
dan gas karbon dioksida yang terdapat dalam biogas. Salah
satu metode pengujian yang dapat digunakan dalam
menentukan kandungan gas metana dan karbon dioksida dalam
biogas adalah uji kromatografi gas. Untuk mengetahui
pengaruh penambahan substrat limbah cair tahu dan limbah
sayuran maka dilakukan pengujian kromatografi gas untuk
percobaan S, K1, dan T2.
Berdasarkan hasil pengujian kromatografi gas, diperoleh
hasil yang ditampilkan pada Tabel 7 berikut.
Berdasarkan data pada tabel 7, limbah sayuran terbukti
memiliki potensi untuk memproduksi gas metana walaupun
dalam jumlah yang sedikit. Jika dibandingkan antara
percobaan K1 dengan T2, atau dapat dikatakan terjadi
penambahan substrat limbah cair tahu, terdapat peningkatan
produksi gas metana sebesar 2,07%.
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat
disimpulkan:
1. Limbah sayuran murni dapat menghasilkan biogas
dimana produk biogas tertinggi adalah 3,1193×10-3
mol
tiap 1 liter beban substrat pengisi reaktor. Penambahan
limbah sayuran tiap 1% dapat menurunkan produk
biogas saat ditambahkan pada kotoran sapi kurang lebih
sebesar 4%.
2. Penambahan limbah cair tahu dapat meningkatkan
produk biogas hingga 25%.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis I.G. mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr.
Triwikantoro, M.Sc selaku dosen pembimbing dan semua
pihak yang terlibat dalam penelitian tugas akhir ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1] P. Basu, Biomass Gasification and Pyrolisis: Practical Design,
Elsevier, Inc (2010).
[2] J. Biswas, R. Chowdhury, P. Bhattacharya, “Kinetic Studies of Biogas
Generation Using Municipal Waste as Feed Stock,” Enzyme and
Microbial Technology. Vol. 38 (2006) 493-503.
Gambar 4. Grafik mengenai hubungan perubahan mol terhadap waktu pada
percobaan T (limbah sayuran, limbah cair tahu, dan kotoran sapi).
Tabel 6.
Prosentase kandungan organik dan mol biogas tertinggi tiap 1 liter
beban untuk tiap komposisi substrat.
Percobaan Kandungan organik Mol/L biogas
T1 14,93% - 21,03% 1,12472×10-2
T2 14,98% - 21,08% 1,40468×10-2
T3 15,04% - 21,13% 1,12655×10-2
Gambar 5. Hubungan laju pembentukan biogas terhadap konsentrasi
substrat [8].
Tabel 7.
Hasil uji kromatografi gas dengan detektor FID
Komposisi Luas Area [µV.s]
Biogas S Biogas K1 Biogas T2
CH4 3026 13090 13361
Senyawa lain - - -
Total 3026 13090 13361
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
5
[3] V.N. Gunaseelan, 1997, “Anaerobic Digestion of Biomass for Methane
Production: A Review,” Biomass and Bioenergy. Vol.13, Nos. 1/2
(1997) 83-114.
[4] Harianto, “Pengaruh Ukuran Partikel terhadap Produksi Biogas
Anaerobic Digestion,” Skripsi, Jurusan Fisika, Institut Teknologi
Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia (2008).
[5] I. Harjono, Melirik Bisnis Tanis Kubis Bunga, CV. Aneka Solo (1996).
[6] P. Komolka, D. Gorecka, K. Dziedzic, “The Effect of Thermal
Processing of Cruciferous Vegetables on Their Content of Dietary Fiber
and Its Fractions,” Acta Scientiarum Polonorum. Vol. 11, No. 4 (2012)
347-354.
[7] S.J. Ojolo, R.R. Dinrifo, K.B. Adesuyi, “Comparative Study of Biogas
Production from Five Substrates,” Advanced Materials Research. Vol
18-19 (2007) 519-525.
[8] L.M. Prescott, J.P. Harley, D.A. Klein, Microbiology. The McGraw-Hill
Companies, Inc (2002).
[9] B. Rahmat, T. Hartoyo, Y. Sunarya, “Biogas Production from Tofu
Liquid Waste on treated Agricultural Wastes,” American Journal of
Agricultural and Biological Sciences. Vol. 9, No. 2 (2014) 226-231.
[10] S.K. Sharma, I.M. Mishra, M.P. Sharma, J.S. Saini, “Effect of Particle
Size on Biogas Generation from Biomass Residues,” Biomass. Vol. 17
(1988) 251-263.
[11] R.E.H. Sims, Bioenergy Options for a Cleaner Environment: In
Developed and Developing Countries, Elsevier, Ltd (2004).
[12] J. Sutrisno, “Pembuatan Biogas dari Bahan Sampah Sayuran (Kubis,
Kangkung, dan Bayam),” Jurnal Teknik WAKTU. Vol. 8, No. 1 (2010)
98-108.
[13] D. Tampubolon, “Pembuatan Briket Arang dari Kotoran Sapi Perah
dengan Tempurung Kelapa”. Skripsi, Jurusan Ilmu Produksi Ternak,
Institut Pertanian Bogor, Bogor, Indonesia (2001).
[14] P.A. Ukpai, G.F. Ibeh, P.E. Agbo, C.A. Elekwa, “Effect of pH on the
Volume of Gas Produced from Cowpea, Cassava Peelings,” Journal of
Physical Sciences and Innovation. Vol. 3 (2011) 44-49.
[15] A.R.I. Utami, Triwikantoro, M.S. Muntini, “Analisis Peran Limbah Cair
Tahu dalam Produksi Biogas,” Seminar Nasional X Pendidikan Biologi
FKIP UNS.
[16] Yadvika, T.R. Santosh, Sreekrishnan, S. Kohli, V. Rana,
“Enhancement of Biogas Production from Solid Substrates Using
Different Technique- A Review,” Bioresource Technology. Vol. 95
(2004) 1-10.
[17] Yeni, Y. Dewilda, S.R. Sari, “Uji Pembentukan Biogas dari Substrat
Sampah Sayur dan Buah dengan Ko-Substrat Limbah Isi Rumen Sapi,”
Jurnal Teknik Lingkungan. Vol. 1 (2012) 26-36.
Recommended