Anaerobic co-digestion of corn stover with digested cow manure for enhancing biogas production as renewable energy using mesophilic reactor

Transkripsi

1 Anaerobik Co-digesi LimbahTanaman Jagung (Zea mays) dan Digested Manure Sapi Terhadap Peningkatan Produksi Biogas Sebagai Energi Terbarukan dengan Menggunakan Reaktor Mesophilic Anaerobic co-digestion of corn stover with digested cow manure for enhancing biogas production as renewable energy using mesophilic reactor Darwin, Susi Chairani, Yusmanizar Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Syiah Kuala, Jl. Krueng Kalee, Darussalam, Banda Aceh, Ditulis untuk dipresentasikan pada Seminar Nasional PERTETA dan HIPI Kampus Unpad Jatinangor, Jalan Raya Bandung-Sumedang km November 12 November, 2014 ABSTRAK Limbah tanaman jagung merupakan limbah biomassa lignoselulosa yang terdiri dari lignin, selulosa dan hemiselosula. Hemiselulosa dan selulosa merupakan polimer yang dapat dikonversikan menjadi biogas. Penelitian ini bertujuan untuk melihat potensi produksi biogas melalui teknologi co-digesi limbah tanaman jagung yang memiliki kandungan karbon tinggi dengan manure sapi yang memiliki kandungan karbon rendah dan tinggi kandungan nitrogen, sehingga dapat meningkatkan effisiensi dan menyeimbangkan proses digesi untuk produksi biogas dan digestate. Metode yang digunakan dalam penelitian antara lain: limbah tanaman jagung yang sudah digiling ± 2 mm dicampurkan dengan manure sapi yang telah melalui treatment anaerobik. Proses anaerobik yang dilakukan yaitu pada konsentrasi 3% total solids. Reaktor yang sudah diisikan dengan substrat meliputi reaktor yang hanya berisi digested manure sapi dan reaktor yang berisi digested manure sapi dan limbah jagung yang diletakkan di dalam thermostatic waterbath yang suhunya dipertahankan pada kondisi mesophilic (30-32 o C). Pengukuran produksi biogas dilakukan setiap hari dengan mencatat peningkatan level gas pada gas meter. Dari hasil penelitian diketahui bahwa anaerobik co-digesi limbah jagung dan digested sapi manure menghasilkan biogas jauh lebih tinggi ( ml) bila dibandingkan dengan produksi biogas dari manure sapi yang tanpa ditambahkan limbah jagung (887.5 ml). Kata kunci: Limbah jagung, manure sapi, anaerobic digesi, biogas ABSTRACT Corn stover is waste lignocellulosic biomass composed of lignin, cellulose and hemiselosula. Hemicellulose and cellulose is a polymer that can be converted into biogas. This study aims to look at the potential of biogas production through technological co-digesi waste corn crop

2 that has a high carbon content with cow manure that has a high carbon content and low nitrogen content, thereby increasing the efficiency and balance digesi process for the production of biogas and digestate. The method used in the study include: corn crop waste that has been milled ± 2 mm mixed with cow manure through anaerobic treatment. Anaerobic processes are made at a concentration of 3% total solids. The reactor that has been loaded with the substrate includes a reactor that contains only digested cow manure and reactor containing digested cow manure and corn waste placed in a thermostatic water bath whose temperature was maintained at mesophilic conditions (30-32 C). Measurement of biogas production is conducted daily by noting the increase in the level of gas in the gas meter. The survey results revealed that the co-digesi anaerobic waste corn and digested cow manure produced biogas is much higher ( ml) compared with the production of biogas from cow manure without added corn waste (887.5 ml). Keywords: corn stover, cow manure, anaerobic digestion, biogas I. PENDAHULUAN Beberapa jenis limbah pertanian dan limbah proses hasil pertanian termasuk diantaranya yaitu jerami padi, limbah tanaman jagung, kulit kakao. Sekitar 500 juta ton limbah pertanian dihasilkan setiap tahunnya (Milbrandt, 2005). Limbah pertanian memiliki karakteristik yang dapat dimanfaatkan untuk produksi energi terbarukan. Hal ini karena limbah pertanian merupakan biomassa lignoselulosa yang mengandung selulosa dan hemiselulosa yang dapat dimanfaatkan sebagai substrat untuk produksi energi terbarukan. Salah satu teknologi yang dapat mengkonversikan limbah pertanian menjadi energi terbarukan yaitu teknologi anaerobik co-digesi yang memanfaatkan limbah pertanian sebagai co-substrat untuk meningkatkan produksi biomethane sebagai energi terbarukan yang ramah lingkungan. Kadam dan McMillian (2003) menyatakan bahwa limbah jagung (corn stover) merupakan bagian yang tersisa dari tanaman jagung setelah buah jagung dipanen yang berupa batang, daun, buah jagung muda serta kulit jagung. Limbah jagung (corn stover) dapat terdiri dari 50% batang, 22% daun, 15% bonggol, dan 13% kulit jagung (Kadam dan McMillian, 2003). Beberapa komponen utama dari limbah tanaman jagung yaitu selulosa, hemiselulosa dan lignin. Pembakaran sisa-sisa hasil panen produk pertanian dalam jumlah yang besar merupakan tindakan yang harus dihindari; hal ini karena proses pembakaran limbah pertanian dalam jumlah yang besar juga akan menghasilkan polusi yang berupa pasokan emisi karbon ke atmosfir. Aktifitas ini sangat berbahaya apabila terus dibiarkan karena akan menyebabkan penumpukan emisi karbon di atmosfir yang pada akhirnya akan mempengaruhi perubahan iklim dan pemanasan global. Penelitian dan pengembangan pemanfaatan limbah hasil

3 pertanian sebagai substrat untuk menghasilkan energi terbarukan mutlak harus dilakukan karena dapat mendukung program pemerintah dan dunia dalam rangka pengembangan dan penemuan sumber energi terbarukan untuk mengurangi konsumsi bahan bakar fosil (Xie et al.,2011). Adanya kecenderungan peningkatan harga bahan bakar fosil dunia yang signifikan maka penelitian dan pengembangan energi alternatif sangat penting dilakukan oleh tiap-tiap negara untuk mempertahankan dan meningkatkan pertumbuhan ekonominya. Meskipun teknologi anaerobik digesi telah diketahui sekitar ratusan tahun yang lalu, saat ini masyarakat di seluruh dunia khususnya di negara-negara maju kembali aktif dan intensif dalam melakukan penelitian dan pengembangan teknologi anaerobik digesi untuk meningkatkan produksi energi terbarukan untuk mengurangi ketergantungan terhadap penggunaan bahan bakar fosil (Xiao et al.,2010). Dengan penerapan teknologi anaerobik co-digesi dimana proses anaerobik digesi yang terdiri dari substrat yang berbeda maka produksi biogas dan stabilitas proses dan efisiensi digesi dapat ditingkatkan (Cuetos et al.,2011). Callaghan et al. (2002) menyatakan bahwa dibandingkan dengan proses anaerobik digesi yang hanya menggunakan limbah hewan seperti limbah sapi, co-digesi limbah kotoran hewan yang memiliki rasio carbon nitrogen yang rendah atau memiliki kandungan nitrogen tinggi dengan substrat yang memiliki kandungan nitrogen yang rendah atau memiliki rasio carbon nitrogen yang tinggi, akan mampu menghasilkan produksi bio-methane yang lebih tinggi hal ini terjadi karena anaerobic co-digesi dari substrat yang berbeda mampu menghasilkan proses digesi yang lebih stabil dibandingkan dengan anaerobik digesi yang hanya menggunakan limbah hewan. Limbah hasil panen tanaman jagung dapat digunakan sebagai bahan baku (feedstock) untuk peningkatan produksi biogas sebagai energi alternatif. Penggunaan limbah hasil panen tanaman jagung untuk peningkatan produksi energi terbarukan sangat berpotensi untuk dikembangkan karena dapat bermanfaat untuk meningkatkan pendapatan petani jagung (Thompson and Tyner, 2011). Effluent ataupun digestate yang dihasilkan dari proses anaerobik digesi juga dapat bermanfaat untuk aplikasi lahan pertanian karena mengandung nutrisi yang dibutuhkan oleh tamanan. Dengan demikian petani jagung yang memanfaatkan teknologi co-digesi tidak hanya memperoleh keuntungan dari biogas tetapi juga pupuk yang dihasilkan juga dapat mengurangi ketergantungan terhadap penggunaan pupuk kimia. Penelitian ini bertujuan untuk melihat potensi produksi biogas melalui teknologi co-digesi limbah tanaman jagung dengan manure sapi untuk meningkatkan effisiensi dan menyeimbangkan proses anaerobik digesi dalam memproduksi biogas dan digestate.

4 II. PENELITIAN METODOLOGI a. Bahan dan Alat Bahan-bahan yang dipergunakan adalah limbah tanaman jagung yang diperoleh dari perkebunan rakyat di Desa Lambeugak, Kecamatan Kuta Cot Gile, Aceh Besar, dan inoculums yang digunakan sebagai starter untuk mempercepat proses anaerobik digesii dalam memproduksi biogas diperoleh dari digester semi kontinu yang dioperasikan pada kondisi steady state. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: ph meter, oven untuk mengukur kadar air dan total solids bahan, furnace untuk mengukur volatile solids, hammer mill untuk pengecilan ukuran limbah tanaman jagung kering, gasmeter untuk mengukur biogas yang dihasilkan, thermostatic waterbath untuk tempat reaktor anaerobik beroperasi, corong (funnel), anaerobik digester berukuran 2 liter, gelas ukur plastik untuk persiapan bahan, syringe untuk stimulasi pengeluran bahan hasil digesi serta alat penunjang penelitian lainnya. Keterangan: 1. Digester 2. Selang gas penghubungg 3. Tabung gas meter 4. Tabung air

5 Gambar 1. Sistem anaerobik digesi b. Metode Penelitian Pada tahap ini dilakukan desain dan pembuatan system anaerobik digesi yang meliputi anaerobik digester, gas meter, dan waterbath. Pada penelitian ini reaktor/digester yang digunakan yaitu berukuran 1,5 liter dengan volume kerja yang digunakan yaitu 1 liter (1000 ml). Gas meter yang gunakan yaitu berdasarkan sistem water displacement method dimana untuk satu gas meter memerlukan 2 gelas ukur plastik yang masing-masingnya berukuran 500 ml dan 250 ml. Setiap gas meter dihubungkan dengan digester menggunakan pipa plastik lunak dengan diameter ± 1 inchi. Reaktor/digester diletakkan di dalam thermostatic waterbath dengan temperaturnya dipertahankan konstan pada level meshophlic. Parameter anaerobik digesi yang diamati yaitu produksi biogas per hari, pengukuran ph, total solids (TS), volatile solids (VS), total dissolved solids (TDS), total kjedahl nitrogen (TKN) terhadap bahan yang dimasukkan (influent) dan bahan yang dikeluarkan (effluent) setelah selesainya proses anaerobik digesi yang ditandai dengan berhentinya produksi biogas. Durasi proses anaerobik digesi serta pengukuran produksi biogas ditentukan berdasarkan seberapa lama proses anaerobik digesi dari tiap-tiap reaktor menghasilkan biogas. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan hasil penelitian dapat diketahui bahwa proses anaerobik co-digesi manure sapi dengan limbah tanaman jagung mampu menghasilkan produksi biogas jauh lebih tinggi bila dibandingkan dengan produksi biogas yang dihasilkan dari proses anaerobik digesi manure sapi. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2, dimana anaerobik co-digesi manure sapi dengan limbah tanaman jagung mampu memberikan total produksi biogas sebesar liter selama 48 hari proses digesi. Hasil ini jauh lebih tinggi sekitar hampir 20 kali lipat total produksi dari proses anaerobik digesi yang hanya menggunakan manure sapi sebagai substrat utamanya dimana proses anaerobik digesi ini hanya mampu menghasilkan produksi biogas sebesar 0.88 liter selama 48 hari proses digesi. Dari hasil penelitian ini juga dapat diketahui performansi proses anaerobik digesi yang terjadi dari masing-masing proses digesi. Berdasarkan studi literature diketahui bahwa

6 proses penambahan limbah biomassa lignoselulosa mampu meningkatkan produksi biogas dikarenakan limbah pertanian dan biomassa mampu meningkatkan kapasitas buffer pada culture di dalam bioreactor sehingga dapat mempertahankan ph kondisi optimum untuk memproduksi biogas (Callaghan et al., 2002; Cheng, 2010). Penambahan limbah biomassa juga mampu mengurangi resiko kegagalan proses digesi akibat kondisi alkali yang terjadi pada proses anaerobik digesi yang hanya menggunakan limbah kotoran hewan sebagai substrat utamanya. Berdasarkan Gambar 2 dapat juga diketahui bahwa produksi biogas dari manure sapi mengalami puncaknya yaitu hari ke 38 sebesar 790 ml, selanjutnya mengalami penurunan produksi harian sampai pada hari ke 48 dengan total produksi rata-rata sebesar ml. Pada anaerobik co-digesi manure sapid an limbah jagung, produksi biogas mengalami puncaknya pada hari ke 45 sebesar ml, selanjutnya produksi biogas mengalami penurunan produksi hariannya sampai pada hari ke 48 dengan total produksi biogas dari proses co-digesi limbah jagung dan manure sapi yaitu sebesar ml. Lebih lanjut, produksi biogas maksimum dari anaerobik digesi manure sapi terjadi pada hari ke 16 dengan rata-rata total produksi sebesar 50 ml per hari, selanjutnya produksi biogas mulai mengalami penurunan produksi harian dengan rata-rata produksi sebesar 5 sampai 30 ml per hari. Pada anaerobik co-digesi limbah jagung dan manure sapi, produksi harian maksimum terjadi pada hari ke 33 dengan rata-rata total produksi sebesah 333 ml per hari, selanjutnya mengalami penurunan produksi biogas harian dengan rata-rata produksi biogas sebesar 75 ml sampai ml per hari. Walaupun terjadi penurunan produksi harian setelah hari ke 33 proses digesi, anaerobik co-digesi limbah jagung dan limbah manure sapi masih jauh labih tinggi dibandingkan dengan produksi biogas dari anaerobik digesi manure sapi.

7 Produksi Biogas (ml) Manure Sapi Manure Sapi + Limbah Jagung Waktu (Hari) Gambar 2. Perbandingan produksi biogas dari manure sapi dan anaerobic co-digesi manure sapi dan limbah jagung Tabel 1. Analisis parameter influent Limbah ph TDS TS TKN K VS (%) (ppm) (%) (ppm) (mg/l) Manure Manure + Limbah Tanaman Jagung Tabel 2. Analisis parameter Effluent Limbah ph TDS TS TKN K VS (%) (ppm) (%) (ppm) (mg/l) Manure Manure + Limbah Tanaman Jagung Berdasarkan Tabel 1 dan 2, secara keseluruhan proses anaerobik digesi yang dilakukan pada penelitian ini berjalan dengan stabil, hal ini dapat diketahui dari nilai ph dari kedua proses digesi yang mendekati pada rentang ph optimum untuk produksi biogas melalui proses anaerobik digesi. Berdasarkan literature, ph optimum untuk produksi biogas terjadi pada rentang ph 6.4 dan 7.2 (Dinamarca et al., 2013; Cheng, 2010). Dari Tabel 1, dapat

8 dilihat bahwa ph influent culture dari anaerobik co-digesi limbah jagung dan manure sapi cukup rendah yaitu Hal ini terjadi karena pada saat ditambahkan limbah jagung sebagai co-substrate akan meningkatkan keasaman pada culture tersebut. Lebih lanjut peningkatan keasaman disebabkan meningkatnya produksi volatile fatty acids pada culture setelah mengalami proses hidrolisis. Setelah beberapa hari melalui proses anaerobik digesi volatile fatty acids tersebut terurai menjadi acetic acids, hidrogen dan karbondioksida, yang selanjutnya pada tahap akhir proses anaerobik digesi yaitu tahapan methanogenesis dimana acetic acids dari hasil proses acetogenesis dikonversikan menjadi biogas yang terdiri dari methane, dan karbon dioksida. Hal ini juga dapat dilihat pada Tabel 2, dimana ph effluent dari anaerobik co-digesi limbah jagung dan manure sapi meningkat menjadi 6.76 dimana ph ini termasuk pada ph optimum untuk produksi biogas. Meskipun anaerobik digesi manure sapi memiliki ph optimum untuk produksi biogas, akan tetapi anaerobik digesi yang hanya menggunakan manure sapi tidak memiliki cukup nutrisi yang dibutuhkan bakteri anaerobik untuk menghasilkan biogas. Hal ini dapat terlihat dari rendahnya kandungan total solids (TS) dan volatile solids (VS) dari manure sapi yaitu sebesar 1.13 % TS dan % TS. Sedangkan anaerobik co-digesi limbah jagung dan manure sapi memiliki kandungan total solids dan volatile solids lebih tinggi dari anaerobik digesi dengan manure sapi yaitu sebesar 4.44 % TS dan % VS. Total dissolved solids (TDS) pada kedua proses anaerobik digesi juga terjadi peningkatan dari influent dan effluent. Hal ini terjadi karena pada proses anaerobik digesi terjadinya proses penguraian senyawa organik kompleks menjadi molekul-molekul sederhana yang larut dalam air yang selanjutnya digunakan untuk proses produksi biogas. TDS dari anaerobik co-digesi limbah tanman jagung dan manure sapi juga lebih tinggi dibandingkan dengan anaerobik digesi manure sapi (Tabel 1 dan 2). Perbaikan nutrisi (recovery nutrition) digestate juga terjadi pada kedua proses digesi setelah melalui proses anaerobik digesi, hal ini dapat dilihat pada Tabel 1 dan 2 dimana kandungan potassium dari kedua system digesi baik anaerobik digesi manure sapi maupun anaerobik co-digesi limbah jagung dan manure sapi yang mengalami peningkatan kandungan potassium setelah mengalami proses anaerobik digesi selama 48 hari. Untuk total kjedahl nitrogen (TKN) pada anaerobik digesi manure sapi terjadi peningkatan dari ppm menjadi ppm. Hal ini terjadi karena anaerobik digesi yang hanya menggunakan manure sapi memiliki kapasitas buffer yang rendah, sehingga akumulasi ammonia dapat terjadi pada proses anaerobik digesi yang pada akhirnya juga dapat menghambat proses anaerobik digesi untuk menghasilkan biogas. Hal yang berbeda terjadi pada anaerobik co-

9 digesi limbah jagung dan manure sapi, dimana kandungan TKN terjadi sedikit penurunan dari ppm menjadi ppm. Hal ini terjadi karena pada proses anaerobik digesi dengan menggunakan limbah jagung sebagai co-substrat mampu memberikan kapasitas buffer selama proses sehingga dapat menstabilkan proses anaerobik digesi untuk mengurangi resiko kegagalan proses akibat akumulasi ammonia di dalam reaktor anaerobik sehingga pada akhirnya dapat meningkatkan produksi biogas. Dari penelitian ini juga dapat diketahui bahwa proses anaerobik co-digesi mampu memberikan keunggulan dalam memproduksi biogas karena adanya nutrisi yang cukup untuk pertumbuhan mikroorganisme methanogen untuk menghasilkan biogas serta anaerobik codigesi juga memberikan peningkatan kapasitas buffer selama proses digesi di dalam reaktor sehingga proses anaerobik yang terjadi sangat stabil. Hal ini juga terlihat dari Tabel 1 dan 2, dimana pengurangan kandungan volatile solids dari anaerobik co-digesi limbah jagung dan manure sapi yaitu lebih besar (78.79 %VS influent %VS effluent) daripada penurunan kandungan volatile solids dari anaerobik digesi manure sapi (56.79 %VS influent %VS effluent). Berdasarkan Tabel 1 dan 2, effisiensi proses digesi juga dapat diketahui dengan melihat persentase pengurangan kandungan volatile solids (volatile solids reduction). Persentase pengurangan kandungan volatile solids dari proses anaerobik co-digesi limbah jagung dan manure sapi yaitu sebesar 98.14%, sedangkan persentase pengurangan volatile solids dari anaerobik digesi manure sapi yaitu hanya sebesar %. Dengan demikian dapat diketahui bahwa proses anaerobik co-digesi limbah jagung memiliki efisiensi proses digesi yang lebih baik jika dibandingkan dengan effisiensi proses dari anaerobik digesi yang hanya menggunakan manure sapi sebagai substrat tunggal. IV. KESIMPULAN 1. Produksi biogas dari anaerobik co-digesi limbah jagung lebih tinggi ( ml) daripada anaerobik digesi yang hanya menggunakan manure sapi ml. 2. Produksi biogas maksimum dari anaerobik digesi manure sapi terjadi pada hari ke 16 dengan rata-rata total produksi sebesar 50 ml per hari. Produksi biogas maksimum dari anaerobik co-digesi limbah jagung dengan manure sapi terjadi pada hari ke 33 dengan rata-rata total produksi sebesah 333 ml per hari. 3. Perbaikan nutrisi (recovery nutrition) digestate juga terjadi pada kedua proses digesi setelah melalui proses anaerobik digesi dimana kandungan potassium dari kedua

10 system digesi baik anaerobik digesi manure sapi maupun anaerobik co-digesi limbah jagung dan manure sapi yang mengalami peningkatan kandungan potassium setelah mengalami proses anaerobik digesi selama 48 hari. 4. Proses anaerobik co-digesi limbah jagung memiliki efisiensi proses digesi yang lebih baik (98.14 %VSreduction) dibandingkan dengan effisiensi proses dari anaerobik digesi yang hanya menggunakan manure sapi sebagai substrat tunggal (66.01 % VSreduction). DAFTAR PUSTAKA Callaghan, F.J., D.A.J. Wase., K. Thayanithy., and C.F. Forster Continuous codigestion of cattle slurry with fruit and vegetable wastes and chicken manure. Biomass and Bioenergy 22 (1): Cheng, J Biomass to Renewable energy process. USA: CRC Press. Cuetos, J.M., Fernandes,C.,Gomes,X., and Mora, A Anaerobic Co-digestion of Swine Manure with Energy Crop Residues. Biotechnology and Bioprocess Engineering 16 (5): Dinamarca, S., Aroca, G., Chamy, R., and Guerrero L The influence of ph in the hydrolytic stage of anaerobic digestion of the organic fraction of urban solid waste. Water Science Technology 48 (6): Kadam, K.L., McMillian, J.D., Availability of corn stover as a sustainable feedstock for bioethanol production. Bioresource Technology. 100(4): Milbrandt, A A geographic perspective on the current biomass resource availability in the United States. Golden, CO:National Renewable Energy Laboratory. USA. Thompson, J., and W.E. Tyner Corn stover for Bioenergy Production: Cost estimates and Farmer supply response. Department of Agricultural Economics. Purdue University. Xie, S., P.G. Lawlor., J.P. Frost., Z. Hu., and X. Zhan Effect of pig manure to grass silage ratio on methane production in batch anaerobic co-digestion of concentrated pig manure and grass silage. BioresourceTechnology 102 (10): Xiao W., Yao, W., Zhu, J.,and Curtis Miller, C Biogas and CH4 productivity by codigesting swine manure with three crop residues as an external carbon source. Bioresource technology 101 (11) :