NATRIUM HIDROKSIDA (NaOH) SEBAGAI HIDROLISA BASA DALAM PRE-TREATMENT PRODUKSI BIOGAS DENGAN BAHAN BAKU ECENG GONDOK (Eichornia crassipes)

Transkripsi

1 NATRIUM HIDROKSIDA (NaOH) SEBAGAI HIDROLISA BASA DALAM PRE-TREATMENT PRODUKSI BIOGAS DENGAN BAHAN BAKU ECENG GONDOK (Eichornia crassipes) Nama Kelompok : Jaka Abdillah ( ) Gawa Reza Mahadin ( ) Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Sri Rachmania Juliastuti, M.Eng Ir. Nuniek Hendrianie, MT

2 LATAR BELAKANG Pertumbuhan konsumsi energi tiap tahun ratarata di atas 5% Produksi energi alternatif akan dapat mengganti 40 % penggunaan energi fosil Eceng gondok merupakan gulma air yang banyak mengandung selulosa Pemanfaatan eceng gondok sebagai biogas 1

3 RUMUSAN MASALAH 1. Melimpahnya tanaman eceng gondok dan belum dimanfaatkan secara maksimal 2. Kandungan lignin mempersulit proses degradasi kandungan karbon organik dalam eceng gondok 2

4 TUJUAN PENELITIAN 1. Memanfaatkan eceng gondok sebagai bahan baku pembuatan biogas dengan proses kontinyu 2. Mengetahui pengaruh konsentrasi NaOH pada pre-treatment eceng gondok sebagai bahan baku biogas 3. Mengetahui pengaruh pre-treatment eceng gondok yang menggunakan NaOH terhadap produksi biogas pada proses kontinyu 3

5 MANFAAT PENELITIAN 1. Memberikan nilai lebih dalam pemanfaatan eceng gondok sebagai bahan baku produksi biogas 2. Memberikan wawasan dalam pengolahan eceng gondok menjadi biogas 3. Mengetahui pengaruh pre-treatment basa pada perubahan kandungan lignoselulosa pada eceng gondok 4. Mengetahui pengaruh pre-treatment basa pada produksi biogas 4

6 BATASAN MASALAH 1. Bahan baku yang digunakan dalam pembuatan biogas adalah eceng gondok 2. Produksi biogas pada penelitian ini dilakukan pada proses kontinyu 5

7 LIGNOSELULOSA SELULOSA Polimer polisakarida linear dari glukosa yang terbuat dari unit cellobiose. Selulola disatukan dengan ikatan hidrogen sehingga menjadi kokoh (Hamelinck dkk, 2003) 6

8 LIGNOSELULOSA SELULOSA HEMISELULOSA Penyusun dinding lignoselulosa yang terdiri dari heteropolisakarida, dan dikelompokkan berdasarkan residu gula utama sebagai penyusunnya seperti xylan, mannan, galactan dan glucan (A.T.W.M Hendriks, 2008) 6

9 LIGNOSELULOSA SELULOSA HEMISELULOSA LIGNIN Polimer aromatik berasosiasi dengan poli-sakarida pada dinding sel sekunder tanaman yang berfungsi untuk membentuk struktur dan melindungi tanaman dari bakteri (A.T.W.M Hendriks, 2008) 6

10 ECENG GONDOK Composition* Leaves Stems Roots Cellulose 28,91 28,23 17,07 Hemicellulose 30,81 26,35 15,25 Lignin 4,59 17,44 14,63 Protein 20,97 6,80 2,60 Lipid 1,79 0,91 0,47 Ash 12,95 20,26 49,97 Caloric Value (KJ/g-DW) 14,93 13,52 8,46 Kingdom Filum Kelas Ordo Famili Genus Spesies : Plantae : Magnoliophyta : Liliopsida : Liliales : Pontederiaceae : Eichornia : E. Crassipes *(% driedweight) (Jun Cheng, 2009) 7

11 PRE-TREATMENT SEBELUM PRE-TREATMENT LIGNOSELULOSA Adanya lignin yang membentuk struktur pada dinding lignoselulosa. Struktur lignin ini menyebabkan porositas bahan tersebut kecil. Sehingga lignoselulosa yang diolah langsung menjadi bahan baku biogas akan menghasilkan nilai yield yang kecil. ECENG GONDOK 8

12 PRE-TREATMENT SEBELUM PRE-TREATMENT SESUDAH PRE-TREATMENT LIGNOSELULOSA Pre-treatment menyebabkan struktur lignoselulose lebih terbuka dengan mendegradasi lignin. Porositas yang besar akan memudahkan bakteri/bahan lain melakukan degradasi selulose dan hemiselulose. ECENG GONDOK 8

13 PRE-TREATMENT SEBELUM PRE-TREATMENT SESUDAH PRE-TREATMENT LIGNOSELULOSA Jenis-jenis pre-treatment : physical pretreatment physico-chemical pretreatment chemical pretreatment biological pretreatment ECENG GONDOK (Sun Cheng, 2002). 8

14 CHEMICAL PRE-TREATMENT Asam encer Asam encer yang biasa digunakan adalah asam sulfat, asam klorida, atau asam nitrat. Banyak digunakan asam sulfat 0,5 1,5%. Yield xylose bisa mencapai 75 90% (Wooley dkk.,1999 ; Sun dan Cheng, 2002) Alkaline Alkali yang dapat digunakan antara lain NaOH dan Ca(OH) 2. Dapat meningkatkan yield glukosa sebesar 85%. (Hamelinck, 2003) 9

15 ANAEROBIC DIGESTION Proses Hidrolisis (C 6 H 10 O 5 ) n + n H 2 O n (C 6 H 12 O 6 ) glukosa Penguraian senyawa kompleks atau senyawa rantai panjang menjadi senyawa yang sederhana (monomer). Contoh dalam proses ini adalah selulosa diubah menjadi gula, protein diubah menjadi asam amino dll. Contoh Bakteri : Bacteroides ruminicola, Propioni propionicus, Lactobacillus pentosus Gambar Bacteroides sp 10

16 ANAEROBIC DIGESTION Proses Asidogenesis dan Asitogenesis Asidogenesis adalah perubahan glukosa menjadi asam organik sederhana (asam butirat, asam propionat dll), karbon dioksida, hidrogen dan ethanol dengan bantuan bakteri asidogenesis. Asitogenesis adalah perubahan asam organik tersebut diuraikan oleh bakteri asetogenik menjadi asam asetat. Contoh bakteri :Clostridium, Ruminococcus (Asidogenik) Desulfovibrio, Aminobacterium ( Asitogenik) C 6 H 12 O 6 CH 3 CH 2 COOH + CO 2(g) + 3 H 2(g) CH 3 COOH Glukosa Asam Propionat Asam Asetat C 6 H 12 O 6 CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2(g) + 2 H 2(g) CH 3 COOH Glukosa Asam butirat Asam Asetat C 6 H 12 O 6 2CH 3 CHOHCOOH CH 3 COOH Glukosa Asam Laktat Asam Asetat 11

17 ANAEROBIC DIGESTION Proses Metanogenesis Pada tahap methanogenesis, senyawa yang dihasilkan dari proses asetogenesis dan asidogenesis diubah menjadi gas metana dengan bantuan bakteri pembentuk metana seperti methanococus, methanosarcina, methano bacterium CH 3 (CH 2 ) 2 COOH + 2 H 2 O + CO 2(g) CH 3 CH 2 COOH + ½ H 2 0 4CH 3 COOH + CH 4(g) 5/4 CO 2(g) + 7/2 CH 4(g) CH 3 COOH CH 4(g) + CO 2 12

18 BIOGAS Biogas adalah suatu campuran gas-gas yang dihasilkan dari suatu proses fermentasi bahan organik oleh bakteri dalam keadaan anaerobik (Sahidu,1983). Feed Temperture Operasi ( o C ) Kandungan metana (% mol) Sumber Kotoran sapi 35 67, 27% Dery V, 2007 Eceng Gondok 35 65,8 % Biogas Utilization,

19 PENELITIAN SEBELUMNYA No Nama Peneliti Jurnal/Tahun/Judul Penelitian Hasil 1 Jun Chenga, Binfei Xiea, Junhu Zhoua, Wenlu Songa, Kefa Cena HydrogenEnergy/2009/Cogeneration of H 2 and CH 4 from water hyacinth by two-step anaerobic fermentation Pengaruh penambahan NaOH pada eceng gondok (akar, daun, dan batang) sebagai pretreatment, untuk meningkatkan yield biogas 2 Jiying Zhu, Caixia Wan 3 V. Penaud, J.P. Delgene`s, R. Moletta Bioresource Technology/2010/Enhanced solidstate anaerobic digestion of corn stover by alkaline pretreatment Enzyme and microbial tech/1999/ Thermochemical pretreatment of a microbial biomass: influence of sodium hydroxide addition on solubilization and anaerobic biodegradability Solid-state anaerobic digestion of 5.0% NaOH-pre-treated corn stover produced 37% more biogas when compared to that of the untreated Penambahan alkali agent 4 10 g NaOH/L meningkatkan biodegradability rates sebesar 50 % dan COD solubilization 60.4 % 15

20 METODOLOGI PENELITIAN KONDISI OPERASI PRE-TREATMENT Massa Eceng gondok : 160 gram Rasio Eceng gondok : NaOH : air : 1 gr : 0.01 gr : 1 ml Lama pre-treatment : 2 hari ph pre-treatment : Suhu pre-treatment : 50 O C 16

21 METODOLOGI PENELITIAN KONDISI OPERASI ANAEROBIC DIGESTION ph 6,8 7,2 Temperatur 30 o C 35 o C Feed awal 14 liter Pembuatan feed awal dengan adonan eceng gondok : starter adalah 2 L : 3 L Pembuatan starter dengan adonan eceng gondok (air : eceng gondok hasil pretreatment = 1 L : 30 g) dengan kotoran sapi encer (kotoran sapi : air = 1 kg : 2 L) adalah 4 L : 3 L Pembuatan adonan eceng gondok untuk feed awal dengan air : adonan eceng gondok 1 L : 30 g Pengadukan 1 kali sehari Recycle ratio 0,5 Pembuatan feed proses kontinyu dengan air : adonan eceng gondok 1 L : 30 gr Rate umpan pada proses kontinyu 500 ml feed/hari 16

22 METODOLOGI PENELITIAN VARIABEL PENELITIAN Pretreatment Eceng gondok : NaOH = 100 gram : 1 gram Eceng gondok : NaOH = 100 gram : 3 gram Anaerobic Digestion Blanko (eceng gondok tanpa pre-treatment) Eceng gondok : NaOH = 100 gram : 1 gram Eceng gondok : NaOH = 100 gram : 3 gram * Hasil Pre-treatment digunakan untuk bahan baku proses anaerobic digestion 17

23 METODOLOGI PENELITIAN PROSEDUR KERJA PROSES PRE-TREATMENT 160 gr eceng gondok kering Analisa lignin, selulosa, dan hemiselulosa Eceng gondok : NaOH : air = 1 gr : 0.01 gr : 1ml A Mengatur ph menambahkan HCl Menganalisa lignin, selulosa, dan hemiselulosa, 19 Pre-treatment suhu 50 o C

24 Keterangan alat 1. Tanki Feed 2. Air pendingin 3. Feed Masuk 4. Thermometer 5. Pompa 6. Gas Holder 7. Manometer 8. Heater 20

25 METODOLOGI PENELITIAN PROSEDUR KERJA STARTER 3,6 liter air 1,8 kg kotoran sapi 8,4 liter starter 4,8 liter air 144 gram eceng gondok hasil pre-treatment 20

26 METODOLOGI PENELITIAN PROSEDUR KERJA FEED AWAL 8,4 liter starter 14 liter feed awal 5,6 liter air 168 gram eceng gondok hasil pre-treatment 20

27 METODOLOGI PENELITIAN PROSEDUR KERJA DIGESTER ANAEROBIC V-1 V M 8 V-4 V-3 V-5 5 V- 6 20

28 PEMBAHASAN Hasil analisa komposisi awal dari Eceng Gondok (Eichornia Crassipes ) Komponen % berat Lignin 11,69 Selulosa 37 Hemiselulosa 35,5 21

29 PEMBAHASAN 40% 35% 30% 37,00% 33,6% 33,54% % Selulosa 25% 20% 15% 10% 5% 0% Eceng gondok awal NaOH 1 % NaOH 3 % Kadar NaOH Kandungan SELULOSA setelah pretreatment pada berbagai variabel kadar NaOH selama 2 hari pada suhu 50 o C 23

30 PEMBAHASAN 40% 35% 30% 35,50% 32,1% 30,24% % Hemiselulosa 25% 20% 15% 10% 5% 0% Eceng gondok awal NaOH 1 % NaOH 3 % Kadar NaOH Kandungan HEMISELULOSA setelah pretreatment pada berbagai variabel kadar NaOH selama 2 hari pada suhu 50 o C 24

31 PEMBAHASAN 14% 12% 11,69% % lignin 10% 8% 6% 10,03% 8,09% 4% 2% 0% Eceng gondok awal NaOH 1 % NaOH 3 % Kadar NaOH Kandungan LIGNIN setelah pretreatment pada berbagai variabel kadar NaOH selama 2 hari pada suhu 50 o C 25

32 PEMBAHASAN 35% 30% 30,77% 25% % Degradasi 20% 15% 14,16% 14,82% % selulose % hemiselulosa 10% 9,22% 9,72% 9,35% % lignin 5% 0% NaOH 1 % NaOH 3 % % NaOH % DEGRADASI Cellulotic Material hasil pretreatment pada berbagai variabel kadar NaOH selama 2 hari pada suhu 50 o C 26

33 PEMBAHASAN Hubungan MLSS terhadap waktu fermentasi pada berbagai variabel kadar NaOH Hubungan MLVSS terhadap waktu fermentasi pada berbagai variabel kadar NaOH Perbandingan eceng gondok dengan NaOH Blanko 1% NaOH (w/w) 3% NaOH (w/w) gram/l gram/l gram/l 27

34 PEMBAHASAN % degradasi COD pada NaOH 3 % 90,61% Hubungan COD terhadap waktu fermentasi pada berbagai variabel kadar NaOH 28

35 PEMBAHASAN Proses Batch Proses Kontinyu Volume Biogas terbesar dari Reaktor 3 (NaOH 3%) pada hari ke- 6 1,416 liter. Hubungan rate produksi biogas terhadap waktu fermentasi pada tiap kadar NaOH 29

36 PEMBAHASAN 12,127 liter 10,403 liter 8,156 liter Hubungan volume akumulasi biogas terhadap waktu fermentasi pada berbagai variabel kadar NaOH 30

37 PEMBAHASAN Komposisi Biogas yang dihasilkan dalam tiap reaktor Komponen Kadar NaOH dalam Pretreatment Blanko 1% 3% CH 4 75,59% 76,50% 78,47 CO 2 24,40% 23,49% 21,52 Lower Heating Value (Kcal/kg) 5678, , ,387 31

38 KESIMPULAN 1. Eceng gondok dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan biogas 2. Kadar NaOH dalam pre-treatment berbanding lurus dengan degradasi lignin dengan degradasi paling tinggi sebesar 30,77 % untuk NaOH 3% 3. Semakin besar kadar NaOH dalam pre-treatment dapat menghasilkan rate produksi biogas, % gas metana, dan heating value yang semakin meningkat. Hasil terbaik pada variabel NaOH 3 % didapatkan produksi biogas sebesar 12,127 liter dengan kadar gas metana 78,47 % dan heating value kcal/kg 32