PENGARUH ENZIM α-amylase DALAM PEMBUATAN BIOGAS DARI LIMBAH PADAT TAPIOKA YANG MELIBATKAN EFFECTIVE MICROORGANISM (EM) DALAM ANAEROBIC DIGESTER G.A Mertahardianti dan S.R Juliastuti Pasca Sarjana Jurusan Teknik Kimia FTI ITS Jl. Arif Rahman Hakim, Keputih, Sukolilo Surabaya 60111 Telp. (031) 5946240 Fax. (031) 599922 Email : mertahardianti@yahoo.co.id juliaz30@chem-eng.its.ac.id ABSTRACT Conservation of energy is extremely needed to handle crisis of energy using petroleum. One of alternative energy that can be used to biogas. Accumulation of cassava peels contain of organic substance that can be used as biogas material by role of microorganism in cow feces. This research is carried out to use cassava peel as raw material in making bio fuel in form of biogas by involving α- amylase enzyme and Effective Microorganism (EM). α-amylase enzyme that is used in this research is 0% (v/v), 0.05% (v/v),0.1% (v/v) and Effective Microorganis (EM) is 1% (v/v). Methodology of this research is carried out in laboratory scale use batch fermentor. First step before fermentation is production starter process, activation EM and licuification starch process using α-amylase enzyme compatible with deciding variable. The next step is fermentation in anaerobic digester and reactor temperature is kept on constant at 50 0 C with procedure as follows : feed (starter and cassava peel that has been licuificated with ratio 1:2) is included in reactor, added by EM 1% (v/v). During fermentation process for 15 days ph reactor is kept in ph=. Analysis that is done involving MLSS, MLVSS, COD and volume, composition, and heating value from biogas. Analysis is done every 3 days for MLSS, MLVSS, and COD, whereas volume, composition, and heating value from biogas is analyzed in the last day of fermentation process for 15 days. Improvement of α-amylase enzyme concentration cause in volume increase and methane ratio in biogas. Volume biogas increasing in α-amylase 0.05% (v/v) is 4.60% and α-amylase 0.1% (v/v) is 9.90%. Methane ratio increasing in α-amylase 0.05% (v/v) is 1.96 % and α-amylase 0.1% (v/v) is 3.4%. Key words : cassava peel, α-amylase enzyme, EM, anaerobic digester, biogas. INTISARI Konservasi energi banyak dilakukan untuk mengatasi krisis energi yang berasal dari minyak bumi. Salah satu energi alternatif yang bisa digunakan adalah biogas. Menumpuknya limbah padat pabrik tapioka yang banyak mengandung bahan organik dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan biogas dengan bantuan mikroorganisme yang terdapat dalam kotoran sapi. Penelitian ini dilakukan untuk memanfaatkan limbah padat pabrik tapioka sebagai bahan baku pembuatan bahan bakar berupa biogas dengan melibatkan enzim α-amylase dan Effective Microorganism (EM). Variabel enzim α-amylase yang digunakan adalah 0% (v/v), 0.05% (v/v) dan 0.1% (v/v) serta EM 1% (v/v). Metodologi penelitian ini dilakukan dalam skala laboratorium menggunakan proses batch. Tahap awal sebelum fermentasi adalah proses pembuatan starter, pengaktifan EM dan proses likuifikasi pati dengan menggunakan enzim α-amylase sesuai dengan variabel yang telah ditetapkan. Tahap selanjutnya adalah fermentasi yang dilakukan pada anaerobic digester dan suhu reaktor dijaga konstan pada 50 0 C dengan prosedur sebagai berikut : feed (starter dan limbah padat yang telah dilikuifikasi dengan perbandingan 1:2) dimasukkan dalam reaktor, ditambahkan EM 1% (v/v). Selama proses fermentasi selama 15 hari ph campuran dalam reaktor dijaga pada ph=. Analisa yang dilakukan meliputi MLSS, MLVSS, COD serta volume, komposisi dan heating value dari biogas yang dihasilkan. Analisa tersebut dilakukan setiap 3 (tiga) hari sekali untuk MLSS, MLVSS dan COD, sedangkan volume, komposisi dan heating value dari biogas di analisa pada akhir proses selama waktu fermentasi 15 hari. Adanya peningkatan konsentrasi enzim α-amylase mengakibatkan kenaikan volume dan kadar methane dalam biogas. Kenaikan volume biogas pada penambahan enzim α- amylase 0.05%(v/v) adalah 4.60% dan pada enzim α-amylase 0.1%(v/v) adalah 9.90%. Kenaikan kadar methane pada penambahan enzim α-amylase 0.05%(v/v) adalah 1.96% dan pada enzim α- amylase 0.1%(v/v) adalah 3.4% bila dibandingkan tanpa penambahan enzim α-amylase. 105
Kata kunci : limbah padat tapioka, enzim α-amylase, EM, anaerobic digester, biogas PENDAHULUAN Industri tapioka merupakan salah satu industri yang menghasilkan limbah yang sangat besar baik berupa limbah cair maupun limbah padat (Deperindag, 2003). Padahal, tidak hanya limbah cair, limbah padat industri tapioka ini sangat besar dan mencapai ratusan ton per tahun (Wiloso dkk., 1995). Dari seluruh limbah padat ini hanya sekitar 21 % diolah lebih lanjut menjadi bahan pangan, makanan ternak, pupuk dan produksi asam sitrat. Sisanya dibuang ke lingkungan seperti yang umum terjadi di industri tepung tapioka di Indonesia. Adanya kandungan air yang cukup tinggi pada limbah padat ini ditambah dengan adanya sisa pati yang ada di dalamnya mengakibatkan limbah ini menjadi media fermentasi padat yang sangat baik bagi pembentukan asam-asam organik dan senyawa-senyawa keton yang sangat berbau (Wiloso dkk., 1995; Cereda and Takahashi, 1996; Sriroth dkk., 1999). Sehingga penumpukan limbah tapioka di tempat pembuangan akhir akan mengganggu kenyamanan masyarakat sekitar karena menimbulkan bau yang tidak sedap. Enzim alfa-amilase merupakan endoenzim yang memotong ikatan alfa-1,4 amilosa dan amilopektin dengan cepat pada larutan pati kental yang telah mengalami gelatinisasi. Proses ini juga dikenal dengan nama proses likuifikasi pati. Produk akhir yang dihasilkan dari aktivitasnya adalah glukosa (Whelan,191). Pengolahan limbah industri tapioka yang telah dilakukan adalah dengan menggunakan teknologi EM (Effective Microorganism). Mikroorganisme EM memerlukan bahan organik untuk mempertahankan hidupnya seperti karbohidrat, protein, lemak dan mineral lainnya (Higa,199). Bahan-bahan tersebut banyak terdapat dalam limbah padat tapioka. Reaksi fermentasi berlangsung dengan cepat dan EM mampu hidup secara sinergis dengan mikroorganisme lain (Jose dkk, 2000). Alternatif solusi pengolahan limbah padat tapioka adalah pembuatan biogas secara fermentasi anaerobik, yang bisa menjadi alternatif dalam konservasi energi. Secara umum proses pembentukan biogas adalah sebagai berikut : mikroorganisme anaerobik Bahan organik CH 4 + CO2 + H 2 + NH 3 + H 2S Kandungan sianida dalam limbah padat tapioka dapat direduksi dengan menggunakan Effective Microorganism (EM). Selain itu sisa pati yang terdapat dalam limbah padat tapioka didegradasi strukturnya menjadi rantai yang lebih sederhana dengan enzim α-amylase. Penelitian ini bertujuan untuk melihat pengaruh konsentrasi enzim α-amylase dalam kenaikan volume dan kadar methane dalam biogas. Bahan-bahan yang digunakan : Effective Microorganism (EM) 1%(v/v), kotoran sapi sebagai starter, limbah padat tapioka, enzim α-amylase 0.05% (v/v) dan 0.1%(v/v), NaOH, HCl/H 2 SO 4. Tahap awal sebelum fermentasi adalah proses pembuatan starter, pengaktifan EM dan proses likuifikasi pati dengan menggunakan enzim α-amylase sesuai dengan variabel yang telah ditentukan. Starter merupakan hasil fermentasi sari kotoran sapi dengan air dengan perbandingan 1:2 selama 5 hari. Pengaktifan EM 1% (v/v) adalah 10ml EM ditambah 10 ml molases dilarutkan dalam 1000 ml akuades. Proses likuifikasi dilakukan selama 2 jam pada temperatur 90 0 C. Setelah itu didinginkan sampai temperatur 50 0 C. Tahap selanjutnya adalah fermentasi yang dilakukan pada anaerobic digester yang dilengkapi dengan gas holder dengan prosedur sebagai berikut : feed (starter dan limbah padat yang telah dilikuifikasi dengan perbandingan 1:2) dimasukkan dalam reaktor, ditambahkan Effective Microorganism (EM) 1% (v/v). Kemudian difermentasi selama 15 hari dengan suhu dijaga konstan sebesar 50 0 C serta ph dijaga ph= dengan menambahkan NaOH/HCl, tiap hari dilakukan analisa tekanan dan volume produksi biogas dalam gas holder.selain itu dilakukan analisa MLVSS dan COD (APHA, 196) tiap 3 hari dan komposisi biogas serta heating value pada akhir proses. Peralatan yang digunakan disusun seperti pada Gambar 1. sebagai berikut : 106
5 6 13 14 10 10 12 11 11 11 p 4 1 2 3 9 ac Gambar 1. Peralatan Pada Pembuatan Biogas Dari Limbah Padat Tapioka Keterangan : 1. Tangki pencampur. Pump 2. Tangki penampung 9. Coil 3. Reactor digester 10. Stirer 4. Gas holder 11. Termometer 5. Enzyme Tank 12. Manometer 6. Tapioca tank 13. EM tank. Valve 14. Starter tank HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 2 menunjukkan bahwa dengan peningkatan konsentrasi enzim α-amylase berakibat pada kenaikan MLVSS. Hal ini menunjukkan terjadinya pertumbuhan mikroorganisme selama proses fermentasi. Sehingga dengan meningkatnya konsentrasi enzim α-amylase, maka semakin banyak bahan organik yang terdapat dalam sisa pati limbah padat tapioka yang telah didegradasi oleh enzim α-amylase menjadi rantai yang lebih sederhana yaitu glukosa, maltosa, dan dekstrin sehingga lebih mudah difermentasi oleh mikroorganisme menjadi asam-asam organik. Kemudian asam-asam organik tersebut dapat dimetanasi oleh bakteri metanogen yang terdapat dalam kotoran sapi. Peningkatan MLVSS diikuti dengan profil penurunan COD terhadap waktu fermentasi dapat dilihat pada Gambar 3. 10
Gambar 2. Profil kenaikan MLVSS terhadap waktu fermentasi Gambar 3. Profil penurunan COD terhadap waktu fermentasi Gambar 4. Produksi biogás kumulatif selama waktu fermentasi 10
Dari Gambar 4. dapat diamati bahwa proses pembentukan biogas untuk variabel penambahan α- amylase mulai hari ke-3, ini menunjukkan proses acetogenic mulai terjadi, setelah itu dilanjutkan proses metanogenesis, sedangkan tanpa penambahan α-amylase pembentukan biogas mulai hari ke-4. Semakin besar penurunan COD maka semakin besar pula bahan organik yang dapat dikonversi menjadi biogas. Kondisi ini sesuai dengan Gambar 3,dimana penurunan COD hingga hari ke-12 sesuai dengan kenaikan produksi biogas terus meningkat hingga hari ke-12.dengan penambahan enzim α-amylase peningkatan produksi biogas relatif besar bila dibandingkan dengan tanpa penambahan enzim α-amylase, hal ini dikarenakan enzim α-amylase telah mengurai limbah padat tapioka yang strukturnya kompleks menjadi struktur yang lebih sederhana sehingga dapat didegradasi oleh mikroorganisme baik dalam EM maupun kotoran sapi. Dengan demikian proses acetogenic dapat berlangsung dan menghasilkan asam-asam organik yang bisa dikonversi menjadi gas metan oleh bakteri methanogenic dalam kotoran sapi. Dari Gambar 5 menunjukkan peningkatan konsentrasi enzim α-amylase diikuti dengan peningkatan prosentase COD removal Gambar 5. Profil COD removal selama fermentasi 15 hari Dengan kenaikan konsentrasi enzim α-amylase, maka semakin banyak asam-asam organik yang dihasilkan untuk dimetanasi oleh bakteri metanogen yang terdapat dalam starter yang berakibat pada kenaikan volume biogas yang dihasilkan. Adapun reaksi yang terjadi dalam tahap metanogenesis adalah sbb : 2CH 3 CH 3 OH + CO 2 2CH 3 COOH + CH 4 CH 3 COOH CH 4 + CO 2 CH 3 OH + H 2 CH 4 + H 2 O CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O CH 3 COO - + SO 4 2- + H + 2HCO 3 - + H 2 S CH 3 COO - + NO - + H 2 O + H + 2HCO 3 - + NH 4 + 12 10.9 10 volume biogas (liter) 6 4 2 1.09.0 0 a-amylase 0% a-amylase 0,05% a-amylase 0,1% Gambar 6. Profil volume biogas dengan kenaikan konsentrasi α-amylase 109
Gambar. Prosentase kenaikan volume biogas terhadap peningkatan α-amylase Tabel 1. Komposisi biogas yang dihasilkan Variabel CH 4 (%) CO 2 (%) Komposisi Gas NH 3 (%) H 2 S (%) HCN (%) HV (kkal/kg) α amylase 0% 6. 9.65 1.4 1.34 0.021 112 α amylase 0.05% 69.23.5 1.1 1.12 0.016 11432 α amylase 0.1% 0.32.05 0.95 0.9 0.01 11646 Gambar. Prosentase kenaikan kadar methane terhadap peningkatan α-amylase Kenaikan volume biogas seiring dengan kenaikan konsentrasi α-amylase yang ditambahkan pada proses fermentasi seperti pada Gambar bila dibandingkan tanpa penambahan α-amylase. Hal ini 110