OPTIMASI PRODUKSI BIOGAS PADA ANAEROBIC DIGESTER BIOGAS TYPE HORIZONTAL BERBAHAN BAKU KOTORAN SAPI DENGAN PENGATURAN SUHU DAN PENGADUKAN Joaquim da Costa, Bambang Sudarmanta Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Raya ITS Sukolilo Surabaya, Indonesaia E-mail : joaquimdacosta39@yahoo.co.id Abstrak.. Biogas merupakan campuran gas-gas methana, karbon dioksida, hidrogen sulfat, nitrogen dan gas-gas lainnya yang dihasilkan dari proses penguraian bahan-bahan organik oleh mikro organisme pada kondisi anaerob. Rangkaian proses penguraian anaerob terdiri dari tahapan hidrolisis, pengasaman dan pembentukan gas CH 4. Laju produksi biogas dalam digester, utamanya dipengaruhi oleh suhu digester dan proses pengadukan material umpan. Oleh karena itu, dalam penelitian ini ingin diketahui pengaruh dari kedua parameter tersebut terhadap laju produksi biogas. Penelitian ini menggunakan bahan baku kotoran sapi pada anaerobic digester biogas type horizontal yang dilengkapi dengan system pemanas berupa water jacket dan sistem pengaduk. Water jacket dipanaskan oleh pemanas listrik dan dilengkapi dengan temperatur sensor, sedangkan sistem pengaduk digerakkan oleh motor listrik. Sensor suhu disetting mulai 30 C s/d 38 C dengan interval kenaikan suhu sebesar 2 0 C dan putaran pengaduk 140 rpm dengan sistem ON-OFF selama 10 menit untuk tiap 2 jam selama 10 periode. Setting 5 periode tanpa pengaduk dan 5 periode dengan pengaduk. Hasil menunjukkan bahwa pemanasan dapat meningkatkan produksi biogas rata-rata 3,1 % setiap kenaikan 2 C dan maksimum pada suhu 38 C dengan produksi rata-rata sebesar 2,0 % sedangkan pemanasan dan pengadukan dapat meningkatkan produksi biogas rata-rata 5,6 % setiap kenaikan 2 C dan maksimum juga pada suhu 38 C dengan produksi rata-rata sebesar 4,9 % Pengaruh pemanasan dan pengadukan waktu tinggal HRT menjadi lebih singkat akibat produksi biogas optimum lebih awal yaitu rata-rata terjadi pada minggu II. Reduksi degradasi maksimum TS, TVS, COD dan BOD untuk periode pengisian 38 C dan dengan terjadi pada minggu ke I HRT dengan menghasilkan produksi biogas maksimum. Untuk kualitas gas pada pemanasan tersebut selama periode pengisian untuk 38 C dan dengan pengaduk berjalan adalah metan 56,32 %, CO 2 35,64 %, O 2 1,56 %, H 2 2,7 %, N 2 1,56 % dan H 2 S 2,17 %. Kata Kunci : Campuran gas-gas, Anaerobic digester, kotoran sapi, suhu dan pengaduk, produksi biogas 1. Pendahuluan Berkurangnya cadangan sumber energi konvensional dan pertumbuhan penduduk yang sangat cepat, dengan ekspansi bidang industri menyebabkan peningkatan permintaan energi dan penurunan kualitas lingkungan. Oleh karena itu, pemanfaatan sumber-sumber energi alternatif yang terbarukan dan ramah lingkungan yang harus terus dikembangkan. Salah satu dari energi terbarukan adalah biogas, yang memiliki peluang besar untuk dikembangkannya. Biogas merupakan campuran gas-gas methana, karbon dioksida, hidrogen sulfat, nitrogen dan gas-gas lainnya yang dihasilkan dari proses penguraian bahan-bahan organik oleh mikro organisme pada kondisi anaerob. Rangkaian proses penguraian anaerob terdiri dari tahapan hidrolisis, pengasaman dan pembentukan gas CH 4. Laju pembentukan gas CH 4 dalam reaktor biogas, dipengaruhi oleh beberapa faktor lingkungan dan faktor lain, dua diantara faktor-faktor ini adalah pengaruh temperatur dan proses pengadukan bahan umpan di dalam reaktor.
Optimasi produksi biogas dari pemanfaatan limbah industri, sampah dan kotoran ternak sebagai bahan bakar alternatif dan bagian dari renewable energy, pengganti bahan bakar fosil merupakan tuntutan zaman yang terusmenerus dikembangkan. Biogas ini berasal dari berbagai macam limbah organik seperti kotoran ternak, sampah pasar, sampah rumah tangga, kotoran manusia, dan limbah industri makanan yang dapat dimanfaatkan menjadi energi melalui proses anaerobik digestion. Proses ini merupakan peluang besar untuk menghasilkan energi alternatif sehingga akan mengurangi penggunaan bahan bakar fosil. Biogas juga mempunyai fungsi ganda selain sumber energi rumah tangga dan industri kecil juga menghasilkan berbagai pupuk organik, dan juga mengurangi polusi udara dari dampak penggunaan bahan bakar fosil. Produksi biogas selama fermentasi anaerobic pada degradasi organik solid, mengandung kira-kira 60 75 % metan merupakan hasil utama produksi biogas dan sisanya adalah gas lain yang jumlahnya relatif kecil. Salah satu contoh tahapan-tahapan degradasi bahan organik solid di dalam reaktor dapat dilihat pada the anaerobic sequential batch reactor (ASBR) Sistem ASBR dikembangkan untuk memproses kandungan soild laju reaktor anaerobic tinggi dan medium (TS: 1-4%). Sebab operasi percontohan, reaktor tunggal dapat digunakan sebagai bejana reaktor dan tanki pengendapan. P. Vindis, B. Mursec, M. Janzekovic dan F. Cus, Faculty of Algriculture and Life Sciences dan Faculty of Mechanical Engineering, Unuversty of Maribor tahun 2009 dalam jurnalnya The Impact of Mesophilic and Thermophilic on Biogas Production Dalam penelitian studi mereka, hasil atau capaian fermentasi anaerobic thermophilic lebih awal dari pada fermentasi anaerobic mesophilic yang konvensional. Tujuan adalah untuk mengamati produksi dan kualitas biogas ( CH4, CO 2 dan O 2 ) didalam fermentasi anaerobic mesophilic dan thermophilic 2. Material Dan Metode Eksperimen 2.1. Material Material yang digunakan dalam experiment penelitian adalah kotoran sapi dan air dengan perbandingan campuran 1:1 yang diawali dengan pengujian property kotoran ternak sapi yang digunakan sebagai bahan utama pembuatan biogas. 2.2. Eksperimen set up Dalam penelitian ini, digunakan reaktor biogas type horizontal untuk produksi biogas dari kotoran sapi dengan proses anaerobic digestion dengan menggunakan sistim pengisian batch mode experiment. Rangkaian instalasi proses produksi biogas skala kecil sesuai porsi biogas yang diproduksi. Alat utama instalsi proses produksi biogas skala kecil rumah tangga adalah reaktor biogas yang dilengkapi dengan pengaduk yang digerakan oleh motor penggerak. Di separuh sekeliling luar bagian bawah reaktor dilengkapi water jacket dan dipasang heater, digunakan sebagai pemanas reaktor untuk mengoptimumkan produksi biogas. Proses dan aliran biogas ditunjukkan dalam gambar 2.2.1. 2 3 1 2 3 Water Gambar 2.2.1. Experimental setup (1) Reaktor, (2) Tabung gas (3) Manometer U
2.3. Prosedur Percobaan Prosedur percobaan penelitian optimasi produksi biogas dilakukan dalam beberapa tahap. 1. Pengujian properties kotoran sapi Prosedur Pengoperasian diawali dengan pengujian property kotoran ternak sapi yang akan digunakan sebagai bahan utama pembuatan biogas. Kotoran sapi pembuat biogas dalam penelitian ini diambil dari peternak sapi di daerah Rungkut Surabaya. Sampel kotoran ternak sapi yang akan digunakan ditest di laboratorium LPPM ITS dan hasil property kotoran sapi yang diuji ditampilkan dalam tabel 2.3.1. Karakteristik kotoran sapi. 2. Pengoperasian reaktor Tabel 2.3.1. Karakteristik kotoran sapi Komponen Persentasi berat % Total Solid 70,98 Cellulose 23,84 Lignin 15,76 Protein 9,79 COD 13,11 BOD 8,92 Sebelum pengisian material umpan ke dalam reaktor, harus dipastikan bahwa tidak ada kebocoran air maupun gas pada instalasi reaktor biogas. a. Suplai Material Umpan ke Dalam Reaktor Kotoran sapi sejenis dari kotoran sapi sampel test dicampur dengan air dengan perbandingan 1:1 pada sebuah wadah timbang 20 kg, kemudian diaduk sampai merata sambil diukur ph dari material yang diaduk dan sesuai perbandingan maka ph yang terukur adalah 6,4. Volume wadah timbang sudah diketahui sebelumnya agar pengisian material umpan kedalam reaktor yang dianjurkan adalah 2/3 dari volume total reaktor dan 1/3 volume reaktor disediakan sebagai ruang biogas. b. Penyettingan Suhu Heater Dan Putaran Parengaduk penyettingan suhu heater dan putaran pengaduk adalah sebagai berikut: periode hydraulic retention time (HRT). Masing-masing periode HRT adalah 21 hari. Suhu disetting mulai 32 C s/d 38 C dengan interval kenaikan suhu sebesar 2 C dan variasi pengaduk dan tanpa pengaduk. Hubungan penyettingan suhu heater dan putaran pengaduk adalah sebagai berikut: 1. Penyettingan periode I: suhu heater 30 C tanpa pengaduk 2. Penyettingan periode II: suhu heater 32 C tanpa pengaduk 3. Penyettingan periode III: suhu heater 34 C tanpa pengaduk 4. Penyettingan periode IV: suhu heater 36 C tanpa pengaduk 5. Penyettingan periode V: suhu heater 38 C dengan pengaduk 6. Penyettingan periode VI: suhu heater 30 C dengan pengaduk 7. Penyettingan periode VII: suhu heater 32 C dengan pengaduk 8. Penyettingan periode VIII: suhu heater 34 C dengan pengaduk 9. Penyettingan periode VIII: suhu heater 36 C dengan pengaduk 10. Penyettingan periode VIII: suhu heater 38 C dengan pengaduk Pengaduk dioperasikan selang waktu 2 jam dan bekerja selama 10 menit untuk masing-masing periode HRT selama reaktor beroperasi. 3. Hasil Dan Pembahasan Dari pengamatan produksi biogas dan hasil uji laboratorium diperoleh hasil dan dapat dianalisa berdasarkan 3.1. Aanalisa Bahan Baku Kotoran Sapi Dari data dapat diestimasi bahwa proses penguraian (degradasi) ternak sapi membutuhkan waktu beberap hari, karena bakteri terlebih dahulu mendegradasi bahan organik yang tidak larut menjadi bahan organik yang larut.
Pada hari ke 1 hingga hari ke 3 harga COD pada HRT 7 hari mengalami penurunan yang sangat sedikit, hal ini dapat dijelaskan bahwa fase hidrolisis dan asidifikasi berlangsung, sehingga bahan yang didegradasi masih sedikit dan menyebabkan penurunan COD tidak terlalu signifikan. Setelah hari ke 4 telah dimulai lanjutan proses asidifikasi dan dilanjutkan proses metanasi ditandai dengan pengurangan COD secara signifikan pada hari ke 9 dan proses selanjutnya menuju steady operation. Semakin besar reduksi COD, berarti bahan organik yang terdegradasi menjadi asam-asam organik. Asamasam organik inilah yang kemudian terkonversi menjadi gas metan. Maka jika reduksi COD semakin besar maka rate pembentukan gas metan juga semakin besar. Pada hari ke 4 hingga hari ke 5 terjadi kenaikan %reduksi COD, menunjukkan banyaknya bahan-bahan organik yang sudah terdegradasi. Rata-rata produksi rate biogas sebesar 0.45m 3 /hari. Pada hari ke 1 hingga hari ke 3 harga COD effluent pada HRT 10 hari mengalami sedikit penurunan. Setelah hari ke 4 telah dimulai lanjutan proses asidifikasi dan telah terjadinya proses metanasi ditandai dengan pengurangan COD effluent secara signifikan dan proses selanjutnya menuju steady operation. Pada hari ke 4 hingga hari ke 7 terjadi kenaikan %reduksi COD yang cukup signifikan, menunjukkan banyaknya bahan-bahan organik yang sudah terdegradasi. Hal ini dapat dijelaskan bahwa pada saat tersebut solid telah banyak yang didegradasi oleh mikroorganisme menjadi bahan terlarut. Semakin besar reduksi COD, berarti bahan organik yang terdegradasi menjadi asam-asam organik. Asam-asam organik inilah yang kemudian terkonversi menjadi gas metan. Pada hari ke 8 terjadi penurunan %reduksi, dimana asam-asam organik sudah tidak ada lagi yang terurai menjadi gas metan. Maka jika reduksi COD semakin besar maka rate pembentukan gas metane juga semakin besar, hal ini sesuai dengan profil rate biogas. Rata-rata produksi rate biogas sebesar 0,67m 3 /hari. Pada hari ke 13, %reduksi cenderung konstan dimana asam-asam organik sudah tidak ada lagi yang terurai menjadi gas metan. Maka jika reduksi COD semakin besar maka rate pembentukan gas metane juga semakin besar, 3.2. Analisa Produksi Biogas Intensitas aktivitas mikrobial adalah merupakan fungsi dari temperatur lingkungan, khususnya pada methanogenesis dimana degradasi material umpan sangat eratnya dengan temperatur. Secara umum hal ini telah dilakukan oleh beberapa peneliti yang menytakan bahwa reaksi temperatur mesophilic yang aktivitas mikrobial anaerobic adalah 35-37 C. Temperatur ini sukses dan dapat meningkatkan degradasi bahan organik sampah atau kotoran. Perhitungan volume gas secara akurasi dan persisi, koreksi untuk error dan perbedaan ukuran fasilitas berdasarkan volume gas ke standard temperatur (293 K) dan tekanan (101,325 Pa) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (Merkens 1962). (1) Pada gambar 3.2. dalam eksperimen ini pemanasan water jacket dilakukan pada temperatur 32, 34, 36, dan 38 C tanpa pengaduk dengan HRT 21 hari. Dengan menggunakan persamaan di atas hasil menunjukan bahwa produksi biogas optimum terjadi pada temperatur 38 C pada HRT hari 11 dengan volume gas 0,033315 m 3 /hari. Setting Suhu Tekanan biogas, P (Pa/hari) Kisaran Rata-rata Optimum HRT 2 HRT 21 30 C 9221,4-24819,3 18615,64 24819,3 10987,2 23249,7 32 C 10398,6-26192,7 20446,84 26192,7 12458,7 21778,2 34 C 14518,8-26683,2 21820,24 26683,2 16775,1 21091,5 36 C 13145,4-27664,2 23319,77 27664,2 18835,2 19914,3 38 C 12262,5-29135,7 23945,74 29135,7 18442,8 19325,7
Gambar 3.1. Volume biogas di dalam reaktor 3.3. Analisa Komposisi Biogas Sampel gas diambil dari tabung gas untuk setiap 7 hari dari gas yang dihasilkan dari 21 hari HRT yang sedang berjalan. Komposisi biogas yang dihasilkan selama proses anaerob diambil sampel, kemudian dianalisa dengan menggunakan Gas Chromatograph (GC) instruments yang dikalibrasikan dengan standard gas campuran dari N 2, O 2, H 2 S, H 2, CO 2 dan CH 4 pada rasio yang terukur. Adapun hasil dari sebagian analisa komposisi biogas dan diambil rata-rata ditunjukan dalam tabel 3.2.1. adalah sebagai berikut : Komponen biogas Tabel 3.2.1. Komposisi biogas HRT / Kandungan (%) 2 6 10 14 18 22 CH 4 51,03 58,19 56,84 57,01 57,26 57,57 CO 2 30,12 35,19 37,82 35,55 37,37 37,79 H 2 4,8 2,34 2,2 2,6 2,18 2,1 H 2 S 3,9 2,5 2,08 2,3 1,16 1,1 N 2 4,56 0,98 1 1,34 1,2 0,28 O 2 5,68 1,3 0,1 1,2 0,83 0,26 Selain biogas diuji di laboratorium, biogas juga dinyalakan pada kompor gas untuk mengamati kestabilan nyala dan warna api yang menyala. Hasil nyala api menunjukan pada interval 2 hari mulai hari ke 3 sampai ke 10, nyala api kemerah-marahan dan kuning menuju nyala api biru stabil. Hal ini menandai bahwa produksi biogas awal masih mengandung CO 2 yang masih tinggi. 4. Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan mengenai produksi biogas dari kotoran sapi secara fermentasi anaerobic dengan menggunakan sistem pengisian batch experimen menjadi biogas dengan variasi pengaturan suhu dan pengaduk, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Pengaruh penambahan suhu dan tanpa pengaduk
Dapat meningkatkan produksi biogas rata-rata 3,1 % setiap kenaikan suhu 2 C dan produksi biogas maksimum pada suhu 38 C. Dapat menggeser waktu produksi biogas maksimum 1 s/d 2 hari dari fungsi HRT. Dapat memperbesar produksi biogas maksimum rata-rata 2,0 % 2. Reduksi degradasi maksimum TS, TVS, COD dan BOD terjadi pada minggu ke II HRT dengan menghasilkan produksi biogas maksimum. 3. Setelah 28 hari HRT, masih tersisa presentasi reduksi TVS, COD dan BOD masing-masing 11,5 11,9 dan 10,8 % yang mengindikasikan bahwa produksi biogas masih berlangsung dalam beberapa hari. 4. Hasil kandungan gas metan yang diuji terhadap HRT tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan dengan nilai rata-rata 56,32 % gas CH 4. 5. Ucapan Terima Kasih Tulisan merupakan bagian dari thesis penulis, sehingga dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada pemerintah Timor Leste yang telah membiaya penulis untuk melaksanakan studi S2 di program studi pasca sarjana Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, ITS. 6. Daftar Pustaka [1] Samir Kumar Khanal, 1994. Anaerobic Biotechnology For Bioenergy Production. University of Hawai i at Manoa, USA. [2] Teguh Wiken Widodo dkk, 2006, Rekayasa dan Pengujian Reaktor Biogas Skala Kelompok Tani Ternak. Laboratorium Eksperimen Balai Besar Pengembangan Mekanisasi pertanian., Jakarta. [3] Tuti Haryati, 2006. Biogas, Limbah Peternakan Yang Menjadi Sumber Energi Alternatif. Balai Penelitian Ternak PO Box 221, Bogor 16002. [4] R. Omar dkk, 2008. Anaerobic Treatment of Cattle Manure for Biogas Production. Department of Chemical and Enviromental Engineering, faculty of Engineering, Universiti Putra Malaysia, Selangor, Malaysia. [5] P. Vindis, et, 2009. The Impact of Mesophilic and Thermophilic on Biogas Production. Faculty of Algriculture and Life Sciences and Faculty of Mechanical Engineering, Uneversity of Maribor, Slovenia. [6] Robert Boikess, et 1986. Element of Chemistry: General, Organic and Biological. Prentice-Hall, Englewood, New Jersey USA. [7] Chiu-Yue Lin, 2007. Temperature Effects on Fermentative Hydrogen Production fron xylose Using Mixed Anaerobic Culture. Biohydrogen Laboratory, Department of Water Resource Engineering, Feng China Universty, Taiwan. [8] Raymond Chang, 2004. Kimia Dasar. Konsep-konsep Inti, Edisi ketiga jilid 1, Penerbit Airlangga, Jakarta. [9] Joseph I. Routh, et, 1969. Essentials of General Organic and Biochimistry. University of Iowa, Iowa City, USA. [10] James Newton Butler, 1964. Solubility and ph Calculation. Formerly Scientist in Chemical physics University of British Columbia, USA.