PEMBUATAN BIOGAS DENGAN SUBSTRAT LIMBAH KULIT BUAH DAN LIMBAH CAIR TAHU DENGAN VARIABEL PERBANDINGAN KOMPOSISI SLURRY DAN PENAMBAHAN COSUBSTRAT KOTORAN SAPI Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I pada Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Oleh: DWI RAMADHANI D 500 130 097 PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2017
i
ii
iii
PEMBUATAN BIOGAS DENGAN SUBSTRAT LIMBAH KULIT BUAH DAN LIMBAH CAIR TAHU DENGAN VARIABEL PERBANDINGAN KOMPOSISI SLURRY DAN PENAMBAHAN COSUBSTRAT KOTORAN SAPI Abstrak Biogas merupakan salah satu sumber energi alternatif non fosil yang ramah lingkungan yang bersifat dapat diperbarui (renewable). Biogas dapat diperoleh dari proses fermentasi biomassa yang mengandung karbohidrat dengan bantuan mikroorganisme. Biogas sangat potensial dijadikan sebagai bahan bakar karena kandungan metana dalam biogas cukup tinggi. Penelitian ini menggunakan substrat limbah kulit buah dan limbah cair tahu dengan variabel perbandingan komposisi slurry serta penambahan cosubstrat kotoran sapi. Proses pembuatan biogas ini dibagi menjadi 2 tahapan, yakni tahap pretreatment dan tahap utama. Pada tahap pretreatment menggunakan variabel perbandingan komposisi slurry yakni 1:1; 1;1,5; dan 1:2. Sedangkan pada tahap utama menggunakan variabel penambahan cosubstrat yakni 1 liter dan 2 liter kotoran sapi. Dari penelitian yang telah dilakukan, didapatkan hasil yang paling optimal yakni pada variabel penambahan cosubstrat 2 liter kotoran sapi. Hasilnya yaitu volume biogas sebanyak 295 ml, kadar gas metana sebesar 53,89%, dan nyala api biogas dengan warna yang besar dan biru serta dengan waktu yang cukup lama. Kata Kunci : Biogas, limbah kulit buah, limbah cair tahu, kotoran sapi. Abstracts Biogas is one of the renewable alternative non-fossil energy sources. Biogas can be obtained from the fermentation process of biomass containing carbohydrates with microorganisms. Biogas is very potential to be used as fuel because the content of methane in biogas is high. This research used fruit and tofu liquid waste substrate with variable composition ratio of slurry and addition of cow dung cosubstrat. Biogas production was divided into 2 stages, namely pretreatment stage and main stage. In the pretreatment stage the variable slurry composition were 1: 1; 1; 1.5; and 1: 2. While the main stage used cosubstrat addition variable which was 1 liter and 2 liter of cow dung. The results showed that the most optimum condition was the addition of cosubstrat 2 liters of cow dung. The volume of biogas obtained 295 ml, with the methane gas content of 53.89%, and the biogas fire flame was large and blue colors with a long duration. Keywords : Biogas, Fruit liquid waste, tofu liquid waste, cow dung. 1. PENDAHULUAN Global warming yang diakibatkan karena kerusakan lingkungan beberapa dekade ini menjadi isu yang sedang ramai diperbicarakan. Salah satu penyebab kerusakan lingkungan, adalah penggunaan energi dari fosil yang tidak ramah lingkungan. Untuk mengurangi kerusakan lingkungan akibat penggunaan bahan bakar fosil ini, maka perlu dicarikan energi alternatif yang ramah lingkungan. Salah satu contoh energi alternatif yang ramah lingkungan adalah penggunaan 1
biogas. Biogas adalah gas yang dihasilkan dari limbah rumah tangga, kotoran hewan, kotoran manusia, sampah organik dan sebagainya, yang mengalami proses penguraian atau fermentasi oleh mikroorganisme. Produk utama dari biogas adalah gas metana sebagai hasil sampingnya adalah pupuk organik. Biogas memiliki nilai ekonomis tinggi dan dapat dimanfaatkan untuk berbagai kepeluan seperti untuk memasak. Limbah apapun jenisnya, mengandung senyawa kimia yang sangat diperlukan manusia baik secara langsung maupun tidak langsung. Namun yang terpenting, bagaimana kita dapat menggunakan dan memanfaatkan sampah tersebut. Pemanfaatan sampah biasanya digunakan sebagai bahan pembuatan pupuk kompos (Romadhoni,2015). Pada penelitian kali ini kami akan memanfaatkan penggunaan limbah yang menghasilkan biogas dengan menggunakan limbah kulit buah dan limbah cair tahu sebagai substrat serta kotoran sapi sebagai cosubstrat. Alasan pememilihan limbah kulit buah, limbah cair tahu, serta kotoran sapi karena jumlahnya yang sangat berlimpah serta kami juga ingin fokus pada upaya untuk menjaga lingkungan dari limbah-limbah tertentu yang masih bisa dimanfaatkan. Penggunaan limbah kulit buah sebagai bahan baku pembuatan biogas belum pernah dilakukan oleh peneliti terdahulu, sehingga pada penelitian ini akan dicari tahu pengaruh penambahan limbah kulit buah terhadap hasil biogas. Kami memperoleh kulit buah dari para pedagang jus di sekitaran kampus UMS. Jenis dari kulit buah yang digunakan sebagai substrat adalah kulit buah jambu, kulit buah mentimun, kulit buah mangga, kulit buah melon, kulit buah semangka, kulit buah naga, kulit buah jeruk serta kulit buah nanas. Selain menggunakan limbah kulit buah, kami juga menggunakan limbah cair tahu sebagai substrat pada pembuatan biogas ini. Dibandingkan dengan limbah padat pada proses pembuatan tahu, limbah cair yang dihasilkan kurang dapat dimanfaatkan secara maksimal. Jika limbah tidak diolah dengan baik, maka akan menimbulkan bau tidak sedap akibat proses pembusukan bahan organik oleh bakteri (Haryadi, 2004). Biasanya limbah cair pembuatan tahu hanya dibuang karena masyarakat menganggap limbah cair tersebut sudah tidak lagi mengandung zat yang berguna. Padahal limbah cair tersebut masih bisa digunakan sebagai bahan untuk fermentasi sehingga limbah cair tahu tersebut bisa digunakan sebagai bahan untuk pembuatan biogas. Sampel limbah cair tahu kami peroleh dari sentra industri pembuatan tahu di daerah Mojosongo, karena selain industrinya yang cukup maju, disana juga terdapat banyak sekali para produsen tahu sehingga akan lebih mudah dalam pengambilan sampel sebagai substrat dalam pembuatan energi biogas. Cosubstrat atau stater pada pembuatan energi biogas kami berasal dari kotoran sapi. Alasan kami menggunakan kotoran sapi yakni karena kotoran sapi sudah terbukti dapat meningkatkan produksi kandungan zat methan pada proses pembuatan biogas. Rasio C/N kotoran sapi adalah 2
sebesar 24. Rasio C/N juga berpengaruh terhadap pembentukan gas metana pada proses pembuatan biogas di dalam digester. Rasio C/N yang optimum dapat menghasilkan biogas yang optimal (Wahyuni, 2008). Kami mengambil sampel kotoran sapi dari peternak di daerah Wonogiri. Selain karena jumlahnya yang sangat berlimpah, kotoran sapi di peternakan tersebut juga tidak dimanfaatkan sebagaimana mestinya, sehingga dapat menimbulkan berbagai kemungkinan pencemaran lingkungan. Harapannya, dengan adanya penelitian ini dapat membantu mengurangi masalah lingkungan dengan cara memanfaatkan limbah kulit buah, limbah cair tahu, serta kotoran sapi sebagai bahan baku pembuatan biogas sehingga biogas yang terbentuk nantinya dapat digunakan untuk kebutuhan bahan bakar sehari-hari yang murah serta ramah lingkungan. 2. METODE Proses pembuatan biogas harus dilakukan dengan cara yang berurutan, mulai dari pengambilan bahan baku, proses fermentasi, sampai langkah terakhir yakni pengujian biogas. Pada pembuatan biogas ini dilakukan 2 tahapan proses, yakni proses pretreatment dan proses utama. Tujuan dari tahap pretreatment adalah untuk memperoleh komposisi slurry yang paling optimum yang nantinya akan digunakan untuk proses pembuatan biogas pada tahap utama dengan tambahan variabel cosubstrat kotoran sapi. 2.1 Alat Alat yang digunakan pada proses pembuatan biogas antara lain : alat suntik, blender, galon, corong, cutter, dob ban, ember, gelkas ukur, gunting, jerigen, kabel tis, pengaduk, karet, selang bening, solder, venoject. Skema rangkaian alat pada penelitian ini ditampilkan pada gambar 1 berikut. 2 4 Keterangan gambar : 1. Reaktor/digester 5 3 1 2. Selang 3. Ember 4. Gelas ukur 5. Penyangga Gambar 1. Skema rangkaian alat pembuatan biogas. 3
2.2 Bahan Bahan baku penelitian diperoleh dari pedagang jus di sekitar kampus UMS untuk limbah kulit buah, sedangkan untuk limbah cair tahu diperoleh dari pabrik pembuatan tahu Pak Aco, sementara itu untuk cosubstrat kotoran sapi diperoleh dari para peternak sapi di daerah Wonogiri. Bahan penunjang yang digunakan pada proses pembuatan biogas antaralain : lilin, lem alteko, lem pralon, selotip pralon. 2.3 Proses Langkah pertama tahap pretreatment yaitu mengambil limbah cair tahu. Kemudian mengambil limbah kulit buah dan mencacahnya hingga menjadi serbuk, lalu mengencerkannya dengan air. Selanjutnya limbah cair tahu dan limbah kulit buah yang telah diencerkan tersebut dimasukkannya ke dalam ember. Langkah selanjutnya yaitu mengaduk limbah kulit buah dan limbah cair tahu sehingga tercampur rata. Perbandingan volume antara limbah kulit buah dan limbah cair tahu pada tahap pretreatment yaitu 1 : 1, 1 : 1,5, dan 1 : 2. Selanjutnya menentukan perbandingan pretreatment yang paling bagus yang kemudian akan diproses lagi menggunakan penambahan variabel cosubstrat kotoran sapi. Kotoran sapi tersebut diencerkan atau dilarutkan dengan menggunakan urin sapi, yaitu dengan perbandingan 1 : 1 Penambahan cosubstrat kotoran sapi dilakukan dengan volume penambahan 1 liter dan 2 liter. Memasukkan campuran tersebut masing-masing ke dalam botol berukuran 6 L sebagai tabung digester dengan volume 4 L. Melakukan fermentasi dengan waktu fermentasi 4 minggu. Biogas yang dihasilkan ditampung dalam tempat penampungan gas. Kemudian melakukan analisa hasil biogas. Analisa hasil biogas terdiri dari: 2.3.1 Uji Kandungan Gas Metana Untuk menganalisa hasil kandungan biogas, yaitu dengan menggunakan bantuan alat. Alat yang digunakan untuk analisa biogas dalam penelitian ini yaitu GC (Gas Chromatograph) tipe Shimadzu 14A yang dilengkapi tiga detector yaitu Flame ionization detector (FID) untuk analisis gas CH4 dan Thermal conductivity detector (TCD) untuk analisis CO2. Pengujian ini dimaksudkan untuk mengukur berapa persen gas metana yang terkandung dalam biogas. 2.3.2 Pengukuran Volume Biogas Dari komposisi bahan dan waktu fermentasi yang berbeda, tentunya juga akan menghasilkan volume gas yang berbeda. Oleh karena itu perlu dilakukan pengukuran volume biogas. Pengukuran volume biogas ini yaitu untuk mengetahui seberapa banyak biogas yang dihasilkan. Pengukuran volume biogas dengan menggunakan gelas ukur yang diletakkan dengan 4
kondisi keadaan terbalik dalam wadah (ember) yang berisi air sehingga dapat diketahui volume biogas. 2.3.3 Uji Karakteristik Nyala Api Biogas Setelah biogas terbentuk, maka perlu dilakukan uji nyala api. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui nyala api dari biogas yang dihasilkan. Uji karakteristik nyala api biogas ini yaitu meliputi : nyala api yang dihasilkan, warna dari nyala api biogas, dan seberapa lama nyala api biogas. Langkah-langkah dalam tahap pretreatment dan tahap utama digambarkan dalam Gambar 1 dan Gambar 2 berikut: Limbah cair tahu Air + limbah kuit buah Suhu 30 0 C ember Digester Diaduk Waktu fermentasi ( 4 minggu) Biogas Pengukuran volume biogas Uji kandungan gas metana dalam biogas Uji nyala api biogas Gambar 2 Diagram blok pembuatan biogas tahap pretreatment. 5
Air + limbah kuit buah + limbah cair tahu (dengan perbandingan paling optimum) Kotoran sapi (1 L & 2 L) ember Diaduk Suhu 30 0 C Digester Waktu fermentasi ( 8 minggu) Biogas Pengukuran volume biogas Uji kandungan gas metana dalam biogas Uji nyala api biogas Gambar 3 Diagram blok pembuatan biogas tahap utama. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Pengujian Volume Biogas Tabel 1 Volume biogas tahap pretreatment. Variabel (limbah kulit buah : limbah cair tahu) 1 : 1 1 : 1,5 Volume (ml) 74 81 1 : 2 85 6
Tabel 2 Volume biogas tahap utama. Variabel (limbah kulit buah : limbah cair tahu) 1 : 2 1 : 2 Variabel (penambahan Volume (ml) kotoran sapi) (L) 1 215 2 295 Berdasarkan pada data Tabel 1 menunjukkan hasil uji volume biogas pada tahap pretreatment. Pada tiap variabel komposisi slurry, volume biogas mengalami peningkatan. Variabel komposisi slurry 1:1 menghasilkan volume biogas sebesar 76 ml. Pada variabel komposisi slurry 1:1,5 menghasilkan volume biogas sebesar 81 ml, sedangkan pada variable komposisi slurry 1:2 menghasilkan volume biogas sebesar 85 ml. Sementara itu pada tahap proses utama dengan tambahan variabel cosubstrat kotoran sapi menghasilkan volume yang semakin meningkat pula. Sebagaimana ditunjukkan pada Tabel 2 didapatkan hasil uji biogas yakni pada variabel penambahan 1 liter cosubstrat kotoran sapi menghasilkan volume biogas sebesar 215 ml, sedangkan pada variabel penambahan 2 liter cosubstrat kotoran sapi menghasilkan 295 ml biogas. Faktor yang mempengaruhi hasil biogas adalah ph, suhu, rasio C/N. ph yang digunakan dalam penelitian ini dianggap konstan yaitu pada ph 6,8, jika ph di bawah 5,0 maka bakteri tidak dapat bekerja. Suhu lingkungan sangat menunjang kerja bakteri, suhu yang digunakan pada penelitian ini berkisar 30 o C. Rasio C/N yang optimal digunakan dalam digester aerobik antara 20-35, menurut Wahyuni (2008) rasio C/N kotoran sapi 24. Hal tersebut yang membuat volume biogas yang mendapatkan penambahan cosubstrat kotoran sapi menghasilkan volume gas yang lebih banyak. Volume biogas yang tinggi belum tentu menghasilkan komposisi dengan kadar gas metana yang tinggi pula. Karena volume biogas tidak mempengaruhi komposisi biogas yang terbentuk. 7
3.2 Pengujian Kadar Gas Metana dan CO2 Tabel 3 Kadar gas metana dan CO2 tahap pretreatment. Variabel (limbah kulit Kadar gas (%) Kadar CO2 (%) buah : limbah cair tahu) 1 : 1 0,10 89,98 1 : 1,5 0,13 64,11 1 : 2 0,16 76,52 Tabel 4 Kadar gas metana dan CO2 tahap utama. Variabel (limbah kulit buah : limbah cair tahu) 1 : 2 1 : 2 Variabel (penambahan kotoran sapi) (L) Kadar gas (%) Kadar CO2 (%) 1 5,16 3,77 2 53,89 44,45 Tabel 3 menunjukkan pengaruh komposisi slurry terhadap gas metana dan CO2 yang diperoleh pada tahap pretreatment. Pada variabel komposisi slurry 1:1 menghasilkan gas metana sebesar 0,10%, variable komposisi slurry 1:1,5 menghasilkan gas metana 0,13%, serta pada variabel komposisi slurry 1:2 menghasilkan gas metana sebanyak 0,16%. Akan tetapi kadar gas metana pada tiap variabel komposisi slurry tersebut mengandung kadar gas metana yang sangat sedikit Sedangkan pada tahap utama berdasarkan pada Tabel 4 didapatkan hasil kadar gas metana yakni pada variabel penambahan 1 liter cosubstrat kotoran sapi menghasilkan gas metana sebesar 5,16%. Kemudian pada variabel penambahan 2 liter cosubstrat kotoran sapi menghasilkan 53,89% gas metana. Menurut Simamora (2006) pada umumnya komposisi biogas yaitu mengandung gas metana 50-70%; nitrogen 0-0,3%; karbondioksida 24-45%; hidrogen 1-5%; oksigen 0,1-0,5%; serta hidrogen sulfida 0-3%. Akan tetapi dalam penelitian ini kadar gas metana yang dihasilkan pada 8
tahap pretreatment tidak mencapai kondisi optimum yakni 50%. Hal tersebut dapat disebabkan karena waktu fermentasi yang kurang optimal. Karena pada tahap proses pembentukan biogas masih dalam tahap pembentukan asam asetat (acetogenesis). Sehingga proses perubahan asam asetat menjadi gas metana pada tahap pembentukan gas metana (methanogenesis) oleh bakteri metanogen belum terjadi sepenuhnya. Sehingga gas metana yang dihasilkan belum optimal dan masih banyak mengandung gas CO2. Sedangkan pada tahap utama yakni pada variabel penambahan 2 liter cosubstrat kotoran sapi menghasilkan gas metan lebih dari 50% yakni sebesar 53,89%. Sehingga sudah bisa dikatakan bahwa penelitian tersebut telah berhasil. Pada tahap pretreatment berdasarkan pada data Tabel 3 didapatkan hasil kadar gas CO2 yang sangat tinggi. Kadar gas CO2 tersebut lebih besar dibandingkan dengan hasil kadar gas metana. Pada variabel komposisi slurry 1:1,5 hasil kadar gas CO2 mengalami penurunan. Sedangkan pada variabel komposisi slurry 1:2 hasil kadar gas CO2 mengalami kenaikan. Kadar gas CO2 paling besar yaitu pada variabel komposisi slurry 1:1 yaitu sebesar 89,98% dan kadar CO2 paling kecil yakni pada variabel komposisi slurry 1:1,5 yakni sebesar 64,11%. Sedangkan pada tahap utama berdasarkan pada Tabel 4 didapatkan hasil kadar biogas yakni pada variabel penambahan 1 liter penambahan cosubstrat kotoran sapi menghasilkan kadar CO2 sebesar 3,77%. Sementara itu pada variabel penambahan 2 liter cosubstrat kotoran sapi menghasilkan 44,45% kadar CO2. Kadar gas CO2 yang cukup tinggi ini dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain yaitu kondisi ph substrat pada reaktor digester, suhu, dan waktu fermentasi. Menurut Yani dan Darwis (1990) nilai ph terbaik dalam memproduksi biogas berkisar antara 7,0. Apabila nilai ph di bawah 6,5 aktivitas bakteri metanogen akan menurun dan ph di bawah 5,0 aktivitas fermentasi akan terhenti. Selain ph faktor yang berpengaruh yaitu suhu. Perubahan suhu di lingkungan sekitar dapat mempengaruhi suhu di dalam tabung digester. Sehingga hal tersebut juga akan mempengaruhi aktivitas bakteri di dalam proses fermentasi. menurut Sahidu (1983), suhu optimum pertumbuhan bakteri berkisar antara 30-35. Faktor yang lain yang mempengaruhi adalah waktu fermentasi. waktu fermentasi yang kurang optimum akan mengakhibatkan gas metana yang terbentuk hanya sedikit dan gas CO2 akan lebih besar. Hal tersebut dikarenakan proses pembentukan gas metana masih dalam tahap acidogenesis atau acetogenesis. Tahap tersebut adalah tahap dimana pembentukan asam asetat, karbon dioksida (CO2), dan hidrogen (H2). Sehingga gas yang dihasilkan masih banyak mengandung gas CO2 daripada gas metana. 9
3.3 Pengujian Nyala Api Gambar 4 Uji karakteristik nyala api biogas. Menurut Deublein (2008), biogas setidaknya mengandung 45% metana agar dapat menghasilkan nyala api. Karena pada waktu fermentasi tahap pretreatment masih kurang optimal, maka penelitian ini dilanjutkan menjadi 8 minggu pada tahap utama untuk pembuktian bahwa biogas yang dihasilkan bisa terbakar. Setelah waktu fermentasi tahap utama dilakukan selama 8 minggu lalu dilakukan uji nyala api. Biogas yang dihasilkan selama 8 minggu bisa terbakar dengan warna nyala api kebiruan dan artinya biogas yang dihasilkan sudah lebih dari 45%. Hal ini membuktikan bahwa fermentasi selama 4 minggu pada tahap pretreatment masih kurang optimum. Sedangkan uji nyala api pada tahap utama yang dilakukan selama 8 minggu mengasilkan api dengan warna kebiruan. 4. PENUTUP 4.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian, didapatkan kesimpulan bahwa semakin lama waktu fermentasi biogas maka gas metana yang dihasilkan semakin banyak, semakin tinggi perbandingan komposisi slurry maka kadar gas metana dan volume biogas yang dihasilkan juga semakin tinggi, serta semakin tinggi penambahan cosubstrat kotoran sapi maka kadar gas metana dan volume biogas yang dihasilkan juga semakin tinggi. Selain itu, kondisi suhu serta ph yang stabil juga akan mempengaruhi proses pembentukan biogas. Biogas dengan jumlah volume paling tinggi yakni pada variabel penambahan 2 liter cosubtrat kotoran sapi yakni sebesar 295 ml. Sedangkan biogas dengan kadar metana paling tinggi yakni pada variable penambahan 2 liter cosubstrat kotoran sapi yakni sebesar 53,89%. 10
4.2 Saran Saran penulis bagi penelitian selanjutnya, yaitu lebih mengenai proses pembuatan biogas yang harus dilakukan secara tepat dan teliti, baik dari segi urutan prosedur maupun kondisi operasi proses, melakukan pengecekan volume secara berkala untuk mengetahui besarnya penambahan volume tiap waktunya, serta bisa menggunakan bahan tambahan yang dapat menghasilkan bakteri metanogen serta bisa mempercepat proses fermentasi seperti kotoran sapi, gula merah, urea dan EM-4. PERSANTUNAN Terima kasih kepada ibu Eni Budiyati, S.T.,M.Eng. selaku dosen pembimbing dalam penelitian ini yang dengan sabar dan tanggungjawab dalam membimbing kami. DAFTAR PUSTAKA Deublein D, Steinhauser A. 2008. Biogas from Waste and Renewable Resources. Germany: Wiley- VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Hariyadi,Sigid. 2004. BOD dan COD sebagai Parameter Pencemaran Air dan Baku Mutu Air Limbah. Bogor : Institut Pertanian Bogor Romadhoni,H.A.,Wasen,P.Pembuatan Biogas Dari Sampah Pasar.Program Studi Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan. Universitas Pembangunan Nasional"Veteran''Jawa Timur. Sahidu, S. 1983. Kotoran Ternak Sebagai Sumber Biogas. Dewaruci, Jakarta Simamora. 2006. Membuat Biogas Pengganti Bahan Bakar Minyak Dan Gas Dari Kotoran Ternak. Penerbit Jakarta Wahyuni, Sri. 2008. Biogas. Jakarta: Penebar Swadaya. Yani M, Darwis AA. 1990. Diktat Teknologi Biogas. Bogor: Pusat Antar Universitas Bioteknologi- IPB. 11
12