JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
1
Analisis Peran Limbah Sayuran dan Limbah Cair Tahu pada Produksi Biogas Berbasis Kotoran Sapi I. Ghevanda, Triwikantoro Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected]
Abstrak—Penelitian dilakukan dengan membuat biogas dalam tiga jenis komposisi bahan yaitu S (limbah sayuran), K (kotoran sapi dan limbah sayuran), dan T (kotoran sapi, limbah sayuran, dan limbah cair tahu) dengan menggunakan reaktor digester kedap udara. Terdapat tiga tahap utama dalam penelitian ini yaitu, tahap preparasi yang meliputi preparasi bahan, reaktor digester, dan sample bag, tahap pemrosesan yang meliputi pencampuran bahan dan proses fermentasi, dan tahap pengujian yang meliputi pengamatan manometer dan termometer setiap hari serta pengujian kromatografi gas. Dari hasil pengamatan manometer diketahui bahwa penambahan substrat limbah sayuran tiap 1% dapat menurunkan produk biogas kurang lebih 4%. Sedangkan penambahan limbah cair tahu pada percobaan T2 dapat meningkatkan produksi biogas hingga 25%. Kata Kunci—biogas, kotoran sapi, limbah cair tahu, limbah sayuran, metana.
I. PENDAHULUAN
B
ERKURANGNYA sumber cadangan energi seperti minyak bumi, batu bara, dan gas bumi tengah dialami oleh berbagai negara dan tidak terkecuali Indonesia. Pada 2011, BP Migas memperkirakan bahwa cadangan minyak potensial di Indonesia hanya akan bertahan sampai 12 tahun, sedangkan untuk gas hanya akan bertahan sampai 46 tahun. Kondisi ini dipersulit dengan adanya fakta bahwa konsumsi energi di Indonesia juga mengalami peningkatan secara bertahap. Salah satu solusi energi terbarukan adalah biogas. Biogas merupakan salah satu bentuk produk sekunder dari biomasa. Bukan hanya buangan hewan pemakan tanaman yang dapat digunakan sebagai sumber biomasa, tetapi juga semua sampah organik dan buangan yang berasal dari tanaman juga dapat digunakan sebagai sumber biomasa [11]. Untuk mengimbangi jumlah konsumsi energi yang meningkat maka diperlukan adanya peningkatan produksi biogas. Peningkatan produksi biogas dapat dilakukan dengan beberapa metode yaitu menggunakan bahan aditif, penggunaan kembali slurry, menjaga nilai parameter seperti pH, temperatur, laju pengisian reaktor digester, dan pengadukan, serta menggunakan biofilter [16]. Salah satu penelitian untuk meningkatkan produksi biogas
yang dilakukan sebelumnya adalah penggunaan bahan aditif dengan menambahkan limbah cair tahu ke dalam bahan baku penghasil biogas yaitu kotoran sapi. Berdasarkan penelitian Utami, Triwikantoro, dan Muntini dengan empat variasi perbandingan massa limbah tahu dan kotoran sapi, produksi biogas tertinggi diperoleh dari campuran bahan limbah tahu dan kotoran sapi dengan perbandingan massa 70:30 [15]. Penelitian lain mengenai peningkatan produksi biogas adalah dengan penggunaan bahan aditif berupa limbah tanaman tomat ke dalam bahan utama pembentukan biogas berupa kotoran kelinci [16]. Pada penelitian ini akan dilakukan pembentukan biogas dengan bahan utama berupa kotoran sapi dan bahan aditif berupa limbah sayuran dan limbah cair tahu. Kandungan zat organik yang terdapat pada tiap substrat ditampilkan pada Tabel 1. Komolka, Gorecka, dan Dziedzic menyebutkan pula bahwa dalam 100 gr sayuran kubis tanpa daun terluar terdapat 3,09 gr hemiselulosa, 7,87 gr selulosa, dan 1,7 gr lignin [6]. Tabel 1. Kandungan zat organik sayuran kubis, limbah cair tahu, dan kotoran sapi. Parameter Sayuran kubis (gr) Limbah cair tahu Kotoran sapi Protein 2,4[5], 1,4[12] 0,45%[15] 6,74%[13] Lemak 2,2[5], 0,02[12] 2,45%[13] Karbohidrat 4,9[5], 5,3[12] 2,08%[15] 36,64%[13] Glukosa 2,31%[15]
Pengamatan laju produksi biogas dilakukan dengan mengamati perubahan tekanan gas melalui manometer. Pada manometer tersebut, tekanan akan terbaca melalui perubahan ketinggian air dalam manometer. Dari selisih ketinggian tersebut, nilai tekanan biogas dapat diketahui dengan (1). (1) P = P0 + ρgh dengan: P = tekanan gas yang diukur (N/m2) P0 = tekanan gas udara (1.105 N/m2) ρ = massa jenis air ( 1000 kg/m3) h = tinggi (m) Jika nilai tekanan gas telah diketahui, maka nilai mol gas dapat dicari dengan menggunakan (2). PV = nRT (2) dengan: P = tekanan gas yang diukur (N/m2) V =volume ruang kosong dalam reaktor (m3)
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
2
n =jumlah mol total (mol) R =konstanta gas (8,314 J/mol.K) T =temperatur (K) II. METODE A. Peralatan dan Bahan Peralatan yang dipakai dalam penelitian ini adalah perangkat instalasi reaktor biogas yang terdiri dari 6 buah jurigen berkapasitas 20 l dan 1 buah jurigen berkapasitas 35 l, selang akuarium, plastik polietilen, piringan karet ban dalam sepeda (diameter 2,5 cm), lem PVC, selotip kabel, klep bekas ban sepeda motor, gelas ukur 500 ml, kertas uji pH universal, dan manometer, serta termometer untuk pengukuran suhu ruangan. Untuk karakterisasi sampel digunakan peralatan uji kromatografi gas. Sedangkan bahan yang digunakan adalah limbah sayuran, limbah cair tahu, kotoran sapi, batu kapur, dan air. B. Prosedur Kerja Tahap pertama dari prosedur kerja dalam penelitian ini adalah tahap persiapan yang meliputi pembuatan reaktor digester, penampung gas, dan preparasi bahan pengisi biogas. Reaktor digester beserta penampung gas dibuat seperti pada Gambar 1. Setelah itu dilakukan uji kebocoran reaktor digester dan penampung gas. Uji kebocoran pada reaktor digester dilakukan dengan cara mengisi reaktor digester dengan air sampai penuh dan dibiarkan selama satu hari dalam keadaan reaktor tertutup rapat. Jika masih terjadi kebocoran air, maka reaktor diperbaiki dan diuji kembali. Uji kebocoran pada penampung gas dilakukan dengan cara menenggelamkan penampung gas secara keseluruhan kecuali bagian ujung selang dalam keadaan penampung gas terisi penuh dengan udara. Jika terdapat gelembung-gelembung udara yang lolos, maka penampung gas diperbaiki kembali dan diuji kembali. Langkah berikutnya adalah menyiapkan bahan isian reaktor digester. Preparasi bahan pengisi biogas berupa sampah sayuran dilakukan dengan penghalusan untuk mempercepat proses fermentasi. Tabel 2. Komposisi percobaan S (limbah sayuran), K (limbah sayuran dan kotoran sapi), dan T (limbah sayuran, kotoran sapi, dan limbah cair tahu) Jenis Kotoran Sapi Limbah Limbah Cair Air Percobaan (ml) Sayuran (ml) Tahu (ml) (ml) S
K
-
10840
-
10840
K1
1790
5370
-
7160
K2
1790
5670
-
7460
K3
1790
6270
-
8060
1790
5150
2400
4980
T1 T GambarT21.
kanan.
T3
Instalasi (b) 1790 reaktor biogas 5140 (a) tampak 2500kiri dan4890 1790
5130
2600
4800
(a) (b) Gambar 1. Reaktor digester (a) dengan sambungan pada manometer dan (b) dengan sambungan pada sample bag.
Tahap selanjutnya adalah preparasi pembuatan biogas. Dalam percobaan ini digunakan 3 jenis komposisi yaitu limbah sayuran saja (S), kotoran sapi ditambah limbah sayuran (K), dan kotoran sapi ditambah limbah sayuran dan limbah cair tahu. Komposisi percobaan S, K, dan T dapat dilihat pada Tabel 2. Setiap jenis substrat tersebut disiapkan dan diukur dengan kertas uji pH universal dan ditambah air dengan perbandingan tertentu sesuai kandungan air setiap substrat. Ratnaningsih dalam Yeni, Dewilda, dan Sari menyebutkan bahwa kadar air yang disyaratkan untuk pembentukan biogas adalah 91%-93% [17]. Nilai kandungan air tiap substrat berdasarkan beberapa referensi ditampilkan dalam Tabel 3. Setelah itu, masingmasing substrat diaduk hingga homogen lalu diukur derajat keasaman tiap campuran substrat dan ditambahkan sejumlah larutan Ca(OH)2 hingga derajat keasaman setiap substrat menjadi netral. Ukpai, Ibeh, Agbo, dan Elekwa menyebutkan bahwa pengendalian efektif pH membutuhkan adanya sejumlah senyawa alkali untuk membentuk larutan buffer didalam sistem reaktor digester [14]. Setelah derajat keasaman (pH) setiap campuran substrat telah disesuaikan dan setelah pengadukan kembali, maka setiap campuran substrat dimasukkan ke dalam reaktor digester. Setelah sample bag dan selang sambungan manometer telah terpasang pada reaktor, maka selanjutnya dilakukan pengasapan agar oksigen didalam reaktor berkurang. Pengasapan dilakukan dengan bantuan selang (diameter 2 inch) yang disambung dengan pipa paralon (diameter 2 inch) sebagai saluran asap buang motor yang dimasukkan kedalam alat reaktor sebelum alat reaktor digester ditutup rapat. Tabel 3. Nilai kandungan air setiap substrat pengisi reaktor Jenis Substrat Kandungan Air (%) Sayuran >80 [3], 89,14±0,5 [2] Limbah Cair Tahu 93,5±0,5 [2] Kotoran Sapi 20-70 [1]
Setelah alat reaktor ditutup rapat, maka proses fermentasi anaerob mulai berjalan. Setiap hari dilakukan pengamatan perubahan tekanan gas, pengamatan temperatur ruangan, dan pengadukan dengan cara menggoyangkan alat reaktor digester agar kehomogenan tetap tercapai. Pengamatan dan pengadukan dilakukan hingga tekanan gas mengalami penurunan dan hasilnya dianalisis.
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
3
Gambar 2. Kurva perubahan mol terhadap waktu dengan volume biogas terakumulasi untuk percobaan S (limbah sayuran).
Gambar 3. Hasil pengamatan perubahan mol pada percobaan K (limbah sayuran dan kotoran sapi) dengan variasi volume limbah sayuran terhadap waktu.
Tahap ketiga adalah karakterisasi biogas dengan uji kromatografi gas. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui komposisi gas. Dalam penelitian tugas akhir ini dilakukan dua jenis metode uji kromatografi gas yaitu metode FID dan metode TCD.
Tabel 4. Nilai persentase penurunan mol gas tertinggi tiap 1 liter beban reaktor percobaan K2 dan K3 terhadap percobaan K1. Percobaan n/L % penurunan K1 0 5,684728×10-3
III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Analisis Produksi Biogas Kotoran Sapi dengan Bahan Aditif Berupa Limbah Sayuran dan Limbah Cair Tahu. Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, didapatkan data mengenai perubahan ketinggian air pada manometer dan suhu saat pengambilan data untuk percobaan S, K, dan T. Data-data tersebut digunakan untuk mengetahui nilai mol dengan menggunakan persamaan 1 dan persamaan 2. Adapun grafik hubungan antara waktu dengan perubahan mol gas tiap 1 l volume bahan untuk percobaan S dapat dilihat pada Gambar 2. Dari hasil pengamatan perubahan ketinggian kolom air pada manometer, diketahui bahwa limbah sayuran mampu menghasilkan gas sebanyak 3,1193×10-3 mol tiap 1 liter beban reaktor. Nilai tersebut merupakan nilai mol biogas tertinggi yang dapat terbentuk dengan volume biogas terakumulasi. Hal ini menandakan bahwa limbah sayuran mempunyai potensi untuk menghasilkan biogas. Adapun grafik hubungan antara waktu dengan perubahan mol gas tiap 1 l volume bahan untuk percobaan K (limbah sayuran dan kotoran sapi) dapat dilihat pada Gambar 3. Pada percobaan K1, K2, dan K3 berturut-turut ditambahkan limbah sayuran sebanyak 75%, 76%, dan 78% dari volume total campuran substrat pengisi masing-masing reaktor. Jika dilihat dari kurva pada Gambar 3, terlihat bahwa semakin banyak limbah sayuran ditambahkan maka produksi biogas akan semakin berkurang. Pada tabel 4.3 berikut dapat dilihat nilai mol gas tertinggi yang dihasilkan oleh percobaan K1, K2, dan K3.
K2
5,445583×10-3
4,206806
K3
5,003794×10-3
11,9783
Adanya perbedaan pada posisi ketinggian fase stasioner. dapat dipengaruhi oleh konsentrasi nutrien yang terdapat pada substrat yang digunakan dalam masing-masing percobaan. Berdasarkan komposisi bahan masing-masing percobaan dan keterangan pada Tabel 1, kandungan organik pada masingmasing percobaan dapat dilihat pada Tabel 5. Selain itu, penambahan limbah sayuran yang semakin banyak pada biogas berbasis kotoran sapi membuat kandungan substrat berserat semakin banyak dan kemungkinan timbulnya scum akan semakin besar. Ojolo, Dinrifo, dan Adesuyi menyebutkan bahwa dengan digester yang lebih besar dan bahan berserat dengan ukuran dan jenis yang berbeda maka masalah scum (lapisan kerak pada permukaan campuran) dapat meningkat dengan meningkatnya kandungan substrat berserat [7]. Selain itu, limbah organik yang mengandung serat akan susah untuk dicerna dan akan mengapung dipermukaan [9], [10]. Tabel 5. Persentase kandungan zat organik untuk setiap sampel. Percobaan Kandungan organik Nilai rata-rata S1 6,72% – 10,96% 8,84% S2 8,5% – 12,85% 10,68% S3 16,49% - 19,68% 18,09% S4b 18,08% - 21,17% 19,63%
Adapun grafik hubungan antara waktu dengan perubahan mol gas tiap 1 l volume bahan untuk percobaan T (limbah sayuran, limbah cair tahu, dan kotoran sapi) dapat dilihat pada Gambar 4. Berdasarkan keterangan pada Tabel 1, persentase kandungan organik dan nilai mol biogas tertinggi tiap 1 liter beban reaktor pada tiap-tiap percobaan T ditampilkan dalam Tabel 6.
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
Gambar 4. Grafik mengenai hubungan perubahan mol terhadap waktu pada percobaan T (limbah sayuran, limbah cair tahu, dan kotoran sapi).
Gambar 5. Hubungan laju pembentukan biogas terhadap konsentrasi substrat [8].
Tabel 6. Prosentase kandungan organik dan mol biogas tertinggi tiap 1 liter beban untuk tiap komposisi substrat. Percobaan Kandungan organik Mol/L biogas T1 14,93% - 21,03% 1,12472×10-2 T2 14,98% - 21,08% 1,40468×10-2 T3
15,04% - 21,13%
Tabel 7. Hasil uji kromatografi gas dengan detektor FID Luas Area [µV.s] Komposisi Biogas S Biogas K1 Biogas T2 CH4 3026 13090 13361 Senyawa lain Total 3026 13090 13361
1,12655×10-2
Melalui kurva pada Gambar 4 terlihat adanya perbedaan jumlah produk biogas. Berdasarkan Tabel 6 mengenai kandungan zat organik dalam setiap komposisi substrat, percobaan T2 memiliki nilai mol/l biogas hampir 25% lebih besar dibandingkan nilai mol/l biogas T1. Terjadinya peningkatan produksi biogas ini dapat dikarenakan adanya peningkatan kandungan organik pada percobaan T2. Rujukan [8] juga memberikan suatu gambaran mengenai hubungan konsentrasi zat organik dalam substrat terhadap laju pembentukan biogas yang dapat dilihat pada Gambar 5. Jika dibandingkan dengan percobaan T1, terdapat penurunan 10 ml volume limbah sayuran dan peningkatan 100 ml volume limbah cair tahu pada percobaan T2. Peningkatan produksi biogas pada percobaan T dapat terjadi karena adanya penambahan limbah cair tahu dalam substrat percobaan. Hal lain yang dapat berpengaruh terhadap laju produksi biogas adalah jumlah kandungan substrat berserat pada percobaan T2 yang lebih sedikit dibandingkan pada percobaan T1. Selain sulit dicerna, substrat berserat juga dapat memicu timbulnya lapisan kerak di permukaan. B. Analisis Pengaruh Limbah Sayuran dan Limbah Cair Tahu pada Kualitas Biogas. Kualitas biogas digambarkan dengan kandungan gas metana dan gas karbon dioksida yang terdapat dalam biogas. Salah satu metode pengujian yang dapat digunakan dalam menentukan kandungan gas metana dan karbon dioksida dalam biogas adalah uji kromatografi gas. Untuk mengetahui pengaruh penambahan substrat limbah cair tahu dan limbah sayuran maka dilakukan pengujian kromatografi gas untuk percobaan S, K1, dan T2. Berdasarkan hasil pengujian kromatografi gas, diperoleh hasil yang ditampilkan pada Tabel 7 berikut.
4
Berdasarkan data pada tabel 7, limbah sayuran terbukti memiliki potensi untuk memproduksi gas metana walaupun dalam jumlah yang sedikit. Jika dibandingkan antara percobaan K1 dengan T2, atau dapat dikatakan terjadi penambahan substrat limbah cair tahu, terdapat peningkatan produksi gas metana sebesar 2,07%. IV. KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan: 1. Limbah sayuran murni dapat menghasilkan biogas dimana produk biogas tertinggi adalah 3,1193×10-3 mol tiap 1 liter beban substrat pengisi reaktor. Penambahan limbah sayuran tiap 1% dapat menurunkan produk biogas saat ditambahkan pada kotoran sapi kurang lebih sebesar 4%. 2. Penambahan limbah cair tahu dapat meningkatkan produk biogas hingga 25%. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis I.G. mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Triwikantoro, M.Sc selaku dosen pembimbing dan semua pihak yang terlibat dalam penelitian tugas akhir ini. DAFTAR PUSTAKA [1] [2]
P. Basu, Biomass Gasification and Pyrolisis: Practical Design, Elsevier, Inc (2010). J. Biswas, R. Chowdhury, P. Bhattacharya, “Kinetic Studies of Biogas Generation Using Municipal Waste as Feed Stock,” Enzyme and Microbial Technology. Vol. 38 (2006) 493-503.
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print) [3]
[4]
[5] [6]
[7]
[8] [9]
[10]
[11] [12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
V.N. Gunaseelan, 1997, “Anaerobic Digestion of Biomass for Methane Production: A Review,” Biomass and Bioenergy. Vol.13, Nos. 1/2 (1997) 83-114. Harianto, “Pengaruh Ukuran Partikel terhadap Produksi Biogas Anaerobic Digestion,” Skripsi, Jurusan Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia (2008). I. Harjono, Melirik Bisnis Tanis Kubis Bunga, CV. Aneka Solo (1996). P. Komolka, D. Gorecka, K. Dziedzic, “The Effect of Thermal Processing of Cruciferous Vegetables on Their Content of Dietary Fiber and Its Fractions,” Acta Scientiarum Polonorum. Vol. 11, No. 4 (2012) 347-354. S.J. Ojolo, R.R. Dinrifo, K.B. Adesuyi, “Comparative Study of Biogas Production from Five Substrates,” Advanced Materials Research. Vol 18-19 (2007) 519-525. L.M. Prescott, J.P. Harley, D.A. Klein, Microbiology. The McGraw-Hill Companies, Inc (2002). B. Rahmat, T. Hartoyo, Y. Sunarya, “Biogas Production from Tofu Liquid Waste on treated Agricultural Wastes,” American Journal of Agricultural and Biological Sciences. Vol. 9, No. 2 (2014) 226-231. S.K. Sharma, I.M. Mishra, M.P. Sharma, J.S. Saini, “Effect of Particle Size on Biogas Generation from Biomass Residues,” Biomass. Vol. 17 (1988) 251-263. R.E.H. Sims, Bioenergy Options for a Cleaner Environment: In Developed and Developing Countries, Elsevier, Ltd (2004). J. Sutrisno, “Pembuatan Biogas dari Bahan Sampah Sayuran (Kubis, Kangkung, dan Bayam),” Jurnal Teknik WAKTU. Vol. 8, No. 1 (2010) 98-108. D. Tampubolon, “Pembuatan Briket Arang dari Kotoran Sapi Perah dengan Tempurung Kelapa”. Skripsi, Jurusan Ilmu Produksi Ternak, Institut Pertanian Bogor, Bogor, Indonesia (2001). P.A. Ukpai, G.F. Ibeh, P.E. Agbo, C.A. Elekwa, “Effect of pH on the Volume of Gas Produced from Cowpea, Cassava Peelings,” Journal of Physical Sciences and Innovation. Vol. 3 (2011) 44-49. A.R.I. Utami, Triwikantoro, M.S. Muntini, “Analisis Peran Limbah Cair Tahu dalam Produksi Biogas,” Seminar Nasional X Pendidikan Biologi FKIP UNS. Yadvika, T.R. Santosh, Sreekrishnan, S. Kohli, V. Rana, “Enhancement of Biogas Production from Solid Substrates Using Different Technique- A Review,” Bioresource Technology. Vol. 95 (2004) 1-10. Yeni, Y. Dewilda, S.R. Sari, “Uji Pembentukan Biogas dari Substrat Sampah Sayur dan Buah dengan Ko-Substrat Limbah Isi Rumen Sapi,” Jurnal Teknik Lingkungan. Vol. 1 (2012) 26-36.
5
