Laporan Penelitian
BIOGAS DENGAN PEMANFAATAN LIMBAH PERTANIAN (JERAMI PADI)
Oleh : Martinus Nembaimo
H 211 07 052
Salmen M Pabuaran
H 211 07 043
Christian Toding
H 211 07 054
Puji Raharjo
H 211 07 060
Sandi Simba
H 211 07 061
PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS HASANUDDIN MAKASSAR 2009
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang Indonesia merupakan negara agraris yang banyak memproduksi padi. Limbah hasil panen padi (batang dan tangkainya) atau lebih familiar dikenal dengan “sekam”.Biasanya sehabis panen, limbah ini langsung dibakar. Para petani menganggap limbah itu tidak bermanfaat lagi. Namun berbeda dengan Cina, yang mengaku negara penghasil padi terbesar di dunia (sumber: energipotal.com). Setiap tahunnya limbah padi yang didapat setelah panen mencapai 230 juta ton. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh para peneliti Cina, salah satunya bernama Xiujin Li , melaporkan bahwa mereka telah melakukan penelitian untuk mendapatkan biofuel dari limbah padi. Penelitian mereka yang rencananya akan diterbitkan di jurnal Energy & Fuels, America Chemical Society, memaparkan suatu metode untuk mendorong produksi biofuel hingga 65%. Limbah padi selama ini belum dimanfaatkan untuk biogas karena selulose yang dimilikinya mempunyai struktur fisika dan kimia yang kompleks tidak mudah diurai bakteri. Xiujin Li dan rekan-rekannya memberikan perlakuan batang padi dengan sodium hydroxide terlebih dulu, sebelum diberikan pada bakteri untuk difermentasi menjadi biogas. Perlakuan awal tersebut dapat meningkatkan produksi biogas dengan terbentuknya lebih banyak selulose dan komposisi lain di dalam batang padi tersebut. Tiga fasilitas prototip hingga kini telah dibangun di Cina menggunakan teknologi tersebut. Bagaimana dengan Indonesia yang memiliki sumber limbah padi yang cukup potensial untuk mengahasilkan biogas. Ini adalah tantangan kita bersama untuk mengoptimalkan potensi limbah padi di Indonesia. Jerami merupakan salah satu bahan organik yang bisa dijadikan sebagai bahan baku pembuatan biogas, tapi kandungan jerami yang mempunyai sedikit kandungan karbohidrat dan banyak serat membuatnya lebih sulit untuk dicerna dalam bak digester, untuk itu sebelum jerami dimasukkan kedalam digester sebelumnya harus difermentasi terlebih dahulu dengan tujuan untuk meningkatkan kandungan karbohidrat dalam jerami tersebut.
I.2 Ruang Lingkup Dalam penelitian ini digunakan limbah pertanian untuk menghasilkan biogas, mengidentifikasi adanya gas yang dihasilkan, melakukan uji nyala serta menganalis suhu dalam pembentukan biogas, Bahan yang digunakan adalah limbah pertanian(jerami padi), air dan kotoran ternak kambing I.3 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu: 1. Menjadikan limbah pertanian sebagai sumber energi alternatif 2. Mengurangi pencemaran lingkungan 3. Menentukan suhu optimum yang dibutuhkan dalam proses pembentukan gas. 4. Uji nyala 5. Menganalisis kalor dari pembakaran gas yang dihasilkan
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Biogas, Sumber Energi Alternatif Kelangkaan bahan bakar minyak, yang disebabkan oleh kenaikan harga minyak dunia yang signifikan, telah mendorong pemerintah untuk mengajak masyarakat mengatasi masalah energi bersama-sama. Kenaikan harga yang mencapai 58 dollar Amerika Serikat ini termasuk luar biasa sebab biasanya terjadi saat musim dingin di negara-negara yang mempunyai empat musim di Eropa dan Amerika Serikat. Masalah ini memang pelik sebagaimana dikatakan Presiden Susilo Bambang Yudhoyono dalam pertemuan dengan para gubernur di Pontianak, Kalimantan Barat, tanggal 22 Juni 2005, dan mengajak masyarakat melakukan penghematan energi di seluruh Tanah Air(Burhani Rahman , 2005 ) II.2. Biogas Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh aktifitas anaerob atau fermentasi dari bahanbahan organik termasuk diantaranya kotoran manusia, ternak, limbah domestik (rumah tangga), sampah biodegradable atau setiap limbah organik yang biodegradable dalam kondisi anaerobik. Kandungan utama dalam biogas adalah metan dan karbondioksida (CO2). Biogas memanfaatkan proses pencernaan yang dihasilkan oleh bakteri methanogen yang produknya berupa gas metana (CH4). Limbah pertanian merupakan sumber bahan organik yang tersedia dalam jumlah banyak dan terus menrus diproduksi tapi belum termanfaatkan secara optimal. Limbah tersebut dihasilkan selama proses produksi di lapangan, panen, dan pasca panen. Beberapa limbah pertanian mengandung bahan organik berupa karbohidrat, protein, lemak, dan bahan penyusun lainnya. Pada dinding selnya terkandung sellulosa, hemisellulosa dan lignin. Bahan organik dari limbah pertanian masih dapat diuraikan menjadi bentuk lain dengan cara aerob maupun anaerob. Hasil akhir dari kedua macam fermentasi tersebut berbeda, tergantung dari cara yang digunakan. Fermentasi secara aerob akan menghasilkan, ammonia (NH3), dan karbondioksida (CO2). Proses fermentasi secara anaerob akan menghasilkan biogas dan limbah (sludge). Beberapa jenis limbah pertanian dan peternakan yaitu limbah padat, cair dan gas. Limbah padat adalah semua limbah yang berbentuk padatanj atau berada dalam fase padat.
Limbah cair adalah semua limbah yang berbentuk cairan limbah yang berbentuk gas atu berada dalam fase gas. Limbah tersebut dapat diolah menjadi energi, yaitu biogas. Teknologi biogas merupakan salah satu teknik tepat guna untuk mengolah limbah, baik limbah peternakan, pertanian, limbah industri industri, dan rumah tangga untuk menghasilkan energi. Teknologi ini memanfaaatkan mikroorganisme yang tersedia di alam untuk merombak dan mengolah berbagai limbah organik yang ditempatkan pada ruang kedap udara (anaerob). Selanjutnya hasil pengolahan limbah tersebut dengan konsep hasil akhir menjadi produk berdaya guna sebagai bahan bakar gas (biogas) dan pupuk organik padat/cair bermutu baik (limbah keluaran digester). Dua jenis produk ini membantu permasalahan bahan bakar (energi) dan kebutuhan pupuk organik. Berdasarkan hasil penelitian, penggunaan limbah keluaran dari digester biogas secara rutin mampu meningkatkan produksi padi secara berkesinambungan. Hal ini berbeda dengan pupuk kimia/sistesis yang justru bisa menurunkan produksi tanaman jika digunakan secara terus menrus. Keunggulan lainnya adalah pupuk yang dihasilkan tidak menimbulkan adanya residu atau gulma di dalam lahan sawah. Manfaat lain dari energi biogas adalah sebagai pengganti bahan bakar, khususnya minyak tanah, yang digunakan untuk memasak. Biogas untuk skala rumah tangga biasanya memiliki komposisi seperti yang disajikan pada Tabel 1.1 Tabel 1.1 Komposisi Gas yang terdapat dalam biogas Jenis Gas
Volume (%)
Metana (CH4)
50 – 60
Karbondioksida (CO2)
30 – 40
02, H2, dan H2S
1–2
Sumber : Wahyuni Sri, 2008.
II.3
Prinsip Dasar Menghasilkan Biogas Limbah pertanian kotoran ternak sampah kotoron ternak maupun manusia yang
mengandung bahan organik jika difermentasi dalam keadaan anerob akan menghasilkan gasgas berupa metan (CH4) karbon dioksida (CO2) ammonia (NH3) Higrogen (H2) dan Sulfida
(S2) salah satu diantaranya adalah gas metan yang dapat terbakar yang tergolong gas bersih dan relatif murah. Dalam proses fermentasi dalam keadaan anaerob untuk membentuk metan dari bahan –bahan organik ada tiga tahap atau fase yakni fase hidrolisis, pengasaman dan metanogenik : 1.
Fase Hidrolisis : Pada fase hidrolisis terjadi perombakan dan pemecahan bahan-bahan
organik yang kompleks menjadi bahan yang sederhana dan mudah larut. Bahan polimer akan dirubah menjadi monomer seperti polisakarida atau karbonhidrat komploks menjadi monosakarida atau pelbagai gula sederhana protein menjadi peptida-peptida dan lipida/lemak menjadi asam-asam lemak dan gliserida. Pada fase ini perombakan atau pencernaan awal ini enzim yang dihasilkan oleh berbagai bakterri seperti bakteri selulotik lipolitik dan proteolitik sangatlah berperan. Produksi bahan sederhana masih lambat serta perkembangan mikroorganisme lambat pula. Lambat-cepatnya perombaklan dalam hidrolisis ini ditentukan oleh pupulasi perkembangan mikroorganisme, bahan baku, temperatur, kelembaban, dan derajat keasaman (pH). 2.
Fase Pengasaman atau Asetogenik : Bahan yang terbentuk dari proses hidrolisis,
yakni bahan-bahan yang lebih sederhana akan menjadi bahan makanan juga bagi bakteri terutama bagi bakteri pembentukan asam. Selanjutnya oleh bakteri bahan-bahan sederhana tersebut akan dirombak dan produk akhir yang terbentuk adalah asam-asam asetat propionat sedikit butirat format laktat alkohol (etanol) dan terbentuk pula sedikit gas karbon dioksida amonia dan hidrogen. Faksi organik seperti karbohidrat lemak dan protein akan mengalami pengasaman pada fase asetogenik, yakni sekitar 35% menjadi asam-asam organik pendek yang terdiri dari 20% asam asetat dan 15% asam propionat. Sisa yang 65% bahan organik yang menjadi alkohol aldehida dan asam-asam lemak rantai panjang. Pada awal penguraian komponen monomer keasaman (pH) dari media akan naik karena pembentukan asam-asam organik dan hidrogen sehingga perlu dilakukan penyesuaian pH misalnya dengan penambahan larutan kapur ammonium hidroksida atau sodium/natrium hidroksida hingga tercapai kondisi yang optimal untuk pelbagai mikroorganisme. Penurunan derajat keasaman setelah diinkubasi 16,5 jam pada suhu 37°C mengakibatkan pH di dalam digester (alat pencerna limbah) berubah dari 6,25 menjadi 4,0. Apabila terjadi penimbunan asam asetat dan hidrogen akan menghambat pertumbuhan dan perkembangbiakan asetogenik (Sihombing, 1997). Lebih lanjut dikemukakan (Byant et al., 1977) bahwa bentuk asosiasi sintrofik spesies bakteri Deulfovibio dengan Methanosprillium hungatii; bahwa bakteri tersebut adalah spesien
penemuan baru yang bila bersama akan menghasilkan metan dan asam butirat. Suatu instalasi biogas mungkin terjadi tidak menghasilkan biogas akan sedikit produksi metan karena tidak terjadi bentuk asosiasi sintrofik dari dua atau lebih spesies bakteri, disamping faktor-faktor seperti suhu keasaman pemasukan feses yang tidak seimbang dan sebagainya. 3.
Fase Metanogenik atau Pembentukan Gas Metan: Pembentukan gas metan dapat
melalui 3 cara, yaitu : 1) melalui pengubahan atau perombakan asam-asam organik seperti asam esetat oleh bakteri menjadi metan. Pembentukan gs metan yang terbanyak yakni sekitar 70% adalah dari asam asetat; 2) melalui oksidasi alkohol sederhana (ethanol) oleh karbon dioksida sehingga terbentuk metan. Bakteri metanogenik lebih sensitif terhadap perubahan fisik maupun kimia dibanding dengan bakteri pembentukan asam ataupun bakteri hidrolitik ( FAO,1978).
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
III.1 Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dilaksanakan pada tanggal 14 0ktober 2009 sampai dengan tanggal 28 Oktober 2009 bertempat di Balai Pengkajian Teknologi Pertanian (BPTP) Sulawesi Selatan , Makassar. III.2 Alat dan Bahan III.2.1 Alat Adapun alat yang digunakan dalam penelitian ini yaitu: 1. Tabung Digester 2. Kompor gas 3. Termometer 4. Ban dalam mobil 5. Parang/pencacah 6. Ember
III.2.2. Bahan Adapun bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu: 1
Limbah pertanian(jerami padi)
2
Kotoran kambing
3
Air
III.3. Prosedur Kerja 1. Siapkan bahan berupa limbah pertanian (jerami padi) yang dipotong-potong dengan mengunakan parang/pencacah. 2. Campur jerami padi yang telah dicacah dengan air kemudian masukkan ke dalam tabung digester hingga terisi ¾ tabung. Perbandingan volume jerami padi dan air adalah 1:1. 3. Masukkan kotoran ternak sebanyak 1 kg ke dalam digester.
4. Mengukur suhu setiap hari pada pukul 17.00 wita, hal ini dilakukan selama 2 minggu sampai dengan terbentuknya gas. 5. Uji nyala pada minggu ke 2. 6. Analisis data.
III.4 Bagan Penelitian
MULAI
PENYEDIAAN BAHAN
PENCAMPURAN BAHAN
BAHAN DIMASUKKAN
SUHU
BIOGAS
ANALISIS DATA
KALOR
DAYA
SELESAI
BAB. IV HASIL DAN PEMBAHASAN
IV.1. Hasil IV.1.1 Tabel pengukuran suhu Hari ke-
Suhu tabung (0c)
Suhu lingkungan ( 0c)
1
32
26
2
34
28
3
35
29
4
35
28
5
35
27
6
35
28
7
36
27
8
36
30
9
36
27
10
36
26
11
36
27
12
37
26
13
37
27
14
37
28
IV.1.2 Pengukuran Kalor dan Daya a. Kalor Diketahui: To = 290c T1 = 850c ΔT = T1 – T0 = 850C – 290C = 560C m = 400 gr C=1 Q = m.c.ΔT = 400 x 1 x 56
= 22400 Joule b. Daya Diketahui : Q = 22400 Joule t = 25 menit = 1500 detik W= =
𝑄 𝑡 22400 1500
= 14.933 Watt
IV.2. Pembahasan IV.2.1. Proses Pembentukan Gas
Sebelum dimasukkan ke dalam reaktor, jerami padi dipotong-potong terlebih dahulu lalu dicampur dengan air dan kotoran ternak. Kemudian campuran tersebut kemudian dimasukkan ke dalam reaktor dan ditutup rapat. Proses pembentukan gas sudah mulai terjadi pada hari ke-9 hingga hari ke-12 namun gas tersebut belum dapat menyala karena masih mengandung lebih banyak CO2. Hal itu dapat diketahui dengan cara melakukan uji nyala dan ternyata gas yang dihasilkan belum dapat menyala dan berdasarkan teori jika gas yang dihasilkan tidak menyala berarti kandungan CO2>CH4. Pada hari ke-14 kandungan CH4 sudah lebih banyak dari CO2 karena pada saat uji nyala sudah dapat terbakar. Pembentukan gas metana menjadi maksimum pada hari ke-15 sampai ke-17 karena pada saat itu pembentukan gas menjadi lebih cepat sehingga menghasilkan ban dalam mobil berisi penuh gas. Setelah itu pembentukan gas akan berkurang pada hari ke-18 sampai ke-19 hingga akhirnya reaktor tidak lagi menghasilkan gas pada hari ke-20. Dimana pada saat itu bahan sudah tidak dapat lagi digunakan. Pada hari terakhir sampah yang ada dalam reaktor berubah warna dan hancur. Bahan sudah tidak mengandung zat-zat yang dapat diurai oleh bakteri metanogen. Dengan demikian dapat diketahui waktu yang diperlukan mulai dari penyediaan bahan sampai terbentuknya gas adalah sekitar 9 hari. Berarti waktu tersebut lebih cepat dibandingkan waktu pembentukan gas secara teori. Ada beberapa faktor yang menyebabkan hal tersebut dapat terjadi antara lain nutrisi yang terkandung dalam bahan, komposisi bahan, suhu, keasaman (pH) dan jenis bahan organik yang digunakan.
IV.3. Kesimpulan Dari hasil penelitian ini diperoleh beberapa kesimpulan yaitu: 1. Desain reaktor sederhana dapat menghasilkan gas yang dapat terbakar dengan baik. 2. Berdasarkan hasil identifikasi gas yang dihasilkan oleh reaktor dengan perbandingan 1:1, dapat menghasilkan gas dan dapat menyala.
Daftar Pustaka FAO, 1978.”Prinsip dasar menghasilkan biogas” Rahman Burhani, 2005.” Biogas sebagai sumber energi alternatif” Wahyuni Sri, 2009. “Biogas” Sumber Biogas : Kotoran Ternak, Jerami Padi, Eceng Gondok, Limbah Industri Tahu, Bungkil Jarak Pagar, Limbah Kelapa Sawit, dan Sampah Organik Jenis Digester dan Cara Membuat Instalasi Biogas, Cara Mengoperasikan Untuk Rumah Tangga dan Listrik. Penerbit Swadaya
Lampiran
Proses pencampuran bahan dan pengisian tabung digester
Proses terbentuknya gas dan uji nyala
