PEMANFAATAN BAGASE TEBU DAN LIMBAH NANAS SEBAGAI BAHAN BAKU PENGHASIL BIOGAS
Tri Retno Dyah Larasati
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2010
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis “Pemanfaatan Bagase Tebu dan Limbah Nanas Sebagai Bahan Baku Penghasil Biogas “ adalah karya saya di bawah arahan komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal dan atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumlan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Januari 2010
Tri Retno Dyah Larasati P052070241
ABSTRACT Tri Retno D L. Utilization of Sugarcane Bagasse and Pineapple Waste for Biogas Production. Supervised by HARIYADI and SISWANTO The development of world energy needs are increasingly dynamic in the middle of the limited reserves of fossil energy and concern for the conservation of the environment, causing concern for increasing renewable energy, particularly in renewable energy sources such as agriculture commodity crops, horticulture, plantations and farms. Solid waste biomass from agriculture and plantation is a potential raw material to be processed into a form of bioenergy utilization of biogas through anaerobic technology. Bagasse is solid waste from sugar mills and pineapple waste is the rest of the fruit processing factory. Sugarcane Bagasse still contain multiple organic compounds, and if not done processing, would cause dreadful odor and will pollute the environment. Meanwhile, pineapple waste contains carbohydrates (6.41%), minerals and crude protein (0.6%) as a potential fermentation substrate. Biogas is a fuel containing the calorific value is high enough, i.e 4500 - 6300 kcal / m 3. Volume 1 m3 of biogas is equivalent to 0.8 liters of gasoline, diesel 0.52 liters, 0.62 liters of kerosene, LPG 0.46 kg and 3.5 kg of firewood. The energy contained in biogas depends on the concentration of methane (CH4). The higher the methane content, the greater the energy content (calorific value) of biogas The purpose of this study are: 1. to determine the optimal process parameters bagase fermentation of sugar cane waste mixture and pineapple waste in producing biogas. 2. to determine the economic value of the use of a mixture of sugar cane waste and waste bagase pineapple biogas as fuel. The results of research using Bioreaktor volume 20 L at a batch system, by providing a mixture of cow feces as a source of microbes with bagase sugarcane, pineapple and water waste to obtain C/N ratio 25; 30 and 35 show that during the 48-day fermentation period, Ns-35 with TS content of 7.7% (w / v) to produce biogas as much as 17.2 L or 203.1 L / kg TS with a methane content of 67% or 136.1 L CH4 / kg TS with contained energy of 1225 kcal or 5145 kJ. In the process of biogas production from pineapple waste in anaerobic, temperature, pH and the balance C / N ratio of the material is very influential. So in this anaerobic process, the desired temperature ranged from 29.10 to 30.20 C with a pH ranging from 6.22 to 7.15 and the balance C/ N ratio of 35.2. From the optimal results obtained in batch systems, are used as variables in the process of semi-continuous system using a volume of 300 L bioreaktor given feedback loading at a rate of 1.4 kg TS / L / day; 2.3 kg TS / L / day and 4.1 kg TS / L / day and able to produce as much biogas is 64.4 L / day or 4646.5 L / kg TS / day with CH4 levels of 70% and the efficiency of COD reached 80%. Based on the results of semi-continuous scale, when applied to projects with a 10-year old project, using 4000 L digester, which refers to the production of pineapple waste per day is obtained by a B/C ratio of 1.75; NPV value at 12% DR is Rp 79,022 .673, with a value of IRR 56.57%, while the value of PBP (Pay Back Period) obtained for 19.7 months. Keywords : sugarcane bagasse, pineapple waste, methane, biogas production
RINGKASAN Tri Retno D L. Pemanfaatan Bagase Tebu dan Limbah Nanas Sebagai Bahan Baku Penghasil Biogas. Di bawah bimbingan HARIYADI sebagai ketua komisi dan SISWANTO sebagai anggota komisi. Perkembangan kebutuhan energi dunia yang dinamis di tengah semakin terbatasnya cadangan energi fosil serta kepedulian terhadap kelestarian lingkungan hidup, menyebabkan perhatian terhadap energi terbarukan semakin meningkat, terutama pada sumber energi terbarukan di sektor pertanian seperti komoditi tanaman pangan, hortikultura, perkebunan dan peternakan. Limbah biomassa padat dari pertanian dan perkebunan merupakan bahan baku yang potensial untuk diolah menjadi salah satu bentuk bioenergi yakni biogas melalui pemanfaatan teknologi anaerobik. Bagase merupakan limbah padat dari pabrik gula dan limbah nanas adalah sisa dari pabrik pengolahan buah. Bagase tebu masih mengandung senyawa organik majemuk, dan jika tidak dilakukan pengolahan, akan menimbulkan bau yang kurang sedap dan akan mencemari lingkungan. Sedangkan limbah nanas mengandung karbohidrat (6,41%), mineral dan protein mentah (0,6%) yang berpotensi sebagai substrat fermentasi. Biogas merupakan bahan bakar yang mengandung nilai kalori yang cukup tinggi, yaitu 4500 – 6300 kkal/ m3 .Volume biogas 1 m3 setara dengan 0,8 liter bensin, 0,52 liter solar, 0,62 liter minyak tanah, 0,46 kg elpiji dan 3,5 kg kayu bakar. Energi yang terkandung dalam biogas tergantung dari konsentrasi metana (CH4). Semakin tinggi kandungan metana maka semakin besar kandungan energi (nilai kalor) pada biogas. Tujuan penelitian ini adalah: 1. untuk mengetahui parameter proses optimal fermentasi campuran limbah bagase tebu dan limbah nanas dalam menghasilkan biogas. 2. untuk mengetahui nilai ekonomis dari pemanfaatan campuran limbah bagase tebu dan limbah nanas sebagai bahan bakar biogas. Hasil penelitian menggunakan bioreaktor volume 20 L pada sistem batch, dengan memberikan campuran feses sapi sebagai sumber mikroba dengan bagase tebu, limbah nanas dan air agar diperoleh C/N rasio 25; 30 dan 35 menunjukkan bahwa selama masa fermentasi 48 hari, Ns-35 dengan kandungan TS 7,7% (w/v) mampu menghasilkan biogas sebanyak 17,2 L atau 203,1 L/kg TS dengan kandungan metan sebesar 67% atau 136,1 L CH4/ kg TS dengan energi yang terkandung sebesar 1225 kkal atau 5145 kJ. Dalam proses produksi biogas dari limbah nanas secara anaerob, suhu, pH dan imbangan C/N rasio dari bahan sangat berpengaruh. Sehingga pada proses anaerob ini, suhu yang dikehendaki berkisar 29,10 – 30,20 C dengan pH berkisar 6,22 – 7,15 serta imbangan C/N rasio 35,2. Dari hasil optimal yang diperoleh pada sistem batch, digunakan sebagai variabel proses dalam sistem semi-kontinyu dengan menggunakan bioreaktor volume 300 L yang diberi loading dengan laju umpan sebesar 1,4 kg TS/L/hari; 2,3 kg TS/L/hari dan 4,1 kg TS/L/hari dan mampu menghasilkan biogas sebanyak 64,4 L/hari atau 4646,5 L/ kg TS/hari dengan kadar CH4 sebesar 70% dan efisiensi COD mencapai 80%. Berdasarkan hasil skala semi-kontinyu, jika diterapkan pada proyek dengan umur proyek 10 tahun, menggunakan digester 4000 L yang mengacu pada produksi limbah nanas per hari maka diperoleh nilai B/C rasio sebesar 1,75; nilai NPV pada DR 12 % sebesar Rp 79.022.673,- dengan nilai IRR sebesar 56,57 %, sedangkan nilai PBP (Pay Back Period) diperoleh sebesar 19,7 bulan.
Secara ekologis pemanfaatan energi terbarukan seperti biogas sangat diperlukan, disamping sebagai pengganti BBM juga dalam rangka pengurangan efek rumah kaca terutama emisi gas karbondioksida (CO2). Dari hasil yang diperoleh pada sistem semi-kontinyu dan mengacu pada produksi limbah nanas sebesar 29.762 kg per hari maka akan dihasilkan 24.242 L biogas/kg TS/ hari dengan kandungan CH4 sebesar 70%, maka setara dengan 16969,4 L CH4/kg TS/hari dan sebanding dengan pengurangan emisi CO2 sebesar 390,3 m3 CO2/ hari atau 142460 m3 CO2/ tahun. Ini dengan asumsi bahwa 1 m3 CH4 = 23 m3 CO2. Nilai ekologis dari pemanfaatan limbah nanas sebagai bahan baku biogas ini akan bertambah dengan adanya produk samping lainnya yang bernilai ekonomis, yakni berupa pupuk organik padat dan pupuk organik cair.
Kata kunci : bagase tebu, limbah nanas, metan, produksi biogas
@ Hak Cipta Milik IPB tahun 2010 Hak Cipta dilindungi Undang-undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber. a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah. b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB. 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.
PEMANFAATAN BAGASE TEBU DAN LIMBAH NANAS SEBAGAI BAHAN BAKU PENGHASIL BIOGAS
Tri Retno Dyah Larasati
Tesis Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Magister Sains Pada Program Studi Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2010
Penguji luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Suprihatin.
Judul Tesis
: Pemanfaatan Bagase Tebu dan Limbah Nanas Sebagai Bahan Baku Penghasil Biogas
Nama
: Tri Retno Dyah Larasati
NRP
: P 052070241
Program Studi
: Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan (PSL)
Disetujui, Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Hariyadi, MS Ketua
Dr. Siswanto, DEA, APU Anggota
Diketahui,
Ketua Program Studi Pengelolaan Sumberdaya Alam Dan Lingkungan,
Dekan Sekolah Pasca Sarjana IPB
Prof. Dr. Ir. Surjono Hadi Sutjahjo, MS
Prof.Dr.Ir. Khairil A. Notodiputro, MS
Tanggal Ujian: 18 Januari 2010
Tanggal Lulus :
RIWAYAT HIDUP
Tri Retno Dyah Larasati, putri ketiga dari lima bersaudara, ayah Letkol. Purn. (Alm) Soejitno dan ibu Siti Supini, dilahirkan di Surabaya pada tanggal 19 Januari 1963. Penulis menyelesaikan pendidikan Sekolah Dasar pada tahun 1975 di SD Negeri Kedungrejo I Waru, Sidoarjo, kemudian melanjutkan ke SMP Negeri 3 Praban, Surabaya, lulus tahun 1978 dan melanjutkan ke SMA Negeri I Jakarta, lulus tahun 1981. Penulis melanjutkan ke Fakultas Matematika dan Ilmu Alam (FMIPA- jurusan Fisika) di Universitas Indonesia dan lulus tahun 1987. Penulis bekerja di Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN) sebagai staf peneliti di Pusat Aplikasi Teknologi Isotop dan Radiasi (PATIR), Bidang Kebumian dan Lingkungan dan pada tahun 2007 melanjutkan pada Program Studi Pengelolaan Sumberdaya Alam dan Lingkungan, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Januari 2010
PRAKATA Puji Syukur ke hadirat ALLAH SWT atas rahmat dan karunia-Nya dan tak lupa shalawat dan salam tercurah bagi uswah dan tauladan ummat, Rasulullah saw dan para shahabatnya sehingga kami dapat menyelesaikan penyusunan tesis ini. Tesis yang berjudul : “Pemanfaatan Bagase Tebu dan Limbah Nanas sebagai Baku Bakar Penghasil Biogas” ini merupakan prasyarat kelulusan untuk mencapai gelar Magister Sains (MSi) yang harus dipenuhi dalam Program Studi Pengelolaan Sumber Daya Alam dan Lingkungan pada Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Dalam penyusunan tesis ini, penulis banyak mendapat bantuan dan dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini kami mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Prof. Dr. Ir. Surjono H. Sutjahjo, MS sebagai Ketua Program Studi Pengelolaan Sumber Daya Alam dan Lingkungan (PSL), Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. 2. Dr. Ir. Hariyadi, MS sebagai Ketua Komisi Pembimbing. 3. Dr. Siswanto, DEA. APU sebagai Anggota Komisi Pembimbing. 4. Dr. Zainal Abidin, Dipl.Geo sebagai Kepala Pusat Teknologi Aplikasi dan Radiasi – Badan Tenaga Nuklir Nasional (PATIR – BATAN). 5. Suamiku tercinta Bapak Wiyanto WK dan anak-anakku sayang : Sabila, Muflih dan Amaliya serta ibundaku terkasih Ny.Soejitno, yang telah rela berkorban kehilangan waktu kebersamaannya. 6. Drs.Barokah Aliyanta, M.Sc sebagai Kepala Bidang Kebumian dan Lingkungan (KL), PATIR – BATAN. 7.
Drs.Endrawanto, M.Appl. sebagai Kepala Kelompok Lingkungan Bidang Kebumian dan Lingkungan (KL) PATIR – BATAN.
8. Seluruh rekan-rekan di Gedung 47 , PATIR – BATAN, Pasar Jum’at. 9. Rekan-rekan di Sekolah Pasca Sarjana Program PSL Angkatan Tahun 2007 / 2008, yang banyak memberikan dukungan semangat.
i
Semoga semua amal kebaikan yang telah dilakukan, hingga terselesaikannya tesis ini, mendapat balasan dan pahala yang lebih baik dari ALLAH SWT, amin. Penulis mengharapkan semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi pihak-pihak terkait dan civitas akademika yang memiliki perhatian terhadap pengembangan potensi biomassa sebagai sumber energi terbarukan di Indonesia. Semua kebenaran datangnya dari ALLAH SWT semata dan kekurangan dan kelemahan dalam tesis ini berasal dari kesalahan penulis sendiri. Oleh karenanya penulis memohon ma’af sebesar-besarnya atas kekurangan dan kesalahan tersebut.
Bogor, Januari 2010
Tri Retno Dyah Larasati
ii
DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR
i
DAFTAR ISI
iii
DAFTAR GAMBAR
v
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vii
I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang 1.2. Kerangka Pemikiran 1.3. Perumusan Masalah 1.4. Tujuan Penelitian 1.5. Manfaat Penelitian
1 1 3 4 6 6
II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Limbah Bagase (Ampas) Tebu 2.2. Limbah Nanas 2.3. Produksi Biogas 2.3.1. Suhu 2.3.2. Keasaman (pH) 2.3.3. Rasio C / N 2.3.4. Jenis Bakteri 2.3.5. Pengenceran Bahan Isian 2.3.6. Pengadukan 2.3.7. Loading
7 7 9 10 13 14 14 16 16 17 17
III. METODOLOGI 3.1. Lokasi dan Waktu Penelitian 3.2. Bahan dan Alat 3.3. Rancangan Penelitian 3.3.1. Percobaan Pendahuluan 3.3.1.1. Analisa Karakteristik Bahan Baku 3.3.1.2. Variabel Penelitian 3.3.1.3. Analisa Laboratorium 3.3.2. Percobaan Skala Laboratorium Fase I 3.3.2.1. Fermentasi Semi-aerob/ Composting 3.3.2.2. Variabel Penelitian 3.3.2.3. Analisa Laboratorium
18 18 18 18 19 19 19 20 21 21 22 22
iii
Halaman 3.3.3. Percobaan Skala Laboratorium Fase II 3.3.3.1. Fermentasi Anaerobik Sistem Batch 3.3.3.2. Variabel Penelitian 3.3.4. Percobaan Semi-Kontinyu 3.3.4.1. Fermentasi Anaerob pada Bioreaktor 300 L 3.3.4.2. Rancangan Reaktor 3.3.4.3. Variabel Penelitian 3.3.4.4. Rancangan Percobaan 3.3.4.5. Analisa Kelayakan Ekonomi
24 24 25
26 27 28 28
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Penelitian Sistem Batch. 4.1.1. Karakteristik Bahan Baku (Substrat) 4.1.2. Dekomposisi Bahan Secara Anaerobik 4.1.2.1. Parameter Proses Anaerob 4.1.2.2. Produksi dan Komposisi Biogas 4.1.2.3. Analisa Statistik 4.2. Penelitian Sistem Semi- Kontinyu 4.2.1. Pengaruh Laju Pengumpanan 4.2.2. Analisis Kelayakan Ekonomi Sebagai Bahan Baku Biogas
30 30 32 40 41 50 55 55 56 58
V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan 5.2 Saran
62 62 63
DAFTAR PUSTAKA
64
LAMPIRAN
68
iv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Diagram alir kerangka pemikiran Gambar 2. Diagram perumusan masalah Gambar 3. Proses produksi biogas Gambar 4. Tahap analisa bahan baku Gambar 5. Tahap fermentasi semi-aerob Gambar 6. Rangkaian penelitian laboratorium dengan biorekator sistem batch Gambar 7. Tahapan fermentasi anaerob sistem batch Gambar 8. Rangkaian digester volume 300 L sistem v kontinyu Gambar 9. Total Solid (TS) bahan baku substrat Gambar 10. Volatile Solid (VS) bahan baku substrat Gambar 11. Kenaikan nilai Volatile Fatty Acid (VFA) Gambar 12. Perubahan suhu (o C) selama pengomposan Gambar 13. Perubahan pH selama pengomposan Gambar 14. Perubahan nilai C/N setelah pengomposan Gambar 15. Kandungan COD pada kondisi anaerob Gambar 16. Perubahan pH terhadap laju produksi biogas dari berbagai substrat Gambar 17. Perubahan suhu terhadap laju produksi biogas berbagai substrat Gambar 18. Jumlah VFA yang terbentuk pada proses fermentasi anaerob Gambar 19. Nilai TS (%) dalam proses fermentasi anaerob Gambar 20. Nilai VS (%) dalam proses fermentasi anaerob Gambar 21. Laju produksi biogas harian dalam proses fermentasi anaerobik Gambar 22. Produksi gas kumulatif pada proses fermentasi anaerobik Gambar 23. Kandungan gas CH4 (%) pada proses fermentasi anaerobik Gambar 24. Pengaruh laju pengumpanan terhadap produksi biogas dan suhu Gambar 25. Pengaruh laju pengumpanan terhadap produksi biogas dan pH Gambar 26.Pengaruh laju pengumpanan terhadap produksi biogas dan COD Gambar 27.Nyala api biogas berbahan baku bagase tebu dan limbah nanas
v
Halaman 4 6 11 19 22 24 25 27 34 35 36 37 38 39 41 43 45 47 48 49 51 52 53 56 57 58 103
DAFTAR TABEL Halaman 8
Tabel 1. Komposisi kimia bagase (ampas) tebu Tabel 2. Berbagai limbah dengan kandungan selulosa, hemiselulosa, dan lignin
8
Tabel 3. Komposisi kimiawi limbah nanas
9
Tabel 4. Produksi biogas dengan bahan baku nanas di New Delhi
10
Tabel 5. Pengaruh suhu terhadap daya tahan hidup bakteri
13
Tabel 6. Beberapa jenis substrat dengan kandungan nisbah C dan N
15
Tabel 7. Rancangan percobaan skala laboratorium dengan sistem batch
24
Tabel 8. Karakteristik awal dan akhir pengomposan bahan baku substrat
33
Tabel 9. Karakteristik sumber inokulum
40
Tabel 10.Penurunan kandungan COD (mg/L)
42
Tabel 11.Peningkatan VFA (mM)
47
Tabel 12.Penurunan TS (%)
49
Tabel 13.Penurunan VS (%)
50
Tabel 14.Produksi kumulatif dan komposisi biogas dalam sistem batch
54
Tabel 15.Biaya modal, biaya tetap dan biaya operasional instalasi anaerob
61
Limbah nanas
vi
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Hasil uji laboratorium bagase tebu
Halaman 68
Lampiran 2. Hasil uji laboratorium kotoran sapi
69
Lampiran 3. Hasil uji laboratorium limbah nanas
70
Lampiran 4. Hasil uji laboratorium kadar abu bagase tebu
71
Lampiran 5. Hasil analisis VFA bagase tebu
72
Lampiran 6. Hasil analisis VFA limbah nanas
73
Lampiran 7. Nilai pH proses fermentasi semi-aerob
74
Lampiran 8. Nilai C/N, TS, VS dan VFA proses semi-aerob
74
Lampiran 9. Suhu proses fermentasi semi-aerob
75
Lampiran 10.Kadar TS (%) proses fermentasi semi-aerob
76
Lampiran 11.Kadar VS (%) proses fermentasi semi-aerob
77
Lampiran 12. Kadar COD (mg/L) proses fermentasi semi-aerob
78
Lampiran 13.Kadar VFA (mM) proses fermentasi semi-aerob
79
Lampiran 14.Kadar CH4 (%) proses fermentasi semi-aerob
80
Lampiran 15.Nilai pH prose anaerob sistem batch
81
Lampiran 16.Suhu proses anaerob sistem batch
83
Lampiran 17.Laju produksi biogas proses anaerob sistem batch
85
Lampiran 18.Hasil analisis statistic
87
Lampiran 19.Parameter proses anaerob sistem semi-kontinyu
101
Lampiran 20.Perhitungan kelayakan ekonomi pembangunan digester biogas Volume 4000 L dengan substrat limbah nanas
102
vii
