PENGARUH SIRKULASI TERHADAP PRODUKSI BIOGAS DARI KOTORAN SAPI DENGAN BIOREAKTOR 4.500 LITER Dipo Islam Ibnu Hasky, Yulius Hanok Wambukomo, Prof. Dr. Ir. Nonot Soewarno, M.Eng Jurusan Teknik Kimia Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111 Email:
[email protected]
ABSTRAK Biogas merupakan suatu sumber energi alternatif pengganti bahan bakar minyak yang dapat diperbarui (renewable) dan dapat diperoleh dari kotoran hewan melalui proses anaerobik. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan reaktor 4.500 Liter, seeding diperoleh dari kotoran sapi sebanyak 1,2 ton yang diencerkan dengan air sebanyak 3,6 m3 selama 8 hari hingga terbentuk gas. Percobaan dilakukan pada OLR tetap yaitu 4,5 kg COD/m3 hari dengan Hydraulic Retention Time (HRT) 4 hari dan laju alir sebesar 1.125 liter/hari. Setelah feed dimasukkan ke dalam reaktor, dilakukan sirkulasi 1 : 0,5 (sirkulasi dengan memutar setengah volume reaktor dengan waktu 105 menit) dan dilanjutkan sirkulasi 1 : 1 (waktu sirkulasi 210 menit), sirkulasi 1 : 1,5 (waktu sirkulasi 310 menit), sirkulasi 1 : 2 (waktu sirkulasi 420 menit). Dari penelitian ini pada variabel sirkulasi 1 : 0,5 diperoleh Yield biogas 0,2822 m3/kgCOD removal .hari, 1 : 1 diperoleh Yield biogas 0,3104 m3/kgCOD removal .hari, 1 : 1,5 diperoleh Yield biogas 0,4037 m3/kgCOD removal .hari, 1 : 2 diperoleh Yield biogas 0,3451 m3/kgCOD removal .hari. Yield biogas optimum pada 1 : 2 (0,3451 m3/kgCOD removal .hari)
Kata Kunci : Hydraulic Retention Time (HRT), Sirkulasi , Bioreaktor Anaerob 1. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Sejak tahun 2002 Impor crude oil Indonesia mengalami peningkatan rata-rata 6 % per tahun, sebaliknya ekspor minyak mentah mengalami penurunan 9% tiap tahunnya. Penurunan produksi minyak dikarenakan cadangan minyak pada sumur-sumur yang berproduksi mulai habis. Produksi minyak nasional pada tahun 2009 sebesar 258 juta barel per tahun. Produksi tersebut sekitar 75 juta barrel di ekspor ke luar negeri, 183 juta barrel untuk memenuhi kebutuhan bahan bakar minyak (BBM) di dalam negeri. (http://esdm.go.id) Untuk memenuhi kebutuhan bahan bakar minyak dalam negeri, maka diperlukan suatu strategi yang tepat untuk memenuhi kebutuhan energi Indonesia di masa mendatang. Pemerintah telah mengambil kebijakan melalui upaya peningkatan program penghematan (konservasi) energi, maupun penggunaan sumber energi alternatif (diversifikasi). Biogas merupakan salah satu sumber energi alternatif pengganti bahan bakar minyak dan sebagai sumber energi yang dapat diperbarui (renewable) serta diperoleh dari kotoran hewan
maupun limbah cair industri organik melalui fermentasi secara anaerobik. Biogas dapat berasal dari berbagai macam limbah organik seperti sampah biomassa, kotoran manusia, dan kotoran hewan yang diolah menjadi energi melalui proses anaerobik digestion. Hal ini merupakan peluang besar untuk menghasilkan energi alternatif sehingga akan mengurangi dampak penggunaan bahan bakar fosil. Usaha peternakan yang selama ini dipandang sebagai usaha yang ramah lingkungan mulai dituding sebagai usaha yang ikut mencemari lingkungan hidup. Selain memberikan dampak positif, peningkatan usaha peternakan juga memberikan dampak negatif, yaitu dari limbah yang dihasilkan berupa kotoran ternak mampu menghasilkan gas methane yang cukup berbahaya bila dilepaskan langsung ke lingkungan. Karena itu perlu dilakukan upaya pengolahan limbah yang praktis dan murah salah satu caranya dengan penggunan limbah ternak khusunya kotoran sapi sebagai bahan baku penghasil biogas. Di Indonesia, potensi pengembangan biogas sangat baik karena pada tahun 2007 populasi sapi
2
mencapai sekitar 11,869 juta ekor. Dengan asumsi COD removal sebesar 70%, maka dapat disimpulkan potensi produksi biogas Indonesia sebesar 6.106.600 m3/hari. Dengan kalori biogas sebesar 6.200 Kkal/m3, maka potensi produksi biogas Indonesia setara dengan minyak tanah sebesar 3.786.092 liter/hari.
bioreaktor anaerobik UASB dengan volume 4.500 Liter. 1.2
1. Bagaimana mengurangi masalah krisis energi nasional. 2. Bagaimana membuat bahan bakar alternatif untuk rumah tangga yang ramah lingkungan. 3 Bagaimana mengurangi emisi gas yang berdampak pada pemanasan global.
Keuntungan biogas sebagai energi alternatif dibandingkan sumber energi lain adalah sebagai berikut : 1. Menghasilkan gas yang dapat digunakan untuk kebutuhan sehari-hari. 2. Sisa kotoran sapi yang telah digunakan untuk menghasilkan biogas dapat digunakan sebagai pupuk organik yang sangat baik. 3. Mengurangi permasalahan kotoran hewan yang sering menjadi penyebab polusi menjadi sesuatu yang bermanfaat Pemanfaatan kotoran sapi sebagai penghasil biogas sudah banyak dikembangkan di berbagai daerah. Oleh karena itu, penulis bertujuan untuk mengembangkan pembuatan biogas dari kotoran sapi, sehingga didapatkan hasil yang lebih optimal. Pemanfaatan kotoran sapi secara biologis dapat dilakukan dengan sistem anaerob. Pemilihan secara anaerob dikarenakan kandungan COD yang cukup tinggi diatas 3.500 mg/l (Tjandra Setiadi., 2000) sedangkan kandungan COD kotoran sapi sangat tinggi yaitu sebesar 105.000 mg/l. Berbagai jenis reaktor anaerobic telah dikembangkan, antara lain reaktor teraduk sempurna fixed bed reactor, fluidized bed reactor, dan up-flow anaerobic sludge blanket (UASB). UASB merupakan salah satu jenis reaktor anaerobik yang paling banyak diterapkan untuk memproduksi biogas. Kelebihan reaktor UASB adalah konstruksinya yang sederhana sehingga paling banyak diterapkan . Akan tetapi, reaktor UASB juga mempunyai kekurangan yaitu sangat sensitif terhadap perubahan beban hidrolik dan hasil produksi gasnya kecil. Produksi biogas dapat ditingkatkan dengan cara meningkatkan konsentrasi organic feed. Hal ini dikarenakan oleh meningkatnya jumlah substrat yang dikonsumsi oleh bakteri pembentuk biogas, sehingga jumlah biogas yang dihasilkan meningkat. Untuk itulah, dalam kesempatan kali ini penyusun mengajukan suatu penelitian mengenai pengaruh sirkulasi terhadap produksi biogas dari kotoran sapi dengan menggunakan
Rumusan Permasalahan
1.3 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah meningkatkan produksi biogas dari kotoran sapi sehingga lebih besar dari 0,38 m3/kg COD removal dan memperoleh sirkulasi yang tepat sehingga diperoleh produksi gas maksimal. 2.
Metodologi Penelitian
Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan reaktor 4.500 Liter, seeding diperoleh dari kotoran sapi sebanyak 1,2 ton dan air sebanyak 3.600 liter dengan perbandingan 1 : 3 selama 10 hari hingga terbentuk gas. Feed awal diperoleh dengan mencampur kotoran sapi sesuai variable Organic Loading Rate (OLR). Feed dinetralkan dengan menambahkan NaOH kristal sehingga pH = ± 7, serta ditambahkan urea untuk memenuhi kebutuhan nutrisi bakteri penghasil metan dengan perbandingan COD : N = 1000 : 12,5. Kemudian feed dimasukkan ke dalam reaktor sesuai Gambar III.2. Untuk mengetahui pengaruh waktu sirkulasi terhadap produksi biogas, percobaan dilakukan pada OLR tetap yaitu 4,5 kg COD/m3 hari dengan Hydraulic Retention Time (HRT) 4 hari dan laju alir sebesar 1.125 liter/hari. Setelah feed dimasukkan ke dalam reaktor, dilakukan sirkulasi 1 : 0,5 (sirkulasi dengan memutar setengah volume reaktor dengan waktu 105 menit) dan dilanjutkan sirkulasi 1 : 1 (waktu sirkulasi 210 menit), sirkulasi 1 : 1,5 (waktu sirkulasi 310 menit), sirkulasi 1 : 2 (waktu sirkulasi 420 menit). Setelah itu dilakukan pengukuran ketinggian gas holder dan analisa
3
COD effluent. Penelitian dilakukan untuk mengetahui pengaruh sirkulasi dan komposisi campuran (molasses dan kotoran sapi) pada feed masuk reaktor terhadap produksi biogas per kg COD removal. Percobaan dilakukan didalam bioreaktor anaerob dengan volume sebesar 4.500 liter.
sebesar 740 liter 4
Kotoran sapi Gas holder mulai sebanyak 240 kg mengalami diencerkan kenaikan ( 5 cm) dengan air yang berasal dari dalam reaktor sebesar 740 liter
5
Kotoran sapi Gas holder sebanyak 240 kg mengalami diencerkan kenaikan (9 cm) dengan air yang berasal dari dalam reaktor
6
Memasukan kotoran sapi 39,89 kg (OLR 1 kg COD/ m3)
Gas holder mengalami kenaikan menjadi 15 cm
7
Memasukan kotoran sapi 39,89 kg (OLR 1 kg COD/ m3)
Gas holder mengalami kenaikan menjadi 21 cm
8
Memasukan kotoran sapi 39,89 kg (OLR 1 kg COD/ m3)
Gas holder mengalami kenaikan menjadi 27 cm
9
Memasukan kotoran sapi 39,89 kg (OLR 1 kg COD/ m3)
Gas holder mengalami kenaikan menjadi 32 cm
10
Memasukan kotoran sapi 39,89 kg (OLR 1 kg COD/ m3)
Menggunakan gasbio yang dihasilkan dengan cara membakar
3. Hasil Dan Pembahasan Pada langkah awal dari percobaan ini adalah membuat stater yang merupakan campuran antara kotoran sapi dan air dengan perbandingan 1 : 3. Kotoran sapi sebanyak 1,2 ton dan jumlah air sebesar 3,6 m3. Pembuatan stater ini membutuhkan waktu antara 8 - 10 hari, untuk lebih jelasnya selama proses tersebut dapat dilihat pada Tabel III.1 Tabel III.1 Proses kegiatan pembuatan stater Hari ke-
Kegiatan
1
Memasukan air Gas holder tidak sebesar 3,6 m3 mengalami kedalam reaktor kenaikan ( belum menghasilkan gas) Menggunakan 740 liter air dari reaktor untuk mengencerkan 240 kg kotoran sapi yang akan masuk kedalam reactor
2
3
Keterangan
Kotoran sapi sebanyak 240 kg diencerkan dengan air yang berasal dari dalam reaktor sebesar 740 liter
Gas holder tidak mengalami kenaikan ( belum menghasilkan gas)
Kotoran sapi sebanyak 240 kg diencerkan dengan air yang berasal dari dalam reaktor
Gas holder tidak mengalami kenaikan ( belum menghasilkan gas)
Api yang dihasilkan dari biogas tidak terlalu bagus karena banyak udara bebas yang terkandung dalam gas holder oleh sebab itu isi gas holder dibuang.
4
III.2 Pengaruh Variasi Sirkulasi Terhadap Produksi Biogas
Waktu
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh waktu sirkulasi terhadap produksi gas per kg COD removal . Sirkulasi yang dilakukan pada percobaan ini mempunyai manfaat sebagai berikut : 1. Meningkatkan konsentrasi biomass dalam reaktor 2. Mengencerkan konsentrasi substrat yang masuk Variable terikat pada penelitian ini adalah konsentrasi organik feed yaitu 18.000 mg/l, hydraulic retention time (HRT) sebesar 4 hari, sedangkan variable tidak terikat pada penelitian ini adalah sirkulasi 1 : 0,5 ( waktu sirkulasi 68 menit/hari), sirkulasi 1 : 1 (waktu sirkulasi 135 menit/hari), sirkulasi 1 : 1,5 (waktu sirkulasi 310 menit/hari) dan sirkulasi 1 : 2 (waktu sirkulasi 420 menit/hari) dengan laju alir sebesar 1.125 Liter/ hari.
ditangkap/ditampung oleh gas holder semakin banyak. Jumlah produksi biogas semakin meningkat dengan meningkatnya sirkulasi hingga mencapai titik optimum lalu kemudian menurun secara bertahap. Produksi maksimum volume biogas yang diperoleh adalah 3,6696 m3/hari pada sirkulasi 1 : 1,5 (310 menit), hal ini selain disebabkan oleh perlakuan sirkulasi yang cukup lama adapun juga dapat disebabkan karena adanya jumlah COD in yang agak berlebih dimana komposisi feed yang masuk adalah campuran kotoran sapi sebanyak 60 kg dengan 40 liter molases sehingga dapat mempengaruhi jumlah produksi gas sedangkan produksi gas masimum untuk feed yang murni kotoran sapi adalah 3,1055 m3/hari dimana pada sirkulasi 1 : 2. Pada hari ke 16 hingga ke hari 17 terjadi penurunan produksi gas dari 2,6417 m3/hari menjadi 2,0278 m3/hari, terjadinya penurunan produksi gas disebabkan karena pada hari ke 17 pada feed masuk reaktor ditambahkan dengan molasses sebanyak 60 liter sehingga pengaruh shock loading dapat mengganggu kinerja bakteri. Hari ke 17 hingga hari ke 22 menunjukan bahwa mokroorganisme dalam reaktor telah mampu beradaptasi dimana dalam Gambar IV.1 menunjukan adanya peningkatan produksi biogas.
Gambar III.1 Pengaruh sirkulasi terhadap produksi biogas Dengan adanya perlakuan sirkulasi yang lama dapat meningkatkan jumlah produksi biogas seperti terlihat pada Gambar III.1. Sirkulasi pada penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan proses digestion, karena dapat meningkatkan distribusi bakteri, substrat, dan nutrient pada digester sehingga kontak antara bakteri dengan substrat dan nutrient dapat meningkat. Selain itu, manfaat sirkulasi adalah untuk menghomogenkan suhu dalam digester dan agar gas-gas yang terperangkap atau menempel pada dinding reaktor dapat terlepas dengan mengalirkan fluida kearah atas (upflow) sehingga jumlah biogas yang
Gambar III.2 Pengaruh sirkulasi terhadap % COD removal Gambar IV.2 grafik hubungan antara COD influent , COD effluent dan % COD removal . Dari gambar diatas terlihat bahwa semakin besar sirkulasi maka COD effluent yang diperoleh semakin besar pula, hal ini menunjukan bahwa kinerja bakteri cukup baik dalam menguraikan zat-zat yang kompleks menjadi zat-zat yang lebih sederhana. Pada grafik COD influent di hari ke - 21 mengalami kenaikan, dimana jumlah COD yang masuk cukup besar karena komposisi
5
feed yang masuk dalam reaktor adalah campuran antara kotoran sapi dengan jumlah 60 kg dan molasses dengan jumalah 40 liter sehingga hal itu menyebabkan nilai COD menjadi meningkat. Pada grafik % COD removal dapat terlihat bahwa grafik tersebut mengalami peningkatan sehingga dapat disimpulkan bahwa kinerja bakteri berjalan dengan baik dalam menguraikan zat-zat kompleks menjadi zat yang lebih sederhana terutama dalam menghasilkan biogas.
dihasilkan dapat diperoleh dengan 2 metode yaitu metode uji tes kandungan komposisi methane melalui melalui nilai kalor dan analisa menggunakan GC (Gas Chromatography), dengan menggunakan metode uji tes kandungan komposisi methane melalui nilai kalor diperoleh komposisi gas methane pada biogas sebesar 57,14 % sedangkan dengan analisa GC diperoleh komposisi gas methane sebesar sebesar 53,3%. Dari data yang diperoleh bila dibandingkan dengan literatur (Tjalfe G. P., 2003 dan Suyitno, dkk. 2010) yang menyebutkan bahwa kandungan gas methane dalam biogas sebesar 40-70%, sehingga biogas hasil penelitian telah sesuai. 5. Kesimpulan Beberapa kesimpulan yang diperoleh dari hasil penelitian yang telah dilakukan antara lain adalah : 1. Semakin besar sirkulasi maka produksi biogas dan COD removal juga semakin besar, % COD removal maksimum yang di dapat sebesar 71,33%
Gambar III.3 Pengaruh sirkulasi terhadap produksi biogas per kgCOD removal . Dari Gambar III.3 dapat dilihat bahwa produksi gas per kg COD removal yang maksimal untuk feed kotoran sapi adalah 0,3451 m3/kg COD removal . Produksi gas paling maksimal diperoleh pada sirkulasi 1 : 2. Dari literatur (Natural Resources Canada and Agriculture, 1996) disebutkan bahwa secara stoikiometri produksi biogas adalah 0,35 m3 biogas/kg COD removal , sehingga untuk setiap 1 kg COD yang terurai seharusnya dapat menghasilkan 0,35 m3 biogas, akan tetapi pada percobaan ini hanya mencapai target 0,3451 m3/kg COD removal . Produksi gas belum mencapai target dikarenakan adanya penurunan COD yang terkandung dalam kotoran sapi akibat disimpan terlalu lama sehingga ketika digunakan maka COD yang masuk agak rendah sehingga dapat mempengaruhi produksi gas. III.2 Komposisi Methane Pada penelitian ini untuk mengetahui komposisi gas methane pada biogas yang
2. Produksi biogas maksimal pada sirkulasi 1 : 2 dan produksi biogas sebesar 0,3451 m3/kg.COD removal belum mencapai target yang diinginkan yaitu sebesar 0,38 m3/kg.COD removal . 3.
Diperoleh komposisi gas methane melalui metode analisa kalori sebesar 57,14% sedangkan melalui analisa GC diperoleh sebesar 53,3%
6. Daftar Pustaka Burke P. E. Dennis A. 2001. “Dairy Waste Anaerobic Digestion Handbook. Environmental Energi Company”, Olympia. Kusuma, A. dan Mahendra, A. 2008. “Upaya peningkatan produksi biogas berbahan baku kotoran sapi pada digester anaerob”, Skripsi Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS, Surabaya. Prasanna, Atmaya Lal. 1996. “Anaerobic Treatment of Tapioka Starch Industry Wastewater by Bench Scale Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Reactor”. Thesis Asian Institute of
6
Technology School of Environment, Bangkok, Thailand. Setiadi, T. 2000. “ Pemakaian Bioreaktor Membran untuk Pengolahan Limbah Cair Industri ”. Jurusan teknik kimia ITB, Bandung, A5.1-A5.7 Simamora, Suhut, dkk. 2005. “Membuat Biogas Pengganti Bahan Bakar Minyak dan Gas dari Kotoran Ternak”,Bogor. Soewarno, N., Altway, A., Wibawa, G., Vitra, D., and Reapradana, Y. 2007. “ Effort of Biogas Production Enhancement in Semi Continue Anaerobic Digester for Alternative Energy”, 14th Regional Symposium on Chemical Engineering. Suyitno, Nizam, M., dan Dharmanto. 2010. “ TEKNOLOGI BIOGAS : Pembuatan, Operasional, dan Pemanfaatan”, Yogyakarta, Graha Ilmu. www.agribisnis.deptan.go.id www.esdm.go.id
