PEMANFAATAN BIOGAS KOTORAN TERNAK SAPI
SEBAGAI PENGGANTI BAHAN BAKAR MINYAK DAN GAS
TESIS
Oleh
RAMLI TARIGAN
077026019/FIS
S
E K O L AH
P A
S C
A S A R JA
NA
SEKOLAH PASCASARJANA
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PEMANFAATAN BIOGAS KOTORAN TERNAK SAPI SEBAGAI PENGGANTI BAHAN BAKAR MINYAK DAN GAS
TESIS
Oleh
RAMLI TARIGAN 077026019/FIS
S
EK O L A H
P A
S C
A S A R JA
NA
SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PEMANFAATAN BIOGAS KOTORAN TERNAK SAPI
SEBAGAI PENGGANTI BAHAN BAKAR MINYAK DAN GAS
TESIS
Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar Magister Sains
dalam Program Studi Magister Fisika pada
Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara
Oleh
RAMLI TARIGAN
077026019/FIS
SEKOLAH PASCASARJANA
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Judul Tesis : PEMANFAATAN BIOGAS KOTORAN TERNAK SAPI SEBAGAI PENGGANTI BAHAN BAKAR MINYAK DAN GAS
Nama Mahasiswa : Ramli Tarigan
Nomor Pokok : 077026019
Program Studi : Fisika
Menyetujui Komisi Pembimbing,
( Prof. Dr. Timbangen Sembiring, M.Sc. ) K e t u a
( Drs. Ferdinan Sinuhaji, MS ) Anggota
Ketua Program Studi,
( Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc. )
Direktur,
( Prof. Dr. Ir. T.Chairun Nisa B, M.Sc )
Telah diuji pada
Tanggal : 11 Juni 2009
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua
: Prof. Dr. Timbangen Sembiring, M.Sc.
Anggota : 1. Drs. Ferdinan Sinuhaji, M.S.
2. Dra. Justinon, M.Si.
ABSTRAK
Gas bio merupakan gas hasil aktivitas biologi melalui proses fermentasi anaerob dan merupakan energi terbarukan, sebagai bahan pembuat gas bio adalah kotoran hewan dan sampah organik. Penelitian dilakukan dengan menggunakan dua macam variasi pengenceran terhadap medium larutan (air PDAM ) yaitu 1 : 2 dan 1 : 4% volume. Pengamatan meliputi besarnya produksi gas bio, komposisi gas bio, tekanan, tempratur dan tingkat keasaman (pH). Temperatur yang bekerja pada bio degester berkisar 30 – 350C, tingkat keasaman (pH) bahan 6,48 – 7,62. Produksi gas bio untuk pengenceran 1 : 2 berkisar 84 – 175 mL untuk komposisi 100% kotoran sapi, untuk pengenceran 1 : 4 dengan komposisi 100% kotoran sapi berkisar 122 – 305 mL (gas bio didominasi oleh gas metana).
ABSTRACT
Biogas is a gas produced from biological activities in anaerobic fermentation process and as a renewable energy. As raw material in making process of biogas is by using cow manure and organic garbage. This reseach divided into two groups based on the slurry variations to mixing medium (PDAM water), that are 1 : 2 and 1 : 4% volume. The results showed that the biggest biogas production, biogas compotition, temperature pressure, acid substrate level. The temperature in biodigester is between 30 – 350C, acid substrate level is 6.48 – 7.62. The production of biogas for slurry 1 : 2 group are between 84 – 175 ml. 100% cow manure for slurry 1 : 4 group by the composition of the cow manure are between 122 – 305 ml biogas (biogas is dominated by methane gas).
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala
limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga tesis yang berjudul: Pemanfaatan Biogas
Kotoran Ternak Sapi Sebagai Pengganti Bahan Bakar Minyak dan Gas”, dapat
diselesaikan.
Saya ucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Pemerintah
Republik Indonesia c.q Pemerintah Propinsi Sumatera Utara yang telah memberikan
bantuan dana sehingga saya dapat melaksanakan Program Magister Sains pada
Program Studi Magister Ilmu Fisika Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera
Utara.
Dengan selesainya tesis ini, perkenankanlah saya mengucapkan terima kasih
kepada:
1. Rektor Universitas Sumatera Utara, Bapak Prof. Chairuddin P. Lubis, DTM&H,
Sp.A(K) atas kesempatan yang diberikan kepada kami untuk mengikuti dan
menyelesaikan pendidikan Program Magister Sains.
2. Direktur Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara, Ibu Prof. Dr. Ir. T.
Chairun Nisa B, M.Sc, atas kesempatan yang diberikan menjadi mahasiswa
Program Magister pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara.
3. Ketua Program Studi Magister Fisika, Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc. sekaligus
sebagai Ketua Komisi Pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu dan
pikiran dalam membimbing saya sehingga terselesaikannya penulisan tesis ini.
4. Sekretaris Program Studi Fisika Bapak Nasir Saleh beserta seluruh staf Pengajar
pada Program studi Magister Fisika Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera
Utara.
5. Komisi Pembimbing Bapak Prof. Dr. Timbangen Sembiring, M.Sc. dan Drs.
Ferdinan Sinuhaji, M.S. yang dengan penuh perhatian dan telah memberikan
6. Pembimbing Lapangan Bapak Prof. (Riset) Drs. H. Perdamean Sebayang, M.Si.
yang telah banyak membantu saya dilapangan hingga selesainya tesis ini.
7. Rekan-rekan mahasiswa Sekolah Pascasarjana angkatan 2007 serta semua pihak
yang telah memberikan bantuan dan dorongan kepada saya selama perkuliahan
hingga selesainya tesis ini.
8. Teristimewa ucapan terima kasih yang sedalam-dalamnya dan penghargaan yang
setinggi-tingginya kepada isteri tercinta Dra. Roslinda Sinuraya dan kedua ananda
tersayang Friska Elisabeth Tarigan, ST. dan Budi Fani Tarigan, ST. yang
senantiasa memberikan dorongan semangat serta pengorbanan dan selalu
mendoakan keberhasilan penulis dalam menyelesaikan studi.
Akhir kata penulis berharap semoga tesis ini bermanfaat bagi semua pihak dan
penulis menyadari masih banyak kekurangan dan kesalahan dalam tugas akhir ini.
Kritik dan saran yang sifatnya membangun penulis harapkan untuk perbaikan
selanjutnya.
Medan, Juni 2009
Penulis,
RIWAYAT HIDUP
DATA PRIBADI
Nama lengkap berikut gelar : Drs. Ramli Tarigan
Tempat dan Tanggal Lahir : Lauriman, 10 Juni 1958
Alamat Rumah : Jl. Pales VII.A No. 5 Medan
Instansi Tempat Bekerja : SMA Negeri 15 Medan
Alamat Kantor : Jl. Sekolah Pembangunan No. 7 Medan Sunggal
Telepon/Faks : (061) 8456806
DATA PENDIDIKAN
SD : SD Negeri Tigabinanga Tamat : 1971
SMP : SMP Negeri Tigabinanga Tamat : 1974
SMA : SMA Negeri P. Brandan Tamat : 1977
Strata-1 : FPMIPA IKIP Negeri Medan Tamat : 1984
Strata-2 : Program Studi Magister Fisika Sekolah Pascasarjana Tamat : 2009 Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
2.4. Faktor yang Berpengaruh Pada Proses Anaerobik ... 11
2.4.1. Temperatur ... 14
2.4.2. Ketersediaan Unsur Hara ... 16
2.4.3. Lama Proses ... 17
2.4.4. Derajat Keasaman (pH) ... 18
2.4.5. Penghambat Nitrogen dan Rasio Carbon/Nitrogen (C/N) 19 2.4.6. Kandungan Padatan dan Pencampuran Substrat ... 20
2.5. Pembuatan Gas Bio ... 22
4.1.1. Temperatur Bahan ... 47
4.1.2. Keasaman (pH) ... 47
4.1.3. Tekanan Penampung Gas Bio ... 49
4.1.4. Produksi Gas Bio Kumulatif ... 49
4.1.5. Volume dan Komposisi Gas Bio ... 55
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 59
5.1. Kesimpulan ... 59
5.2. Saran ... 60
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
2.1. Komposisi Gas Bio ... 4
2.2. Komposisi Gas Bio dari Bahan Kotoran Sapi ... 5
2.3. Produksi dan Kandungan Bahan Kering Kotoran Beberapa Jenis
Ternak ... 11
2.4. Batas yang Diijinkan untuk Ion Anorganik pada Digester ... 21
2.5. Perbandingan Nilai Kalor terhadap Gas Bio ... 24
3.1. Komposisi bahan baku (BB) (% Volumen) dan variasi pengenceran 43
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1. Tahapan Pembentukan Gas Bio ... 8
2.2. Perbandingan tingkat produksi gas pada 15 °C dan 35 °C ... 15
2.3. Biodigester Tipe Batch Model Parit ... 26
2.4. Biodigester Tipe Batch Model Tangki ... 26
2.5. Digester tipe aliran bersambung ... 28
2.6. Digester Tipe ContinousModel Fixed Dome ... 29
2.7. Biodigester Tipe Continous Model Floating Drum ... 30
2.8. Biodigester Tipe Continous Model Balloon ... 30
2.9. Manometer U ... 37
3.1. Diagram Alir Produksi Gas Bio ... 46
4.1. Rata-rata tingkat keasaman bahan pada tiap lubang sampel uji biodigister dalam rentang 16 hari ... 48
4.2. Hubungan jumlah gas yang dihasilkan (ml) terhadap waktu pengamatan pada komposisi 100% kotoran sapi... 50
4.3. Hubungan jumlah gas yang dihasilkan (ml) terhadap waktu pengamatan pada komposisi 80% kotoran sapi ... 51
4.5. Hubungan jumlah gas yang dihasilkan (ml) terhadap waktu pengamatan pada komposisi 40 % kotoran sapi... 52
4.6. Hubungan jumlah gas yang dihasilkan (ml) terhadap waktu pengamatan pada komposisi 20 % kotoran sapi ... 53
4.7. Hubungan jumlah gas yang dihasilkan (ml) terhadap waktu pengamatan pada komposisi 0 % kotoran sapi ... 53
4.8. Komposisi CH4 (%) dari variasi pengenceran dan bahan baku ... 56
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Judul Halaman
A 1. Perhitungan Nilai Rasio C/N ... 63
B 2. Data Pengamatan Volume Gas yang dihasilkan per Hari... 65
C 3. Berdasarkan Hasil Analisis Laboratorium Diproleh Bahwa Kotoran Sapi ... 66
D 4. Kesetaraan Energi Gas Bio Yang Dihasilkan Dalam Penelitian Hasil Yang Di Peroleh Dari Refrensi ... 67
E 5. Rancang Bangun Biodigester Sederhana... 68
F 6. Kebutuhan Kotoran Sapi Untuk Bahan Baku Biodigester ... 69
BAB I
PENDAHULUAN
1. 1. Latar Belakang
Sumber energi dapat berasal dari matahari, bahan bakar minyak, gas alam,
kayu bakar, dan lainnya. Energi tersebut biasa digunakan untuk keperluan rumah
tangga, seperti: memasak penerangan, dan kepentingan lain yang lebih besar,
seperti: industri dan lainnya. Meningkatnya populasi penduduk dan perubahan
gaya hidup masyarakat, maka kebutuhan akan energi juga semakin meningkat.
Selain itu bahan bakar tradisional, yaitu kayu walaupun masih digunakan,
penggunaannya sangat terbatas, sejalan dengan berkurangnya hutan sebagai
sumber kayu.
Secara teoritis pertambahan penduduk yang cepat akan menyebabkan
kebutuhan kayu bakar menjadi meningkat pula. Usaha-usaha untuk mencukupi
kebutuhan kayu bakar ini dikhawatirkan mengakibatkan hutan-hutan dan gunung
menjadi gundul, hilangnya tempat penahanan dan penyimpanan air di musim
kemarau, terjadinya banjir di musim hujan, hilangnya kesuburan tanah, dan
Permasalahan energi dapat diatasi apabila tidak tergantung pada bahan
bakar fosil dan menggunakan sumber energi alternatif yang ramah lingkungan,
murah, mudah diperoleh, dan dapat diperbaharui (renewable). Salah satunya
adalah gas bio yang merupakan energi yang layak dipertimbangkan baik secara
teknis, sosial, maupun ekonomis, terutama untuk mengatasi masalah energi di
daerah pedesaan. Kandungan bio gas didominasi oleh gas metana (CH4) yang
merupakan hasil sampingan dari proses degradasi bahan organik, seperti: kotoran
ternak, manusia, sampah, dan sisa-sisa limbah lainnya. Pemanfaatan kotoran
ternak selain dapat menghasilkan bio gas untuk bahan bakar juga membantu
kelestarian lingkungan dan memperoleh manfaat-manfaat lain, seperti: pupuk
yang baik bagi tanaman dan kehidupan di dalam air (aqua kultur), mencegah
lalat, dan bau tidak sedap yang berarti ikut mencegah sumber penyakit.
Produksi gas metana dari biomassa bukan merupakan proses yang baru.
Alexander Volta di abad 18 menemukan gas metana dalam gas yang dihasilkan
rawa/paya. Ide dan percobaan bagaimana proses itu dapat digunakan telah berjalan
selama 100 tahun ke belakang (Meynell, 1976). Secara prinsip pembuatan gas bio
sangat sederhana, dengan memasukkan substrat (kotoran hewan atau kotoran
manusia) ke dalam unit pencerna (digester), ditutup rapat, dan selama periode tertentu
gas bio akan terbentuk yang selanjutnya dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi.
Selain pemanfaatan kotoran ternak sebagai sumber energi gas bio, bahan lain
dihasilkan dari rumah tangga, pasar, dan tempat-tempat lain. Pemanfaatan sampah
sebagai energi gas bio juga dapat membantu mengurangi permasalahan pembuangan
sampah yang selama ini menjadi masalah yang cukup sulit diatasi, terutama di
kota-kota besar.
1.2. Identifikasi Masalah
Berdasarkan uraian di atas, masalah energi terbarukan (renewable energy)
dapat diidentifikasi dan diatasi dengan memanfaatkan kotoran sapi dan sampah untuk
menghasilkan gas bio sebagai energi alternatif yang dapat diaplikasikan, baik secara
teknis dan ekonomis.
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian adalah membuat rancang bangun sederhana dan uji coba
pembuatan gas bio skala laboratorium dengan memanfaatkan atau mengubah kotoran
ternak (sapi) dan sampah pasar (jenis organik) menjadi bahan yang bermanfaat yaitu
bahan bakar gas (gas bio).
1.4. Manfaat Penelitian
Kegunaan jangka pendek penelitian ini adalah untuk mengetahui komposisi
optimum pembuatan gas bio dari kotoran sapi, sampah organik, dan campurannya
Kegunaan jangka panjangnya adalah dalam rangka diversifikasi sumber
energi, mengurangi pencemaran lingkungan akibat kotoran hewan, dan mencukupi
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Gas Bio
Gas bio adalah gas yang dihasilkan oleh mahluk hidup (bio = hidup), yaitu:
mikroorganisme berupa bakteri. Bakteri melakukan aktifitas penguraian bahan-bahan
organik dalam kondisi anaerob (tanpa udara atau hanya sedikit oksigen) kemudian
menghasilkan suatu gas. Contoh bahan bahan organik yang dimaksud adalah kotoran
manusia, kotoran hewan, limbah rumah tangga, limbah pertanian, dan lainnya. Proses
penguraian bahan organik secara anaerob ini disebut sebagai pencernaan anaerob
(anaerob digestion) dan peralatan yang memfasilitasi prosesnya disebut sebagai
digester (Aguilar, 2001). Kandungan utama dari gas bio adalah gas metana (CH4)
dan karbon dioksida (CO2). Secara umum komposisi gas bio secara lengkap dapat
dilihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.6. Komposisi Gas Bio
Jenis Gas Persentase
Metana , CH4 50-75
Carbon dioksida, CO2 25-50
Nitrogen, N2 0-10
Hidrogen, H2 0-1
Oksigen, O2 0-2
Sumber Hermawan, dkk (2007)
Proporsi kandungan gas metana dalam gas bio ditentukan oleh jenis bahan
organik yang dijadikan input (bahan baku) dan tingkat efisiensi dari proses (metode)
pembentukan gas bio (Hendrianie, 2008). Kotoran sapi sebagai salah satu bahan
organik yang umum digunakan dalam proses pembentukan gas bio memiliki
komposisi gas bio yang dapat dilihat pada Tabel 2.2. Keberadaan gas oksigen dan
nitrogen pada kandungan gas bio merupakan indikasi adanya kontaminasi udara di
dalam digester, karena seharusnya proses dalam digester adalah anaerob.
Tabel 2.7. Komposisi Gas Bio dari Bahan Kotoran Sapi
Jenis Gas Persentase
Metana, CH4 65,7
Carbon dioksida, CO2 27
Nitrogen, N2 2,3
Hidrogen, H2 0,1
Hidrogen sulfida, H2S tak terukur
Oksigen, O2 1
Propana, C3H8 0,7
Sumber: Harahap, dkk. (1984)
Gas bio termasuk dalam kategori bahan bakar biologis(biofuel) yang berguna,
karena mempunyai nilai kalor yang cukup tinggi, yaitu dalam kisaran 4800 – 6700
kandungan metana dalam gas bio yang merupakan jenis gas dengan karakteristik
mudah terbakar (flammable) dan dapat mengakibatkan ledakan. Gas metana murni
(100%) memiliki nilai kalor 8900 kcal/m3 (Harahap, dkk., 1984).
2.2. Proses Pembentukan Gas Bio
Proses pembentukan gas bio menggunakan prinsip pencernaan anaerob
dengan bantuan bakteri yang disebut sebagai bakteri penghasil gas bio. Oleh karena
itu, keberlangsungan dari proses sangat ditentukan oleh kelangsungan hidup
bakteri-bakteri tersebut dalam digester. Bakteri penghasil gas bio terdiri dari beberapa jenis
bakteri, yaitu bakteri penghasil metana dan bakteri yang tidak menghasilkan metana
atau bakteri asam. Keberadaan kedua jenis bakteri ini harus dalam keadaan seimbang
untuk memastikan proses di dalam digester berjalan dengan efektif (Rahman, 2009).
Proses mikroorganisme-mikroorganisme, khususnya bakteri terlibat dalam
pembentukan gas metan. Intraksi antara beberapa group bakteri diimplikasikan dalam
anaerobic digestion. Overall reaksi ditunjukkan pada persamaan dibawah ini
(Polprasert, 1989)
Bahan Organik CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S, empat kategori bakteri
yang terlibat dalam pembentukan material-material complex menjadi molekul
sederhana seperti metan dan carbon dioksida yaitu :
Group I : Bakteri Hydrolytic
Bakteri anaerobic memecah molekul–molekul organic (mis: protein,
celluloe, lignin, lipid) menjadi molekul–molekul monomer yang dapat larut (mis :
Group II: Bakteri fermentative acidogenic
Bakteri acidogenic (mis: clostridium) merubah asam-asam organik (mis:
propionat, laktat, butyrat, dll), alcohol dan keton-keton (mis: athanol, methanol,
glycerol, aceton). Acetat adalah produk utama dari proses fermentasi carbohydrat.
Group III : Bakteri Acetogenic
Bakteri Acetogenic seperti Syntrobacter wolinii dan Syntrophomonas wolfei
(McInernay et al., 1981) merubah fatty acid (mis: asam propionat, asam butirat) dan
alcohol menjadi acetat , hydrogen dan cabon dioxide, dimana dibutuhkan
methanogen. Ethanol, propionic acid dan asam butirat dapat terkonversi menjadi
asam acatat oleh bakteri acetogenic melalui reaksi sbb:
CH3CH2OH + H2O CH3COOH + 2H2
ethanol asam asetat
CH3CH2COOH + 2H2O CH3COOH + CO2 + 3H2 asam propionat asm asetat
CH3CH2COOH + 2H2O CH3COOH + 2H2 asam butirat asam acetat
Group IV: Bakteri Methanogen
Bakteri pembentuk metan biasa disebut juga dengan Methanogenic bacteria,
Methanogenes, Methaforming bacteria atau Methane- producing bacteria.
a Hydrogenotropphic methanogens (menggunakan hydrogen, chemolithotropos)
merubah hydrogen dan carbon menjadi metan :
CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O
b Acetotrophic methanogens, biasa disebut juga acetoclastic merubah asetat
menjadi metan dan CO2.
CH3COOH CH4 + CO2
Perombakan bahan organik menjadi gas bio dikelompokkan dalam empat
tahapan proses. Pertama, bakteri fermentatif menghidrolisis senyawa polimer menjadi
senyawa sederhana yang bersifat terlarut. Kedua, monomer dan oligomer dirombak
menjadi asam asetat, H2, CO2, asam lemak rantai pendek, dan alkohol; tahap ini
disebut tahap asidogenesis. Ketiga, disebut fase non metanogenik yang menghasilkan
asam asetat, CO2, dan H2. Keempat, pengubahan senyawa-senyawa tersebut menjadi
pembentukan gas bio dapat dilihat pada Gambar 2.1.
2.3. Bahan Penghasil Gas Bio
Semua bahan organik yang terdapat dalam tanaman, karbohidrat, selulosa
adalah salah satu bahan yang disukai sebagai bahan untuk dicerna. Selulosa secara
normal mudah dicerna oleh bakteri, tetapi selulosa dari beberapa tanaman sedikit sulit
didegradasikan bila dikombinasikan dengan lignin. Lignin adalah molekul komplek
yang memiliki bentuk rigid dan struktur berkayu dari tanaman, dan bakteri hampir
tidak mampu mencernanya. Jerami mengandung lignin dan dapat menjadi masalah
karena akan mengapung dan membentuk lapisan keras (kerak) (Meynell, 1976).
Sebagian besar sampah organik alami dapat diproses menjadi gas bio kecuali
lignin. Digester anaerobik dapat menggunakan bahan organik dalam jumlah yang
besar sebagai bahan masukan, seperti kotoran manusia, tanaman, sisa proses
makanan, dan sampah lainnya atau dapat mencampurkan dari satu atau lebih
kombinasi sampah tersebut (Fischer dan Krieg, 2000). Kotoran hewan lebih sering
dipilih sebagai bahan pembuat gas bio karena ketersediaannya yang sangat besar.
Bahan ini memiliki keseimbangan nutrisi, mudah diencerkan, dan relatif dapat
diproses secara biologi.
Kisaran pemrosesan secara biologi antara 28 – 70 % dari bahan organik
tergantung dari pakannya. Sebagai contoh persentase silase dari tanaman jagung yang
ditingkatkan sebagai pakan, mengurangi kemampuan biodegradasi, karena silase
mengandung persentase lignoselulosa yang tinggi. Selain itu kotoran segar lebih
disebabkan karena hilangnya substrat volatil solid selama waktu pengeringan
(Fischer dan Krieg, 2000).
Kotoran sapi merupakan substrat yang dianggap paling cocok sebagai sumber
pembuat gas bio, karena substrat tersebut telah mengandung bakteri penghasil gas
metan yang terdapat dalam perut hewan ruminansia (Kadarwati, 2003). Keberadaan
bakteri di dalam usus besar ruminansia tersebut membantu proses fermentasi,
sehingga proses pembentukan gas bio pada tanki pencerna (reaktor digester) dapat
dilakukan lebih cepat. Walaupun demikian, bila kotoran tersebut akan langsung
diproses di dalam tangki pencerna, perlu dilakukan pembersihan terlebih dahulu.
Kotoran tersebut harus bersih dari jerami dan bahan asing lainnya untuk mencegah
terbentuknya buih (The Pembina Institute, 2006).
Kotoran manusia walaupun memiliki nitrogen yang tinggi ( C/N = 6) dapat
dicerna dengan mudah, tetapi sampah karbohidrat harus ditambahkan untuk
menaikkan nilai rasio C/N dan untuk memberikan gas yang lebih banyak. Sisa-sisa
pertanian seperti gandum dan jerami padi dapat digunakan walaupun memiliki C/N
ratio yang tinggi, dengan cara dicampur dengan kotoran hewan dan manusia. Bahan
ini biasanya dengan mudah diproses dan dapat lebih cepat diproses apabila ukurannya
diperkecil secara fisik, dengan cara pemotongan dan dengan pengomposan terlebih
dahulu. Walaupun demikian, masalah dapat muncul akibat dari bahan mengapung di
dalam digester dan membentuk lapisan keras (kerak) di permukaan, sehingga
mengganggu proses produksi gas (Kadarwati, 2003). Bahan yang dimasukkan ke
seperti pasir akan terpisah karena gravitasi (pengendapan), hal ini memungkinkan
bahan tersebut dipisahkan sebelum dimasukkan ke dalam digester (Fry, 1974). Pada
Tabel 2.3 dapat dilihat produksi kotoran dari beberapa jenis hewan ternak. Walaupun
tidak sepenuhnya tepat, tabel ini dapat digunakan untuk memperkirakan jumlah bahan
yang masuk ke dalam digester.
Tabel 2.8. Produksi dan Kandungan Bahan Kering Kotoran Beberapa Jenis Ternak
Jenis Ternak Bobot Ternak
per Ekor
Sumber:The Pembina Institute, 2006
2.4. Faktor yang Berpengaruh Pada Proses Anaerobik
Secara umum kondisi operasi yang perlu diperhatikan dalam proses
pembentukan gas bio adalah (Kadarwati, 2003):
Perkembangbiakan bakteri sangat dipengaruhi oleh temperatur. Pencernaan
anaerobik dapat berlangsung pada kisaran 5 – 55oC. Temperatur kerja yang
optimum untuk penghasil gas bio adalah 35oC.
2. Derajat Keasaman (pH)
Pada awal pencernaan, pH bahan dalam tangki pencerna dapat turun menjadi 6
atau lebih rendah, merupakan akibat dari degradasi bahan organik oleh bakteri
aerobik. Kemudian pH mulai naik disertai perkembangbiakan bakteri pembentuk
metana dan hasil pencernaan optimum adalah pada pH: 6,8 - 8.
3. Pengadukan
Bahan baku yang sukar dicerna (misalnya, jerami yang mengandung senyawa
lignin) dan sisa pencernaan akan membentuk lapisan kerak pada permukaan
cairan. Lapisan ini dapat dipecah dengan alat pengaduk, sehingga hambatan
terhadap laju gas bio yang dihasilkan dapat dikurangi.
4. Bahan Penghambat
Bahan yang dapat menghambat pertumbuhan mikroorganisme sehingga
berpengaruh terhadap jumlah gas bio yang dihasilkan antara lain logam berat,
seperti tembaga, cadmium, dan kromium. Selain itu desinfektan, deterjen, dan
antibiotik. Untuk menghindari hal-hal tersebut perlu diperhatikan air yang
digunakan sebagai pelarut atau pencampur tidak mengandung bahan-bahan
Wellinger (1999) mengemukakan bahwa selain faktor-faktor terdahulu, ada
1. Bahan Baku Isian
Unsur karbon (C) untuk pembentukan gas metana dapat berasal dari sampah,
limbah pertanian, dan kotoran hewan. Sedangkan unsur nitrogen (N) diperlukan
oleh bakteri untuk pembentukan sel. Perbandingan unsur karbon dan nitrogen
(C/N) paling baik untuk pembentukan gas bio adalah 30. Rasio C/N untuk
sampah mendekati nilai 12, C/N kotoran kuda dan babi adalah 25 lebih besar
daripada sapi dan kerbau hanya18 (Hadi dkk., 1982).
2. Pengenceran Bahan Baku Isian
Isian yang paling baik untuk penghasil gas bio mengandung 7 – 9 % bahan
kering. Nilai rata-rata bahan kering dari beberapa kotoran hewan berkisar dari
11 – 25 %. Oleh karena itu untuk setiap jenis kotoran hewan, pengenceran isian
berbeda-beda agar diperoleh isian dengan kandungan bahan kering yang
optimum.
3. Jenis Bakteri
Bakteri yang berpengaruh pada pembuatan gas bio ada dua macam yaitu
bakteri-bakteri pembentuk asam dan bakteri-bakteri-bakteri-bakteri pembentuk gas metana (Sahidu,
1983). Bakteri pembentuk asam antara lain: Pseudomonas, Escherichia,
Flavobacterium, dan Alcaligenes yang mendegradasi bahan organik menjadi
asam-asam lemak. Selanjutnya asam-asam lemak didegradasi menjadi gas bio
yang sebagian besar adalah gas metana oleh bakteri metana antara lain:
2.4.1. Temperatur
Gas metana dapat diproduksi pada tiga rentang temperatur sesuai dengan
bakteri yang hadir. Bakteri psyhrophilic pada temperatur 0 – 7ºC, bakteri mesophilic
pada temperatur 13 – 40ºC, sedangkan thermophilic pada temperatur 55 – 60ºC (Fry,
1974). Temperatur yang optimal untuk digester adalah temperatur 30 – 35ºC, kisaran
temperatur ini mengkombinasikan kondisi terbaik untuk pertumbuhan bakteri dan
produksi metana di dalam digester dengan lama proses yang pendek. Temperatur
yang tinggi (range thermophilic) jarang digunakan karena sebagian besar bahan
sudah dicerna dengan baik pada rentang temperatur mesophilic, selain itu bakteri
thermophilic mudah mati karena perubahan temperatur. Selain itu keluaran (sludge)
memiliki kualitas yang rendah untuk pupuk, berbau, dan tidak ekonomis untuk
mempertahankan pada temperatur yang tinggi, khususnya pada iklim dingin (Fry,
1974).
Bakteri mesophilic adalah bakteri yang mudah dipertahankan pada kondisi
buffer yang mantap (well buffered) dan dapat tetap aktif pada perubahan temperatur
yang kecil, khususnya bila perubahan berjalan perlahan. Pada temperatur yang rendah
15ºC laju aktivitas bakteri sekitar setengahnya dari laju aktivitas pada temperatur
35ºC. Pada temperatur 7 – 10ºC dan di bawah temperatur aktivitas, bakteri akan
berhenti beraktivitas dan pada rentang ini bakteri fermentasi menjadi dorman sampai
temperatur naik kembali hingga batas aktivasi. Apabila bakteri bekerja pada
temperatur 40ºC produksi gas akan berjalan dengan cepat hanya beberapa jam tetapi
35oC
15oC
Sumber: Fry, 1973. diadaptasi
Gambar 2.2. Perbandingan tingkat produksi gas pada 15°C dan 35°C
Massa bahan yang sama akan dicerna dua kali lebih cepat pada 35°C
dibanding pada 15°C dan menghasilkan hampir 15 kali lebih banyak gas pada waktu
proses yang sama. Pada Gambar 2.2 dapat dilihat bagaimana perbedaan jumlah gas
yang diproduksi ketika digester dipertahankan pada temperatur 15°C dibanding
dipertahankan 35°C. Seperti halnya proses secara biologi tingkat produksi metana
berlipat untuk tiap peningkatan temperatur sebesar 10 – 15ºC. Jumlah total dari gas
yang diproduksi pada jumlah bahan yang tetap, meningkat seiring dengan
meningkatnya temperatur (Meynell, 1976).
Lebih lanjut, yang harus diperhatikan pada proses biometananisasi adalah
perubahan temperatur, karena proses tersebut sangat sensitif terhadap perubahan
temperatur. Perubahan temperatur tidak boleh melebihi batas temperatur yang
diijinkan. Untuk bakteri psychrophilic besarnya perubahan temperatur berkisar antara
demikian perubahan temperatur antara siang dan malam tidak menjadi masalah besar
untuk aktivitas metabolisme (The Pembina Institute, 2006).
Untuk menjaga temperatur tetap stabil adalah sangat penting apabila
temperatur tersebut telah dicapai. Panas sangat penting untuk meningkatkan
temperatur bahan yang masuk ke dalam biodigester dan untuk mengganti kehilangan
panas dari permukaan biodigester. Kehilangan panas pada biodigester dapat diatasi
dengan meminimalkan kehilangan panas dari bahan. Misalnya, kotoran sapi segar
memiliki temperatur 35ºC, apabila selang waktu antara kotoran ternak dan biodigester
dapat diminimalkan, kehilangan panas dari kotoran dapat dikurangi dan panas yang
dibutuhkan untuk mencapai 35ºC lebih sedikit.
2.4.2. Ketersediaan Unsur Hara
Bakteri anaerobik membutuhkan nutrisi sebagai sumber energi yang
mengandung nitrogen, fosfor, magnesium, sodium, mangan, kalsium, dan kobalt
(Kadarwati, 2003). Level nutrisi minimal harus lebih dari konsentrasi optimum yang
dibutuhkan oleh bakteri metanogenik, karena apabila terjadi kekurangan nutrisi akan
menjadi penghambat bagi pertumbuhan bakteri. Penambahan nutrisi dengan bahan
yang sederhana seperti glukosa, buangan industri, dan sisa-sisa tanaman terkadang
diberikan dengan tujuan menambah pertumbuhan di dalam digester. Walaupun
demikian kekurangan nutrisi bukan merupakan masalah unutk mayoritas bahan,
karena biasanya bahan memberikan jumlah nutrisi yang mencukupi (Kadarwati,
konsentrasi di dalam bahan terlalu banyak. Pada kasus nitrogen berlebihan, sangat
penting untuk mempertahankan pada level yang optimal untuk mencapai digester
yang baik tanpa adanya efek toksik (Kadarwati, 2003).
2.4.3. Lama Proses
Lama proses atau jumlah hari bahan terproses di dalam biodigester. Pada
digester tipe aliran kontinyu, bahan akan bergerak dari inlet menuju outlet selama
waktu tertentu akibat terdorong bahan segar yang dimasukkan, setelah itu bahan akan
keluar dengan sendirinya. Misalnya apabila lama proses atau pengisian bahan
ditetapkan selama 30 hari, maka bahan akan berada di dalam biodigester atau menuju
outlet selama 30 hari. Setiap bahan memiliki karakteristik lama proses tertentu,
sebagai contoh untuk kotoran sapi diperlukan waktu 20 – 30 hari. Sebagian gas
diproduksi pada 10 – 20 hari pertama (Fry, 1974), pada Gambar 2.1 ditunjukkan
bahwa hari ke-10 adalah puncak dari jumlah relatif gas yang diproduksi, setelah hari
ke-10 maka produksi gas mulai menurun. Oleh karena itu digester harus didesain
untuk mencukupi hanya hari terbaik dari produksi dan setelah itu sludge/lumpur dapat
dikeluarkan atau dipindahkan ke digester selanjutnya. Apabila terlalu banyak volume
bahan yang dimasukkan (overload) maka akibatnya lama pengisian menjadi terlalu
singkat. Bahan akan terdorong keluar sedangkan gas masih diproduksi dalam jumlah
2.4.4. Derajat Keasaman (pH)
Derajat keasaman memiliki efek terhadap aktivasi biologi dan
mempertahankan pH agar stabil penting untuk semua proses kehidupan bakteri.
Kebanyakan dari proses kehidupan bakteri memiliki kisaran pH antara 5 – 9.
Sedangkan nilai pH yang dibutuhkan untuk digester antara 7 – 8,5. Bila proses tidak
dimulai dengan membibitkan bakteri metana, maka kondisi buffer tidak akan
terbentuk dan yang terjadi yaitu selama tahap awal dari proses sekitar 2 minggu pH
akan turun hingga 6 atau lebih rendah, sedangkan CO2 semakin bertambah. Hal ini
akan terjadi selama 3 bulan dengan penurunan keasaman yang lambat (6 bulan pada
cuaca yang dingin) selama waktu itu ikatan asam volatile dan nitrogen akan terbentuk
(Fry, 1974).
Seperti pada pencernaan, karbondioksida dan metana diproduksi dan pH
perlahan meningkat hingga 7. Ketika campuran menjadi berkurang keasamannya
maka fermentasi metana mengambil alih proses pencernaan. Sehingga nilai pH
meningkat diatas netral hingga 7,5 – 8,5. Setelah itu campuran menjadi buffer yang
mantap (well buffered), dimana bila dimasukkan asam/basa dalam jumlah yang
banyak, campuran akan stabil dengan sendirinya pada pH 7,5 – 8,5 (Fry, 1974).
Apabila campuran sudah mantap, maka memungkinkan untuk menambah sedikit
bahan secara berkala dan dapat mempertahankan secara konstan produksi gas dan
sludge (pada digester aliran kontinyu).
Bila bahan dimasukkan tidak teratur (digester tipe batch), enzim akan
(Fry, 1974). Pertumbuhan bakteri penghasil gas metana akan baik bila pH bahannya
pada keadaan alkali (basa). Bila proses fermentasi berlangsung dalam keadaan normal
dan anaerobik, maka pH akan secara otomatis berkisar antara 7 – 8,5. Bila derajat
keasaman lebih kecil atau lebih besar dari batas, maka bahan tersebut akan
mempunyai sifat toksik terhadap bakteri metanogenik (Fry, 1974).
Derajat keasaman dari bahan di dalam digester merupakan salah satu indikator
bagaimana digester bekerja. Derajat keasaman dapat diukur dengan pH meter atau
kertas pH (lakmus). Untuk bangunan digester yang kecil, pengukuran pH dapat
diambil dari keluaran/effluent digester atau pengambilan sampel dapat diambil di
permukaan digester apabila telah terpasang tempat khusus pengambilan sampel (Fry,
1974).
2.4.5. Penghambat Nitrogen dan Rasio Carbon/Nitrogen (C/N)
Nitrogen pada konsentrasi yang tinggi dapat menghambat proses fermentasi
anaerob, konsentrasi N yang baik berkisar antara 200 – 1500 mg/L. Pada konsentrasi
1500 – 3000 mg/L proses akan terhambat pada pH 7,4 sedang konsentrasi di atas
3000 mg/L akan bersifat toksik pada pH manapun (Udiharto, 1982). Selain itu,
mikroorganisme membutuhkan nitrogen dan karbon untuk proses asimilasi. Karbon
digunakan sebagai energi sedangkan nitrogen digunakan untuk membangun struktur
sel.
Bakteri penghasil metana menggunakan karbon 30 kali lebih cepat daripada
mengandung karbon dan nitrogen secara bersamaan. Rasio C/N menunjukkan
perbandingan jumlah dari kedua elemen tersebut. Pada bahan yang memiliki jumlah
karbon 15 kali dari jumlah nitrogen akan memiliki rasio C/N 15 berbanding 1. Rasio
C/N dengan nilai 30 (C/N = 30/1 atau karbon 30 kali dari jumlah nitrogen) akan
menciptakan proses pencernaan pada tingkat yang optimum, bila kondisi yang lain
juga mendukung. Apabila terlalu banyak karbon, nitrogen akan habis terlebih dahulu.
Hal ini akan menyebabkan proses berjalan dengan lambat. Bila nitrogen terlalu
banyak (rasio C/N rendah; misalnya: 30/15), maka karbon habis lebih dulu dan proses
fermentasi berhenti (Fry, 1974).
2.4.6. Kandungan Padatan dan Pencampuran Substrat
Walaupun tidak ada informasi yang pasti, mobilitas bakteri metanogen di
dalam bahan secara berangsur-angsur dihalangi oleh peningkatan kandungan padatan
yang berakibat terhambatnya pembentukan gas bio. Selain itu yang terpenting untuk
proses fermentasi yang baik diperlukan pencampuran bahan yang baik akan
menjamin proses fermentasi yang stabil di dalam pencerna (The Pembina Institute,
2006). Hal yang paling penting dalam pencampuran bahan adalah:
a Menghilangkan unsur – unsur hasil metabolisme berupa gas yang dihasilkan
oleh bakteri metanogenik.
b Mencampurkan bahan segar dengan populasi bakteri agar proses fermentasi
merata.
d Menyeragamkan kerapatan sebaran populasi bakteri
e Mencegah ruang kosong pada campuran bahan
2.4.7. Faktor-Faktor Penghambat
Bakteri merupakan mikroorganisme yang penting pada pembentukan gas bio
pada suatu sumber bahan. Oleh sebab itu jumlah dan perkembangan bakteri pada
bahan merupakan syarat yang harus diperhatikan dalam pembuatan gas bio. Akan
tetapi pada bahan sering dijumpai keberadaan suatu unsur yang dapat menghambat
pertumbuhan bakteri. Diantaranya adalah logam berat, antibiotik (bacitracin,
flavomysin, lasalocid, monesin, spiramicyn) dan deterjen. Pada Tabel 2.4, disajikan
daftar batas konsentrasi yang diijinkan untuk berbagai inhibitor.
Tabel 2.9. Batas yang Diijinkan untuk Ion Anorganik pada Digester
Ion Anorganik
Kobalt 20 tidak diketahui tidak diketahui
Amonia merupakan sumber makanan bagi bakteri, tetapi juga dapat menjadi
penghambat apabila memiliki konsentrasi yang melebihi batas yang diijinkan. Untuk
menanggulangi hal ini, bahan dapat diencerkan dengan air.
2.5. Pembuatan Gas Bio
Apapun tipe biodigester yang dipilih, pemberian bahan untuk pertama kali
perlu dilakukan dengan hati-hati. Menurut (Meynell, 1976) untuk memulai
pembuatan biodigester terdapat dua metoda yang dapat dilakukan, metoda tersebut
adalah sebagai berikut:
1. Pengisian Dengan Air
Metoda ini dilakukan dengan memasukkan air sebanyak 80% dari total volume
digester, kemudian memasukkan bahan yang akan diproses seperti biasa (bila
perlu dapat dimasukkan bibit starter) pada volume yang dihasilkan. Dengan
metoda ini bahan yang masuk langsung tercampur dengan air dan oksigen
terlarut yang terkandung dengan segera digunakan dan pengenceran bahan
mencukupi untuk mempertahankan keasaman bahan. Metoda ini memiliki
kelebihan menggantikan oksigen di dalam digester dengan air sehingga resiko
akan campuran yang mudah meledak dari metana dan udara yang terbentuk kecil
sekali.
2. Pembibitan
Metoda ini secara luas lebih disukai, biasanya digunakan untuk digester tipe
batch dan untuk bahan yang tidak mengandung bakteri metana. Pembibitan
diproses secara anaerobik dengan perbandingan tertentu. Semakin banyak
perbandingan lumpur yang mengandung bakteri anaerobik semakin cepat gas
diproduksi. Prosedur yang digunakan untuk pembibitan adalah dengan
menambahkan starter 50 % dan bahan yang akan diproses 50 %. Selanjutnya
penambahan bahan tidak boleh lebih dari 50 % dari total padatan di dalam
digester. Hal ini untuk menghindari bakteri metana kelebihan beban sebelum
mereka dapat tumbuh (Fry, 1974). Ketika mengaktifkan digester untuk pertama
kali, sumber bibit yang baik adalah dari sludge yang telah diproses. Digester
yang telah berfungsi dengan baik tidak membutuhkan penambahan bibit, kecuali
bila gagal perlu diulangi. Apabila bahan perlu diencerkan, bibit yang terbaik
adalah dengan menambahkan supernatan (larutan yang terkumpul di bagian atas
sludge setelah padatan mengendap. Supernatan ini mengandung bakteri
anaerobik yang cukup untuk berperan sebagai bibit. Ketika memulai suatu
digester, bagian pertama gas yang diproduksi harus selalu dibuang. Karena gas
pertama itu mengandung udara yang berasal dari tangki, pipa dan tempat
penyimpanan gas. Ketika gas dikeluarkan, akan mendorong udara keluar dan
dapat menimbulkan ledakan. Tempat penyimpanan gas bila telah penuh dan telah
beberapa kali dikosongkan, dapat dipastikan bahwa tidak ada udara lagi dan gas
dapat dimanfaatkan.
Gas bio atau metana dapat digunakan untuk berbagai keperluan seperti halnya
gas alam. Tujuan utama pembuatan gas bio adalah untuk mengisi kekurangan atau
mensubtitusi sumber energi di daerah pedesaan sebagai bahan bakar keperluan rumah
tangga, terutama untuk memasak dan lampu penerangan. Selain itu dapat digunakan
untuk menjalankan generator untuk menghasilkan listrik dan menggerakkan motor
bakar (turbin). Gas bio mengandung berbagai macam zat, baik yang terbakar maupun
yang dapat dibakar. Zat yang tidak dapat dibakar merupakan kendala yang dapat
mengurangi mutu pembakaran gas tersebut.
Seperti terlihat pada Tabel 2.5, walaupun kandungan kalor relatif rendah
dibanding dengan gas alam, butana, dan propana, tetapi masih lebih tinggi dari gas
batubara (coal gasification). Selain itu gas bio adalah ramah lingkungan, karena
sumber bahannya memiliki rantai karbon yang lebih pendek bila dibandingkan
dengan minyak tanah, sehingga gas CO yang dihasilkan relatif lebih sedikit. Nilai
kalori gas bio tergantung pada komposisi metana dan karbondioksida, dan kandungan
air di dalam gas. Gas mengandung banyak kandungan air akibat dari temperatur pada
saat proses, kandungan air pada bahan dapat menguap dan bercampur dengan metana.
Tabel 2.10. Perbandingan Nilai Kalor terhadap Gas Bio
Jenis Gas Nilai Kalor (Joules per cm3)
Gas Batu Bara 16,7 – 18,5
Gas Bio 20 – 26
Gas Alam 38,9 – 81,4
Gas Propana 81,4 – 96,2
Gas Butana 107,3 – 125,8
Sumber: Meynell, 1976
Pada gas bio dengan kisaran normal 60 - 70 % metana dan 30 - 40 %
karbondioksida, dengan nilai kalori antara 20 – 26 J/cm3. Nilai kalori bersih dapat
dihitung dari persentase metana sebagai berikut (Meynel, 1976):
Q = k × m (2.1.)
dengan:
Q = Nilai kalor bersih (joule/cm3)
k = Konstanta (0,33 joule/cm3)
m = Persentase metana (%)
2.7. Tipe Digester Gas Bio
Terdapat dua tipe digester yang telah umum dikembangkan, yaitu tipe batch
dan continous. Setiap tipe memiliki kelebihan dan kekurangannya masing masing.
2.7.1. Tipe Batch
Pada tipe batch, bahan organik ditempatkan di tanki tertutup dan diproses
secara anaerobik selama 2 – 6 bulan tergantung pada jumlah bahan yang dimasukkan.
Isi dari digester biasanya dihangatkan dan dipertahankan temperaturnya. Selain itu
gambar 2.3, diperlihatkan biodigester tipe batch model parit. Sedangkan pada gambar
Gambar 2.3. Biodigester Tipe Batch Model Parit
Tipe digester ini tidak membutuhkan banyak perhatian selama proses.
Meskipun demikian hampir semua bahan organik tetap akan diproses. Efisiensi
maksimal dari proses hanya dapat diharapkan bila digester diisi dengan hati-hati.
Ruang yang terbuang dan udara yang terjebak di dalam sludge harus dihindarkan
karena akan menghambat pembentukan gas metana. Rasio C/N harus dikontrol
dengan baik pada awal proses, karena sulit untuk memperbaiki bila digester sudah
mulai memproses. Tipe Batch digunakan untuk mengetahui kemampuan bahan yang
diproses sebelum unit yang besar dibangun. Miniatur tipe batch dirancang oleh Henry
Doubleday Research Association (Gambar 2.4).
Gambar 2.4. Biodigester Tipe Batch Model Tangki Sesudah
Kedap Udara Pipa dan Kran
Pengumpul Gas Bio
Sampah Organik
Digester ini memiliki volume 10 liter dan cocok digunakan sebagai percobaan
di laboratorium. Selain itu Gas bio Plant Ltd. telah memproduksi Dustbin digester
dengan volume 34 liter, hampir sama dengan yang dibuat Fry yang terbuat dari drum
bekas, hanya saja Dustbin memiliki konstruksi yang lebih rumit (Meynell, 1976).
Tipe batch memiliki keuntungan lain yaitu dapat digunakan ketika bahan
tersedia pada waktu-waktu tertentu dan bila memiliki kandungan padatan tinggi (25
%). Bila bahan berserat sulit untuk diproses, tipe batch akan lebih cocok dibanding
tipe aliran kontinyu (continuos flow), karena lama proses dapat ditingkatkan dengan
mudah. Bila proses terjadi kesalahan, misalnya karena bahan beracun, proses dapat
dihentikan dan dimulai dengan yang baru (Meynell, 1976).
2.7.2. Tipe Aliran Kontinyu (Continuos Flow)
Pada tipe aliran kontinyu bahan dimasukkan ke dalam digester secara teratur
pada satu ujung dan setelah melalui jarak tertentu, keluar di ujung yang lain (Gambar
2.5). Tipe ini dapat mengatasi masalah pada proses pemasukan dan pengosongan
pada tipe batch. Terdapat dua jenis dari tipe aliran kontinyu :
1. Vertikal, dikembangkan oleh Gobar Gas Institute, India
2. Horisontal, dikembangkan oleh Fry di Afrika Selatan dan California, selain itu
dikembangkan oleh Biogas Plant Ltd. dengan digester yang terbuat dari karet
Sumber: Meynell, 1976. diadaptasi
Gambar 2.5. Digester tipe aliran bersambung
Selain itu terdapat beberapa jenis digester gas bio yang biasa digunakan.
Digester ini dibuat dengan bahan dasar batu bata dan semen (The Pembina Institute,
2006), digester tersebut adalah Fixed dome dan Floating Drum. Jenis Fixed Dome ini
(Gambar 2.6) terdiri dari bagian pencerna yang berbentuk kubah tertutup yang tidak
dapat dipindah pindah, penahan gas kaku, dan baskom pemindah substrat
(keseimbangan). Bagian silinder pencerna terbuat dari beton, walaupun demikian
efektifitas penggunaan gasnya rendah, karena fluktuasi tekanan tidak konstan, selain
itu bahan beton tidak kedap air, sehingga pada bagian penyimpanan gas harus dicat
dengan bahan yang kedap udara seperti lateks atau cat sintetis. Unit pencerna jenis
Fixed Dome sebaiknya dibenamkan di dalam tanah, hanya bagian penahan gas yang
menonjol di permukaan tanah. Hal ini dimaksudkan untuk menjaga kestabilan
temperatur.
Keuntungan unit pencerna ini adalah umur pakai panjang (20 tahun),
tidak kedap air karena terbuat dari beton, tekanan gas tidak konstan, dan hanya dapat
dibuat dengan baik apabila dikerjakan oleh tenaga ahli.
Katup Keluar Gas
Bak Pencampur &
Saluran Input Saluran Keluar
Untuk Limbah
Gambar 2.6. Digester Tipe ContinousModel Fixed Dome
Digester Floating Drum terdiri dari ruang pencerna berbentuk silinder atau
kubah yang dapat bergerak, penahan gas mengapung atau drum (Gambar 2.7).
Pergerakan penahan gas dipengaruhi oleh proses fermentasi dan pembentukan gas.
Bagian drum sebagai tempat tersimpannya gas yang terbentuk mempunyai rangka
pengarah agar pergerakan drum stabil. Keuntungan unit pencerna floating drum
adalah mudah dioperasikan, produksi gasnya dapat dimonitor dan tekanan konstan.
mudah berkarat dan bersifat inhibitor terhadap pertumbuhan bakteri atau
Ramli Tarigan : Pema yak Dan Gas, 2009 USU Repository © 20
nfaatan Biogas Kotoran Ternak Sapi Sebagai Pengganti Bahan Bakar Min 08
Digester terbuat dari PVC berbentuk balon
Gas Bio (Metana)
Slurry
Generator gas bio dilindungi dari sinar matahari untuk mengurangi perubahan suhu
Katup Keluar Gas
Gas bio dikumpulkan di drum baja yang
Gambar 2.7. Biodigester Tipe Continous Model Floating Drum
Bila substratnya mengandung bahan berserat, pengeluaran gas akan
terhambat, karena pembentukan buih yang banyak. Pada Gambar 2.8, diperlihatkan
2.8. Komponen Utama Reaktor Gas Bio
Komponen utama reaktor gas bio terdiri dari: saluran masuk slurry, saluran
keluar residu, katup pengaman tekanan, separator, dan saluran gas.
2.8.1. Saluran Masuk Slurry
Campuran kotoran hewan (sapi atau kambing) dan air yang membentuk slurry
dimasukkan melalui saluran masuk slurry. EPA USA 2002 menyarankan agar reaktor
gas bio menggunakan slurry dengan kandungan padatan maksimal sekitar 12,5 %.
Dalam tataran praktis, (Aguilar, 2001) menyarankan perbandingan 1 ember (ukuran
standar) kotoran hewan dicampur dengan 5 ember air. Kotoran hewan dan air harus
dimasukkan sudah dalam keadaan tercampur (slurry). Hal ini untuk memudahkan
pengaliran slurry di dalam tangki utama serta menghindari terbentuknya sedimentasi
yang akan menyulitkan pengaliran selanjutnya. Slurry bisa dimasukkan hingga 3/4
volume tangki utama (Forst, 2002). Volume sisa di bagian atas tangki utama
diperlukan sebagai ruang pengumpulan gas serta menghindari penyumbatan saluran
gas oleh slurry. Proses produksi metana ini berlangsung dalam lingkungan anaerob,
maka slurry harus menutup saluran masuk ataupun saluran keluar tangki utama.
Pada umumnya, produksi gas metana yang optimum akan terjadi selama 20 –
30 hari (Forst, 2002). Hal ini berarti harus diperkirakan bahwa slurry akan berada
harga (t)yang dipilih, akan dapat ditentukan banyaknya penambahan slurry setiap
harinya. Untuk reaktor yang baru beroperasi, disarankan untuk membiarkan reaktor
tersebut selama beberapa hari, sebelum dilakukan pengisian slurry secara rutin setiap
harinya. Jumlah slurry yang perlu dimasukkan setiap hari dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan:
Dengan mslurry adalah penambahan slurry per-hari (liter/hari), D adalah
diameter tangki utama (dalam meter ), h adalah tinggi/panjang tangki utama dan
t = 20 – 30 hari. Sedangkan untuk setiap liter slurry, batasan EPA yang menyarankan
kandungan padatan maksimal 12,5% dapat di jadikan patokan untuk menghitung
massa kotoran sapi yang diperlukan.
2.8.2. Saluran Keluar Residu
Bila aliran di dalam tangki cukup lancar, maka kesetimbangan tekanan
hidrostatik slurry akan menyebabkan sebagian residu keluar manakala slurry
ditambahkan ke saluran masuk tangki utama.
2.8.3. Katup Pengaman Tekanan
Prinsip kerja katup ini adalah pipa T mampu menahan tekanan di dalam
saluran gas setara dengan tekanan kolom air pada pipa T tersebut (Munson, et.al.
2002). Bila tekanan di dalam saluran gas lebih tinggi dari tekanan kolom air ,maka
kembali turun. Bila tinggi air yang masuk di dalam pipa T adalah h, maka tekanan
yang bisa ditahan pipa T adalah :
P = gh
(2.3)dengan P adalah tekanan (Pa), adalah densitas air [1000 kg/m3 pada temperatur dan
tekanan standar], g adalah percepatan gravitasi [9.81 m/s2].Tinggi air yang perlu
masuk di dalam pipa T tersebut harus disesuaikan dengan kekuatan tekanan yang
sanggup ditahan konstruksi reaktor (termasuk kantung penyimpan gas). Ini terutama
penting untuk bahan reaktor yang terbuat dari kantung polyethylene (polyethylene
bag). Untuk reaktor yang terbuat dari kantung polyethylene, (Aguilar, 2001)
menyarankan tinggi air di dalam pipa T sebesar 8 - 10 cm, sedangkan Ezekoye dan
Okeke dkk menyarankan harga 4-5 cm. Semakin tinggi kolom air di dalam pipa T,
maka makin besar tekanan di dalam reaktor yang bisa ditahan katup pengaman; ini
akan memberikan tekanan gas metana keluar yang lebih tinggi.
Namun penggunaan tekanan tinggi ini perlu disesuaikan dengan kekuatan
reaktor gas bio. Untuk reaktor yang menggunakan bahan kantung polyethylene,
disarankan untuk menggunakan harga kolom air sekitar 5 – 10 cm. Perlu dicatat
bahwa bila kedua saluran slurry masuk dan keluar selalu berada dalam kondisi
terbuka, maka pergerakan kolom air di dalam pipa T juga akan mempengaruhi
pergerakan slurry di dalam reaktor. Bila densitas slurry diperkirakan sebesar 2 kali
densitas air, tekanan yang menyebabkan pergerakan 8 cm kolom air di dalam pipa T
di dalam pipa saluran masuk/keluar sebesar 4 cm (muka slurry di saluran
masuk/keluar lebih tinggi 4 cm daripada muka slurry di dalam reaktor).
Oleh karena itu disarankan untuk menggunakan pipa saluran slurry
masuk/keluar yang memungkinkan permukaan slurry di dalam saluran pipa
masuk/keluar bisa lebih tinggi dari permukaan slurry di dalam reaktor. Pengukuran
densitas slurry dapat dilakukan secara sederhana dengan menggunakan ember yang
telah diketahui volumenya (V) (dalam liter). Bila massa slurry pada satu ember
tersebut adalah ms [kg], maka densitas slurry dapat dihitung dengan cara:
slurry =
Harga densitas slurry (Persamaan (3)) dapat digunakan untuk memperkirakan
perbedaan ketinggian muka slurry di dalam reaktor dan pipa saluran masuk/keluar
dengan menggunakan Persamaan (2).
2.8.4. Separator
Separator di dalam reaktor gas bio (lihat Gambar 2.1, bagian 1) memiliki
fungsi untuk mengarahkan aliran slurry di dalam reaktor sehingga dapat dipastikan
bahwa setiap bagian slurry akan berada di dalam reaktor selama masa HRT. Untuk
membantu kelancaran aliran slurry di dalam reaktor, maka disarankan untuk
menggunakan slurry dengan kandungan padatan yang sesuai dengan rekomendasi
EPA USA (maksimal sekitar 12,5%). Bila slurry terlalu banyak mengandung padatan,
mengganggu kelancaran aliran slurry selanjutnya. Pengadukan bisa dilakukan untuk
menghindarkan terjadinya sedimentasi (endapan) di dalam reaktor. Pengadukan bisa
dilakukan secara teratur setiap selang waktu tertentu. Selain berfungsi untuk
menghindarkan terjadinya sedimentasi, pengadukan pada slurry dengan kandungan
padatan sekitar 10% akan meningkatkan produksi gas di dalam reaktor cukup
signifikan (Forst, 2001). Disarankan untuk membuat sistem pengaduk yang
terintegrasi dengan bangunan reaktor. Sistem pengaduk bisa menggunakan tenaga
listrik ataupun manual. Namun mengingat prinsip kesederhanaan reaktor skala
kecil/menengah, disarankan untuk membuat sistem pengaduk manual.
2.8.5. Saluran Gas
Gas dari reaktor gas bio ini bersifat korosif (Aguilar, 2001), maka saluran gas
disarankan dibuat dari bahan polymer (bisa berupa pipa PVC ataupun selang PVC
dengan sambungan yang cukup kuat). Bahan transparan lebih disukai untuk saluran
gas (terutama pada bagian horizontal) karena penguapan cairan di dalam reaktor serta
hasil reaksi dari dalam reaktor akan berpotensi menyebabkan genangan air yang bisa
menyebabkan penyumbatan saluran gas.
Untuk keperluan pembakaran gas pada kompor, maka pada bagian ujung
saluran pipa bisa disambung dengan pipa baja anti karat (berbentuk serupa nosel).
Bila tekanan gas di dalam kantung penyimpan gas (untuk konstruksi fixed dome)
sudah cukup tinggi atau posisi floating drum sudah cukup terangkat, maka katup
baru biasanya bisa menghasilkan cukup gas untuk memasak setelah 20 – 30 hari,
sesuai dengan HRT yang umum digunakan (Aguilar, 2001; Ezekoye dan Okeke,
2006). Untuk memenuhi kebutuhan memasak sebuah keluarga dengan jumlah
anggota 6 orang, diperlukan 6 ekor sapi dengan volume reaktor gas bio 8.4 m3.
2.9. Pengujian
Pengujian dilakukan pada bahan dan gas bio, yaitu dengan mengukur
kemampuan digester yang dilihat dari temperatur yang bekerja, tingkat keasaman
(pH), jumlah koloni bakteri pada sampel yang dihitung dengan metoda hitungan
cawan, dan kemampuan dekomposisi bahan oleh biodigester dengan menghitung
jumlah volatil solid yang berubah menjadi gas. Kemudian mengukur volume gas
yang dihasilkan, kandungan gas bio, dan nilai kalor bersih.
2.9.1. Parameter yang Diamati
Ada beberapa parameter yang perlu diamati dalam pembuatan gas bio, antara
lain: tekanan penampung dan kemampuan digester.
2.9.1.1. Tekanan Penampung Gas Bio
Tekanan gas pada penampung dapat diukur dengan menggunakan manometer
U. Manometer digunakan untuk mengukur beda antara tingkat tekanan di suatu titik
satu selang manometer dihubungkan dengan penyimpan gas sedangkan lubang
satunya terbuka terhadap tekanan udara luar.
Gambar 2.9. Manometer U
Sehingga dapat diuraikan persamaan tekanan yang terjadi, sebagai berikut:
P + gasbio gXi + gX = Pa + gH (3) (2.5)
dengan:
P = Tekanan dalam penyimpan (N/m2)
Pa = Tekanan udara luar (1 atm) = massa jenis fluida (kg/m3)
gas bio = massa jenis gas bio (kg/m3)
g = gravitasi (9,81 m/s2)
X = tinggi fluida (m)
Xi = tinggi gas dalam manometer (m)
H = tinggi fluida (m )
2.9.1.2. Kemampuan Digester
Parameter yang diamati untuk menguji kemampuan biodigester adalah
temperatur bahan isian, tekanan gas, keasaman (pH), dan volume dan komposisi gas
bio yang terbentuk
Parameter-parameter ini diukur pada tiga lubang sampel uji pada biodigester.
Tiap lubang sampel memiliki jarak sekitar 20 cm. Temperatur merupakan faktor
lingkungan yang berpengaruh terhadap pertumbuhan bakteri dan jenis bakteri yang
bekerja yang pada akhirnya berpengaruh pada produksi gas metana. Oleh sebab itu
diperlukan pengukuran variabel ini, untuk mengetahui pada temperatur berapa
digester ini bekerja. Pengukuran temperatur dilakukan pada tiga lubang sampel setiap
hari dengan menggunakan termometer digital.
Bila proses fermentasi berlangsung dalam keadaan normal dan anaerobik,
maka pH akan secara otomatis berkisar antara 7 – 8,5. Bila derajat keasaman lebih
kecil atau lebih besar, maka substrat tersebut akan mempunyai sifat toksik terhadap
bakteri metanogenik. Pengukuran pH dilakukan pada tiga lubang sampel dengan
menggunakan pH meter digital.
2.9.2. Pengujian Gas Bio
Pengujian gas bio yang perlu diamati antara lain: volume gas yang dihasilkan,
persentase gas metana, dan nilai kalor bersih.
2.9.2.1. Volume Gas yang Dihasilkan
Produksi gas bio diukur pada penyimpan gas dengan menggunakan alat ukur
meteran dan manometer U. Penyimpan gas memiliki pemberat pada puncaknya,
sehingga memudahkan dalam menghitung tinggi yang dihasilkan oleh akumulasi gas
pada plastik penyimpan. Volume penampung gas dapat dihitung menggunakan rumus
V =
× r
2×
t ...…..……...(2.6)
Volume gas yang diproduksi diukur setelah biodigester terisi penuh dan
diukur tiap hari selama 16 hari. Volume gas dihitung dengan cara menghitung volume
yang dapat dibentuk gas pada penyimpan sementara per hari dan diukur tekanannya.
Pengukuran dilakukan setiap jam 12.00 siang. Selanjutnya dapat dihitung massa gas
yang dihasilkan melalui persamaan berikut:
PV = mRT ………..………(2.7)
2.9.2.2. Persentase Gas Metana dan Nilai Kalor Bersih Gas Bio
Persentase gas metana yang dihasilkan dapat diketahui dengan menggunakan
GCMS (Gas Chromatograph Mass Spectrometer). Untuk menentukan persentase gas
metana dapat dihitung dengan nilai kalor bersih gas bio seperti dalam persamaan
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Pembuatan Digester Gas Bio
Pembuatan digester gas bio bertujuan untuk menghasilkan sumber energi
alternatif yang ramah lingkungan, murah, mudah, dan dapat diperbaharui
(renewable). Kandungan gas bio didominasi oleh gas metana (CH4) yang merupakan
hasil sampingan dari proses degradasi bahan organik, misalnya: kotoran ternak dan
sampah organik. Pemanfaatan kotoran ternak selain dapat menghasilkan gas bio
untuk bahan bakar juga membantu kelestarian lingkungan dan memperoleh
manfaat-manfaat lain, seperti: pupuk yang baik bagi tanaman dan kehidupan di dalam air
(aqua kultur), mencegah lalat, dan bau tidak sedap yang berarti ikut mencegah
sumber penyakit.
Rancang bangun biodigester yaitu dari galon air mineral sebagai biodigester
dan penampung gas digunakan plastik polyethilene. Ember pencampur bahan
digunakan untuk mengkondisikan slurry bahan sebelum dimasukan ke dalam
biodigester. Biodigester dari bahan galon air mineral, terdiri dari: volume bahan
slurry 14,25 liter sedangkan volume total 19 liter. Lama proses pengeraman
dikondisikan selama 16 hari dan penampung gas dari plastik polyethylene yang
3.2. Tempat dan Waktu Penelitian
Waktu pelaksanaan penelitian dimulai pada bulan Januari 2009 – Mei 2009,
perancangan, pembuatan alat, dan pengujian dilakukan di Laboratorium Rekayasa
Material, Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Puspiptek Serpong Tangerang - Banten
3.3. Alat dan Bahan
3.3.1. Alat
1. Cutter
2. Gunting
3. Kunci/Tang
4. Sarung tangan karet
5. Bor listrik
6. Hot glue
7. Sealtape
8. Kertas amplas
3.3.2. Bahan
1. Galon air mineral volume: 19 liter
2. Plastik untuk penampung gas, volume 1 liter
3. Pipa tembaga (panjang: 40 cm, diameter dalam: 6,5 mm)
5. Gabus (sebagai penyumbat galon, 1 buah)
6. Tutup botol plastik
7. Selang plastik (panjang: 1,5 m, diameter dalam 4 mm)
8. Barb fittings (1/4” x 1/4”, 2 buah)
9. Ball valve (1/4”)
10. Corong plastik (untuk memasukan bahan atau slurry)
11. Pengaduk kayu (panjang: 30 – 50 cm, tebal: 2 – 3 cm)
12. Kotoran sapi
13. Sampah organik
14. Air
3.4. Metode Penelitian
Bahan organik yang akan dijadikan sebagai bahan pembuatan bio gas adalah
kotoran sapi dan sampah organik yang diambil dari pasar atau sampah rumah tangga,
yaitu: sisa sayuran, potongan rumput, bongkol jagung, dan lainnya. Sampah organik
ini kemudian dipotong kecil – kecil (± 5 cm) dengan pisau pencacah, lalu dihaluskan
dengan blender untuk mempercepat proses reaksi metanogenik. Air yang digunakan
untuk mengencerkan bahan organik adalah air PDAM. Skema komposisi bahan
Tabel 3.11. Komposisi bahan baku (BB) (% Volume) dan variasi pengenceran
Kelompok I Kelompok II
Variasi Pengenceran Variasi Pengenceran
(BB : Air = 1 : 2) (BB : Air = 1 : 4)
Kotoran Sapi Sampah Organik Kotoran Sapi
(% vol)
Pengenceran atau pembentukan slurry dilakukan dengan dua variasi
penambahan bahan baku terhadap air, yaitu 1 : 2 dan 1 : 4 % volume. Sedangkan
volume total digester yang digunakan adalah 19 liter. Volume inilah yang digunakan
untuk menentukan volume bahan baku dan air yang digunakan pada proses
penelitian. Slurry dimasukkan hingga 3/4 volume biodigester. Volume sisa di bagian
atas biodigester diperlukan sebagai ruang pengumpulan gas serta menghindari
penyumbatan saluran gas oleh slurry. Kondisi input yang dikontrol selama proses
penelitian, antara lain:
1. Pengadukan bahan organik dilakukan sampai diperoleh campuran yang
yang terjebak di dalam sludge karena akan menghambat pembentukan gas
metana.
2. Biodigester dilindungi dari sinar matahari untuk mengurangi perubahan suhu.
3. Rasio C/N kotoran sapi = 25; dan sampah organik = 15.
4. Kondisi temperatur digester 33 – 35ºC, suhu dipertahankan stabil dengan
memasukkan biodigester dalam penangas air yang bersuhu 35oC.
5. Kondisi pH = 6 – 8.
1. Membuat slurry kotoran hewan, sampah organik, dan campuran antara kotoran
hewan-sampah organik, dengan komposisi yang telah ditentukan di dalam bak
pencampur (ember). Tujuan dari pembentukan slurry ini adalah memudahkan
pengaliran slurry di dalam tangki utama serta menghindari terbentuknya
sedimentasi yang akan menyulitkan pengaliran selanjutnya. Selain itu, unutk
mengetahui kondisi pengeceran yang optimum untuk pembentukan gas bio.
2. Mengalirkan slurry tersebut melalui saluran slurry (corong) ke dalam tangki
karena untuk mendapatkan ruang sisa yang diperlukan sebagai ruang
pengumpulan gas dan menghindarkan terjadinya penyumbatan saluran gas oleh
slurry. Perlu diperhatikan bahwa proses produksi metana berlangsung dalam
lingkungan anaerob, jadi perlu diperhatikan setiap sambungan untuk
menghindari udara masuk atau kebocoran.
3. Proses pembentukan gas bio dengan mendiamkan slurry di tangki utama untuk
periode pengeraman tertentu. Proses pemeraman atau pendiaman slurry di
dalam tangki ini adalah untuk memungkinkan terjadinya fermentasi zat organik
yang menghasilkan gas metan (metanogenik). Untuk penampung gas yaitu
terbuat dari plastik polyethylene, proses pembentukan gas ditandai dengan
menggembung atau mengerasnya plastik penampung.
4. Pengamatan dan pengumpulan data penelitian yang dilakukan setiap hari selama
masa pengeraman slurry di tangki utama. Adapun data penelitian yang diamati
adalah volume, tekanan, dan komposisi gas bio yang terbentuk.
5. Analisis dilakukan untuk melihat pengaruh komposisi bahan organik dan variasi
pengenceran slurry terhadap gas bio yang dihasilkan.
6. Kesimpulan berdasarkan hasil pengolahan data dan analisa sehingga dapat
ditarik kesimpulan mengenai komposisi bahan organik dan variasi pengenceran
yang paling efektif dalam menghasilkan gas bio.
Pengeraman
di dalam tangki utama (galon air mineral)
Kesimpulan dan Saran Pencampuran Bahan Baku
kotoran sapi dan air; sampah organik dan air, kombinasi ks/so dan air
Analisis Pengaliran Slurry ke Tangki Utama
max. ¾ volume tangki
Pembentukan Slurry
campuran homogen antara: bahan baku (kotoran hewan/sampah organik) dan air
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil Pengujian
Pengujian yang dilakukan meliputi pengukuran: temperatur bahan, tingkat
keasaman (pH), tekanan penampung gas bio, produksi gas bio kumulatif, volume dan
Komposisi Gas Bio.
4.1.1. Temperatur Bahan
Temperatur yang bekerja pada bahan baku pembuatan gas bio berkisar
33 – 35oC, rentang nilai temperatur tersebut sesuai dengan temperatur yang
dikondisikan pada tahap perancangan. Suhu dipertahankan mendekati stabil dengan
memasukkan biodigester di dalam penangas air yang bersuhu 35oC. Dengan
mengetahui variabel ini kita dapat melihat kemampuan digester dalam mencerna
bahan. Pada temperatur ideal 35oC bahan (kotoran sapi atau sampah organik) dapat
dicerna selama rentang 15 – 20 hari. Karena pada rentang temperatur mesophilic 30 –
35oC yaitu mendekati temperatur optimal maka dapat dipastikan kemampuan bakteri
untuk mencerna bahan akan bekerja dengan lama proses yang optimal.
4.1.2. Keasaman (pH)
Tingkat keasaman yang diukur pada bahan masih berada dalam batas yang
