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
Ema 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
Dari penelitian ini pada variabel sirkulasi 1 : 0,5 diperoleh Yield biogas 0,2822 m
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).
3/kgCOD
removal.hari,
1 : 1 diperoleh Yield biogas 0,3104 m3/kgCODremoval.hari, 1 : 1,5 diperoleh Yield biogas 0,4037
m3/kgCODremoval.hari, 1 : 2 diperoleh Yield biogas 0,3451 m3/kgCODremoval.hari. Yield biogas optimum pada 1 :
2 (0,3451 m3/kgCODremoval.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.
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 anaerobikdigestion. 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
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
Keuntungan biogas sebagai energi alternatif dibandingkan sumber energi lain adalah sebagai berikut :
, maka potensi produksi biogas Indonesia setara dengan minyak tanah sebesar 3.786.092 liter/hari.
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
bioreaktor anaerobik UASB dengan volume 4.500 Liter.
1.2 Rumusan Permasalahan
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.
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
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.
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
Tabel III.1 Proses kegiatan pembuatan stater . Pembuatan stater ini membutuhkan waktu antara 8 - 10 hari, untuk lebih jelasnya selama proses tersebut dapat dilihat pada Tabel III.1
Hari ke- Kegiatan Keterangan 1 Memasukan air sebesar 3,6 m3 Menggunakan 740 liter air dari reaktor untuk mengencerkan 240 kg kotoran sapi yang akan masuk kedalam reactor
kedalam reaktor
Gas holder tidak mengalami kenaikan ( belum menghasilkan gas) 2 Kotoran sapi sebanyak 240 kg diencerkan dengan air yang berasal dari dalam reaktor sebesar 740 liter
Gas holder tidak mengalami kenaikan ( belum menghasilkan gas) 3 Kotoran sapi sebanyak 240 kg diencerkan dengan air yang berasal dari dalam reaktor
Gas holder tidak mengalami kenaikan ( belum menghasilkan gas) sebesar 740 liter 4 Kotoran sapi sebanyak 240 kg diencerkan dengan air yang berasal dari dalam reaktor sebesar 740 liter
Gas holder mulai mengalami
kenaikan ( 5 cm)
5 Kotoran sapi
sebanyak 240 kg diencerkan dengan air yang berasal dari dalam reaktor Gas holder mengalami kenaikan (9 cm) 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 ) Api yang dihasilkan dari biogas tidak terlalu bagus karena banyak udara bebas yang terkandung dalam gas holder oleh sebab itu isi gas holder dibuang.
III.2 Pengaruh Variasi Waktu Sirkulasi Terhadap Produksi Biogas
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh waktu sirkulasi terhadap produksi gas per kg CODremoval
1. Meningkatkan konsentrasi biomass dalam reaktor
. Sirkulasi yang dilakukan pada percobaan ini mempunyai manfaat sebagai berikut :
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.
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
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 CODin 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.2 Pengaruh sirkulasi terhadap % COD removal
Gambar IV.2 grafik hubungan antara CODinfluent, CODeffluent dan % CODremoval. Dari gambar diatas terlihat bahwa semakin besar sirkulasi maka CODeffluent 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 CODinfluent di hari ke - 21 mengalami kenaikan, dimana jumlah COD yang masuk cukup besar karena komposisi
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 % CODremoval 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.
Gambar III.3 Pengaruh sirkulasi terhadap produksi biogasper kgCODremoval
Dari Gambar III.3 dapat dilihat bahwa produksi gas per kg COD
.
removal yang maksimal untuk feed kotoran sapi adalah 0,3451 m3/kg
CODremoval. 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 CODremoval, 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 CODremoval
III.2 Komposisi Methane
. 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.
Pada penelitian ini untuk mengetahui komposisi gas methane pada biogas yang
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 CODremoval juga semakin besar, % CODremoval
2. Produksi biogas maksimal pada sirkulasi 1 : 2 dan produksi biogas sebesar 0,3451 m
maksimum yang di dapat sebesar 71,33%
3
/kg.CODremoval belum mencapai target yang diinginkan yaitu sebesar 0,38 m3/kg.CODremoval
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
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
