Makalah biogas

22
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Kelangkaan atau berkurangnya sumber bahan bakar fosil serta meningkatnya permintaan, telah memicu para ilmuwan/peneliti untuk menemukan dan mengembangkan sumber energi alternatif [1]. Salah satu energi alternatif adalah biogas. Biogas merupakan campuran yang mudah terbakar yaitu 50-80% metana, 15-45% karbon dioksida, 5% air dan sejumlah H 2 , NH 3 dan H 2 S, biasanya dihasilkan dari fermentasi organik dalam kondisi anaerobik oleh campuran populasi mikroorganisme [2]. Fermentasi anaerobik dari limbah pertanian, kota dan industri memiliki nilai lingkungan yang lebih karena dapat menggabungkan limbah buangan dengan pembentukan biogas kemudian residu padat atau cairnya dapat digunakan sebagai pupuk . Gas metana yang dihasilkan dari bahan baku yang berbeda telah diteliti, oleh para peneliti dari berbagai negara sebagian sumber energi alternatif untuk tujuan domestik dan industri seperti pembangkit energi mekanik, listrik, dan panas. Pentingnya poduksi biogas dari sumber bahan pertanian juga telah banyak diminati di berbagai negara [3]. Thailand adalah salah satu negara utama dunia pertanian dan sebagian besar dari lahan yang dapat 1

description

bahan kolokium

Transcript of Makalah biogas

Page 1: Makalah biogas

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kelangkaan atau berkurangnya sumber bahan bakar fosil serta meningkatnya

permintaan, telah memicu para ilmuwan/peneliti untuk menemukan dan

mengembangkan sumber energi alternatif [1]. Salah satu energi alternatif adalah

biogas. Biogas merupakan campuran yang mudah terbakar yaitu 50-80% metana,

15-45% karbon dioksida, 5% air dan sejumlah H2, NH3 dan H2S, biasanya

dihasilkan dari fermentasi organik dalam kondisi anaerobik oleh campuran

populasi mikroorganisme [2]. Fermentasi anaerobik dari limbah pertanian, kota

dan industri memiliki nilai lingkungan yang lebih karena dapat menggabungkan

limbah buangan dengan pembentukan biogas kemudian residu padat atau cairnya

dapat digunakan sebagai pupuk .

Gas metana yang dihasilkan dari bahan baku yang berbeda telah diteliti, oleh

para peneliti dari berbagai negara sebagian sumber energi alternatif untuk tujuan

domestik dan industri seperti pembangkit energi mekanik, listrik, dan panas.

Pentingnya poduksi biogas dari sumber bahan pertanian juga telah banyak

diminati di berbagai negara [3].

Thailand adalah salah satu negara utama dunia pertanian dan sebagian besar

dari lahan yang dapat diairi dialokasikan untuk budidaya berbagai tanaman,

termasuk singkong. Pemerintah Thailand bermaksud untuk mempromosikan

penggunaan bioenergi dari etanol, biodiesel, biomassa dan biogas dan bahan bakar

alternatif dapat dibuat dari bahan baku yang murah dan berlimpah seperti

singkong, gula, beras, jagung dan kelapa sawit. Hasil rata-rata nasional untuk

singkong sekitar 22 ton per hektar yang lebih tinggi dari rata-rata dunia [3].

Sebuah studi sebelumnya digunakan umbi singkong sebagai bahan baku

ditambah dengan urea untuk produksi biogas dengan fermentasi fase tunggal dan

metana yang diperoleh 67.92% setelah fermentasi jangka waktu 30 hari [4].

Dalam penelitian ini, diteliti penggunaan umbi singkong sebagai bahan baku

produksi metana dengan memanfaatkan fermenasi dua-tahap. Sistem dua tahap

memisahkan hidrolisis dan organisme acidogenik, dan metanogen menjadi dua

1

Page 2: Makalah biogas

reaktor terpisah. Karena nutrisi dan persyaratan pertumbuhan organisme

acidogenic dan metanogen mungkin berbeda, sistem dua tahap dapat dioperasikan

untuk memberikan kondisi yang optimal bagi mikroorganisme dalam setiap tahap

untuk efisiensi yang lebih besar dalam proses fermentasi.

1.2 Tujuan Penelitian

Penelitian yang telah dilakukan oleh Pramote dkk ini bertujuan untuk meneliti

penggunaan umbi singkong sebagai bahan baku produksi metana dengan

memanfaatkan fermentasi dua tahap.

2

Page 3: Makalah biogas

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Biogas

Biogas merupakan produk akhir dari proses dekomposisi anaerobik. Proses

ini dapat dibagi menjadi empat tahap yang berbeda. Pada setiap fase, berbagai

kerja mikroorganisme dan enzim saling berketergantungan.

Dalam langkah pertama, yang dikenal sebagai proses hidrolisis, hidrat karbon

dipecah menjadi gula sederhana, protein menjadi asam amino, dan lemak menjadi

asam lemak. Produk-produk dari hidrolisis menjalani proses acidogenic

(acidogenesis) di mana dihasilkan asam organik dan alkohol yang rendah. Proses

selanjutnya acetogenic (acetogenesis) mengarah ke produksi metana. Produk dari

proses acidogenic diubah menjadi asam asetat, karbon dioksida dan hidrogen,

yang merupakan senyawa yang dibutuhkan untuk proses metanogen

(metanogenesis) [5].

Pada umumnya biogas terdiri atas :

- gas metana (CH4) : 50 sampai 70 persen

- gas karbon dioksida (CO2) : 30 - 40 persen

- Hidrogen (H2) : 5 -10 persen

3

Page 4: Makalah biogas

- gas-gas lainnya : dalam jumlah yang sedikit

Keuntungan pengembangan teknologi biogas :

- dapat mengurangi pencemaran udara, tanah, air dan biologis

- untuk pupuk : kompos dan pupuk cair [7]

2.2 Metana

Karakteristik Gas Metana (CH4)

- Biogas kira-kira memiliki berat 20 persen lebih ringan dibandingkan udara

dan memiliki suhu pembakaran antara 650 sampai 750oC.

- Biogas tidak berbau dan berwarna yang apabila dibakar akan menghasilkan

nyala api biru cerah seperti gas LPG.

- Nilai kalor gas metana adalah 20 MJ/ m3 dengan efisiensi pembakaran 60

persen pada konvesional kompor biogas [7].

2.3 Singkong

Gambar 1. Singkong

Singkong, yang juga dikenal sebagai ketela pohon atau ubi kayu, adalah

pohon tahunan tropika dan subtropika dari keluarga Euphorbiaceae. Umbinya

dikenal luas sebagai makanan pokok penghasil karbohidrat dan daunnya sebagai

sayuran.

Jenis singkong Manihot esculenta pertama kali dikenal di Amerika Selatan

kemudian dikembangkan pada masa pra-sejarah di Brasil dan Paraguay. Bentuk-

bentuk modern dari spesies yang telah dibudidayakan dapat ditemukan bertumbuh

liar di Brasil selatan. Meskipun spesies Manihot yang liar ada banyak, semua

varitas M. esculenta dapat dibudidayakan.

4

Page 5: Makalah biogas

Produksi singkong dunia diperkirakan mencapai 184 juta ton pada tahun

2002. Sebagian besar produksi dihasilkan di Afrika 99,1 juta ton dan 33,2 juta ton

di Amerika Latin dan Kepulauan Karibia.

Singkong ditanam secara komersial di wilayah Indonesia (waktu itu Hindia

Belanda) pada sekitar tahun 1810, setelah sebelumnya diperkenalkan orang

Portugis pada abad ke-16 ke Nusantara dari Brasil.

Memiliki nama latin manihot utilissima. Merupakan umbi atau akar pohon

yang panjang dengan fisik rata-rata bergaris tengah 2-3 cm dan panjang 50-80 cm,

tergantung dari jenis singkong yang ditanam. Daging umbinya berwarna putih

atau kekuning-kuningan. Umbi singkong tidak tahan simpan meskipun

ditempatkan di lemari pendingin. Gejala kerusakan ditandai dengan keluarnya

warna biru gelap akibat terbentuknya asam sianida yang bersifat racun bagi

manusia.Umbi singkong merupakan sumber energi yang kaya karbohidrat namun

sangat miskin protein. Sumber protein yang bagus justru terdapat pada daun

singkong karena mengandung asam amino metionin.

Singkong

Kerajaan: Plantae

Divisi: Magnoliophyta

Kelas: Magnoliopsida

Ordo: Malpighiales

Famili: Euphorbiaceae

Upafamili: Crotonoideae

Bangsa: Manihoteae

Genus: Manihot

Spesies: M. esculenta

5

Page 6: Makalah biogas

Nama binomial

Manihot esculenta

Crantz

2.4 Anaerobik digestion

Degradasi mikroba dari senyawa organik, tanpa adanya oksigen, untuk

membentuk biogas (campuran dari 50-70% metana, 30-50% CO2, sejumlah H2,

NH3 dan H2S. Pada anaerobic digestion ini terjadi rangkaian reaksi sebagai

berikut [2] :

Keuntungan dari proses anaerobik [2]:

1. Pemuatan (loading) tidak dibatasi oleh laju perpindahan oksigen.

2. Tidak dibatasi oleh tingginya biaya oksigen transfer.

3. Digunakan produk akhir dalam benuk gas metana.

4. Kurangnya produksi biologis solid per pound dari BODR.

5. Lahan yang dibutuhkan lebih kecil karena footprint yang ditinggalkan

lebih kecil.

Potensi dari anaerobic digestion [2]:

1. Pengurangan bau.

6

KARBON ORGANIK KOMPLEKS

HIDROLISIS

MONOMER DAN OLIGOMER

ACIDOGENESIS

ASAM ORGANIK

ACETOGENESIS

ASETAT – H2/CO2

METANOGENESIS

CH4

Page 7: Makalah biogas

2. Produksi dari bahan bakar biogas.

3. Mengurangi polusi.

4. Dapat membentuk pupuk.

5. Meningkatkan manajemen limbah dan kebersihan.

Faktor-faktor yang berpengaruh pada Anaerobik Digestion :

(a) Nilai pH

Produksi biogas secara optimum dapat dicapai bila nilai pH dari campuran

input didalam pencerna berada pada kisaran 6 dan 7. Pada tahap awal proses

fermentasi, asam organik dalam jumlah besar diproduksi oleh bakteri pembentuk

asam, pH dalam pencerna dapat mencapai dibawah 5. Keadaan ini cenderung

menghentikan proses pencernaan atau proses fermentasi. Bakteri-bakteri

metanogenik sangat peka terhadap pH dan tidak bertahan hidup dibawah pH 6.6.

Kemudian proses pencernaan berlangsung, konsentrasi NH4 bertambah

pencernaan nitrogen dapat meningkatkan nilai pH diatas 8. Ketika produksi

metana dalam kondisi stabil, kisaran nilai pH adalah 7,2 sampai 8,2.

(b) Suhu

Bakteri metanogen dalam keadaan tidak aktif pada kondisi suhu ekstrim

tinggi maupun rendah. Suhu optimum yaitu 35oC. Ketika suhu udara turun sampai

10oC produksi gas menjadi berhenti. Produksi gas sangat bagus yaitu pada kisaran

mesofilik, antara suhu 25oC dan 30oC. Penggunaan isolasi yang memadai pada

pencerna membantu produksi gas khususnya di daerah dingin.

(c) Laju Pengumpanan

Laju pengumpanan adalah jumlah bahan yang diumpankan kedalam pencerna

per unit kapasitas pencerna per hari. Pada umumnya, 6 kg kotoran sapi per m3

volume pencerna adalah direkomendasikan pada suatu jaringan pengolah kotoran

sapi. Apabila terjadi pengumpanan yang berlebihan, terjadi akumulasi asam dan

produksi metana akan terganggu. Sebaliknya bila pengumpanan kurang dari

kapasitas pencerna, produksi gas juga menjadi rendah.

(d) Waktu retensi dalam pencerna (digester)

7

Page 8: Makalah biogas

Waktu retensi dalam pencerna adalah rerata periode waktu saat input masih

berada dalam pencerna dan proses pencernaan oleh bakteri metanogen. Dalam

jaringan pencerna dengan kotoran sapi, Waktu retensi dihitung dengan pembagian

volume total dari pencerna oleh volume input yang ditambah setiap hari. Waktu

retensi juga tergantung pada suhu, dan diatas 35oC atau suhu lebih tinggi, Waktu

retensi semakin singkat.

(e) Toxicitas

Ion mineral, logam berat dan detergen adalah beberapa material racun yang

mempengaruhi pertumbuhan normal bakteri patogen didalam reactor pencerna.

Ion mineral dalam jumlah kecil (sodium, potasium, kalsium, amonium dan

belerang) juga merangsang pertumbuhan bakteri, namun bila ion-ion ini dalam

konsentrasi yang tinggi akan berakibat meracuni. Sebagai contoh, NH4 pada

konsentrasi 50 hingga 200 mg/l merangsang pertumbuhan mikroba, namun bila

konsentrasinya diatas 1500 mg/l akan mengakibatkan keracunan.

Slurry atau residu dari input yang keluar dari lubang pengeluaran setelah

mengalami proses fermentasi oleh bakteri metana dalam kondisi anaerobik

didalam pencerna. Setelah ekstraksi biogas (energi), slurry keluar dari ruang

pencerna sebagai produk samping dari sistem pencernaan secara aerobik. Kondisi

ini, dapat dikatakan manur dalam keadaan stabil dan bebas pathogen serta dapat

dipergunakan untuk memperbaiki kesuburan tanah dan meningkatkan produksi

tanaman.

8

Page 9: Makalah biogas

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Alat dan Bahan

Alat :

Alat yang digunakan dalam penelitian ini yaitu biodigester sistem fermentasi

2 tahap, cawan porselen, neraca analitik, tanur, steam bath, desikator, oven suhu

103-105oC, stirrer magnet, dan pipet, pH meter, culture tube, labu ukur, oven,

Erlenmeyer, buret, sentrifuge, biogas meter,

Bahan :

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu singkong, kultur benih alami,

kultur benih KU (kultur campuran benih dari Kasetsart University (KU)

diperoleh dari Dr Pramote Sirirote, Departemen Mikrobiologi, Kasetsart

University, Bangkok, Thailand), H2O, Sampel campuran POME dan aktivator

sebanyak 25-30 ml, K2Cr2O7 anhidrous, H2SO4 pekat, HgSO4, Ag2SO4, 1,10-

phenantroline monohydrat, FeSO4.7H2O, FAS, NaOH 0,1N, indicator fenoftalein,

3.2 Metoda Penelitian

Pembuatan Kultur Benih Alami

500 g kotoran sapi kering (peternakan sapi di Provinsi Petchaburi, Thailand) dan

500 g lumpur (taman Raja Mongkut, Raja Mongkut Institut Teknologi

Ladkrabang, Bangkok, Thailand) dicampur dalam wadah plastik, ditambahkan 5,8

L air dan ditinggalkan pada suhu kamar untuk difermentasi selama 2 bulan.

Produksi Biogas

50 g singkong kering digiling, dibuat menjadi bubur dengan penambahan 200 Ml

air, dimasukkan ke dalam tangki asam. 3 L kultur benih alami diinokulasikan ke

dalam tangki metana. Setelah 13 hari masa fermentasi, 3 L kultur benih KU (10%)

diinokulasikan ke dalam tangki metana. Bubur singkong semi-kontinyu

dimasukkan setiap hari ke dalam tangki asam untuk memprtahankan volume kerja

tangki di 6 L dan 21 L. HRT tangki asam adalah 24 hari dan tangki metana 84

hari. Proses fermentasi dilakukan pada suhu ambient dengan rata-rata 33oC.

9

Page 10: Makalah biogas

Analisis Sampel

- Pengukuran pH

pH sampel diukur dengan menggunakan pH meter (Ultra BASIC, USA)

sesuai dengan metoda AOAC .

- Pengukuran Chemical Oxygen Demand (COD)

Pengukuran COD didasarkan pada didasarkan pada metoda bikromat, 10

mL sampel (atau pengenceran dengan volume akhir 5 mL) dimasukkan ke

dalam culture tube. Buat blanko (akuades) dan standar KHP (0,6129 g

K2Cr2O7 anhidrous dilarutkan di dalam labu ukur hingga volumenya 250

mL), ditambahkan 3 mL larutan digest (5,1085 g K2CrO7+, 83,5 mL H2SO4

pekat, dan 4,1625 g HgSO4 dilarutkan denan akuades sampai 500 mL) dan

7 mL larutan katalis (5,0551 g Ag2SO4 ditambahkan ke dalam 500 mL atau

1,375 g Ag2SO4 ke dalam 0,25 kg H2SO4 pekat. Dibiarkan 1-2 hari untuk

melarutkan Ag2SO4), culture tube ditutup kemudian dikocok. Culture tube

dimasukkan ke dalam oven dengan suhu 150oC selama 2 jam, setelah 2

jam culture tube didinginkan pada suhu ruangan. Sampel dituangkan ke

dalam Erlenmeyer, ditambahkan 3 tetes indikator ferroin (0,7425 g 1,10-

phenantroline monohydrat dan 0,3475 g FeSO4.7H2O dilarutkan dengan

akuades hingga volumenya 50 mL), titrasi dengan FAS (9,8035 g FAS

dilarutkan dengan 10 mL H2SO4, kemudian ditambahkan aquadest sampai

500 mL, distandarisasi dengan larutan standar primer K2Cr2O7 0,05 N)

sampai berubah warna dari hijau menjadi merah.

- Pengukuran Total Solid (TS)

Sampel diletakkan di dalam cawan porselen, dikeringkan dengan oven

pada suhu 103-105oC selama 24 jam, sampai berat kojstan (W1).

Dimasukkan dalam desikator, timbang dan catat pembacaan (W2). Sampel

dipanaskan selama 15-20 menit dalam muffle furnace dipertahankan pada

suhu 550 ± 50°C. Dinginkan sampel di udara sampai sebagian panas telah

hilang, dan kemudian pindahkan ke desikator untuk pendinginan akhir

dalam suasana kering dan catat berat akhir (W3). Konsentrasi tersebut akan

dihitung dalam persen berat.

10

Page 11: Makalah biogas

- Pengukuran Volatil Solid (VS)

Disiapkan cawan porselen yang telah dibersihkan kemudian dikeringkan di

dalam oven bersuhu 103-105oC selama 1 jam. Porselen tersebut lalu

dimasukkan ke dalam desikator. Setelah beberapa saat, porselen ditimbang

dan didapatkan bobot porselen yang dilambangkan dengan (B). Sampel

sebanyak 25-30 ml dimasukkan ke dalam oven bersuhu 103-105oC selama

satu jam, lalu didinginkan menggunakan desikator hingga mencapai suhu

dan bobot seimbang. Bobot setelah desikator dilambangkan dengan (A).

Sampel (A) diambil dan dipanaskan dalam tanur dengan suhu 550oC

selama satu jam hingga seluruh bahan organik terabukan. Setelah itu,

sampel didinginkan menggunakan desikator hingga mencapai suhu dan

bobot seimbang.

- Pengukuran Volatil Fatty Acid (VFA)

VFA diukur berdasarkan pada APHA (1980). Sebanyak 100 mL contoh

disentrifugasi dengan kecepatan 1000 rpm selama lima menit. Supernatan

yang diperoleh diambil sebanyak 50 mL atau diencerkan hingga 50 mL ke

dalam Erlenmeyer 250 mL, ditambahkan 50 mL akuades dan 5 mL asam

sulfat 50%, kemudian dikocok agar asam tidak mengendap di dasar

Erlenmeyer. Distilasi dilakukan selama 30 menit atau sampai diperoleh

distilat sebanyak 150 mL dan sebanyak 15 mL distilat pertama dibuang.

Distilat dititrasi dengan NaOH 0,1 N dengan indikator fenoftalein sampai

warna merah jambu. Faktor recovery (f) ditentukan dengan melakukan

distilasi dengan standar asam asetat.

- Pengukuran Volume Total Produksi dan Gas Metana

Volume total produksi gas diukur dengan penggantian volume air dalam

silinder gas holder. Produksi gas diukur setiap hari. Gas metana yang

terbentuk dideteksi dengan biogas meter.

BAB IV

11

Page 12: Makalah biogas

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil

Berbagai parameter seperti pH, COD, TS, VS, VFA selama fermentasi

ditunjukkan pada Tabel 1-2.

Tabel 1 COD rata-rata dan nilai pH limbah setelah fermentasi dengan budaya benih alami selama 11 hari dan dengan budaya unggulan KU selama 31 hari.

Catatan: COD awal adalah 284.200 mg / L

Hari 0 diinokulasi dengan kultur benih alami

Hari 13 diinokulasi dengan kultur benih KU

Pada hari ke 11 kultivasi, tidak ada produksi gas ditemukan, tetapi dengan

penambahan kultur benih KU, produksi gas terdeteksi dimana nilai COD

berkurang dari 284.200 mg / L menjadi 29.400 dan 9.800 mg / L berturut-turut

pada hari 11 dan 31. Pada akhir fermentasi, rata-rata pengurangan COD adalah

86.21%.

Tabel 2 Produksi TS, VS dan VFA dalam tangki fermentasi.

Catatan: Tahapan penstabilan pada hari 23

Setelah tahap penstabilan pada hari 23 total padatan berkurang dari 82.320

mg/L menjadi 9.480 mg/L dan padatan volatil berkurang dari 79,343.33 mg/L ke

3,416.67 mg/L dan pengurangan rata-rata TS dan VS adalah 84,11 dan 92,44%,

masing-masingnya. Produksi VFA rata-rata adalah 5.745 mg / L.

Produksi maksimum biogas adalah 13,20 L / hari (Tabel 3)

Tabel 3 Produksi biogas dalam tangki fermentasi.

12

Page 13: Makalah biogas

Catatan: Hari 1 berarti Hari 23 dalam sistem fermentasi

Pengukuran produksi metana dari biogas adalah 64,3% (Gambar 1).

Gambar 3 Pengukuran produksi metana oleh biogas meter.

4.2 Pembahasan

Menggunakan umbi singkong sebagai substrat dalam digester dua tahap, hasil

gas yang maksimum 13,20 L/hari dengan didapatkan kandungan metana 64,3%.

Bila dibandingkan dengan digester single stage, Anunputtikul dan Rodtong [7]

menemukan bahwa hasil biogas adalah 1,20 L/hari. Hal ini dapat dijelaskan

bahwa ketika digester awalnya diumpankan, membentuk asam-asam yang

diproduksi bakteri cepat sehingga penurunan pH di bawah pH netral dan

mengurangi pertumbuhan bakteri metanogen dan metanogenesis. Untuk pH fasa

sistem single stage harus dipertahankan dengan menambahkan natrium bikarbonat

untuk meningkatkan kondisi alkalinitas dalam digester [4]. PH rata-rata antara

6,8-7,2 adalah optimum untuk produksi biogas [8]. Kadar metana yang rendah

sering terjadi karena sulfur dan kadar ammonia yang tinggi dalam komposisi

biogas, dosis udara desulfurisasi yang tinggi menyertai masukan bahan kasar [9].

13

Page 14: Makalah biogas

Li et al. [10] menjelaskan bahwa ada hubungan erat antara menurunnya

kandungan bahan organik dan produksi biogas dan perubahan VS (pengurangan)

yang berhubungan erat dengan laju produksi gas. Fermentasi dengan sistem dua-

fase, pemisahan proses fermentasi ke fase pengasaman dan fase metanogenesis

menunjukkan stabilitas yang baik, terutama disebabkan oleh kapasitas buffer yang

kuat dengan dua-fase sistem.

14

Page 15: Makalah biogas

BAB V

KESIMPULAN

Fermentasi dengan sistem dua fase dapat memberikan kondisi yang lebih

cocok untuk bakteri pembentuk asam dan bakteri pembentuk metana

dibandingkan fermentasi fase tunggal, sehingga meningkatkan aktivitas digester

secara keseluruhan. Umbi singkong mentah dapat digunakan sebagai sumber yang

baik untuk produksi biogas.

15