BAB 1. PENDAHULUAN1.1 Latar BelakangPesatnya peningkatan jumlah penduduk indonesia menyebabkan kebutuhan terhadap energi juga meningkat, sedangkan jumlah ketersediaan energi fosil semakin menipis. Sehingga dibutuhkan suatu sumber energi yang dapat diperbaharui untuk dapat menatangani dan mengurangi besarnya kebutuhan terhadap energi fosil.Disisi lain, selain peningkatan penduduk berimbas pada peningkatan terhadap kebutuhan energi, peningkatan penduduk juga berimbas pada peningkatan jumlah sampah biomassa. Pada sat ini industri agriculture indonesia tumbuh dan terus berkembang pesat untuk menjadi salah satu industri agricultural terkuat di dunia. Namun sayangnya limbah cair sisa industri ini masih kurang dimanfaatkan (Ichsan dkk, 2013). Limbah-limbah cair industri yang dibuang secara langsung kelingkungan tanpa melalui proses pengolahan limbah terlebih dahulu dapat menyebabkan pencemaran pada lingkungan.Pada dasarnya limbah-limbah industri agriculture tersebut sesungguhnya masih dapat dimanfaatkan dan diolah menjadi sesuatu yang bermanfaat, salah satunya dengan mengolahnya menjadi biogas. Limbah industri agriculture yang banyak dijumpai salah satunya adalah limbah udang. Limbah udang adalah limbah yang kaya akan protein yang sangat penting dalam proses pembusukan (Vasilaki dan Garcia, 2013) yang selanjutnya gas hasil pembusukan ini dimanfaatkan sebagai biogas. Bajgain dalam Oparaku (2013) menyatakan penggunaan biogas sebagai suatu sumber energi telah terbukti bisa menjadi strategi penting dalam menangani masalah kebutuhan energi di area pedesaan di negara berkembang.Biogas adalah suatu campuran beberapa gas (terutama metan dan karbon dioksida) diperoleh dari proses pembusukan (fermentasi) metan (Oleszek dkk, 2013 dalam Oleszek, 2014). Penggunaan biogas akan membantu mengurangi efek gas rumah kaca dan dan mengurangi pemanasan global, mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar fosil; penurunan jumlah sampah menjadi salah satu keuntungan utama dari produksi biogas yang mampu mengubah material limbah menjadi sumber yang memiliki nilai dengan menggunakan pembusukan bahan baku secara anaerobik (Peter,2009;Smith dkk,2000 dalam Oparaku,2013).Pada penelitian terdahulu yang berjudul Biogas Production from Organic waste in Sisimiut: Methane Potential and Co-digastion of Shrimp Waste, Brown Algae and Sludge oleh Vasilaki dan Gracia (2013) menyatakan bahwa rata-rata gas metan potensial dengan bahan baku campuran limbah udang dan alga coklat adalah sebesar 320,4 ml CH4/g VS sebagaimana tampak pada grafik berikut

dengan potensi yang cukup besar maka biogas hasil campuran limbah udang dan alga coklat layak untuk digunakan. Namun belum dilakukan pengujian terhadap biogas tersebut. Sehingga perlu dilakukan pengujian untuk mengetahui karakteristik dari biogas tersebut.Penelitian ini diharapkan dapat memberikan gambaran mengenai karakteristik dari biogas tersebut, yaitu mengenai komposisi biogas, nilai kalor dan kalor pembakaran biogas. Sehingga dapat diperoleh suatu komposisi gas yang baik dan layak guna.1.2 Perumusan MasalahDalam penelitian ini akan dilakukan analisa karakteristik thermal biogas limbah udang dan alga coklat. Adapun rumusan masalah yang diangkat adalah:1. Bagaimana komposisi biogas limbah udang dan molase?2. Bagaimana nilai kalor biogas limbah udang dan molase?3. Bagaimana kondisi kalor pembakaran biogas limbah udang dan molase?1.3 Tujuan dan Manfaat1.3.1 TujuanTujuan yang ingin dicapai pada penelitian ini adalah:1. Mengetahui komposisi biogas limbah udang dan molase.2. Mengetahui nilai kalor biogas limbah udang dan molase.3. Mengetahui kondisi kalor pembakaran biogas limbah udang dan molase.1.3.2 ManfaatAdapun manfaat dari penelitian ini adalah:1. Mendapatkan sumber energi alternatif yang murah dan tepat guna.2. Mengurangi kebutuhan masyarakat terhadap energi.3. Mengurangi pencemaran sampah pada lingkungan.1.4 Batasan MasalahBeberapa batasan yang diterapkan untuk memudahkan analisa penelitian ini antara lain:1. Tidak membahas emisi gas sisa pembakaran.2. Tidak membahas distribusi temperatur api.3. Tidak membahas cepat rambat api.4. Tidak membahas stabilitas api.5. Tidak membahas karakteristik warna api.6. Tidak membahas sistim kerja alat uji.7. Tidak membahas reaksi kimia pada biodigester.

BAB 2.TINJAUAN PUSTAKA2.1 BiogasBiogas adalah campuran beberapa gas yang tergolong gas bahan bakar yang merupakan hasil fermentasi dari bahan-bahan organik dalam kondisi anaerob, dan gas yang mendominasi adalah gas metan (CH4 50% - 70%), karbon dioksida (CO2 30% - 40%), Hidrogen sulfida (H2S 0% - 3%), Air (H2O 0,3%), Oksigen (O2 0,1% - 0,5%), Hidrogen (H 1% - 5%) dan gas-gas lain dalam jumlah yang kecil. Biogas memiliki nilai kalor yang cukup tinggi, yaitu kisaran 4800-6700 Kkal/m3, untuk gas metan murni (100%) mempunyai nilai kalor 8900 Kkal/m3 (Efriza, 2009 dalam Padang, 2011).Biogas dapat dihasilkan dari bebagai macam bahan-bahan biomassa yang terdapat dilingkungan sekitar mulai dari berbagai limbah pertanian maupun berbagai limbah peternakan peternakan dan agrikultur. Adapu kualitas dan kuatitas dari biogas sendiri tergantung pada bahan baku yang digunakan pada saat proses. Bahan baku yang paling umum digunakan adalah pupuk, limbah organik, dan tanaman dan biji-bijian seperti jagung, gandum dan rerumputan (Budzianowski, 2012 dalam Oleszek, 2014).2.1.1 Tahapan Pembuatan BiogasTahapan proses pembusukan biogas dibagi menjadi empat langkah (seperti tampak pada tabel). Setiap proses tersebut diikuti oleh sekelompok bakteri yang berbeda-beda. Bakteri metagonik adalah bakteri penggerak utama dalam proses produksi metan. Ada beberapa jenis dari bakteri methagonic dan setiap bakteri bisa tumbuh pada kondisi lingkungan yang tertentu. Sehingga jika bakteri-bakteri tersebut tidak mendapatkan kondisi yang optimal, maka pertumbuhannya mungkin saja berada dibawah rata-rata atau bahkan kemungkinan mati, tergantung pada spesies dan kondisi (Abdullah,2011 dalam Ichsan,2014).

Tabel 2.1. Langkah proses pembusukan produksi biogas (Abdullah,2011 dalam Ichsan,2014)ProsesBakteriOutput

HydrolisisAnaerob hydrolysisMonosakarida, asam amino, asam lemak

Peningkatan kadar asam Pembentuk asamAsam organik, CO2

Pembentukan asam asetatAsam asetatAsam asetat, CO2, H2O

Pembentukan methanMethanogenicMethan

Kemudian menurut Amaru (2004) dalam Padang (2011) bahwa Laju proses fermentasi anaerob sangat ditentukan oleh faktor-faktor yang mempengaruhi mikro organisme. Menurut beliau faktor-faktor tersebut diantaranya adalah:1. TemperaturBakteri metana pada umumnya adalah bakteri mesofil, yaitu bakteri yang hidupnya dapat subur hanya pada temperatur disekitar suhu kamar. Oleh karena itu pembentukan biogas harus disesuaikan dengan temperatur kehidupan bakteri methana. Temperatur pembentukan dari 20oC-40oC dengan temperatu optimum 27oC-30oC. Namun penelitian lain mnyatakan bahwa Temperatur optimum untuk pertumbuhan bakteri dan produksi biogas yang maksimum adalah antara 37oC dan 40oC, suatu rentangan yang menyertakan sebagian besar spesies bakteri methanobacteria (gambar 2.1)

Gambar 2.1 Rentangan temperatur optimal untuk pertumbuhan methanobacteria (Gerardi,2003 dalam Bavutti,2014)2. Derajat keasaman (pH)Pada dekomposisi anaerob faktor pH sangat berperan karena pada pH yang tidak sesuai, mikroba tidak dapat tumbuh dengan maksimal atau bahkan dapat menyebabkan kematian yang dapat menghambat proses produksi gas metan. Nilai pH yang dibutuhkan dalam biodigester adalah antara 6,2-8.3. Kandungan airBentuk bubur hanya dapat diperoleh apabila bahan yang dihancurkan mempunyai kandungan air yang tinggi. Apabila bahan baku yang digunakan mempunyai kandungan air yang sedikit, maka bisa ditambahkan air.4. Bahan baku isianBakteri anaerob membutuhkan nutrisi sebagai sumber energi. Level nutrisi harus lebih dari konsentrasi optimal yang dibutuhkan oleh bakteri methanogenic. Karena jikan terjadi kekurangan nutrisi akan bisa menghambat pertumbuhan bakteri. Penambahan nutrisi dengan bahan yang sederhana seperti glukosa, buangan industri, dan sisa tanaman diberikan dengan tujuan untuk menambah pertumbuhan didalam digester. Unsur nitrogen adalah unsur yang paling penting disamping adanya selulosa sebagai sumber karbon. Bakteri penghasil metana menggunakan karbon 30 kali lebih cepat daripada nitrogen. Pada bahan yang memiliki jumlah karbon 15 kali dari jumlah nitrogen akan memiliki C/N ratio 15:1, C/N ratio dengan nilai 30 akan menghasilkan pencernaan pada tingkata yang optimal, bila kodisi lain juga mendukung. Berikut ini adalah tabel yang menunjukkan C/N ratio dari beberapa jenis bahan organik (Haryati,2006 dalam Padang,2011)5. Waktu penyimpananWaktu penyimpanan adalah waktu yang diperlukan untuk menghasilkan penguraian yang sempurna dari material organik. Waktu penyimpanan ini bevariasi berdasarkan variasi parameter proses. lama waktu penyimpanan untuk limbah pada mesophilic digester 30-42 oC berkisar antara 15-30 hari dan 12-14 hari untuk thermophilic digester 43-55 oC (Monnet, 2003).

Tabel 2.2 Rasio Karbon dan Nitrogen dari beberapa bahan (Haryati,2006 dalam Padang,2011)BahanKandungan C/N

Kotoran bebek8

Kotoran manusia8

Kotoran ayam10

Kotoran kambing12

Kotoran babi18

Kotoran domba19

Kotoran sapi/kebau24

Enceng gondok25

Kotoran gajah43

Batang jagung60

Jerami padi70

BahanKandungan C/N

Jerami gandum90

Serbuk gergajiDiatas 200

Ampas tebu220

2.1.2 Keuntungan BiogasMenurut Lukehurst dkk (2010) dalam Alberola (2014) menyatakan bahwa Biogas adalah sumber energi yang dapat di perbaharui, yang menawarkan beberapa keuntungan: Sebagai sumber energi yang dapat diperbaharui Mengurangi penggunaan bahan bakar fosil Mengurangi penggunaan pupuk minirel Mengurangi emisi gas rumah kaca dari pembusukan material secara terbuka Meningkatkan efisiensi pengolahan sampah dengan mengolah sampah menjadi energi dan pupuk kompos Mengurangi volume sampah.

2.2 Limbah UdangUdangadalahbinatangyang hidup di perairan, khususnyasungai,laut, ataudanau. Udang dapat ditemukan di hampir semua "genangan" air yang berukuran besar baikair tawar,air payau, maupun air asin pada kedalaman bervariasi, dari dekat permukaan hingga beberapa ribu meter di bawah permukaan (Anonima, 2015)Pada saat ini ekspolasi komoditi hasil perikanan dari indonesia yang terbesar sampai saat ini adalah udang. Realisasi ekspor udang pada tahun 2007 mencapai 160.797 ton dengan nilai 11,5 trilyun. Nilai ekspor udang adalah 50% dari nilai ekspor komoditi perikanan indonesia pada tahun 2007 yaitu sebesar 23 trilyun. Ekspor udang tahun 2003 sampai 2009 terus meningkat sebagaiman ditunjukkan pada tabel 2.3. Udang yang diekspor adalah udang dalam bentuk beku tanpa kulit dan kepala. Jenis udang yang diekspor adalah udang vannanei dan windu, untuk tiga tahun terakhir hampir 75% adalah udang vannamei (Pusat Data Statistik dan Informasi, Departemen Kelautan dan Perikanan, 2008 dalam Anonimb, 2015)

Tabel 2.2 Produksi dan ekspor udang Indonesia 2003-2009*TahunProdukksi (ton)Ekspor (ton)

2003191.72392.027

2004226.553124.604

2005295.000153.906

2006281.901159.329

2007318.565160.797

2008480.000285.000

2009*540.000320.000

Sumbe: Pusat Data Statistik dan Informasi, Departemen Kelautan dan Perikanan; *) Prakiraan.

Dari besar jumlah udang yang diproduksi, maka akan menghasilkan limbah yang sangat besar apalagi udang diekspor dalam keadaan tanpa kulit dan kepala. Sedangkan sebagian besar dari berat udang adalah pada udang dan kepalanya. Jumlah limbah udang yang begitu besar akan menimbulkan masalah pencemaran lingkungan jika tidak dimanfaatkan. Pemanfaatan limbah udang yang telah dilakukan selama ini hanya dikeringkan dan dimanfaatkan sebagai pakan atau pupuk dengan nilai rendah. Mengolanya menjadi biogas akan meningkatkan nilai guna yang cukup tinggi.Secara umum, cangkang kulit udang mengandung protein 34,9 %, mineral CaCO327,6 %, chitin 18,1 %, dan komponen lain seperti zat terlarut, lemak dan protein tercerna sebesar 19,4 % (Suhardi, 1992 dalam Anonimc, 2015). Dengan jumlah protein dan mineral yang cukup tinggi pada limbah udang, maka limbah udang sangat potternsial untuk dijadikan biogas.

2.3 Tetes Tebu (Molase)Molase adalah hasil sampingan yang berasal dari pembuatan gula tebu (Saccarum officinarum L). Tetes tebu berupa cairan kental dan diperoleh dari tahap pemisahan kristal gula. Molase (tetes) tidak dapat dibentuk menjadi sukrosa namun masih mengandung gula dengan kadar yang tinggi yaitu antara 50% - 60%, asam amino dan mineral (Anonim, 2011 dalam Juwita, 2012).

Gambar 2.2 Tetes tebu (Molase)Pada proses fermentasi biogas dengan anaerob digester, nutrisi dalam bentuk gula yang terkandung dalam molase yang konsentrasinya masih tinggi, sangat dibutuhkan untuk menjaga kondisi ketersediaan nutrisi dalam biodigester. Konsentrasi nutrisi dalam biodigester sangat menentukan kualitas dan kuantitas dari biogas yang akan dihasilkan.Penggunaan gula oleh bakteri dalam proses anaerob disebut fermentasi. Prinsip fermentasi adalah proses pemecahan senyawa organik menjadi senyawa sederhana yang melibatkan mikroorganisme. Nitrogen (N2) akan menyatu dengan mikroba selama proses fermentasi, untuk hidup semua organisme membutuhkan sumber energi yang diperoleh dari metabolisme bahan pangan, diantara bahan baku energi yang paling banyak digunakan oleh mikroorganisme adalah glukosa. Berdasarkan kenyataan bahan yang mengandung gula adalah unsurhara yang sangat diperlukan untuk meningkatkan proses fermentasi selain itu gula juga banyak mengandung karbon dan nitrogen (padang, 2011).

2.4 Anaerob BiodigesterDigester (anaerob digester) merupakan komponen utama dalam produksi biogas. Digester merupakan tempat dimana bahan organik diuraikan oleh bakteri secara anaerob (tanpa udara) menjadi gas CH4 dan CO2. Digester harus dirancang sedemikian rupa sehingga proses fermentasi anaerob dapat berjalan dengan baik. Pada umumnya produksi biogas terbentul pada 4-5 hari setelah digester diisi. Produksi biogas menjadi banyak pada 20-35 hari (Sulistyo, 2010 dalam Waskito, 2011). Proses fermentasi ini disebut pembusukan secara anaerob atau anaerob digestion.

Gambar 2.3 Anaerob digerterAnaerob digestion adalah proses pembusukan dan penguraiaan secara alami, yakni material organik diuraikan menjadi komponen kimia yang lebih sederhana pada kondisi anaerob. Microorganisme anaerob mencerna bahan-bahan organik tanpa adanya oksigen untuk memproduksi methan dan carbon dioksida sebagai produk akhir pada kondisi ideal. Namun umumnya biogas yang dihasilkan pada anaerob digestion selalu mengandung sejumlah kecil hydrogen sufida (H2S) dan amoniak (NH3). (Monnet, 2003). Bakteri anaerob bertugas untuk menguraikan bahan-bahan organik dan memproduksi gas yang tersusun oleh CH4 (55% - 70%), CO2 (27% - 44%), dan gas-gas lain dalam jumlah kecil seperti H2, N2, H2S, atau NH4+ (Kroff, 2013 dalam Alberola, 2014).2.4.1 Tipe Anaerob DigesterPada saat ini telah ditemukan beberapa jenis biodigester yang dapat digunakan dalam produksi diogas. Sedangkan untuk pemilihannya tergantung pada temperatur pembusukannya dan material yang digunakan (Monnet, 2003). Sedangkan menurut Amaru (2004) dalam Padang (2011) Terdapat dua tipe digester yang telah dikembangkan yaitu tipe bacth dan tipe kontinyu. Masing-masing tipe dgester tersebut mempunyai kelebihan dan kekurangan.1. Digester biogas tipe batchPrinsip kerja digester biogas tipe bacth adalah dengan menempatkan material organik dalam tangki tertutup dan diproses secara anaerob selama 1-2 bulan tergantung dari jumlah material yang dimasukkan. Isi dari digester biasanya dihangatkan dan dipertahankan suhunya. Selain itu kadangkala di aduk untu melepaskan gelembung-gelembung gas dari slugde.

Gambar 2.4 Digester tipe batchTipe digester ini tidak membutuhkan banyak perhatian selama proses. Efisiensi maksimal dari proses hanya dapat diharapkan bila digester diisi dengan hati-hati, ruang yang terbuang dan udara yang terjebak dalam sludge harus dihindari karena dapat menghambat pembentukan gas metan. Rasio C/N harus dikontrol dengan baik pada awal proses, karena sulit diperbaiki bila digester telah mulai berproses. Digester tipe batch digunakan untuk mengetahui kemampuan material yang diperoses sebelum unit yang lebih besar dibangun. Tipe batch memiliki keuntungan lain yaitu dapat digunakan bila material yang tersedia pada waktu-waktu tertentu saja; bila proses terjadi kesalahan misalnya karena material beracun, proses dapat dihentikan dan dimulai dengan material yang baru (Padang, 2011).2. Digester biogas tipe aliran kontinyuPada tipe aliran kontinyu bahan isian dimasukkan ke digester secara teratur pada satu ujung dan setelah melalui jarak tertentu, keluar di ujung yang lain. Tipe ini mengatasi masalah pada proses pemasukan dan pengosongan pada tipe batch. Terdapat dua jenis dari tipe aliran kontinyu:1. Vertikal, dikembangkan oleh Gobar Gas Institute, India2. Horisontal, dikembangkan oleh Fry di Afrika Selatan dan California, dan juga oleh Biogas Plant Ltd.

Gambar 2.5 Digester aliran kontinyuSelain itu, terdapat juga beberapa jenis digester biogas yang biasa digunakan. Digester ini dibuat dengan bahan dasar batu bata dan semen, digester tersebut yaitu digester jenis Fixed dome dan Floating Drum. Jenis Fixed Dome terdiri dari bagian pencerna yang berbentuk kubah tertutup yang tidak dapat dipindah-pindah, penahan gas kaku, bagian silinder pencerna terbuat dari beton, walaupun demikian efektifitas penggunaan gasnya rendah karena fluktuasi tekanan yang tidak dapat konstan. Unit pencerna jenis Fixed Dome dibenamkan di dalam tanah, hanya bagian penahan gas yang menonjol di permukaan tanah. Hal ini dimaksudkan untuk menjaga kestabilan temperatur.

Gambar 2.6 Digester tipe fix domKeuntungan unit pencerna ini adalah umur pakai panjang (20 tahun), rancangan stabil, dapat menciptakan lapangan kerja lokal. Sedangkan kesulitan yang dihadapi adalah digester ini tidak kedap air karena terbuat dari beton, tekanan gas tidak konstan, dan hanya dapat dibuat dengan baik apabila dikerjakan oleh tenaga ahli. Untuk digester jenis Floating Drum, terdiri dari ruang pencerna berbentuk silinder atau kubah yang dapat bergerak dan penahan gas mengapung.

Gambar 2.7 Digester floating drumPergerakan 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 digester floating drum adalah mudah dioperasikan, produksi gasnya dapat dimonitor dan tekanan konstan. Kerugiannya adalah umur pakai pendek (