JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)

1

Abstrak—Penelitian dilakukan dengan membuat biogas dalam

tiga jenis komposisi bahan yaitu S (limbah sayuran), K (kotoran

sapi dan limbah sayuran), dan T (kotoran sapi, limbah sayuran,

dan limbah cair tahu) dengan menggunakan reaktor digester

kedap udara. Terdapat tiga tahap utama dalam penelitian ini

yaitu, tahap preparasi yang meliputi preparasi bahan, reaktor

digester, dan sample bag, tahap pemrosesan yang meliputi

pencampuran bahan dan proses fermentasi, dan tahap pengujian

yang meliputi pengamatan manometer dan termometer setiap

hari serta pengujian kromatografi gas. Dari hasil pengamatan

manometer diketahui bahwa penambahan substrat limbah

sayuran tiap 1% dapat menurunkan produk biogas kurang lebih

4%. Sedangkan penambahan limbah cair tahu pada percobaan

T2 dapat meningkatkan produksi biogas hingga 25%.

Kata Kunci—biogas, kotoran sapi, limbah cair tahu, limbah

sayuran, metana.

I. PENDAHULUAN

ERKURANGNYA sumber cadangan energi seperti

minyak bumi, batu bara, dan gas bumi tengah dialami oleh

berbagai negara dan tidak terkecuali Indonesia. Pada 2011, BP

Migas memperkirakan bahwa cadangan minyak potensial di

Indonesia hanya akan bertahan sampai 12 tahun, sedangkan

untuk gas hanya akan bertahan sampai 46 tahun. Kondisi ini

dipersulit dengan adanya fakta bahwa konsumsi energi di

Indonesia juga mengalami peningkatan secara bertahap. Salah satu solusi energi terbarukan adalah biogas. Biogas

merupakan salah satu bentuk produk sekunder dari biomasa.

Bukan hanya buangan hewan pemakan tanaman yang dapat

digunakan sebagai sumber biomasa, tetapi juga semua sampah

organik dan buangan yang berasal dari tanaman juga dapat

digunakan sebagai sumber biomasa [11].

Untuk mengimbangi jumlah konsumsi energi yang

meningkat maka diperlukan adanya peningkatan produksi

biogas. Peningkatan produksi biogas dapat dilakukan dengan

beberapa metode yaitu menggunakan bahan aditif, penggunaan

kembali slurry, menjaga nilai parameter seperti pH,

temperatur, laju pengisian reaktor digester, dan pengadukan,

serta menggunakan biofilter [16].

Salah satu penelitian untuk meningkatkan produksi biogas

yang dilakukan sebelumnya adalah penggunaan bahan aditif

dengan menambahkan limbah cair tahu ke dalam bahan baku

penghasil biogas yaitu kotoran sapi. Berdasarkan penelitian

Utami, Triwikantoro, dan Muntini dengan empat variasi

perbandingan massa limbah tahu dan kotoran sapi, produksi

biogas tertinggi diperoleh dari campuran bahan limbah tahu

dan kotoran sapi dengan perbandingan massa 70:30 [15].

Penelitian lain mengenai peningkatan produksi biogas adalah

dengan penggunaan bahan aditif berupa limbah tanaman tomat

ke dalam bahan utama pembentukan biogas berupa kotoran

kelinci [16].

Pada penelitian ini akan dilakukan pembentukan biogas

dengan bahan utama berupa kotoran sapi dan bahan aditif

berupa limbah sayuran dan limbah cair tahu. Kandungan zat

organik yang terdapat pada tiap substrat ditampilkan pada

Tabel 1. Komolka, Gorecka, dan Dziedzic menyebutkan pula

bahwa dalam 100 gr sayuran kubis tanpa daun terluar terdapat

3,09 gr hemiselulosa, 7,87 gr selulosa, dan 1,7 gr lignin [6].

Pengamatan laju produksi biogas dilakukan dengan

mengamati perubahan tekanan gas melalui manometer. Pada

manometer tersebut, tekanan akan terbaca melalui perubahan

ketinggian air dalam manometer. Dari selisih ketinggian

tersebut, nilai tekanan biogas dapat diketahui dengan (1).

P = P0 + ρgh (1)

dengan: P = tekanan gas yang diukur (N/m2)

P0 = tekanan gas udara (1.105 N/m

2)

ρ = massa jenis air ( 1000 kg/m3)

h = tinggi (m)

Jika nilai tekanan gas telah diketahui, maka nilai mol gas

dapat dicari dengan menggunakan (2).

PV = nRT (2)

dengan: P = tekanan gas yang diukur (N/m2)

V =volume ruang kosong dalam reaktor (m3)

Analisis Peran Limbah Sayuran dan Limbah

Cair Tahu pada Produksi Biogas Berbasis

Kotoran Sapi

I. Ghevanda, Triwikantoro

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh

Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia

e-mail: triwi@physics.its.ac.id

B Tabel 1.

Kandungan zat organik sayuran kubis, limbah cair tahu, dan kotoran sapi.

Parameter Sayuran kubis (gr) Limbah cair tahu Kotoran sapi

Protein 2,4[5], 1,4[12] 0,45%[15] 6,74%[13]

Lemak 2,2[5], 0,02[12] - 2,45%[13]

Karbohidrat 4,9[5], 5,3[12] 2,08%[15] 36,64%[13]

Glukosa - 2,31%[15]

JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)

2

n =jumlah mol total (mol)

R =konstanta gas (8,314 J/mol.K)

T =temperatur (K)

II. METODE

A. Peralatan dan Bahan

Peralatan yang dipakai dalam penelitian ini adalah

perangkat instalasi reaktor biogas yang terdiri dari 6 buah

jurigen berkapasitas 20 l dan 1 buah jurigen berkapasitas 35 l,

selang akuarium, plastik polietilen, piringan karet ban dalam

sepeda (diameter 2,5 cm), lem PVC, selotip kabel, klep bekas

ban sepeda motor, gelas ukur 500 ml, kertas uji pH universal,

dan manometer, serta termometer untuk pengukuran suhu

ruangan. Untuk karakterisasi sampel digunakan peralatan uji

kromatografi gas. Sedangkan bahan yang digunakan adalah

limbah sayuran, limbah cair tahu, kotoran sapi, batu kapur, dan

air.

B. Prosedur Kerja

Tahap pertama dari prosedur kerja dalam penelitian ini

adalah tahap persiapan yang meliputi pembuatan reaktor

digester, penampung gas, dan preparasi bahan pengisi biogas. Reaktor digester beserta penampung gas dibuat seperti pada

Gambar 1.

Setelah itu dilakukan uji kebocoran reaktor digester dan

penampung gas. Uji kebocoran pada reaktor digester dilakukan

dengan cara mengisi reaktor digester dengan air sampai penuh

dan dibiarkan selama satu hari dalam keadaan reaktor tertutup

rapat. Jika masih terjadi kebocoran air, maka reaktor

diperbaiki dan diuji kembali. Uji kebocoran pada penampung

gas dilakukan dengan cara menenggelamkan penampung gas

secara keseluruhan kecuali bagian ujung selang dalam keadaan

penampung gas terisi penuh dengan udara. Jika terdapat

gelembung-gelembung udara yang lolos, maka penampung gas

diperbaiki kembali dan diuji kembali. Langkah berikutnya

adalah menyiapkan bahan isian reaktor digester. Preparasi

bahan pengisi biogas berupa sampah sayuran dilakukan

dengan penghalusan untuk mempercepat proses fermentasi.

Gambar 1. Instalasi reaktor biogas (a) tampak kiri dan (b)

kanan.

Tahap selanjutnya adalah preparasi pembuatan biogas.

Dalam percobaan ini digunakan 3 jenis komposisi yaitu limbah

sayuran saja (S), kotoran sapi ditambah limbah sayuran (K),

dan kotoran sapi ditambah limbah sayuran dan limbah cair

tahu. Komposisi percobaan S, K, dan T dapat dilihat pada

Tabel 2.

Setiap jenis substrat tersebut disiapkan dan diukur dengan

kertas uji pH universal dan ditambah air dengan perbandingan

tertentu sesuai kandungan air setiap substrat. Ratnaningsih

dalam Yeni, Dewilda, dan Sari menyebutkan bahwa kadar air

yang disyaratkan untuk pembentukan biogas adalah 91%-93%

[17]. Nilai kandungan air tiap substrat berdasarkan beberapa

referensi ditampilkan dalam Tabel 3. Setelah itu, masing-

masing substrat diaduk hingga homogen lalu diukur derajat

keasaman tiap campuran substrat dan ditambahkan sejumlah

larutan Ca(OH)2 hingga derajat keasaman setiap substrat

menjadi netral. Ukpai, Ibeh, Agbo, dan Elekwa menyebutkan

bahwa pengendalian efektif pH membutuhkan adanya

sejumlah senyawa alkali untuk membentuk larutan buffer

didalam sistem reaktor digester [14]. Setelah derajat keasaman

(pH) setiap campuran substrat telah disesuaikan dan setelah

pengadukan kembali, maka setiap campuran substrat

dimasukkan ke dalam reaktor digester. Setelah sample bag dan

selang sambungan manometer telah terpasang pada reaktor,

maka selanjutnya dilakukan pengasapan agar oksigen didalam

reaktor berkurang. Pengasapan dilakukan dengan bantuan

selang (diameter 2 inch) yang disambung dengan pipa paralon

(diameter 2 inch) sebagai saluran asap buang motor yang

dimasukkan kedalam alat reaktor sebelum alat reaktor digester

ditutup rapat.

Setelah alat reaktor ditutup rapat, maka proses fermentasi

anaerob mulai berjalan. Setiap hari dilakukan pengamatan

perubahan tekanan gas, pengamatan temperatur ruangan, dan

pengadukan dengan cara menggoyangkan alat reaktor digester

agar kehomogenan tetap tercapai. Pengamatan dan

pengadukan dilakukan hingga tekanan gas mengalami

penurunan dan hasilnya dianalisis.

Tabel 2.

Komposisi percobaan S (limbah sayuran), K (limbah sayuran dan kotoran

sapi), dan T (limbah sayuran, kotoran sapi, dan limbah cair tahu)

Jenis

Percobaan

Kotoran Sapi

(ml)

Limbah

Sayuran (ml)

Limbah Cair

Tahu (ml)

Air

(ml)

S - 10840 - 10840

K

K1 1790 5370 - 7160

K2 1790 5670 - 7460

K3 1790 6270 - 8060

T

T1 1790 5150 2400 4980

T2 1790 5140 2500 4890

T3 1790 5130 2600 4800

Tabel 3.

Nilai kandungan air setiap substrat pengisi reaktor

Jenis Substrat Kandungan Air (%)

Sayuran >80 [3], 89,14±0,5 [2]

Limbah Cair Tahu 93,5±0,5 [2]

Kotoran Sapi 20-70 [1]

(a) (b)

Gambar 1. Reaktor digester (a) dengan sambungan pada manometer dan

(b) dengan sambungan pada sample bag.

JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)

3

Tahap ketiga adalah karakterisasi biogas dengan uji

kromatografi gas. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui

komposisi gas. Dalam penelitian tugas akhir ini dilakukan dua

jenis metode uji kromatografi gas yaitu metode FID dan

metode TCD.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Analisis Produksi Biogas Kotoran Sapi dengan Bahan

Aditif Berupa Limbah Sayuran dan Limbah Cair Tahu.

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, didapatkan

data mengenai perubahan ketinggian air pada manometer dan

suhu saat pengambilan data untuk percobaan S, K, dan T.

Data-data tersebut digunakan untuk mengetahui nilai mol

dengan menggunakan persamaan 1 dan persamaan 2. Adapun

grafik hubungan antara waktu dengan perubahan mol gas tiap

1 l volume bahan untuk percobaan S dapat dilihat pada

Gambar 2. Dari hasil pengamatan perubahan ketinggian kolom

air pada manometer, diketahui bahwa limbah sayuran mampu

menghasilkan gas sebanyak 3,1193×10-3

mol tiap 1 liter beban

reaktor. Nilai tersebut merupakan nilai mol biogas tertinggi

yang dapat terbentuk dengan volume biogas terakumulasi. Hal

ini menandakan bahwa limbah sayuran mempunyai potensi

untuk menghasilkan biogas.

Adapun grafik hubungan antara waktu dengan perubahan

mol gas tiap 1 l volume bahan untuk percobaan K (limbah

sayuran dan kotoran sapi) dapat dilihat pada Gambar 3. Pada

percobaan K1, K2, dan K3 berturut-turut ditambahkan limbah

sayuran sebanyak 75%, 76%, dan 78% dari volume total

campuran substrat pengisi masing-masing reaktor. Jika dilihat

dari kurva pada Gambar 3, terlihat bahwa semakin banyak

limbah sayuran ditambahkan maka produksi biogas akan

semakin berkurang. Pada tabel 4.3 berikut dapat dilihat nilai

mol gas tertinggi yang dihasilkan oleh percobaan K1, K2, dan

K3.

Adanya perbedaan pada posisi ketinggian fase stasioner.

dapat dipengaruhi oleh konsentrasi nutrien yang terdapat pada

substrat yang digunakan dalam masing-masing percobaan.

Berdasarkan komposisi bahan masing-masing percobaan dan

keterangan pada Tabel 1, kandungan organik pada masing-

masing percobaan dapat dilihat pada Tabel 5. Selain itu,

penambahan limbah sayuran yang semakin banyak pada biogas

berbasis kotoran sapi membuat kandungan substrat berserat

semakin banyak dan kemungkinan timbulnya scum akan

semakin besar. Ojolo, Dinrifo, dan Adesuyi menyebutkan

bahwa dengan digester yang lebih besar dan bahan berserat

dengan ukuran dan jenis yang berbeda maka masalah scum

(lapisan kerak pada permukaan campuran) dapat meningkat

dengan meningkatnya kandungan substrat berserat [7]. Selain

itu, limbah organik yang mengandung serat akan susah untuk

dicerna dan akan mengapung dipermukaan [9], [10].

Adapun grafik hubungan antara waktu dengan perubahan

mol gas tiap 1 l volume bahan untuk percobaan T (limbah

sayuran, limbah cair tahu, dan kotoran sapi) dapat dilihat pada

Gambar 4.

Berdasarkan keterangan pada Tabel 1, persentase

kandungan organik dan nilai mol biogas tertinggi tiap 1 liter

beban reaktor pada tiap-tiap percobaan T ditampilkan dalam

Tabel 6.

Gambar 2. Kurva perubahan mol terhadap waktu dengan volume biogas

terakumulasi untuk percobaan S (limbah sayuran).

Gambar 3. Hasil pengamatan perubahan mol pada percobaan K (limbah

sayuran dan kotoran sapi) dengan variasi volume limbah sayuran

terhadap waktu.

Tabel 4.

Nilai persentase penurunan mol gas tertinggi tiap 1 liter beban reaktor

percobaan K2 dan K3 terhadap percobaan K1.

Percobaan n/L % penurunan

K1 5,684728×10-3 0

K2 5,445583×10-3 4,206806

K3 5,003794×10-3 11,9783

Tabel 5.

Persentase kandungan zat organik untuk setiap sampel.

Percobaan Kandungan organik Nilai rata-rata

S1 6,72% – 10,96% 8,84%

S2 8,5% – 12,85% 10,68%

S3 16,49% - 19,68% 18,09%

S4b 18,08% - 21,17% 19,63%

JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)

4

Melalui kurva pada Gambar 4 terlihat adanya perbedaan

jumlah produk biogas. Berdasarkan Tabel 6 mengenai

kandungan zat organik dalam setiap komposisi substrat,

percobaan T2 memiliki nilai mol/l biogas hampir 25% lebih

besar dibandingkan nilai mol/l biogas T1. Terjadinya

peningkatan produksi biogas ini dapat dikarenakan adanya

peningkatan kandungan organik pada percobaan T2. Rujukan

[8] juga memberikan suatu gambaran mengenai hubungan

konsentrasi zat organik dalam substrat terhadap laju

pembentukan biogas yang dapat dilihat pada Gambar 5.

Jika dibandingkan dengan percobaan T1, terdapat

penurunan 10 ml volume limbah sayuran dan peningkatan 100

ml volume limbah cair tahu pada percobaan T2. Peningkatan

produksi biogas pada percobaan T dapat terjadi karena adanya

penambahan limbah cair tahu dalam substrat percobaan. Hal

lain yang dapat berpengaruh terhadap laju produksi biogas

adalah jumlah kandungan substrat berserat pada percobaan T2

yang lebih sedikit dibandingkan pada percobaan T1. Selain

sulit dicerna, substrat berserat juga dapat memicu timbulnya

lapisan kerak di permukaan.

B. Analisis Pengaruh Limbah Sayuran dan Limbah Cair

Tahu pada Kualitas Biogas.

Kualitas biogas digambarkan dengan kandungan gas metana

dan gas karbon dioksida yang terdapat dalam biogas. Salah

satu metode pengujian yang dapat digunakan dalam

menentukan kandungan gas metana dan karbon dioksida dalam

biogas adalah uji kromatografi gas. Untuk mengetahui

pengaruh penambahan substrat limbah cair tahu dan limbah

sayuran maka dilakukan pengujian kromatografi gas untuk

percobaan S, K1, dan T2.

Berdasarkan hasil pengujian kromatografi gas, diperoleh

hasil yang ditampilkan pada Tabel 7 berikut.

Berdasarkan data pada tabel 7, limbah sayuran terbukti

memiliki potensi untuk memproduksi gas metana walaupun

dalam jumlah yang sedikit. Jika dibandingkan antara

percobaan K1 dengan T2, atau dapat dikatakan terjadi

penambahan substrat limbah cair tahu, terdapat peningkatan

produksi gas metana sebesar 2,07%.

IV. KESIMPULAN

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat

disimpulkan:

1. Limbah sayuran murni dapat menghasilkan biogas

dimana produk biogas tertinggi adalah 3,1193×10-3

mol

tiap 1 liter beban substrat pengisi reaktor. Penambahan

limbah sayuran tiap 1% dapat menurunkan produk

biogas saat ditambahkan pada kotoran sapi kurang lebih

sebesar 4%.

2. Penambahan limbah cair tahu dapat meningkatkan

produk biogas hingga 25%.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis I.G. mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr.

Triwikantoro, M.Sc selaku dosen pembimbing dan semua

pihak yang terlibat dalam penelitian tugas akhir ini.

DAFTAR PUSTAKA

[1] P. Basu, Biomass Gasification and Pyrolisis: Practical Design,

Elsevier, Inc (2010).

[2] J. Biswas, R. Chowdhury, P. Bhattacharya, “Kinetic Studies of Biogas

Generation Using Municipal Waste as Feed Stock,” Enzyme and

Microbial Technology. Vol. 38 (2006) 493-503.

Gambar 4. Grafik mengenai hubungan perubahan mol terhadap waktu pada

percobaan T (limbah sayuran, limbah cair tahu, dan kotoran sapi).

Tabel 6.

Prosentase kandungan organik dan mol biogas tertinggi tiap 1 liter

beban untuk tiap komposisi substrat.

Percobaan Kandungan organik Mol/L biogas

T1 14,93% - 21,03% 1,12472×10-2

T2 14,98% - 21,08% 1,40468×10-2

T3 15,04% - 21,13% 1,12655×10-2

Gambar 5. Hubungan laju pembentukan biogas terhadap konsentrasi

substrat [8].

Tabel 7.

Hasil uji kromatografi gas dengan detektor FID

Komposisi Luas Area [µV.s]

Biogas S Biogas K1 Biogas T2

CH4 3026 13090 13361

Senyawa lain - - -

Total 3026 13090 13361

JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)

5

[3] V.N. Gunaseelan, 1997, “Anaerobic Digestion of Biomass for Methane

Production: A Review,” Biomass and Bioenergy. Vol.13, Nos. 1/2

(1997) 83-114.

[4] Harianto, “Pengaruh Ukuran Partikel terhadap Produksi Biogas

Anaerobic Digestion,” Skripsi, Jurusan Fisika, Institut Teknologi

Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia (2008).

[5] I. Harjono, Melirik Bisnis Tanis Kubis Bunga, CV. Aneka Solo (1996).

[6] P. Komolka, D. Gorecka, K. Dziedzic, “The Effect of Thermal

Processing of Cruciferous Vegetables on Their Content of Dietary Fiber

and Its Fractions,” Acta Scientiarum Polonorum. Vol. 11, No. 4 (2012)

347-354.

[7] S.J. Ojolo, R.R. Dinrifo, K.B. Adesuyi, “Comparative Study of Biogas

Production from Five Substrates,” Advanced Materials Research. Vol

18-19 (2007) 519-525.

[8] L.M. Prescott, J.P. Harley, D.A. Klein, Microbiology. The McGraw-Hill

Companies, Inc (2002).

[9] B. Rahmat, T. Hartoyo, Y. Sunarya, “Biogas Production from Tofu

Liquid Waste on treated Agricultural Wastes,” American Journal of

Agricultural and Biological Sciences. Vol. 9, No. 2 (2014) 226-231.

[10] S.K. Sharma, I.M. Mishra, M.P. Sharma, J.S. Saini, “Effect of Particle

Size on Biogas Generation from Biomass Residues,” Biomass. Vol. 17

(1988) 251-263.

[11] R.E.H. Sims, Bioenergy Options for a Cleaner Environment: In

Developed and Developing Countries, Elsevier, Ltd (2004).

[12] J. Sutrisno, “Pembuatan Biogas dari Bahan Sampah Sayuran (Kubis,

Kangkung, dan Bayam),” Jurnal Teknik WAKTU. Vol. 8, No. 1 (2010)

98-108.

[13] D. Tampubolon, “Pembuatan Briket Arang dari Kotoran Sapi Perah

dengan Tempurung Kelapa”. Skripsi, Jurusan Ilmu Produksi Ternak,

Institut Pertanian Bogor, Bogor, Indonesia (2001).

[14] P.A. Ukpai, G.F. Ibeh, P.E. Agbo, C.A. Elekwa, “Effect of pH on the

Volume of Gas Produced from Cowpea, Cassava Peelings,” Journal of

Physical Sciences and Innovation. Vol. 3 (2011) 44-49.

[15] A.R.I. Utami, Triwikantoro, M.S. Muntini, “Analisis Peran Limbah Cair

Tahu dalam Produksi Biogas,” Seminar Nasional X Pendidikan Biologi

FKIP UNS.

[16] Yadvika, T.R. Santosh, Sreekrishnan, S. Kohli, V. Rana,

“Enhancement of Biogas Production from Solid Substrates Using

Different Technique- A Review,” Bioresource Technology. Vol. 95

(2004) 1-10.

[17] Yeni, Y. Dewilda, S.R. Sari, “Uji Pembentukan Biogas dari Substrat

Sampah Sayur dan Buah dengan Ko-Substrat Limbah Isi Rumen Sapi,”

Jurnal Teknik Lingkungan. Vol. 1 (2012) 26-36.