Pembuatan Alat Biogas dari Kotoran Ternak Skala Rumah Tangga.

a.    Judul Program

Pembuatan  Alat Biogas dari Kotoran Ternak Skala Rumah Tangga.

b.   Latar Belakang Masalah

Reaktor biogas merupakan salah satu solusi teknologi energi untuk mengatasi kesulitan masyarakat akibat kenaikan harga BBM, teknologi ini bisa segera diaplikasikan, terutama untuk kalangan masyarakat pedesaan yang memelihara hewan ternak contohnya sapi. Dalam rangka pemenuhan keperluan energi rumah tangga, khususnya di pedesaan, maka perlu dilakukan upaya yang sistematis untuk menerapkan berbagai alternatif energi yang layak bagi masyarakat.

Usaha peternakan di pedesaan cukup berkembang, baik secara intensif, semi intensif maupun tradisional, Tapi pemanfaatan kotoran ternak selama ini belum optimal, bahkan kotoran tersebut hanya menimbulkan masalah lingkungan. Pada hal kotoran ternak dapat dijadikan sebagai bahan baku untuk menghasilkan energi terbarukan (renewable) dalam bentuk biogas. Permasalahan yang terjadi di pedesaan, terutama bagi masyarakat peternakan, belum mampu memanfaatkan limbah kotoran ternak sebagai penghasil energi alternatif (energi terbarukan) pengganti kayu dan BBM, dimana kegiatan sehari-hari mereka sangat tergantung pada BBM dan kayu baik untuk memasak maupun penerangan. Hal ini sangat berdampak terhadap pendapatan dari masyarakat desa (peternak) itu sendiri.

c.    Perumusan Masalah

            Usaha peternakan skala rumah tangga terutama di pedesaan  mesti mendapat perhatian dibidang pemanfaatan limbah ternak tersebut , karena hingga sekarang belum ada langkah-langkah dari para peternak di pedesaan untuk memanfaatkan limbah kotoran ternak mereka menjadi produk yang bermanfaat sekaligus dapat meringankan beban perekonomian dan meningkatkan pendapatan mereka sebagai peternak.

Ada dua hal yang menyebabkan masyarakat kurang tertarik menggunakan energi alternatif (termasuk biogas dari kotoran ternak) tersebut, antara lain: 1). Masalah kebiasaan, masyarakat sudah terbiasa menggunakan minyak tanah atau kayu sebagai bahan bakar, sulit bagi mereka untuk mengubah kebiasaan ini secara drastis dan butuh waktu yang lama. 2). Masalah kepraktisan, menggunakan minyak tanah lebih praktis dibandingkan dengan menggunakan biogas, karena mereka belum terbiasa.

Berdasarkan masalah di atas, untuk membantu pemerintah dalam mendiversivikasi energi bahan bakar minyak tanah ke energi biogas terutama untuk memasak di dapur, maka perlu dirancang alat biogas skala kecil (rumah tangga) yang efisien, praktis , ramah lingkungan dan aman untuk meningkatkan nilai tambah (Value Added) dari Limbah (kotoran) ternak tersebut.

d.    Tujuan Program

Pada akhir Program Kreativitas Mahasiswa ini diharapkan dapat menghasilkan alat biogas skala kecil  (rumah tangga) yang effisien, praktis, ramah lingkungan dan aman dengan bahan baku kotoran ternak. Rincian hasil yang ditarget pada Program Kreativitas Mahasiswa Karsa Cipta ini yaitu :  Merancang, membuat dan menguji kelayakan alat biogas secara ekonomi untuk skala kecil (rumah tangga).

e.    Luaran Yang Diharapkan

Luaran yang diharapkan dari program ini adalah terciptanya teknologi tepat guna berupa alat penghasil biogas dari kotoran ternak  yang dapat membantu masyarakat pedesaan dalam memanfaatkan kotoran ternak tersebut, dan pada akhirnya dapat meningkatkan  perekonomian masyarakat tersebut.

Disamping itu diharapkan dengan adanya alat ini dapat juga menggugah masyarakat terutama peternak lain untuk menggunakan teknologi tepat guna yang sama sehingga secara keseluruhan dapat meningkatkan tarap hidup masyarakat.

f.     Kegunaan Program

Dari Program Kreativitas Mahasiswa Karsa Cipta (PKMKC) ini dapat memberikan manfaat bagi masyarakat khususnya para peternak dalam berbagai bidang antara lain:

1.        Perekonomian Masyarakat

Dengan adanya alat biogas ini ,diharapkan dapat membantu meningkatkan pendapatan perekonomian masyarakat terutama para peternak, dengan cara mengurangi pengeluaran rumah tangga terhadap penggunaan BBM dan mengganti BBM dengan Gas Bio sebagai bahan baku memasak rumah tangga.

2.        Dampak Terhadap Kesejahteraan Masyarakat

Dengan adanya teknologi biogas ini, diharapkan dapat membantu mewujudkan program pemerintah dalam hal pemanfaatan teknologi tepat guna untuk mensejahterakan masyarakat terutama masyarakat pedesaan di Provinsi  Kalimantan Barat.

3.      Perkembangan Iptek dalam Masyarakat

Dengan adanya teknologi biogas ini diharapkan, dapat dikembangkan keberbagai daerah lainnya sehingga mendorong penerapan dan perkembangan iptek dalam masyarakat terutama Kalimantan Barat.

g.    Tinjauan Pustaka

1.        Biogas

Biogas adalah gas yang mudah terbakar ( flammable) yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri-bakteri anaerob (bakteri yang hidup dalam keadaan kedap udara). Proses Fermentasi merupakan suatu reaksi oksidasi-reduksi didalam system biologi yang menghasilkan energy. (Gumbira Sa’id.E,1987)

 Pada umumnya semua jenis bahan organik bisa dijadikan biogas, namun demikian hanya bahan organik (padat,cair) homogen seperti kotoran dan urine hewan ternak yang cocok untuk system biogas sederhana.Selain itu kotoran manusia dan limbah industry makanan seperti tahu, tempe juga dapat dijadikan bahan pembuatan biogas. Biogas juga dikenal dengan gas methan, dikarenakan komposisi metana lebih dominan, Keseluruhan reaksi pembentukan biogas dinyatakan dalam reaksi berikut:

Bahan Organik      CH₄+CO₂+H₂S+H₂+N₂  Anorganik

                                    mikroorganisme

                            

 Adapun beberapa sifat dari gas methane antara lain gas tidak tampak bila terkena sinar matahari, terbakar dengan nyala biru bersih, mudah terbakar, tidak mengandung toksin, dan tidak mengeluarkan asap bila dibakar.

 Biogas yang terbentuk mengandung berbagai jenis zat, adapun komposisi biogas yang dihasilkan terdiri dari gas metan (55 - 65 %), karbondioksida ( 35-45%), nitrogen (0-3%), hydrogen (0-1 %), dan hydrogen sulfida  (0-1 %).  

(Karsini (1981)

       Kesetaraan biogas dengan sumber energi lain ,1m3 Biogas setara dengan:

           Table 1. Kesetaraan biogas dengan Sumber energy lain dalam 1 m³

Sumber: (Sa’id E,G.1987)

2.          Biodigester dan Factor-faktor yang harus dipertimbangkan

            Untuk menghasilkan biogas diperlukan suatu alat yang dapat menguraikan  kotoran ternak  menjadi  gas bio atau pembangkit biogas yang disebut biodigester. Dalam pembangunan biodigester, ada beberapa hal yang harus dipertimbangkan, yaitu:

1.Lingkungan abiotis : Biodigester harus tetap dijaga dalam keadaan abiotis (tanpa kontak langsung dengan Oksigen (O2). Udara (O2) yang memasuki biodigester menyebabkan penurunan produksi metana, karena bakteri berkembang pada kondisi yang tidak sepenuhnya anaerob.

2.Temperatur : Secara umum, ada 3 rentang temperatur yang disenangi oleh bakteri, yaitu:

i).Psicrophilic (suhu 4 – 20 C) : biasanya untuk negara-negara subtropics atau beriklim dingin

ii).Mesophilic (suhu 20 – 40 C)

iii).Thermophilic (suhu 40 – 60 C) : hanya untuk mendigesti material, bukan untuk menghasilkan biogas. Untuk negara tropis seperti Indonesia, digunakan unheated digester (digester tanpa   pemanasan) untuk kondisi temperatur tanah 20 – 30 C.

3.Derajat keasaman (pH) : Bakteri berkembang dengan baik pada keadaan yang agak asam (pH antara 6,6 – 7,0) dan pH tidak boleh di bawah 6,2 dikarenakan bakteri akan keracunan,oleh Karena itu kunci utama dalam kesuksesan operasional biodigester adalah dengan menjaga agar temperatur konstan (tetap) dan input material sesuai.

4. Rasio C/N bahan isian : Syarat ideal untuk proses digesti adalah C/N = 25:1 – 30:1. Besarnya rasio C/N yang terlalu tinggi akan menaikan kecepatan perombakan tetapi sludge atau buangannya akan mengandung banyak Nitrogen.Sedangkan bila rasio C/N terlalu rendah akan menyisakan banyak nitrogen yang akan berubah menjadi ammonia dan meracuni bakteri. Pencampuran limbah pertanian dengan limbah peternakan akan merubah rasio C/N untuk produksi biogas yag lebih baik.

5. Kebutuhan Nutrisi : Bakteri fermentasi membutuhkan beberapa bahan gizi tertentu dan sedikit logam. Kekurangan salah satu nutrisi atau bahan logam yang dibutuhkan dapat memperkecil proses produksi metana. Nutrisi yang diperlukan antara lain ammonia (NH3) sebagai sumber Nitrogen, nikel (Ni), tembaga (Cu), dan besi (Fe) dalam jumlah yang sedikit. Selain itu, fosfor dalam bentuk fosfat (PO4), magnesium (Mg) dan seng (Zn) dalam jumlah yang sedikit juga diperlukan.

6. Kadar Bahan Kering :  Tiap jenis bakteri memiliki nilai “kapasitas kebutuhan air” tersendiri. Bila kapasitasnya tepat, maka aktifitas bakteri juga akan optimal. Proses pembentukan biogas mencapai titik optimum apabila konsentrasi bahan kering terhadap air adalah 0,26 kg/L.

7. Pengadukan : Pengadukan dilakukan untuk mendapatkan campuran substrat yang homogen dengan ukuran partikel yang kecil. Pengadukan selama proses dekomposisi untuk mencegah terjadinya benda-benda mengapung pada permukaan cairan dan berfungsi mencampur methanogen dengan substrat. Pengadukan juga memberikan kondisi temperatur yang seragam dalam biodigester.

8.Zat Racun (Toxic) :Beberapa zat racun yang dapat mengganggu kinerja biodigester antara lain air sabun, detergen, creolin.

9. Pengaruh starter : Starter yang mengandung bakteri metana diperlukan untuk mempercepat proses fermentasi anaerob. Beberapa jenis starter antara lain:

a). Starter alami, yaitu lumpur aktif seperti lumpur kolam ikan, air comberan atau cairan septic tank, sludge, timbunan kotoran, dan timbunan sampah organik

b). Starter semi buatan, yaitu dari fasilitas biodigester dalam stadium aktif

c). Starter buatan, yaitu bakteri yang dibiakkan secara laboratorium dengan media buatan. (Rahman, B., 2005)

3.       Jenis Biodigester:

        Pemilihan jenis biodigester disesuaikan dengan kebutuhan dan kemampuan pembiayaan/ finansial. Dari segi konstruksi, biodigester dibedakan menjadi:

1. Fixed dome : Biodigester ini memiliki volume tetap sehingga produksi gas akan meningkatkan tekanan dalam reactor (biodigester). Karena itu, dalam konstruksi ini gas yang terbentuk akan segera dialirkan ke pengumpul gas di luar reaktor.

2. Floating dome : Pada tipe ini terdapat bagian pada konstruksi reaktor yang bisa bergerak untuk menyesuaikan dengan kenaikan tekanan reaktor. Pergerakan bagian reaktor ini juga menjadi tanda telah dimulainya produksi gas dalam reaktor biogas. Pada reaktor jenis ini, pengumpul gas berada dalam satu kesatuan dengan reaktor tersebut.

Dari segi aliran bahan baku reaktor biogas, biodigester dibedakan menjadi:

1.                  Bak (batch) – Pada tipe ini, bahan baku reaktor ditempatkan di dalam wadah (ruang tertentu) dari awal hingga selesainya proses digesti. Umumnya digunakan pada tahap eksperimen untuk mengetahui potensi gas dari limbah organik.

2.                  Mengalir (continuous) – Untuk tipe ini, aliran bahan baku masuk dan residu keluar pada selang waktu tertentu. Lama bahan baku selama dalam reaktor disebut waktu retensi hidrolik (hydraulic retention time/HRT).

Sementara dari segi tata letak penempatan biodigester, dibedakan menjadi:

1.                  Seluruh biodigester di permukaan tanah : Biasanya berasal dari tong-tong bekas minyak tanah atau aspal. Bersifat portable sehingga dapat dipindah-pindahkan dan tempat yang diperlukan tidak luas dibandingkan dengan tipe biodigester lainnya. Kelemahan tipe ini adalah volume yang kecil, sehingga tidak mencukupi untuk kebutuhan sebuah rumah tangga (keluarga). Kelemahan lain adalah kemampuan material yang rendah untuk menahan korosi dari biogas yang dihasilkan.

                   2.Sebagian tangki biodigester di bawah permukaan tanah : Biasanya biodigester ini terbuat dari campuran semen, pasir, kerikil, dan kapur yang dibentuk seperti sumuran dan ditutup dari plat baja. Volume tangki dapat diperbesar atau diperkecil sesuai dengan kebutuhan. Kelemahan pada sistem ini adalah jika ditempatkan pada daerah yang memiliki suhu rendah (dingin), dingin yang diterima oleh plat baja merambat ke dalam bahan isian, sehingga menghambat proses produksi.

  3.Seluruh tangki biodigester di bawah permukaan tanah : Model ini  merupakan model yang paling popular di Indonesia, dimana seluruh instalasi biodigester ditanam di dalam tanah dengan konstruksi yang permanen, yang membuat suhu biodigester stabil dan mendukung perkembangan bakteri methanogen.

Komponen pada biodigester sangat bervariasi, tergantung pada jenis biodigester yang digunakan. Tetapi, secara umum biodigester terdiri dari komponen-komponen utama sebagai berikut:

1.Saluran masuk Slurry (kotoran segar) : Saluran ini digunakan untuk memasukkan slurry (campuran kotoran ternak dan air) ke dalam reaktor utama. Pencampuran ini berfungsi untuk memaksimalkan potensi biogas, memudahkan pengaliran, serta menghindari terbentuknya endapan pada saluran masuk.

2.Saluran keluar residu :Saluran ini digunakan untuk mengeluarkan kotoran yang telah difermentasi oleh bakteri. Saluran ini bekerja berdasarkan prinsip kesetimbangan tekanan hidrostatik. Residu yang keluar pertama kali merupakan slurry masukan yang pertama setelah waktu retensi. Slurry yang keluar sangat baik untuk pupuk karena mengandung kadar nutrisi yang tinggi.

3.Katup pengaman tekanan (control valve) : Katup pengaman ini digunakan sebagai pengatur tekanan gas dalam biodigester. Katup pengaman ini menggunakan prinsip pipa T. Bila tekanan gas dalam saluran gas lebih tinggi dari kolom air, maka gas akan keluar melalui pipa T, sehingga tekanan dalam biodigester akan turun.

4.Sistem pengaduk : Pengadukan dilakukan dengan berbagai cara, yaitu pengadukan mekanis, sirkulasi substrat biodigester, atau sirkulasi ulang produksi biogas ke atas biodigester menggunakan pompa. Pengadukan ini bertujuan untuk mengurangi pengendapan dan meningkatkan produktifitas biodigester karena kondisi substrat yang seragam.

5.Saluran gas : Saluran gas ini disarankan terbuat dari bahan polimer untuk menghindari korosi. Untuk pembakaran gas pada tungku, pada ujung saluran pipa bisa disambung dengan pipa baja antikarat.

6.Tangki penyimpan gas : Terdapat dua jenis tangki penyimpan gas, yaitu tangki bersatu dengan unit reaktor (floating dome) dan terpisah dengan reaktor (fixed dome). Untuk tangki terpisah, konstruksi dibuat khusus sehingga tidak bocor dan tekanan yang terdapat dalam tangki seragam, serta dilengkapi H2S Removal untuk mencegah korosi.

         Adapun tipe biodigester yang digunakan kali ini adalah tipe fixed dome dengan bahan drum bekas, alasan memilih tipe ini dikarenakan dengan memperhitungkan tempat yang diperlukan serta biaya yang dikeluarkan.

Prinsip kerja dari alat biogas ini  adalah sebagai berikut  :

1.      Fases ternak sebelum dimasukan kedalam digester harus dilarutkan dulu dengan air dengan perbandingan 2: 3 pada sebuah wadah untuk diaduk, tujuannya adalah agar dalam proses memasukan fases tersebut tidak tersumbat oleh fases-fases yang masih dalam bentuk padatan dan agar dalam proses fermentasinya akan lebih cepat.

2.      Fases yang telah larut dengan air kemudian dimasukan kedalam digester melalui saluran masuk( slurry), maka dalam digester akan terjadi proses aerobik yang kemudian dilanjutkan dengan proses anaerobik akibat adanya bakteri pengurai yang  bekerja  menghasilkan gas bio.

3.      Gas bio akan dihasilkan dalam rentan waktu kurang dari 10 hari. biogas yang dihasilkan dari digester akan masuk dan ditampung dalam drum penampung gas yang disalurkan dengan media selang dan, untuk safetynya maka dipasang katup pengaman diantara digester dan drum penampung, yang apabila tekanan gas bio yang dihasilkan oleh digester melebihi batas tekanan gas yang diijinkan maka gas akan dikeluarkan oleh katup pengaman tersebut.

4.      Biogas yang dihasilkan sudah dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar kompor biogas.

5.      Sekali-sekali reaktor biogas digoyangkan supaya terjadi penguraian yang sempurna dan gas yang terbentuk di bagian bawah naik ke atas, lakukan juga pada setiap pengisian reaktor.

6.      Pengisian bahan biogas selanjutnya dapat dilakukan setiap hari, yaitu sebanyak ±40 liter setiap pagi dan sore hari. Sisa pengolahan bahan biogas berupa sludge (lumpur) secara otomatis akan keluar dari reaktor melalui saluran keluar(residu), setiap kali dilakukan pengisian bahan biogas. Sisa hasil pengolahan bahan biogas tersebut dapat digunakan langsung sebagai pupuk organik,baik dalam keadaan basah maupun kering.

7.  Untuk Mengoperasikan kompor biogas cukup dengan membuka   sedikit kran gas yang ada pada kompor .

8.  Nyalakan korek api dan sulut tepat diatas tungku kompor.

9. Apabila menginginkan api yang lebih besar, kran gas dapat    dibuka lebih besar lagi, demikian pula sebaliknya. Api dapat disetel sesuai dengan kebutuhan dan keinginan.

h.    Metode  Pelaksanaan Program

Metode yang digunakan dalam menyelesaikan permasalahan yang terjadi dalam program ini adalah sebagai berikut:

1.        Membuat Perencanaan model reactor biogas yang tepat pada penggunaan limbah kotoran ternak.

2.        Mempersiapkan  alat dan bahan pembuatan Reaktor biogas kotoran ternak.

3.        Pembuatan dan Perakitan model reaktor biogas untuk kotoran ternak.

4.        Percobaan dan pembuatan petunjuk mengenai cara kerja dari reaktor biogas.