Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam Dengan Kapasitas 6.733 Ton/Tahun
PRA RANCANGAN PABRIK PEMBUATAN GAS METANA DARI KOTORAN AYAM
DENGAN KAPASITAS 6.733 TON/TAHUN TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Ujian Sidang Sarjana Teknik Kimia Oleh : VINTA RUTLIANA SIREGAR 120425016
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
Universitas Sumatera Utara
LEMBAR PENGESAHAN PRA RANCANGAN PABRIK PEMBUATAN GAS METANA DARI KOTORAN AYAM DENGAN KAPASITAS 6.733 TON/TAHUN
TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan
Ujian Sarjana Teknik Kimia Oleh :
VINTA RUTLIANA SIREGAR NIM : 120425016
Telah Diperiksa / Disetujui Oleh : Dosen Pembimbing
Dosen Penguji I
Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si NIP.19680820 199501 1 001
Dosen Penguji II
Dosen Penguji III
Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si
Farida Hanum, ST. MT
Mhd. Hendra S. Ginting, ST. MT
NIP. 19680820 199501 1 001 NIP : 19780610 200212 2 003 NIP : 19700919 199903 1 001
Mengetahui, Koordinator Tugas Akhir
Mhd. Hendra S. Ginting, ST. MT NIP : 19700919 199903 1 001
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan anugerah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam Dengan Kapasitas 6.733 Ton/Tahun. Tugas Akhir ini dikerjakan sebagai syarat untuk kelulusan dalam sidang sarjana.
Selama mengerjakan Tugas akhir ini penulis begitu banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini perkenankanlah penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Dr. Eng. Ir. Irvan, MSi sebagai Dosen Pembimbing penulis yang telah membimbing dan memberikan masukan selama menyelesaikan tugas akhir ini dan sekaligus selaku Ketua Departemen Teknik Kimia. 2. Ibu Dr. Ir. Fatimah, MT selaku sekretaris Departemen Teknik Kimia. 3. Bapak Mhd. Hendra S.Ginting, ST. MT selaku koordinator tugas akhir. 4. Seluruh Dosen Pengajar Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan ilmu kepada penulis selama menjalani studi. 5. Para pegawai administrasi Departemen Teknik Kimia yang telah memberikan bantuan kepada penulis selama mengenyam pendidikan di Deparetemen Teknik Kimia.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih terdapat banyak kekurangan dan ketidaksempurnaan. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun demi kesempurnaan tulisan ini.
Medan, Penulis,
2015
Vinta Rutliana Siregar 120425016
Universitas Sumatera Utara
DEDIKASI
Rasa terima kasih dan hormat penulis ucapkan kepada Orang tua penulis yaitu Ayahanda B. Siregar dan Ibunda J. Pakpahan yang selalu mendukung penulis dalam melaksanakan studi dalam proses pengerjaan skripsi dan seluruh kegiatan akademis. Dedikasi saya ini saya tunjukan juga untuk keluarga terutama Kakak saya Renta Siregar dan Adik saya Indra Tohap Siregar, serta teman-teman Teknik Kimia Ekstensi stambuk 2012 khususnya Jojor, Johan, Nandus, Andrew, Andika, Nimrod, Panca, Fermadi, Mitra, Dennie, Lala, Febri, dan teman-teman yang lain juga termasuk para senior dan juga junior ekstensi teknik kimia serta yang lainnya.
Universitas Sumatera Utara
INTISARI
Biogas merupakan sebuah gas yang dibuat melalui proses biologis dari
material organik dengan bantuan suatu bakteri. Proses degradasi material organik
ini dilakukan tanpa melibatkan oksigen atau yang disebut dengan anaerobic
digestion dengan gas yang dihasilkan sebagian besar (lebih 50%) berupa metana
(CH4) sedangkan sisanya berupa gas CO2, H2S dan beberapa trace element (Maynell, 1981)
Pra rancangan pabrik Pembuatan Gas Metana ini direncanakan berproduksi
dengan kapasitas 6.733 ton/tahun dengan masa kerja 330 hari dalam satu tahun.
Lokasi pabrik direncanakan di daerah Kecamatan Payakumbuh, Kabupaten Limapulu Kota, Sumatera Barat dengan luas areal 21.960 m2.
Tenaga kerja yang dibutuhkan 135 orang dengan bentuk badan usaha
Perseroan Terbatas (PT) yang dipimpin oleh seorang Dewan Komisaris dengan
struktur organisasi sistem garis.
Hasil analisa ekonomi pabrik pembuatan gas metana ini adalah sebagai
berikut:
ï‚· Total Modal Investasi
: Rp 138.820.647.890,-
ï‚· Biaya Produksi
: Rp 60.513.706.317,-
ï‚· Hasil Penjualan
: Rp 160.407.115.942,-.
ï‚· Laba Bersih
: Rp 69.575.759.804,-
ï‚· Profit Margin
: 61,96 %
ï‚· Break Even Point
: 28,96 %
ï‚· Return on Investment
: 50,12 %
ï‚· Pay Out Time
: 2,00 tahun
ï‚· Return on Network
: 83,53 %
ï‚· Internal Rate of Return
: 56,69 
Dari hasil analisa aspek ekonomi dapat disimpulkan bahwa Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam ini layak untuk didirikan.
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman KATA PENGANTAR ………………………………………….………………… i DEDIKASI ……………………………………………………….……………..… ii INTISARI …………………………………………………………..………….......iii DAFTAR ISI ………………………………………………………..……………..iv DAFTAR TABEL …………………………………………………..……………..x DAFTAR GAMBAR ……………………………………………….…………….. xiv DAFTAR LAMPIRAN …………………………………………….…………….. xv BAB I PENDAHULUAN ……………………………………….…………… I-1
1.1 Latar Belakang ………………………………………..………… I-1 1.2 Perumusan Masalah …………………………………….………. I-2 1.3 Tujuan Perancangan …………………………………….………. I-3
BAB II
1. 4 Manfaat Perancangan .................................................................... I-3 TINJAUAN PUSTAKA ……………………………………………… II-1 2.1 Biogas ……………………………………………………………II-1 2.2 Reaktor Biogas …………………………………………….……. II-2 2.3 Proses Produksi Biogas …………………………………………. II-4
2.3.1 Bahan Baku ……………………………………………... II-4 2.3.2 Proses Anaerob ……………………………………….…. II-5 2.4 Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Proses Anaerobik ……….… II-6 2.5 Deskripsi Proses ……………………………………………….... II-10 2.5.1 Proses Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam …… II-10
BAB III
2.5.2 Sifat-sifat Bahan.................................................................II-11 2.5.2.1 NaHCO3 ……………………………………..…. II-11 2.5.2.1 Gas Metana ……………………………...…..…. II-11 2.5.2.1 CO2 …………………………………………..….II-12 2.5.2.1 H2O……………...………………………………. II-13
NERACA MASSA …………………………………………………….III-1
3.1 Neraca Massa Pada Tangki Netralisasi (TK-101) ...................... III-1
3.2 Neraca Massa Pada Rotary Washer I (RW-101) .......................... III-2
Universitas Sumatera Utara
BAB IV BAB V
BAB VI
3.3 Neraca Massa Pada Kolom Absorbsi (AB-101) ………………. III-2 3.4 Neraca Massa Pada Filter Press (FP-101) …….…………….... III-3 NERACA PANAS ………………………………….………………… IV-1 4.1 Neraca Panas pada Reaktor Fermentasi (R-101) …..….………... IV-1 4.2 Neraca Panas pada Kolom Absorbsi (AB-101) ………………… IV-1 SPESIFIKASI PERALATAN …………………………………….…. V-1 5.1 Gudang Penyimpanan Bahan Baku (G-101) ………………….…V-1 5.2 Conveyor (C-101) ………………………………………………..V-1 5.3 Bulk Elevator (BE-101) ………………………………………….V-1 5.4 Tangki Penyimpan Bakteri (TK-101) …………………………... V-2 5.5 Screw Conveyor I (SC-101) ………………………………….…. V-2 5.6 Tangki Bakteri (TK-102) …………………………………….…. V-2 5.7 Screw Conveyor II (SC-102) …………………………………… V-3 5.8 Tangki Netralisasi (TK-103) …………………………………… V-3 5.9 Pompa Fermentor (P-101) ……………………………………… V-4 5.10 Fermentor (R-101) ……………………………………………… V-4 5.11 Blower I (B-101) ……………………………………………….. V-5 5.12 Absorbsi (AB-101) ………………………………….…………... V-5 5.13 Bak Penampung Air Proses ………………………..…………….V-5 5.14 Blower II (B-102) ……………………………………………..…V-6 5.15 Tangki Gas Metana …………………………………………….. V-6 5.16 Pompa Filter Press (P-102) …………………………..……….... V-6 5.17 Filter Press (FP-101) ………………………………..………….. V-6 5.17 Bak Penampung Limbah Cair …………………………..………. V-7 5.19 Bak Penampung Limbah Padat ………………………….……… V-7 INSTRUMENTASI DAN KESELAMATAN KERJA ……………. VI-1 6.1 Instrumentasi …………………………………………………… VI-1
6.2 Keselamatan Kerja ........................................................................VI-4
6.3 Keselamatan Kerja Pada Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam ……………………………………………..…….VI-5
6.3.1 Pencegahan Terhadap Kebakaran dan Peledakan ........... VI-6
Universitas Sumatera Utara
6.3.2 Peralatan Perlindungan Diri .............................................. VI-7 6.3.3 Keselamatan Kerja Terhadap Listrik ................................ VI-7. 6.3.4 Pencegahan Terhadap Gangguan Kesehatan .................... VI-8 6.3.5 Pencegahan Terhadap Bahaya Mekanis ............................VI-8 BAB VII UTILITAS …………………………………………………..…………VII-1 7.1 Kebutuhan Uap (Steam) …………………………………………VII-1 7.2 Kebutuhan Air …………………………………………………...VII-2 7.2.1 Screening ………………………………………………………VII-4 7.2.2 Sedimentasi ……………………………………………...VII-5 7.2.3 Klarifikasi ......................................................................... VII-5 7.2.4 Filtrasi ............................................................................... VII-5 7.2.5 Demineralisasi .................................................................. VII-7 7.2.5 Deaerator ..........................................................................VII-10 7.3 Kebutuhan Bahan Kimia ………………………………………...VII-10 7.4 Kebutuhan Listrik ………………………………………………. VII-10 7.5 Kebutuhan Bahan Bakar ………………………………………... VII-12 7.6 Unit Pengolahan Limbah ……………………………………….. VII-13 7.6.1 Bak Penampungan ……………………………………… VII-14 7.6.2 Bak Pengendap Awal ……………………………………VII-15 7.6.3 Bak Netralisasi ..................................................................VII-16 7.7 Spesifikasi Peralatan Pengolahan Air …………...……………… VII-16 7.7.1 Screening (SC) …………………………………………..VII-16 7.7.2 Pompa Screening (PU-01) ……………………………... VII-16 7.7.3 Bak Sedimentasi (BS) …………………………………...VII-18 7.7.4 Tangki Pelarutan Alum [Al2(SO4)3] (TP-01) ……………VII-18 7.7.5 Clarifier (CL) ……………………………………………VII-19 7.7.6 Sand Filter (SF) ………………………………………… VII-19 7.7.7 Tangki Utilitas 1 (TU-01) ………………………………. VII-20 7.7.8 Cation Exchanger (CE) ………………………………… VII-20 7.7.9 Anion Exchanger (AE) .....................................................VII-21 7.7.10 Deaerator (DE) ................................................................VII-21
Universitas Sumatera Utara
7.7.11 Ketel Uap (KU) …………………………………………VII-22 BAB VIII LOKASI DAN TATA LETAK PABRIK ………………………….VIII-1
8.1 Lokasi Pabrik …………………………………………………… VIII-1 8.2 Tata Letak Pabrik ………………………………………………. VIII-3
BAB IX
8.3 Perincian Luas Tanah ................................................................... VIII-4 ORGANISASI DAN MANAJEMEN PERUSAHAAN ……………. IX-1 9.1 Bentuk Hukum Badan Usaha ……………………………………IX-1 9.2 Manajemen Perusahaan ………………………………………… IX-2
9.3 Organisasi Perusahaan .................................................................. IX-2 9.4 Uraian Tugas, Wewenang dan Tanggung Jawab ………………..IX-3
9.4.1 Rapat Umum Pemegang Saham (RUPS) ………………..IX-3
9.4.2 Dewan Komisaris ..............................................................IX-3
9.4.3 General Managerr ............................................................ IX-4
9.4.4 Sekretaris .......................................................................... IX-4
9.4.5 Manajer Teknik dan Produksi ...........................................IX-4
9.4.6 Manajer Umum dan Keuangan ......................................... IX-5 9.4.7 Manajer Pembelian dan Pemasaran …………………….. IX-5
9.5 Sistem Kerja ..................................................................................IX-5
9.5.1 Karyawan non-shift .......................................................... IX-5
BAB X
9.5.2 Karyawan Shift ................................................................. IX-6 9.6 Jumlah Karyawan dan Tingkat Pendidikan …………………….. IX-7 9.7 Sistem Pengajian ………………………………………………...IX-8 9.8 Fasilitas Tenaga Kerja ………………………………………….. IX-10 ANALISA EKONOMI …………………………………………..…....X-1 10.1 Modal Investasi ………………………………………………… X-1
10.1.1 Modal Investasi Tetap/Fixed Capital Investment ……… X-1 10.1.2 Modal Kerja/Working Capital ……………………………. X-3 10.2 Biaya Produksi Total (BPT)/Total Cost (TC) ……………..…….X-4 10.2.1 Biaya Tetap/Fixed Cost (FC) …………………..………X-4 10.2.2 Biaya Variabel/Variable Coat (VC) ………….……….. X-4 10.3 Total Penjualan (Total Sales) …………………………..………..X-5
Universitas Sumatera Utara
BAB XI
10.4 Bonus Perusahaan …………………………………….………… X-5 10.5 Perkiraan Rugi/Laba Usaha ………………………….…………. X-5 10.6 Analisa Aspek Ekonomi …………………………….………….. X-5
10.6.1 Profit Margin (PM) ……………………….……………X-5 10.6.2 Break Event Point ………………………………………..… X-6 10.6.3 Return on Investment (ROI)……………….…………....X-6 10.6.4 Pay Out Time (POT) ……………………..……………. X-7 10.6.5 Return On Network (RON) ……………………………. X-7 10.6.6 Internal Rate of Return (IRR) …………...……………..X-8 KESIMPULAN ……………………………………….……………….XI-1
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Hal Tabel 1.1 Jumlah Peternak Ayam di Kabupaten limapuluh ......................................I-2 Tabel 2.1 Kandungan Gas Metana ........................................................................... II-1 Tabel 2.2 Komposisi Biogas...................................................................................... II-2 Tabel 2.3 Nilai Kandungan Kering Bahan Baku Biogas .......................................... II-7 Tabel 2.4 Potensi Produksi Biogas ............................................................................II-8 Tabel 2.5 Kesetaraan Biogas .....................................................................................II-9 Tabel 3.1 Neraca Massa Pada Tangki Netralisasi (TK-101) ………...………….......III-1 Tabel 3.2 Neraca Panas pada Reaktor Fermentasi (R-101) ...................................... III-2 Tabel 3.3 Neraca Massa Pada Kolom Absorbsi (AB-101) ……................................. III-2 Tabel 3.4 Neraca Massa Pada Filter Press (FP-10)……………...............................III-3 Tabel 4.1 Neraca Panas pada Reaktor Fermentasi (R – 101) …………………....…IV-1 Tabel 4.2 Neraca Panas pada Kolom Absorbsi (AB – 101)……………………….......IV-1 Tabel 6.1 Daftar penggunanan instrumentasi pada Pra – rancangan Pabrik
pembuatan gas metana dari kotoran ayam …………………………… VI-4 Tabel 7.1 Kebutuhan Steam Pabrik Gas Metana …………………………………...VII-1 Tabel 7.2 Kebutuhan Air Proses pada Alat ………………………………….……..VII-2 Tabel 7.3 Pemakaian Air Unttuk Kebutuhan ……………………….……………... VII-2 Tabel 7.4 Kualitas Air Sungai ………………………………………..……………. VII-3 Tabel 7.5 Perincian Kebutuhan Listrik untuk Utilitas ……………….……………. VII-10 Tabel 7.6 Perhitungan Pompa Utilitas………………………………….……..…… VII-17 Tabel 7.7 Perhitungan Tangki Pelarutan ………………...……...……................ VII-19 Tabel 7.8 Perhitungan tangki Utilitas ……………………………………………....VII-20 Tabel 8.1 Perincian Luas Tanah …………………………………………………. VIII-4 Tabel 9.1 Jadwal Kerja Karyawan Shift………………………………………….. IX-6 Tabel 9.2 Jumlah Karyawan dan Kualifikasinya ………………………………... IX-7 Tabel 9.3 Perincian Gaji Karyawan ……………………………………………... IX-8 Tabel LA.1 Kandungan Kimia Dalam Kotoran Ayam ……………….……...….. LA-1 Tabel LA.2 Rumus Molekul dan Berat Molekul Komponen ....................................LA-2
Universitas Sumatera Utara
Tabel LA.3 Neraca Massa pada Netralisasi (kg/jam) ………...………...……….. LA-4 Tabel LA.4 Neraca Massa pada Fermentor (kg/jam)………………………...…… LA-5 Tabel LA.5 Neraca Massa pada Kolom Absorbsi (kg/jam) …..……..………........ LA-9 Tabel LA.6 Neraca Massa pada Filter Press (kg/jam) …….…….….………...…. LA-10 Tabel LB.1 Data Karakteristik Zat ……................................................................. LB-1 Tabel LB.2 Menyajikan data dan hasil panas masuk pada Fermentor dengan
menggunakan persamaan (1)…............................................................ LB-3 Tabel LB.3 Panas Keluar Tiap Komponen dan Total pada Fermentor……..…….. LB-3 Tabel LB.4 Neraca Energi Fermentor...................................................................... LB-4 Tabel LB.5 Panas Masuk Tiap Komponen dan Total Absorbsi …………….……...... LB-5 Tabel LB.6 Panas Keluar Tiap Komponen dan Total Absorbsi ………….................LB-5 Tabel LB.7 Neraca Energi Absorbsi …………………………...………….……........LB-6 Tabel LD.1 Spesifikasi Pompa Utilitas ................................................................... LD-5 Tabel LD.2 Perhitungan Pelarutan .......................................................................... LD-10 Tabel LD.3 Perhitungan Tangki Utilitas ……………………………………..…….LD-16 Tabel LE.1 Perincian Harga Bangunan, dan Sarana Lainnya …………………....... LE-1 Tabel LE.2 Harga Indeks Marshall dan Swift ………………………………………......LE-3 Tabel LE.3 Estimasi Harga Peralatan Proses …………………………………..…..LE-6 Tabel LE.4 Estimasi Harga Peralatan Utilitas dan Pengolahan Limbah ………...…LE-6 Tabel LE.5 Biaya Sarana Transportasi …………………………………………......LE-10 Tabel LE.6 Perincian Gaji Pegawai ……………………………………………….. LE-13 Tabel LE.7 Perincian Biaya Kas selama 3 bulan ………………………..………… LE-16 Tabel LE.8 Perincian Modal Kerja …………………………………….…………. LE-17 Tabel LE.9 Perhitungan Biaya Depresiasi ………………………………..……….. LE-18 Tabel LE.10 Data Perhitungan BEP ………………………………………………. LE-25 Tabel LE.11 Data Perhitungan Internal Rate of Return (IRR) ……………………. LE-26
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Hal Gambar 2.1 Fixed dome ........................................................................................ I-3 Gambar 2.2 Floating Drum ………………………………………………………………. I-4 Gambar 2.3 Instalasi sistem produksi dan pemanfaatan biogas …………………....I-5 Gambar 7.1 Peta Lokasi Pabrik …………………………………......……….…… VII-3 Gambar 8.1 Tata Letak Pabrik Selusa dari Kulit Buah Kakao ………..…………. VIII-5 Gambar 9.1 Bagan Struktur Organisasi Perusahaan Pabrik Selulosa dari Kulit
Buah Kakao ………………………………………........................... IX-12 Gambar LD.1 Sketsa Sebagian Bar Screen ………………………………..………….. LD-2 Gambar LE.1 Harga Peralatan untuk Tangki Penyimpanan (Storage) dan Tangki
Pelarutan …………………………………………………………..… LE-5 Gambar LE.2 Grafik BEP....................................................................................... LE-25
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Hal LAMPIRAN A PERHITUNGAN NERACA MASSA ………………………….. LA-1 LAMPIRAN B PERHITUNGAN NERACA PANAS…………………………… LB-1 LAMPIRAN C PERHITUNGAN SPESIFIKASI PERALATAN ……….……… LC-1 LAMPIRAN D PERHITUNGAN SPESIFIKASI ALAT UTILITAS …………... LD-1 LAMPIRAN E PERHITUNGAN ASPEK EKONOMI …………………………. LE-1
Universitas Sumatera Utara
INTISARI
Biogas merupakan sebuah gas yang dibuat melalui proses biologis dari
material organik dengan bantuan suatu bakteri. Proses degradasi material organik
ini dilakukan tanpa melibatkan oksigen atau yang disebut dengan anaerobic
digestion dengan gas yang dihasilkan sebagian besar (lebih 50%) berupa metana
(CH4) sedangkan sisanya berupa gas CO2, H2S dan beberapa trace element (Maynell, 1981)
Pra rancangan pabrik Pembuatan Gas Metana ini direncanakan berproduksi
dengan kapasitas 6.733 ton/tahun dengan masa kerja 330 hari dalam satu tahun.
Lokasi pabrik direncanakan di daerah Kecamatan Payakumbuh, Kabupaten Limapulu Kota, Sumatera Barat dengan luas areal 21.960 m2.
Tenaga kerja yang dibutuhkan 135 orang dengan bentuk badan usaha
Perseroan Terbatas (PT) yang dipimpin oleh seorang Dewan Komisaris dengan
struktur organisasi sistem garis.
Hasil analisa ekonomi pabrik pembuatan gas metana ini adalah sebagai
berikut:
ï‚· Total Modal Investasi
: Rp 138.820.647.890,-
ï‚· Biaya Produksi
: Rp 60.513.706.317,-
ï‚· Hasil Penjualan
: Rp 160.407.115.942,-.
ï‚· Laba Bersih
: Rp 69.575.759.804,-
ï‚· Profit Margin
: 61,96 %
ï‚· Break Even Point
: 28,96 %
ï‚· Return on Investment
: 50,12 %
ï‚· Pay Out Time
: 2,00 tahun
ï‚· Return on Network
: 83,53 %
ï‚· Internal Rate of Return
: 56,69 
Dari hasil analisa aspek ekonomi dapat disimpulkan bahwa Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam ini layak untuk didirikan.
Universitas Sumatera Utara
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Kelangkaan bahan bakar minyak, yang disebabkan oleh kenaikan harga
minyak dunia yang signifikan, telah mendorong pemerintah untuk mengajak masyarakat mengatasi masalah energi bersama-sama (Kompas, 23 Juni 2014). Limbah ternak adalah sisa buangan dari suatu kegiatan usaha peternakan seperti usaha pemeliharaan ternak, rumah potong hewan, pengolahan produk ternak, dll. Limbah tersebut meliputi limbah padat dan limbah cair seperti feses, urine, sisa makanan, embrio, kulit telur, lemak, darah, bulu, kuku, tulang, dan sebagainya. Apabila usaha peternakan semakin berkembang maka limbah yang dihasilkan juga akan semakin banyak. Dalam pemeliharaan ayam petelur (unggas) akan menghasilkan limbah yang mempunyai nilai nutrisi yang cukup tinggi. Jumlah kotoran ayam /limbah yang dikeluarkan setiap harinya banyak, rata-rata per ekor ayam 0,063 kg/hari (Charles dan Hariono, 1991).
Kabupaten Limapuluh Kota terkenal dengan peternakan ayam, terutama ayam ras atau ayam petelur. Hampir diseluruh kecamatan yang ada di Kabupaten Limapuluh Kota menjadi lokasi pengembangan peternakan ayam ras. Dari data dinas peternakan kabupaten Limapuluh Kota, untuk tahun 2013 terdapat sekitar 4,7 juta ayam ras yang dipelihara masyarakat tersebar di 13 kecamatan. “ Untuk tahun 2015 ini, masih melakukan pendataan terhadap jumlah ayam ras dari keseluruhan peternak yang ada di kabupaten Limapuluh Kota dan diperkirakan jumlahnya melebihi 4,7 juta ekor ayam ras. Untuk 4 tahun terakhir , tercatat jumlah peternakan ayam ras di Kabupaten Limapuluh Kota dapat di lihat pada table 1.1
Universitas Sumatera Utara
Tabel 1.1 Jumlah Peternak Ayam
No Tahun Jumlah Kotoran Ayam
(Kg/Jam)
1. 2010
16379
2. 2011
12940
3. 2012
13879
4. 2013
12428
Kotoran ayam terdiri dari sisa pakan dan serat selulosa yang tidak dicerna. Kotoran ayam mengandung protein, karbohidrat, lemak dan senyawa organik lainnya. Protein pada. kotoran ayam merupakan sumber nitrogen selain ada pula bentuk nitrogen inorganik lainnya. Komposisi kotoran ayam sangat bervariasi bergantung pada jenis ayam, umur, keadaan individu ayarn, dan makanan (Foot et al., 1976). Kebutuhan bahan bakar bagi penduduk berpendapatan rendah maupun miskin, terutama di pedesaan, sebagian besar dipenuhi oleh minyak tanah yang memang dirasakan terjangkau karena disubsidi oleh pemerintah. Namun karena digunakan untuk industri atau usaha lainnya, kadang-kadang terjadi kelangkaan persediaan minyak tanah di pasar.
Penghematan ini sebetulnya harus telah kita gerakkan sejak dahulu karena pasokan bahan bakar yang berasal dari minyak bumi adalah sumber energi fosil yang tidak dapat diperbarui (unrenewable), sedangkan permintaan naik terus, demikian pula harganya sehingga tidak ada stabilitas keseimbangan permintaan dan penawaran. Salah satu jalan untuk menghemat bahan bakar minyak (BBM) adalah mencari sumber energi alternatif yang dapat diperbarui (renewable). Energi terbarukan lain yang dapat dihasilkan dengan teknologi tepat guna yang relatif lebih sederhana dan sesuai untuk daerah pedesaan adalah energi biogas dengan memproses limbah bio atau bio massa di dalam alat kedap udara yang disebut digester. Biomassa berupa limbah dapat berupa kotoran ayam bahkan tinja manusia, sisa-sisa panenan seperti jerami, sekam dan daun-daunan sortiran sayur dan sebagainya. Namun, sebagian besar terdiri atas kotoran ayam.
Universitas Sumatera Utara
1.2 Perumusan Masalah Biogas yang dihasilkan oleh aktifitas anaerobik sangat populer digunakan
untuk mengolah limbah biodegradable karena bahan bakar dapat dihasilkan sambil menghancurkan bakteri patogen dan sekaligus mengurangi volume limbah buangan. Metana dalam biogas, bila terbakar akan relatif lebih bersih daripada batu bara, dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi karbon dioksida yang lebih sedikit. Pemanfaatan biogas memegang peranan penting dalam manajemen limbah karena metana merupakan gas rumah kaca yang lebih berbahaya dalam pemanasan global bila dibandingkan dengan karbon dioksida. Karbon dalam biogas merupakan karbon yang diambil dari atmosfer oleh fotosintesis tanaman, sehingga bila dilepaskan lagi ke atmosfer tidak akan menambah jumlah karbon diatmosfer bila dibandingkan dengan pembakaran bahan bakar fosil. Saat ini, banyak negara maju meningkatkan penggunaan biogas yang dihasilkan baik dari limbah cair maupun limbah padat atau yang dihasilkan dari sistem pengolahan biologi mekanis pada tempat pengolahan limbah.
Sementara itu kebutuhan dalam negeri cukup terpenuhi, untuk itu pendirian pabrik metana ini ditujukan untuk kebutuhan ekspor, sehingga dapat meningkat devisa negara dan mengurangi pengangguran di Indonesia dan juga dapat memenuhi permintaan industri yang menggunakan bahan baku dari kotoran ayam. 1.3 Tujuan Perancangan
Tujuan Pra Rancangan Pabrik ini adalah untuk mengaplikasikan ilmu teknologi kimia industri yang meliputi neraca massa, neraca energi, operasi teknik kimia, utilitas dan bagian ilmu teknologi kimia industri lainnya yang penyajiannya disajikan pada Pra Rancangan Pabrik Proses Pembuatan metana dari kotoran ayam. 1.4 Manfaat Perancangan
Pendirian pabrik proses pembuatan gas metana dari kotoran ayam ini adalah mengadakan energi alternatif sebagai pengganti BBM dan mengurangi ketergantungan rakyat terhadap BBM, serta meningkatkan masyarakat miskin perkotaan melalui usaha industri daur ulang (biogas).
Universitas Sumatera Utara
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Biogas Biogas merupakan sebuah gas yang dibuat melalui proses biologis dari
material organik dengan bantuan suatu bakteri. Proses degradasi material organik ini dilakukan tanpa melibatkan oksigen atau yang disebut dengan anaerobic digestion dengan gas yang dihasilkan sebagian besar (lebih 50%) berupa metana (CH4) sedangkan sisanya berupa gas CO2, H2S dan beberapa trace element (Maynell, 1981). Kandungan methane berbeda untuk tiap kotoran hewan atau tumbuhan seperti ditunjukkan pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Kandungan gas methane untuk beberapa jenis sumber biogas
Jenis Sumber Biogas
Cattle Manure Poultry manure
Pig manure Chicken manure
Farmyard manure Straw Grass
(Maynell, 1981)
Kandungan Gas Methane (%) 65 60 67 85 55 59 70
Biogas sebagian besar mengandung gas metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2), dan beberapa kandungan yang jumlahnya kecil diantaranya hydrogen sulfida (H2S) dan ammonia (NH3) serta hydrogen dan (H2), nitrogen yang kandungannya sangat kecil (Wahyuningsih, 2009). Tetapi secara umum rentang komposisi biogas adalah sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2. Komposisi Biogas
KOMPONEN
%
Metana (CH )
4
Karbon dioksida (CO )
2
Nitrogen (N )
2
55-75 25-45 0-0.3
Oksigen (O )
2
0.1-0.5
Hidrogen sulfida (H S)
2
Sumber : id.Wikipedia.org, 2014
0.3
Secara umum, alur proses pencernaan/digesting limbah organik sampai
menjadi biogas dimulai dengan pencernaan limbah organik yang disebut juga
dengan fermentation/digestion anaerob. Pencernaan tergantung kepada kondisi
reaksi dan interaksi antara bakteri methanogens, non-methanogens dan limbah
organik yang dimasukkan sebagai bahan input/feedstock kedalam digester. Biogas
dapat digunakan untuk menggantikan bahan bakar konvensional yang sudah
umum digunakan seperti minyak tanah (kerosene) atau kayu bakar, serta
penggunaan biogas juga meyelamatkan lingkungan dari pencemaran dan
mengurangi kerusakan lingkungan hidup. Saat ini pemanfaatan biogas menjadi
penting ditengah isu pemanasan global karena gas metan sebagai kandungan
utama dalam biogas memberikan efek rumah kaca (green house gases) yang 21
kali lebih bersifat polutan daripada gas CO2 (Budiman, 2010)
2.2. Reaktor Biogas Ada beberapa jenis reaktor biogas yang dikembangkan diantaranya adalah
reaktor jenis kubah tetap (fixed dome) dan reaktor terapung (floating drum). Dari keenam jenis digester biogas yang sering digunakan adalah jenis kubah tetap (fixed dome) dan jenis reaktor terapung (floating drum). Beberapa tahun terakhir ini dikembangkan jenis reaktor balon yang banyak digunakan sebagai reaktor sederhana dalam skala kecil (Syamsudin dan Iskandar, 2005). a. Reaktor jenis kubah tetap (fixed dome)
Universitas Sumatera Utara
Reaktor ini disebut juga reaktor China. Dinamakan demikian karena reaktor ini dibuat pertama kali di China sekitar tahun 1930an, kemudian sejak saat itu reaktor ini berkembang dengan berbagai model. Pada reaktor ini memiliki dua bagian yaitu digester sebagai tempat pencerna material biogas dan sebagai rumah bagi bakteri, baik bakteri pembentuk asam ataupun bakteri pembentu gas metana. Bagian ini dapat dibuat dengan kedalaman tertentu menggunakan batu, batu bata atau beton. Strukturnya harus kuat karena menahan gas agar tidak terjadi kebocoran. Bagian yang kedua adalah kubah tetap (fixed dome). Dinamakan kubah tetap karena bentuknya menyerupai kubah dan bagian ini merupakan pengumpul gas yang tidak bergerak (fixed). Gas yang dihasilkan dari material organik pada digester akan mengalir dan disimpan di bagian kubah. Keuntungan dari reaktor ini adalah biaya konstruksi lebih murah daripada menggunakan reaktor terapung, karena tidak memiliki bagian yang bergerak, menggunakan besi yang tentunya harganya relatif lebih murah dan perawatannya lebih mudah. Sedangkan kerugian dari reaktor ini adalah seringnya terjadi kehilangan gas pada bagian kubah karena konstruksi tetapnya.
Gambar 2.1 fixed dome (TACIS, 1997)
b. Reaktor terapung (floating drum) Reaktor jenis terapung pertama kali dikembangkan di India pada tahun
1937 sehingga dinamakan dengan reaktor India. Memiliki bagian digester yang sama dengan reaktor kubah, perbedaannya terletak pada bagian penampung gas menggunakan peralatan bergerak menggunakan drum. Drum ini dapat bergerak naik turun yang berfungsi untuk menyimpan gas hasil fermentasi dalam digester.
Universitas Sumatera Utara
Pergerakan drum mengapung pada cairan dan tergantung dari jumlah gas yang dihasilkan. Keuntungan dari reaktor ini adalah dapat melihat secara langsung volume gas yang tersimpan pada drum karena pergerakannya. Karena tempat penyimpanan yang terapung sehingga tekanan gas konstan. Sedangkan kerugiannya adalah biaya material konstruksi dari drum lebih mahal, faktor korosi pada drum juga menjadi masalah sehingga bagian pengumpul gas pada reaktor ini memiliki umur yang lebih pendek dibandingkan menggunakan tipe kubah tetap.
Gambar 2.2 Floating Drum (TACIS, 1997) 2.3. Proses Produksi Biogas
Proses produksi biogas, terjadi dua tahap yaitu penyiapan bahan baku dan proses penguraian anaerobik oleh mikroorganisme untuk menghasilkan gas metana. 2.3.1. Bahan baku
Biogas berasal dari hasil fermentasi bahan-bahan organik diantaranya : a. Limbah tanaman : tebu, rumput-rumputan, jagung, gandum dan lain-lain. b. Limbah dari hasil produksi :minyak, bagas, penggilingan padi, limbah sagu. c. Hasil samping industri : tembakau, limbah pengolahan buah-buahan dan sayur-
sayuran, dedak, kain dari tekstil, ampas tebu dari industri gula dan tapioka, industri tahu (limbah cair). d. Limbah perairan : alga laut, tumbuh-tumbuhan air. e. Limbah peternakan : kotoran sapi, kerbau, kambing, unggas.
Salah satu pemasalahan yang dihadapi dalam fermentasi anaerob adalah keberadaan senyawa-senyawa tertentu yang bertindak sebagai inhibitor. Oleh karena itu perlu ditambahkan sesuatu pada bahan baku supaya menghilangkan pengaruh inhibitor yang ada. Penggunaan limbah sebagai bahan baku biogas
Universitas Sumatera Utara
memerlukan metode pengumpulan, penyiapan, penanganan dan penyimpanan yang memadai. Pemilihan metode didasarkan pada sifat dan jumlah bahan baku yang bervariasi. Sifat alami bahan baku adalah padatan, semipadatan atau cairan. Sejalan dengan itu sistem penanganannya harus sesuai dengan kondisi setempat. 2.3.2. Proses anaerob
Proses penguaraian oleh mikroorganisme untuk menguraikan bahan-bahan organic terjadi secara anaerob. Pada prinsipnya proses anaerob adalah proses biologi yang berlangsung pada kondisi tanpa oksigen oleh mikrooeganisme tertentu yang mampu mengubah senyawa organik menjadi metana (biogas). Proses ini banyak dikembangkan untuk mengolah kotoran hewan dan manusia atau air limbah yang kandungan bahan organiknya tinggi. Sisa pengolahan bahan organik dalam bentuk padat digunakan untuk kompos. Berikut ini adalah proses pengolahan bahan organik menjadi biogas dengan proses anaerobik.
Gambar 2.3 Instalasi sistem produksi dan pemanfaatan biogas (Schulin, 2003)
Secara umum, proses anaerob terdiri dari empat tahap yakni : hidrolisis, pembentukan asam, pembentukan asetat dan pembentukan metana. Proses anaerob dikendalikan oleh dua golongan mikroorganisme (hidrolitik dan metanogen). Bakteri hidrolitik terdapat dalam jumlah yang besar dalam kotoran unggas karena reproduksinya sangat cepat. Organisme ini memecah senyawa organik kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana. Senyawa sederhana
Universitas Sumatera Utara
diuraikan oleh bakteri penghasil asam (acid-forming bacteria) menjadi asam lemak dengan berat molekul rendah seperti asam asetat dan asam butirat. Selanjutnya bakteri metanogenik mengubah asam-asam tersebut menjadi metana. 2.4. Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Proses Anaerobik
Aktivitas metabolisme mikroorganisme penghasil metana tergantung pada faktor: a. Temperatur Gas metana dapat diproduksi pada tiga range temperatur sesuai dengan bakteri yang hadir. Bakteri psyhrophilic 0 – 7 oC, bakteri mesophilic pada temperatur 13 – 40 oC sedangkan thermophilic pada temperatur 55 – 60 oC Temperatur yang optimal untuk digester adalah temperatur 30 – 35 oC, kisaran temperatur ini mengkombinasikan kondisi terbaik untuk pertumbuhan bakteri dan produksi methana di dalam digester dengan lama proses yang pendek. Bakteri mesophilic adalah bakteri yang mudah dipertahankan pada kondisi buffer yang mantap (well buffered) dan dapat tetap aktif pada perubahan temperatur yang kecil, khususnya bila perubahan berjalan perlahan. Apabila bakteri bekerja pada temperatur 40 oC produksi gas akan berjalan dengan cepat hanya beberapa jam tetapi untuk sisa hari itu hanya akan diproduksi gas yang sedikit. Perubahan temperatur tidak boleh melebihi batas temperatur yang diijinkan. Untuk bakteri psychrophilic selang perubahan temperatur berkisar antara 2 oC / jam, bakteri mesophilic 1 oC /jam dan bakteri thermophilic 0.5 oC /jam (Fry, 1973). b. Derajat Keasaman (pH) Derajat keasaman memiliki efek terhadap aktivasi biologi dan mempertahankan pH agar stabil penting untuk semua kehidupan. Kebanyakan dari proses kehidupan memiliki kisaran pH antara 5 – 9. Nilai pH yang dibutuhkan untuk digester antara 7 – 8,5. Pertumbuhan bakteri penghasil gas metana akan baik bila pH bahannya pada keadaan alkali (basa). Bila proses fermentasi berlangsung dalam keadaan normal dan anaerobik, maka pH akan secara otomatis berkisar antara 7 – 8,5. Bila derajat keasaman lebih kecil atau lebih besar dari batas, maka bahan tersebut akan mempunyai sifat toksik terhadap bakteri metanogenik. Derajat keasaman dari bahan didalam digester merupakan salah satu indikator
Universitas Sumatera Utara
bagaimana kerja digester. Untuk bangunan digester yang kecil, pengukuran pH dapat diambil dari keluaran/effluent digester atau pengambilan sampel dapat diambil di permukaan digester apabila telah terpasang tempat khusus pengambilan sampel (Fry, 1974). c. Ketersediaan Unsur Hara Bakteri Anaerobik membutuhkan nutrisi sebagai sumber energi yang mengandung nitrogen, fosfor, magnesium, sodium, mangan, kalsium dan kobalt. Level nutrisi harus sekurangnya lebih dari konsentrasi optimum yang dibutuhkan oleh bakteri metanogenik, karena apabila terjadi kekurangan nutrisi akan menjadi penghambat bagi pertumbuhan bakteri. Penambahan nutrisi dengan bahan yang sederhana seperti glukosa, buangan industri, dan sisa sisa tanaman terkadang diberikan dengan tujuan menambah pertumbuhan di dalam digester. Nutrisi yang penting bagi pertumbuhan bakteri, dapat bersifat toksik apabila konsentrasi di dalam bahan terlalu banyak. Pada kasus nitrogen berlebihan, sangat penting untuk mempertahankan pada level yang optimal untuk mencapai digester yang baik tanpa adanya efek toksik (Amaru, 2004) d. Faktor konsentrasi padatan Konsentrasi ideal padatan untuk memproduksi biogas adalah 7-9 % kandungan kering. Kondisi ini dapat membuat proses digester anaerob berjalan dengan baik. Berikut ini nilai dalam kandungan kering (Total Solid, % TS) beberapa bahan baku biogas.
Tabel 2.3. Nilai Dalam Kandungan Kering Bahan Baku Biogas.
Bahan baku
Kandungan kering (%)
Kotoran manusia
11
Sapi 18
Ayam
25
Babi 11
Sumber : Maynell, 1981.
Universitas Sumatera Utara
e. Volatile Solids (VS) Merupakan bagian padatan (total solid-TS) yang berubah menjadi fase gas pada tahapan asidifikasi dan metanogenesis sebagaimana dalam proses fermentasi limbah organik. Dalam pengujian skala laboratorium, berat saat bagian padatan bahan organik yang hilang terbakar (menguap dan mengalami proses gasifikasi) dengan pembakaran pada suhu 538º C, disebut sebagai volatile solid. Atau Potensi produksi biogas atau disebut juga persentase volatile solid untuk beberapa bahan organik yang berbeda seperti diperlihatkan pada tabel di bawah ini.
Tabel 2.4. Potensi Produksi Gas untuk Beberapa Tipe Bahan Organik
Tipe Limbah Organik
Produksi Biogas Per Kg Waste (m3) (% VS)
Sapi (Lembu/Kerbau)
0.023 - 0.040
Babi 0.040 - 0.059
Ayam
0.065 - 0.116
Manusia
0.020 - 0.028
Sumber : id. Wikipediaorg, 2014
f. Zat Beracun
Zat organik maupun anorganik, baik yang terlarut maupun tersuspensi dapat
menjadi penghambat ataupun racun bagi pertumbuhan mikroorganisme jika
terdapat pada konsentrasi yang tinggi. Untuk logam pads umumnya sifat racun
akan semakin bertambah dengan tingginya valensi dan berat atomnya. Bakteri
penghasil metana lebih sensitif terhadap racun daripada bakteri penghasil asam.
Ada beberapa senyawa yang bisa menghambat (proses) penguraian dalam suatu
unit biogas saat menyiapkan bahan baku untuk produksi biogas, seperti
antiobiotik, desinfektan dan logam berat (Setiawan, 2005).
g. Nilai Potensial Biogas
Biogas yang bebas pengotor (H O, H S, CO , dan partikulat lainnya) dan telah
22
2
mencapai kualitas pipeline adalah setara dengan gas alam. Dalam bentuk ini, gas
tersebut dapat digunakan sama seperti penggunaan gas alam. Pemanfaatannya pun
Universitas Sumatera Utara
telah layak sebagai bahan baku pembangkit listrik, pemanas ruangan, dan pemanas air. Jika dikompresi, biogas dapat menggantikan gas alam terkompresi yang digunakan pada kendaraan. Di Indonesia nilai potensial pemanfaatan biogas ini akan terus meningkat karena adanya jumlah bahan baku biogas yang melimpah dan rasio antara energi biogas dan energi minyak bumi yang menjanjikan.Berdasarkan sumber Kementerian Pertanian, nilai kesetaraan biogas dengan sumber energi lain adalah sebagai berikut:
Tabel 2.5 Kesetaraan Biogas Bahan Bakar
Biogas Elpiji Minyak tanah Minyak solar Bensin Gas kota Kayu bakar Sumber : Kementerian Pertanian, 2014
Jumlah
3
1m 0,46 kg 0,62 liter 0,52 liter 0,80 liter
3
1,50 m 3,50 kg
h. Pengadukan Bahan Organik Pengadukan sangat bermanfaat bagi bahan yang berada di dalam digester anaerob karena memberikan peluang material tetap tercampur dengan bakteri dan temperatur terjaga merata diseluruh bagian. Dengan pengadukan potensi material mengendap di dasar digester semakin kecil, konsentrasi merata dan memberikan kemungkinan seluruh material mengalami proses fermentasi anaerob secara merata.
i. Pengaturan Tekanan Semakin tinggi tekanan di dalam digester, semakin rendah produksi biogas di dalam digester terutama pada proses hidrolisis dan acydifikasi. Selalu pertahankan tekanan diantara 1,15-1,2 bar di dalam digester.
Universitas Sumatera Utara
j. Penjernihan Biogas Kandungan gas atau zat lain dalam biogas seperti air, karbon dioksida, asam sulfat H2S, merupakan polutan yang mengurangi kadar panas pembakaran biogas bahkan dapat menyebabkan karat yang merusakan mesin. Banyak cara pemurnian biogas diantaranya Physical Absorption (pemasangan water trap di pipa biogas), chemical absorption, pemisah membrane permiabel, hingga penyemprotan air atau oksigen untuk mengikat senyawa sulfur atau karbon diogsida. Bila biogas digunakan untuk bahan bakar kendaraan atau bahan bakar pembangkit listrik, gas H2S yang berpotensi menyebabkan karat pada komponen mesin harus dibuang melalui peralatan penyaring/ filter sulfur.
2.5. Deskripsi Proses Biogas merupakan proses produksi energi berupa gas yang berjalan melalui
proses biologis. Hal ini menyebabkan terdapatnya berbagai komponen penting yang berpengaruh dalam proses pembuatan biogas. Komponen biokimia (biochemist) dalam pembuatan biogas memerlukan perhatian penting. Berdasarkan kajian literatur yang telah dipaparkan pada sub – sub bab sebelumnya, berikut ini disajikan deskripsi proses dan sifat-sifat dari bahan baku dan produk.
2.5.1 Deskripsi Proses Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam Kotoran ayam dikumpulkan di dalam Gudang (G-101) untuk persediaan selama 6 hari, selanjutnya kotoran unggas dipompa menuju Tangki Neutralisasi (TK-103) untuk dicampur dengan NaHCO3, dan Bakteri. Penambahan senyawa NaHCO3 dilakukan untuk menetralkan pH kotoran ayam karena fermentasi berlangsung dengan baik dalam pH 6-8, sedangkan penambahan senyawa Bakteri Thermophilic bertujuan sebagai nutrisi bagi inokulum. Setelah itu, kotoran unggas dari TK-103 dialirkan ke Reaktor Fermentasi (R-101). Suhu di dalam fermentor dijaga 500C - 600C dengan memakai steam pada suhu 110 0C dimana bakteri yang digunakan adalah bakteri thermophilic. Proses pembentukan metana terjadi dengan hydraulic retention time 6 hari. Dari
Universitas Sumatera Utara
fermentor, limbah dialirkan ke Bak Penampung Akhir yaitu limbah cair dan limbah padat (G-102) yang sebelumnya masuk ke Filter Press (FP-101) untuk diolah lanjut sebagai land application.
Biogas yang dihasilkan dari fermentor terdiri atas CH4, CO2, H2S dan H2O. Biogas yang dihasilkan dialirkan ke kolom absorbsi (AB-101) digunakan untuk menyerap CO2(g) yang terkandung di dalam biogas dengan menggunakan absorben air. CO2 yang terikat dengan air selanjutnya dialirkan ke bak penampungan air proses bekas. Gas H2S yang terdapat di dalam biogas diabaikan karena kandungannya sangat sedikit, Kemudian gas metana yang dihasilkan dipompakan dengan blower pada tekanan 1 atm ke tangki penyimpanan gas metana dan kemudian dapat dijual.
2.5.2 Sifat-Sifat Bahan Baku dan Produk 2.5.2.1 Natrium karbonat (NaHCO3)
Fungsi : sebagai penetral pH. 1. Berat molekul : 84,0079 gr/mol 2. Titik lebur : 500 C (323 K) 3. Densitas : 2,159 gr/cm3 4. Kelarutan dalam air : 7,89 g / 100 ml pada 180 C 5. Tingkat kebasaan (pKb) : -2,43 6. Berwarna padatan putih 7. Merupakan senyawa ampoterik (Wikipedia, 2014)
2.5.2.2 Metana (CH4) Fungsi : merupakan komponen unsur terbesar di dalam biogas 1. Berat Molekul : 16,043 g/mol 2. Temperatur kritis : -82,7oC 3. Tekanan kritis : 45,96 bar 4. Fasa padat • Titik cair : -182,5oC
Universitas Sumatera Utara
• Panas laten : 58,68 kJ/kg
5. Fasa cair • • •
Densitas cair : 500 kg/m3 Titik didih : -161,6oC Panas laten uap : 510 kJ/kg
6. Fasa gas • • • • • • • •
Densitas gas : 0,717 kg/m3 Faktor kompresi : 0,998 Spesifik graviti : 0,55 Spesifik volume : 1,48 m3/kg CP : 0,035 kJ/mol.K CV : 0,027 kJ/mol.K Viskositas : 0,0001027 poise Kelarutan : 0,054 vol/vol
(Wikipedia, 2014)
2.5.2.3 Karbon Dioksida (CO2) Fungsi : merupakan salah satu komponen di dalam biogas.
1. Berat Molekul : 44,01 g/mol 2. Temperatur kritis : 31oC
3. Tekanan kritis : 73,825 bar 4. Densitas kritis : 464 kg/m3
5. Fasa padat
ï‚· Densitas padat : 1562 kg/m3
ï‚· Panas laten : 196,104 kJ/kg
6. Fasa cair ï‚· ï‚·
Densitas cair : 1032 kg/m3 Titik didih : -78,5oC
ï‚· Panas laten uap : 571,08 kJ/kg
ï‚· Tekanan uap : 58,5 bar
7. Fasa gas ï‚·
Densitas gas : 2,814 kg/m3
Universitas Sumatera Utara
ï‚· Spesifik graviti : 1,521 ï‚· Spesifik volume : 0,547 m3/kg ï‚· CP : 0,037 kJ/mol.K ï‚· CV : 0,028 kJ/mol.K ï‚· Viskositas : 0,0001372 poise ï‚· Kelarutan : 1,7163 vol/vol (Wikipedia, 2014) 2.5.2.4 Air (H2O) Sebagai pengikat gas karbondioksida (CO2) didalam menara absorbsi.
1. Berat molekul
: 18,016 gr/gmol
2. Titik lebur
: 0°C (1 atm)
3. Titik didih
: 100°C (1 atm)
4. Densitas
: 1 gr/ml (4°C)
5. Spesifik graviti
: 1,00 (4°C)
6. Indeks bias
: 1,333 (20°C)
7. Viskositas
: 0,8949 cP
8. Kapasitas panas : 1 kal/gr
9. Panas pembentukan : 80 kal/gr
10. Panas penguapan : 540 kal/gr
11. Temperatur kritis : 374°C
12. Tekanan kritis
: 217 atm
(Perry dan Green, 1997)
Universitas Sumatera Utara
Air Proses SStteeaamm
TK-102
SC-102
3
NaHCO3
TK-101
SC-101
Bakteri
2
1
4
Kotoran Ayam
G-101
LC
C-101
BE-101
TK-103
FC
5
P-101
LC TC
R-101
6
PC
B-101
FC
12 P-102
FP-101
7
AB-101
PC
8
B -102
10
13 14
FC K-101
9 Gas Metana LC
LLiimmbbaahh CCaaiirr
Limbah Padat
G-102
KKoonnddeennssaatt AAiirr
Universitas Sumatera Utara
BAB III NERACA MASSA
Kapasitas produk Basis perhitungan
Kemurnian produk Satuan Operasi Waktu kerja per tahun
: 6733 ton/tahun : 1 jam operasi : 6733
: 4500 kg/jam : 98,91 % : kg/jam : 330 hari
x
Unit peralatan yang menghasilkan adanya perubahan massa pada proses produksi pembuatan gas metana dari kotoran ayam adalah sebagai berikut : ï‚· Tangki Netralisasi (TK-101) ï‚· Reaktor Fermentasi (R-101) ï‚· Kolom Absorbsi (AB-101) ï
DENGAN KAPASITAS 6.733 TON/TAHUN TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Ujian Sidang Sarjana Teknik Kimia Oleh : VINTA RUTLIANA SIREGAR 120425016
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
Universitas Sumatera Utara
LEMBAR PENGESAHAN PRA RANCANGAN PABRIK PEMBUATAN GAS METANA DARI KOTORAN AYAM DENGAN KAPASITAS 6.733 TON/TAHUN
TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan
Ujian Sarjana Teknik Kimia Oleh :
VINTA RUTLIANA SIREGAR NIM : 120425016
Telah Diperiksa / Disetujui Oleh : Dosen Pembimbing
Dosen Penguji I
Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si NIP.19680820 199501 1 001
Dosen Penguji II
Dosen Penguji III
Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si
Farida Hanum, ST. MT
Mhd. Hendra S. Ginting, ST. MT
NIP. 19680820 199501 1 001 NIP : 19780610 200212 2 003 NIP : 19700919 199903 1 001
Mengetahui, Koordinator Tugas Akhir
Mhd. Hendra S. Ginting, ST. MT NIP : 19700919 199903 1 001
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan anugerah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam Dengan Kapasitas 6.733 Ton/Tahun. Tugas Akhir ini dikerjakan sebagai syarat untuk kelulusan dalam sidang sarjana.
Selama mengerjakan Tugas akhir ini penulis begitu banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini perkenankanlah penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Dr. Eng. Ir. Irvan, MSi sebagai Dosen Pembimbing penulis yang telah membimbing dan memberikan masukan selama menyelesaikan tugas akhir ini dan sekaligus selaku Ketua Departemen Teknik Kimia. 2. Ibu Dr. Ir. Fatimah, MT selaku sekretaris Departemen Teknik Kimia. 3. Bapak Mhd. Hendra S.Ginting, ST. MT selaku koordinator tugas akhir. 4. Seluruh Dosen Pengajar Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan ilmu kepada penulis selama menjalani studi. 5. Para pegawai administrasi Departemen Teknik Kimia yang telah memberikan bantuan kepada penulis selama mengenyam pendidikan di Deparetemen Teknik Kimia.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih terdapat banyak kekurangan dan ketidaksempurnaan. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun demi kesempurnaan tulisan ini.
Medan, Penulis,
2015
Vinta Rutliana Siregar 120425016
Universitas Sumatera Utara
DEDIKASI
Rasa terima kasih dan hormat penulis ucapkan kepada Orang tua penulis yaitu Ayahanda B. Siregar dan Ibunda J. Pakpahan yang selalu mendukung penulis dalam melaksanakan studi dalam proses pengerjaan skripsi dan seluruh kegiatan akademis. Dedikasi saya ini saya tunjukan juga untuk keluarga terutama Kakak saya Renta Siregar dan Adik saya Indra Tohap Siregar, serta teman-teman Teknik Kimia Ekstensi stambuk 2012 khususnya Jojor, Johan, Nandus, Andrew, Andika, Nimrod, Panca, Fermadi, Mitra, Dennie, Lala, Febri, dan teman-teman yang lain juga termasuk para senior dan juga junior ekstensi teknik kimia serta yang lainnya.
Universitas Sumatera Utara
INTISARI
Biogas merupakan sebuah gas yang dibuat melalui proses biologis dari
material organik dengan bantuan suatu bakteri. Proses degradasi material organik
ini dilakukan tanpa melibatkan oksigen atau yang disebut dengan anaerobic
digestion dengan gas yang dihasilkan sebagian besar (lebih 50%) berupa metana
(CH4) sedangkan sisanya berupa gas CO2, H2S dan beberapa trace element (Maynell, 1981)
Pra rancangan pabrik Pembuatan Gas Metana ini direncanakan berproduksi
dengan kapasitas 6.733 ton/tahun dengan masa kerja 330 hari dalam satu tahun.
Lokasi pabrik direncanakan di daerah Kecamatan Payakumbuh, Kabupaten Limapulu Kota, Sumatera Barat dengan luas areal 21.960 m2.
Tenaga kerja yang dibutuhkan 135 orang dengan bentuk badan usaha
Perseroan Terbatas (PT) yang dipimpin oleh seorang Dewan Komisaris dengan
struktur organisasi sistem garis.
Hasil analisa ekonomi pabrik pembuatan gas metana ini adalah sebagai
berikut:
ï‚· Total Modal Investasi
: Rp 138.820.647.890,-
ï‚· Biaya Produksi
: Rp 60.513.706.317,-
ï‚· Hasil Penjualan
: Rp 160.407.115.942,-.
ï‚· Laba Bersih
: Rp 69.575.759.804,-
ï‚· Profit Margin
: 61,96 %
ï‚· Break Even Point
: 28,96 %
ï‚· Return on Investment
: 50,12 %
ï‚· Pay Out Time
: 2,00 tahun
ï‚· Return on Network
: 83,53 %
ï‚· Internal Rate of Return
: 56,69 
Dari hasil analisa aspek ekonomi dapat disimpulkan bahwa Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam ini layak untuk didirikan.
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman KATA PENGANTAR ………………………………………….………………… i DEDIKASI ……………………………………………………….……………..… ii INTISARI …………………………………………………………..………….......iii DAFTAR ISI ………………………………………………………..……………..iv DAFTAR TABEL …………………………………………………..……………..x DAFTAR GAMBAR ……………………………………………….…………….. xiv DAFTAR LAMPIRAN …………………………………………….…………….. xv BAB I PENDAHULUAN ……………………………………….…………… I-1
1.1 Latar Belakang ………………………………………..………… I-1 1.2 Perumusan Masalah …………………………………….………. I-2 1.3 Tujuan Perancangan …………………………………….………. I-3
BAB II
1. 4 Manfaat Perancangan .................................................................... I-3 TINJAUAN PUSTAKA ……………………………………………… II-1 2.1 Biogas ……………………………………………………………II-1 2.2 Reaktor Biogas …………………………………………….……. II-2 2.3 Proses Produksi Biogas …………………………………………. II-4
2.3.1 Bahan Baku ……………………………………………... II-4 2.3.2 Proses Anaerob ……………………………………….…. II-5 2.4 Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Proses Anaerobik ……….… II-6 2.5 Deskripsi Proses ……………………………………………….... II-10 2.5.1 Proses Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam …… II-10
BAB III
2.5.2 Sifat-sifat Bahan.................................................................II-11 2.5.2.1 NaHCO3 ……………………………………..…. II-11 2.5.2.1 Gas Metana ……………………………...…..…. II-11 2.5.2.1 CO2 …………………………………………..….II-12 2.5.2.1 H2O……………...………………………………. II-13
NERACA MASSA …………………………………………………….III-1
3.1 Neraca Massa Pada Tangki Netralisasi (TK-101) ...................... III-1
3.2 Neraca Massa Pada Rotary Washer I (RW-101) .......................... III-2
Universitas Sumatera Utara
BAB IV BAB V
BAB VI
3.3 Neraca Massa Pada Kolom Absorbsi (AB-101) ………………. III-2 3.4 Neraca Massa Pada Filter Press (FP-101) …….…………….... III-3 NERACA PANAS ………………………………….………………… IV-1 4.1 Neraca Panas pada Reaktor Fermentasi (R-101) …..….………... IV-1 4.2 Neraca Panas pada Kolom Absorbsi (AB-101) ………………… IV-1 SPESIFIKASI PERALATAN …………………………………….…. V-1 5.1 Gudang Penyimpanan Bahan Baku (G-101) ………………….…V-1 5.2 Conveyor (C-101) ………………………………………………..V-1 5.3 Bulk Elevator (BE-101) ………………………………………….V-1 5.4 Tangki Penyimpan Bakteri (TK-101) …………………………... V-2 5.5 Screw Conveyor I (SC-101) ………………………………….…. V-2 5.6 Tangki Bakteri (TK-102) …………………………………….…. V-2 5.7 Screw Conveyor II (SC-102) …………………………………… V-3 5.8 Tangki Netralisasi (TK-103) …………………………………… V-3 5.9 Pompa Fermentor (P-101) ……………………………………… V-4 5.10 Fermentor (R-101) ……………………………………………… V-4 5.11 Blower I (B-101) ……………………………………………….. V-5 5.12 Absorbsi (AB-101) ………………………………….…………... V-5 5.13 Bak Penampung Air Proses ………………………..…………….V-5 5.14 Blower II (B-102) ……………………………………………..…V-6 5.15 Tangki Gas Metana …………………………………………….. V-6 5.16 Pompa Filter Press (P-102) …………………………..……….... V-6 5.17 Filter Press (FP-101) ………………………………..………….. V-6 5.17 Bak Penampung Limbah Cair …………………………..………. V-7 5.19 Bak Penampung Limbah Padat ………………………….……… V-7 INSTRUMENTASI DAN KESELAMATAN KERJA ……………. VI-1 6.1 Instrumentasi …………………………………………………… VI-1
6.2 Keselamatan Kerja ........................................................................VI-4
6.3 Keselamatan Kerja Pada Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam ……………………………………………..…….VI-5
6.3.1 Pencegahan Terhadap Kebakaran dan Peledakan ........... VI-6
Universitas Sumatera Utara
6.3.2 Peralatan Perlindungan Diri .............................................. VI-7 6.3.3 Keselamatan Kerja Terhadap Listrik ................................ VI-7. 6.3.4 Pencegahan Terhadap Gangguan Kesehatan .................... VI-8 6.3.5 Pencegahan Terhadap Bahaya Mekanis ............................VI-8 BAB VII UTILITAS …………………………………………………..…………VII-1 7.1 Kebutuhan Uap (Steam) …………………………………………VII-1 7.2 Kebutuhan Air …………………………………………………...VII-2 7.2.1 Screening ………………………………………………………VII-4 7.2.2 Sedimentasi ……………………………………………...VII-5 7.2.3 Klarifikasi ......................................................................... VII-5 7.2.4 Filtrasi ............................................................................... VII-5 7.2.5 Demineralisasi .................................................................. VII-7 7.2.5 Deaerator ..........................................................................VII-10 7.3 Kebutuhan Bahan Kimia ………………………………………...VII-10 7.4 Kebutuhan Listrik ………………………………………………. VII-10 7.5 Kebutuhan Bahan Bakar ………………………………………... VII-12 7.6 Unit Pengolahan Limbah ……………………………………….. VII-13 7.6.1 Bak Penampungan ……………………………………… VII-14 7.6.2 Bak Pengendap Awal ……………………………………VII-15 7.6.3 Bak Netralisasi ..................................................................VII-16 7.7 Spesifikasi Peralatan Pengolahan Air …………...……………… VII-16 7.7.1 Screening (SC) …………………………………………..VII-16 7.7.2 Pompa Screening (PU-01) ……………………………... VII-16 7.7.3 Bak Sedimentasi (BS) …………………………………...VII-18 7.7.4 Tangki Pelarutan Alum [Al2(SO4)3] (TP-01) ……………VII-18 7.7.5 Clarifier (CL) ……………………………………………VII-19 7.7.6 Sand Filter (SF) ………………………………………… VII-19 7.7.7 Tangki Utilitas 1 (TU-01) ………………………………. VII-20 7.7.8 Cation Exchanger (CE) ………………………………… VII-20 7.7.9 Anion Exchanger (AE) .....................................................VII-21 7.7.10 Deaerator (DE) ................................................................VII-21
Universitas Sumatera Utara
7.7.11 Ketel Uap (KU) …………………………………………VII-22 BAB VIII LOKASI DAN TATA LETAK PABRIK ………………………….VIII-1
8.1 Lokasi Pabrik …………………………………………………… VIII-1 8.2 Tata Letak Pabrik ………………………………………………. VIII-3
BAB IX
8.3 Perincian Luas Tanah ................................................................... VIII-4 ORGANISASI DAN MANAJEMEN PERUSAHAAN ……………. IX-1 9.1 Bentuk Hukum Badan Usaha ……………………………………IX-1 9.2 Manajemen Perusahaan ………………………………………… IX-2
9.3 Organisasi Perusahaan .................................................................. IX-2 9.4 Uraian Tugas, Wewenang dan Tanggung Jawab ………………..IX-3
9.4.1 Rapat Umum Pemegang Saham (RUPS) ………………..IX-3
9.4.2 Dewan Komisaris ..............................................................IX-3
9.4.3 General Managerr ............................................................ IX-4
9.4.4 Sekretaris .......................................................................... IX-4
9.4.5 Manajer Teknik dan Produksi ...........................................IX-4
9.4.6 Manajer Umum dan Keuangan ......................................... IX-5 9.4.7 Manajer Pembelian dan Pemasaran …………………….. IX-5
9.5 Sistem Kerja ..................................................................................IX-5
9.5.1 Karyawan non-shift .......................................................... IX-5
BAB X
9.5.2 Karyawan Shift ................................................................. IX-6 9.6 Jumlah Karyawan dan Tingkat Pendidikan …………………….. IX-7 9.7 Sistem Pengajian ………………………………………………...IX-8 9.8 Fasilitas Tenaga Kerja ………………………………………….. IX-10 ANALISA EKONOMI …………………………………………..…....X-1 10.1 Modal Investasi ………………………………………………… X-1
10.1.1 Modal Investasi Tetap/Fixed Capital Investment ……… X-1 10.1.2 Modal Kerja/Working Capital ……………………………. X-3 10.2 Biaya Produksi Total (BPT)/Total Cost (TC) ……………..…….X-4 10.2.1 Biaya Tetap/Fixed Cost (FC) …………………..………X-4 10.2.2 Biaya Variabel/Variable Coat (VC) ………….……….. X-4 10.3 Total Penjualan (Total Sales) …………………………..………..X-5
Universitas Sumatera Utara
BAB XI
10.4 Bonus Perusahaan …………………………………….………… X-5 10.5 Perkiraan Rugi/Laba Usaha ………………………….…………. X-5 10.6 Analisa Aspek Ekonomi …………………………….………….. X-5
10.6.1 Profit Margin (PM) ……………………….……………X-5 10.6.2 Break Event Point ………………………………………..… X-6 10.6.3 Return on Investment (ROI)……………….…………....X-6 10.6.4 Pay Out Time (POT) ……………………..……………. X-7 10.6.5 Return On Network (RON) ……………………………. X-7 10.6.6 Internal Rate of Return (IRR) …………...……………..X-8 KESIMPULAN ……………………………………….……………….XI-1
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Hal Tabel 1.1 Jumlah Peternak Ayam di Kabupaten limapuluh ......................................I-2 Tabel 2.1 Kandungan Gas Metana ........................................................................... II-1 Tabel 2.2 Komposisi Biogas...................................................................................... II-2 Tabel 2.3 Nilai Kandungan Kering Bahan Baku Biogas .......................................... II-7 Tabel 2.4 Potensi Produksi Biogas ............................................................................II-8 Tabel 2.5 Kesetaraan Biogas .....................................................................................II-9 Tabel 3.1 Neraca Massa Pada Tangki Netralisasi (TK-101) ………...………….......III-1 Tabel 3.2 Neraca Panas pada Reaktor Fermentasi (R-101) ...................................... III-2 Tabel 3.3 Neraca Massa Pada Kolom Absorbsi (AB-101) ……................................. III-2 Tabel 3.4 Neraca Massa Pada Filter Press (FP-10)……………...............................III-3 Tabel 4.1 Neraca Panas pada Reaktor Fermentasi (R – 101) …………………....…IV-1 Tabel 4.2 Neraca Panas pada Kolom Absorbsi (AB – 101)……………………….......IV-1 Tabel 6.1 Daftar penggunanan instrumentasi pada Pra – rancangan Pabrik
pembuatan gas metana dari kotoran ayam …………………………… VI-4 Tabel 7.1 Kebutuhan Steam Pabrik Gas Metana …………………………………...VII-1 Tabel 7.2 Kebutuhan Air Proses pada Alat ………………………………….……..VII-2 Tabel 7.3 Pemakaian Air Unttuk Kebutuhan ……………………….……………... VII-2 Tabel 7.4 Kualitas Air Sungai ………………………………………..……………. VII-3 Tabel 7.5 Perincian Kebutuhan Listrik untuk Utilitas ……………….……………. VII-10 Tabel 7.6 Perhitungan Pompa Utilitas………………………………….……..…… VII-17 Tabel 7.7 Perhitungan Tangki Pelarutan ………………...……...……................ VII-19 Tabel 7.8 Perhitungan tangki Utilitas ……………………………………………....VII-20 Tabel 8.1 Perincian Luas Tanah …………………………………………………. VIII-4 Tabel 9.1 Jadwal Kerja Karyawan Shift………………………………………….. IX-6 Tabel 9.2 Jumlah Karyawan dan Kualifikasinya ………………………………... IX-7 Tabel 9.3 Perincian Gaji Karyawan ……………………………………………... IX-8 Tabel LA.1 Kandungan Kimia Dalam Kotoran Ayam ……………….……...….. LA-1 Tabel LA.2 Rumus Molekul dan Berat Molekul Komponen ....................................LA-2
Universitas Sumatera Utara
Tabel LA.3 Neraca Massa pada Netralisasi (kg/jam) ………...………...……….. LA-4 Tabel LA.4 Neraca Massa pada Fermentor (kg/jam)………………………...…… LA-5 Tabel LA.5 Neraca Massa pada Kolom Absorbsi (kg/jam) …..……..………........ LA-9 Tabel LA.6 Neraca Massa pada Filter Press (kg/jam) …….…….….………...…. LA-10 Tabel LB.1 Data Karakteristik Zat ……................................................................. LB-1 Tabel LB.2 Menyajikan data dan hasil panas masuk pada Fermentor dengan
menggunakan persamaan (1)…............................................................ LB-3 Tabel LB.3 Panas Keluar Tiap Komponen dan Total pada Fermentor……..…….. LB-3 Tabel LB.4 Neraca Energi Fermentor...................................................................... LB-4 Tabel LB.5 Panas Masuk Tiap Komponen dan Total Absorbsi …………….……...... LB-5 Tabel LB.6 Panas Keluar Tiap Komponen dan Total Absorbsi ………….................LB-5 Tabel LB.7 Neraca Energi Absorbsi …………………………...………….……........LB-6 Tabel LD.1 Spesifikasi Pompa Utilitas ................................................................... LD-5 Tabel LD.2 Perhitungan Pelarutan .......................................................................... LD-10 Tabel LD.3 Perhitungan Tangki Utilitas ……………………………………..…….LD-16 Tabel LE.1 Perincian Harga Bangunan, dan Sarana Lainnya …………………....... LE-1 Tabel LE.2 Harga Indeks Marshall dan Swift ………………………………………......LE-3 Tabel LE.3 Estimasi Harga Peralatan Proses …………………………………..…..LE-6 Tabel LE.4 Estimasi Harga Peralatan Utilitas dan Pengolahan Limbah ………...…LE-6 Tabel LE.5 Biaya Sarana Transportasi …………………………………………......LE-10 Tabel LE.6 Perincian Gaji Pegawai ……………………………………………….. LE-13 Tabel LE.7 Perincian Biaya Kas selama 3 bulan ………………………..………… LE-16 Tabel LE.8 Perincian Modal Kerja …………………………………….…………. LE-17 Tabel LE.9 Perhitungan Biaya Depresiasi ………………………………..……….. LE-18 Tabel LE.10 Data Perhitungan BEP ………………………………………………. LE-25 Tabel LE.11 Data Perhitungan Internal Rate of Return (IRR) ……………………. LE-26
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Hal Gambar 2.1 Fixed dome ........................................................................................ I-3 Gambar 2.2 Floating Drum ………………………………………………………………. I-4 Gambar 2.3 Instalasi sistem produksi dan pemanfaatan biogas …………………....I-5 Gambar 7.1 Peta Lokasi Pabrik …………………………………......……….…… VII-3 Gambar 8.1 Tata Letak Pabrik Selusa dari Kulit Buah Kakao ………..…………. VIII-5 Gambar 9.1 Bagan Struktur Organisasi Perusahaan Pabrik Selulosa dari Kulit
Buah Kakao ………………………………………........................... IX-12 Gambar LD.1 Sketsa Sebagian Bar Screen ………………………………..………….. LD-2 Gambar LE.1 Harga Peralatan untuk Tangki Penyimpanan (Storage) dan Tangki
Pelarutan …………………………………………………………..… LE-5 Gambar LE.2 Grafik BEP....................................................................................... LE-25
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Hal LAMPIRAN A PERHITUNGAN NERACA MASSA ………………………….. LA-1 LAMPIRAN B PERHITUNGAN NERACA PANAS…………………………… LB-1 LAMPIRAN C PERHITUNGAN SPESIFIKASI PERALATAN ……….……… LC-1 LAMPIRAN D PERHITUNGAN SPESIFIKASI ALAT UTILITAS …………... LD-1 LAMPIRAN E PERHITUNGAN ASPEK EKONOMI …………………………. LE-1
Universitas Sumatera Utara
INTISARI
Biogas merupakan sebuah gas yang dibuat melalui proses biologis dari
material organik dengan bantuan suatu bakteri. Proses degradasi material organik
ini dilakukan tanpa melibatkan oksigen atau yang disebut dengan anaerobic
digestion dengan gas yang dihasilkan sebagian besar (lebih 50%) berupa metana
(CH4) sedangkan sisanya berupa gas CO2, H2S dan beberapa trace element (Maynell, 1981)
Pra rancangan pabrik Pembuatan Gas Metana ini direncanakan berproduksi
dengan kapasitas 6.733 ton/tahun dengan masa kerja 330 hari dalam satu tahun.
Lokasi pabrik direncanakan di daerah Kecamatan Payakumbuh, Kabupaten Limapulu Kota, Sumatera Barat dengan luas areal 21.960 m2.
Tenaga kerja yang dibutuhkan 135 orang dengan bentuk badan usaha
Perseroan Terbatas (PT) yang dipimpin oleh seorang Dewan Komisaris dengan
struktur organisasi sistem garis.
Hasil analisa ekonomi pabrik pembuatan gas metana ini adalah sebagai
berikut:
ï‚· Total Modal Investasi
: Rp 138.820.647.890,-
ï‚· Biaya Produksi
: Rp 60.513.706.317,-
ï‚· Hasil Penjualan
: Rp 160.407.115.942,-.
ï‚· Laba Bersih
: Rp 69.575.759.804,-
ï‚· Profit Margin
: 61,96 %
ï‚· Break Even Point
: 28,96 %
ï‚· Return on Investment
: 50,12 %
ï‚· Pay Out Time
: 2,00 tahun
ï‚· Return on Network
: 83,53 %
ï‚· Internal Rate of Return
: 56,69 
Dari hasil analisa aspek ekonomi dapat disimpulkan bahwa Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam ini layak untuk didirikan.
Universitas Sumatera Utara
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Kelangkaan bahan bakar minyak, yang disebabkan oleh kenaikan harga
minyak dunia yang signifikan, telah mendorong pemerintah untuk mengajak masyarakat mengatasi masalah energi bersama-sama (Kompas, 23 Juni 2014). Limbah ternak adalah sisa buangan dari suatu kegiatan usaha peternakan seperti usaha pemeliharaan ternak, rumah potong hewan, pengolahan produk ternak, dll. Limbah tersebut meliputi limbah padat dan limbah cair seperti feses, urine, sisa makanan, embrio, kulit telur, lemak, darah, bulu, kuku, tulang, dan sebagainya. Apabila usaha peternakan semakin berkembang maka limbah yang dihasilkan juga akan semakin banyak. Dalam pemeliharaan ayam petelur (unggas) akan menghasilkan limbah yang mempunyai nilai nutrisi yang cukup tinggi. Jumlah kotoran ayam /limbah yang dikeluarkan setiap harinya banyak, rata-rata per ekor ayam 0,063 kg/hari (Charles dan Hariono, 1991).
Kabupaten Limapuluh Kota terkenal dengan peternakan ayam, terutama ayam ras atau ayam petelur. Hampir diseluruh kecamatan yang ada di Kabupaten Limapuluh Kota menjadi lokasi pengembangan peternakan ayam ras. Dari data dinas peternakan kabupaten Limapuluh Kota, untuk tahun 2013 terdapat sekitar 4,7 juta ayam ras yang dipelihara masyarakat tersebar di 13 kecamatan. “ Untuk tahun 2015 ini, masih melakukan pendataan terhadap jumlah ayam ras dari keseluruhan peternak yang ada di kabupaten Limapuluh Kota dan diperkirakan jumlahnya melebihi 4,7 juta ekor ayam ras. Untuk 4 tahun terakhir , tercatat jumlah peternakan ayam ras di Kabupaten Limapuluh Kota dapat di lihat pada table 1.1
Universitas Sumatera Utara
Tabel 1.1 Jumlah Peternak Ayam
No Tahun Jumlah Kotoran Ayam
(Kg/Jam)
1. 2010
16379
2. 2011
12940
3. 2012
13879
4. 2013
12428
Kotoran ayam terdiri dari sisa pakan dan serat selulosa yang tidak dicerna. Kotoran ayam mengandung protein, karbohidrat, lemak dan senyawa organik lainnya. Protein pada. kotoran ayam merupakan sumber nitrogen selain ada pula bentuk nitrogen inorganik lainnya. Komposisi kotoran ayam sangat bervariasi bergantung pada jenis ayam, umur, keadaan individu ayarn, dan makanan (Foot et al., 1976). Kebutuhan bahan bakar bagi penduduk berpendapatan rendah maupun miskin, terutama di pedesaan, sebagian besar dipenuhi oleh minyak tanah yang memang dirasakan terjangkau karena disubsidi oleh pemerintah. Namun karena digunakan untuk industri atau usaha lainnya, kadang-kadang terjadi kelangkaan persediaan minyak tanah di pasar.
Penghematan ini sebetulnya harus telah kita gerakkan sejak dahulu karena pasokan bahan bakar yang berasal dari minyak bumi adalah sumber energi fosil yang tidak dapat diperbarui (unrenewable), sedangkan permintaan naik terus, demikian pula harganya sehingga tidak ada stabilitas keseimbangan permintaan dan penawaran. Salah satu jalan untuk menghemat bahan bakar minyak (BBM) adalah mencari sumber energi alternatif yang dapat diperbarui (renewable). Energi terbarukan lain yang dapat dihasilkan dengan teknologi tepat guna yang relatif lebih sederhana dan sesuai untuk daerah pedesaan adalah energi biogas dengan memproses limbah bio atau bio massa di dalam alat kedap udara yang disebut digester. Biomassa berupa limbah dapat berupa kotoran ayam bahkan tinja manusia, sisa-sisa panenan seperti jerami, sekam dan daun-daunan sortiran sayur dan sebagainya. Namun, sebagian besar terdiri atas kotoran ayam.
Universitas Sumatera Utara
1.2 Perumusan Masalah Biogas yang dihasilkan oleh aktifitas anaerobik sangat populer digunakan
untuk mengolah limbah biodegradable karena bahan bakar dapat dihasilkan sambil menghancurkan bakteri patogen dan sekaligus mengurangi volume limbah buangan. Metana dalam biogas, bila terbakar akan relatif lebih bersih daripada batu bara, dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi karbon dioksida yang lebih sedikit. Pemanfaatan biogas memegang peranan penting dalam manajemen limbah karena metana merupakan gas rumah kaca yang lebih berbahaya dalam pemanasan global bila dibandingkan dengan karbon dioksida. Karbon dalam biogas merupakan karbon yang diambil dari atmosfer oleh fotosintesis tanaman, sehingga bila dilepaskan lagi ke atmosfer tidak akan menambah jumlah karbon diatmosfer bila dibandingkan dengan pembakaran bahan bakar fosil. Saat ini, banyak negara maju meningkatkan penggunaan biogas yang dihasilkan baik dari limbah cair maupun limbah padat atau yang dihasilkan dari sistem pengolahan biologi mekanis pada tempat pengolahan limbah.
Sementara itu kebutuhan dalam negeri cukup terpenuhi, untuk itu pendirian pabrik metana ini ditujukan untuk kebutuhan ekspor, sehingga dapat meningkat devisa negara dan mengurangi pengangguran di Indonesia dan juga dapat memenuhi permintaan industri yang menggunakan bahan baku dari kotoran ayam. 1.3 Tujuan Perancangan
Tujuan Pra Rancangan Pabrik ini adalah untuk mengaplikasikan ilmu teknologi kimia industri yang meliputi neraca massa, neraca energi, operasi teknik kimia, utilitas dan bagian ilmu teknologi kimia industri lainnya yang penyajiannya disajikan pada Pra Rancangan Pabrik Proses Pembuatan metana dari kotoran ayam. 1.4 Manfaat Perancangan
Pendirian pabrik proses pembuatan gas metana dari kotoran ayam ini adalah mengadakan energi alternatif sebagai pengganti BBM dan mengurangi ketergantungan rakyat terhadap BBM, serta meningkatkan masyarakat miskin perkotaan melalui usaha industri daur ulang (biogas).
Universitas Sumatera Utara
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Biogas Biogas merupakan sebuah gas yang dibuat melalui proses biologis dari
material organik dengan bantuan suatu bakteri. Proses degradasi material organik ini dilakukan tanpa melibatkan oksigen atau yang disebut dengan anaerobic digestion dengan gas yang dihasilkan sebagian besar (lebih 50%) berupa metana (CH4) sedangkan sisanya berupa gas CO2, H2S dan beberapa trace element (Maynell, 1981). Kandungan methane berbeda untuk tiap kotoran hewan atau tumbuhan seperti ditunjukkan pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Kandungan gas methane untuk beberapa jenis sumber biogas
Jenis Sumber Biogas
Cattle Manure Poultry manure
Pig manure Chicken manure
Farmyard manure Straw Grass
(Maynell, 1981)
Kandungan Gas Methane (%) 65 60 67 85 55 59 70
Biogas sebagian besar mengandung gas metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2), dan beberapa kandungan yang jumlahnya kecil diantaranya hydrogen sulfida (H2S) dan ammonia (NH3) serta hydrogen dan (H2), nitrogen yang kandungannya sangat kecil (Wahyuningsih, 2009). Tetapi secara umum rentang komposisi biogas adalah sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2. Komposisi Biogas
KOMPONEN
%
Metana (CH )
4
Karbon dioksida (CO )
2
Nitrogen (N )
2
55-75 25-45 0-0.3
Oksigen (O )
2
0.1-0.5
Hidrogen sulfida (H S)
2
Sumber : id.Wikipedia.org, 2014
0.3
Secara umum, alur proses pencernaan/digesting limbah organik sampai
menjadi biogas dimulai dengan pencernaan limbah organik yang disebut juga
dengan fermentation/digestion anaerob. Pencernaan tergantung kepada kondisi
reaksi dan interaksi antara bakteri methanogens, non-methanogens dan limbah
organik yang dimasukkan sebagai bahan input/feedstock kedalam digester. Biogas
dapat digunakan untuk menggantikan bahan bakar konvensional yang sudah
umum digunakan seperti minyak tanah (kerosene) atau kayu bakar, serta
penggunaan biogas juga meyelamatkan lingkungan dari pencemaran dan
mengurangi kerusakan lingkungan hidup. Saat ini pemanfaatan biogas menjadi
penting ditengah isu pemanasan global karena gas metan sebagai kandungan
utama dalam biogas memberikan efek rumah kaca (green house gases) yang 21
kali lebih bersifat polutan daripada gas CO2 (Budiman, 2010)
2.2. Reaktor Biogas Ada beberapa jenis reaktor biogas yang dikembangkan diantaranya adalah
reaktor jenis kubah tetap (fixed dome) dan reaktor terapung (floating drum). Dari keenam jenis digester biogas yang sering digunakan adalah jenis kubah tetap (fixed dome) dan jenis reaktor terapung (floating drum). Beberapa tahun terakhir ini dikembangkan jenis reaktor balon yang banyak digunakan sebagai reaktor sederhana dalam skala kecil (Syamsudin dan Iskandar, 2005). a. Reaktor jenis kubah tetap (fixed dome)
Universitas Sumatera Utara
Reaktor ini disebut juga reaktor China. Dinamakan demikian karena reaktor ini dibuat pertama kali di China sekitar tahun 1930an, kemudian sejak saat itu reaktor ini berkembang dengan berbagai model. Pada reaktor ini memiliki dua bagian yaitu digester sebagai tempat pencerna material biogas dan sebagai rumah bagi bakteri, baik bakteri pembentuk asam ataupun bakteri pembentu gas metana. Bagian ini dapat dibuat dengan kedalaman tertentu menggunakan batu, batu bata atau beton. Strukturnya harus kuat karena menahan gas agar tidak terjadi kebocoran. Bagian yang kedua adalah kubah tetap (fixed dome). Dinamakan kubah tetap karena bentuknya menyerupai kubah dan bagian ini merupakan pengumpul gas yang tidak bergerak (fixed). Gas yang dihasilkan dari material organik pada digester akan mengalir dan disimpan di bagian kubah. Keuntungan dari reaktor ini adalah biaya konstruksi lebih murah daripada menggunakan reaktor terapung, karena tidak memiliki bagian yang bergerak, menggunakan besi yang tentunya harganya relatif lebih murah dan perawatannya lebih mudah. Sedangkan kerugian dari reaktor ini adalah seringnya terjadi kehilangan gas pada bagian kubah karena konstruksi tetapnya.
Gambar 2.1 fixed dome (TACIS, 1997)
b. Reaktor terapung (floating drum) Reaktor jenis terapung pertama kali dikembangkan di India pada tahun
1937 sehingga dinamakan dengan reaktor India. Memiliki bagian digester yang sama dengan reaktor kubah, perbedaannya terletak pada bagian penampung gas menggunakan peralatan bergerak menggunakan drum. Drum ini dapat bergerak naik turun yang berfungsi untuk menyimpan gas hasil fermentasi dalam digester.
Universitas Sumatera Utara
Pergerakan drum mengapung pada cairan dan tergantung dari jumlah gas yang dihasilkan. Keuntungan dari reaktor ini adalah dapat melihat secara langsung volume gas yang tersimpan pada drum karena pergerakannya. Karena tempat penyimpanan yang terapung sehingga tekanan gas konstan. Sedangkan kerugiannya adalah biaya material konstruksi dari drum lebih mahal, faktor korosi pada drum juga menjadi masalah sehingga bagian pengumpul gas pada reaktor ini memiliki umur yang lebih pendek dibandingkan menggunakan tipe kubah tetap.
Gambar 2.2 Floating Drum (TACIS, 1997) 2.3. Proses Produksi Biogas
Proses produksi biogas, terjadi dua tahap yaitu penyiapan bahan baku dan proses penguraian anaerobik oleh mikroorganisme untuk menghasilkan gas metana. 2.3.1. Bahan baku
Biogas berasal dari hasil fermentasi bahan-bahan organik diantaranya : a. Limbah tanaman : tebu, rumput-rumputan, jagung, gandum dan lain-lain. b. Limbah dari hasil produksi :minyak, bagas, penggilingan padi, limbah sagu. c. Hasil samping industri : tembakau, limbah pengolahan buah-buahan dan sayur-
sayuran, dedak, kain dari tekstil, ampas tebu dari industri gula dan tapioka, industri tahu (limbah cair). d. Limbah perairan : alga laut, tumbuh-tumbuhan air. e. Limbah peternakan : kotoran sapi, kerbau, kambing, unggas.
Salah satu pemasalahan yang dihadapi dalam fermentasi anaerob adalah keberadaan senyawa-senyawa tertentu yang bertindak sebagai inhibitor. Oleh karena itu perlu ditambahkan sesuatu pada bahan baku supaya menghilangkan pengaruh inhibitor yang ada. Penggunaan limbah sebagai bahan baku biogas
Universitas Sumatera Utara
memerlukan metode pengumpulan, penyiapan, penanganan dan penyimpanan yang memadai. Pemilihan metode didasarkan pada sifat dan jumlah bahan baku yang bervariasi. Sifat alami bahan baku adalah padatan, semipadatan atau cairan. Sejalan dengan itu sistem penanganannya harus sesuai dengan kondisi setempat. 2.3.2. Proses anaerob
Proses penguaraian oleh mikroorganisme untuk menguraikan bahan-bahan organic terjadi secara anaerob. Pada prinsipnya proses anaerob adalah proses biologi yang berlangsung pada kondisi tanpa oksigen oleh mikrooeganisme tertentu yang mampu mengubah senyawa organik menjadi metana (biogas). Proses ini banyak dikembangkan untuk mengolah kotoran hewan dan manusia atau air limbah yang kandungan bahan organiknya tinggi. Sisa pengolahan bahan organik dalam bentuk padat digunakan untuk kompos. Berikut ini adalah proses pengolahan bahan organik menjadi biogas dengan proses anaerobik.
Gambar 2.3 Instalasi sistem produksi dan pemanfaatan biogas (Schulin, 2003)
Secara umum, proses anaerob terdiri dari empat tahap yakni : hidrolisis, pembentukan asam, pembentukan asetat dan pembentukan metana. Proses anaerob dikendalikan oleh dua golongan mikroorganisme (hidrolitik dan metanogen). Bakteri hidrolitik terdapat dalam jumlah yang besar dalam kotoran unggas karena reproduksinya sangat cepat. Organisme ini memecah senyawa organik kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana. Senyawa sederhana
Universitas Sumatera Utara
diuraikan oleh bakteri penghasil asam (acid-forming bacteria) menjadi asam lemak dengan berat molekul rendah seperti asam asetat dan asam butirat. Selanjutnya bakteri metanogenik mengubah asam-asam tersebut menjadi metana. 2.4. Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Proses Anaerobik
Aktivitas metabolisme mikroorganisme penghasil metana tergantung pada faktor: a. Temperatur Gas metana dapat diproduksi pada tiga range temperatur sesuai dengan bakteri yang hadir. Bakteri psyhrophilic 0 – 7 oC, bakteri mesophilic pada temperatur 13 – 40 oC sedangkan thermophilic pada temperatur 55 – 60 oC Temperatur yang optimal untuk digester adalah temperatur 30 – 35 oC, kisaran temperatur ini mengkombinasikan kondisi terbaik untuk pertumbuhan bakteri dan produksi methana di dalam digester dengan lama proses yang pendek. Bakteri mesophilic adalah bakteri yang mudah dipertahankan pada kondisi buffer yang mantap (well buffered) dan dapat tetap aktif pada perubahan temperatur yang kecil, khususnya bila perubahan berjalan perlahan. Apabila bakteri bekerja pada temperatur 40 oC produksi gas akan berjalan dengan cepat hanya beberapa jam tetapi untuk sisa hari itu hanya akan diproduksi gas yang sedikit. Perubahan temperatur tidak boleh melebihi batas temperatur yang diijinkan. Untuk bakteri psychrophilic selang perubahan temperatur berkisar antara 2 oC / jam, bakteri mesophilic 1 oC /jam dan bakteri thermophilic 0.5 oC /jam (Fry, 1973). b. Derajat Keasaman (pH) Derajat keasaman memiliki efek terhadap aktivasi biologi dan mempertahankan pH agar stabil penting untuk semua kehidupan. Kebanyakan dari proses kehidupan memiliki kisaran pH antara 5 – 9. Nilai pH yang dibutuhkan untuk digester antara 7 – 8,5. Pertumbuhan bakteri penghasil gas metana akan baik bila pH bahannya pada keadaan alkali (basa). Bila proses fermentasi berlangsung dalam keadaan normal dan anaerobik, maka pH akan secara otomatis berkisar antara 7 – 8,5. Bila derajat keasaman lebih kecil atau lebih besar dari batas, maka bahan tersebut akan mempunyai sifat toksik terhadap bakteri metanogenik. Derajat keasaman dari bahan didalam digester merupakan salah satu indikator
Universitas Sumatera Utara
bagaimana kerja digester. Untuk bangunan digester yang kecil, pengukuran pH dapat diambil dari keluaran/effluent digester atau pengambilan sampel dapat diambil di permukaan digester apabila telah terpasang tempat khusus pengambilan sampel (Fry, 1974). c. Ketersediaan Unsur Hara Bakteri Anaerobik membutuhkan nutrisi sebagai sumber energi yang mengandung nitrogen, fosfor, magnesium, sodium, mangan, kalsium dan kobalt. Level nutrisi harus sekurangnya lebih dari konsentrasi optimum yang dibutuhkan oleh bakteri metanogenik, karena apabila terjadi kekurangan nutrisi akan menjadi penghambat bagi pertumbuhan bakteri. Penambahan nutrisi dengan bahan yang sederhana seperti glukosa, buangan industri, dan sisa sisa tanaman terkadang diberikan dengan tujuan menambah pertumbuhan di dalam digester. Nutrisi yang penting bagi pertumbuhan bakteri, dapat bersifat toksik apabila konsentrasi di dalam bahan terlalu banyak. Pada kasus nitrogen berlebihan, sangat penting untuk mempertahankan pada level yang optimal untuk mencapai digester yang baik tanpa adanya efek toksik (Amaru, 2004) d. Faktor konsentrasi padatan Konsentrasi ideal padatan untuk memproduksi biogas adalah 7-9 % kandungan kering. Kondisi ini dapat membuat proses digester anaerob berjalan dengan baik. Berikut ini nilai dalam kandungan kering (Total Solid, % TS) beberapa bahan baku biogas.
Tabel 2.3. Nilai Dalam Kandungan Kering Bahan Baku Biogas.
Bahan baku
Kandungan kering (%)
Kotoran manusia
11
Sapi 18
Ayam
25
Babi 11
Sumber : Maynell, 1981.
Universitas Sumatera Utara
e. Volatile Solids (VS) Merupakan bagian padatan (total solid-TS) yang berubah menjadi fase gas pada tahapan asidifikasi dan metanogenesis sebagaimana dalam proses fermentasi limbah organik. Dalam pengujian skala laboratorium, berat saat bagian padatan bahan organik yang hilang terbakar (menguap dan mengalami proses gasifikasi) dengan pembakaran pada suhu 538º C, disebut sebagai volatile solid. Atau Potensi produksi biogas atau disebut juga persentase volatile solid untuk beberapa bahan organik yang berbeda seperti diperlihatkan pada tabel di bawah ini.
Tabel 2.4. Potensi Produksi Gas untuk Beberapa Tipe Bahan Organik
Tipe Limbah Organik
Produksi Biogas Per Kg Waste (m3) (% VS)
Sapi (Lembu/Kerbau)
0.023 - 0.040
Babi 0.040 - 0.059
Ayam
0.065 - 0.116
Manusia
0.020 - 0.028
Sumber : id. Wikipediaorg, 2014
f. Zat Beracun
Zat organik maupun anorganik, baik yang terlarut maupun tersuspensi dapat
menjadi penghambat ataupun racun bagi pertumbuhan mikroorganisme jika
terdapat pada konsentrasi yang tinggi. Untuk logam pads umumnya sifat racun
akan semakin bertambah dengan tingginya valensi dan berat atomnya. Bakteri
penghasil metana lebih sensitif terhadap racun daripada bakteri penghasil asam.
Ada beberapa senyawa yang bisa menghambat (proses) penguraian dalam suatu
unit biogas saat menyiapkan bahan baku untuk produksi biogas, seperti
antiobiotik, desinfektan dan logam berat (Setiawan, 2005).
g. Nilai Potensial Biogas
Biogas yang bebas pengotor (H O, H S, CO , dan partikulat lainnya) dan telah
22
2
mencapai kualitas pipeline adalah setara dengan gas alam. Dalam bentuk ini, gas
tersebut dapat digunakan sama seperti penggunaan gas alam. Pemanfaatannya pun
Universitas Sumatera Utara
telah layak sebagai bahan baku pembangkit listrik, pemanas ruangan, dan pemanas air. Jika dikompresi, biogas dapat menggantikan gas alam terkompresi yang digunakan pada kendaraan. Di Indonesia nilai potensial pemanfaatan biogas ini akan terus meningkat karena adanya jumlah bahan baku biogas yang melimpah dan rasio antara energi biogas dan energi minyak bumi yang menjanjikan.Berdasarkan sumber Kementerian Pertanian, nilai kesetaraan biogas dengan sumber energi lain adalah sebagai berikut:
Tabel 2.5 Kesetaraan Biogas Bahan Bakar
Biogas Elpiji Minyak tanah Minyak solar Bensin Gas kota Kayu bakar Sumber : Kementerian Pertanian, 2014
Jumlah
3
1m 0,46 kg 0,62 liter 0,52 liter 0,80 liter
3
1,50 m 3,50 kg
h. Pengadukan Bahan Organik Pengadukan sangat bermanfaat bagi bahan yang berada di dalam digester anaerob karena memberikan peluang material tetap tercampur dengan bakteri dan temperatur terjaga merata diseluruh bagian. Dengan pengadukan potensi material mengendap di dasar digester semakin kecil, konsentrasi merata dan memberikan kemungkinan seluruh material mengalami proses fermentasi anaerob secara merata.
i. Pengaturan Tekanan Semakin tinggi tekanan di dalam digester, semakin rendah produksi biogas di dalam digester terutama pada proses hidrolisis dan acydifikasi. Selalu pertahankan tekanan diantara 1,15-1,2 bar di dalam digester.
Universitas Sumatera Utara
j. Penjernihan Biogas Kandungan gas atau zat lain dalam biogas seperti air, karbon dioksida, asam sulfat H2S, merupakan polutan yang mengurangi kadar panas pembakaran biogas bahkan dapat menyebabkan karat yang merusakan mesin. Banyak cara pemurnian biogas diantaranya Physical Absorption (pemasangan water trap di pipa biogas), chemical absorption, pemisah membrane permiabel, hingga penyemprotan air atau oksigen untuk mengikat senyawa sulfur atau karbon diogsida. Bila biogas digunakan untuk bahan bakar kendaraan atau bahan bakar pembangkit listrik, gas H2S yang berpotensi menyebabkan karat pada komponen mesin harus dibuang melalui peralatan penyaring/ filter sulfur.
2.5. Deskripsi Proses Biogas merupakan proses produksi energi berupa gas yang berjalan melalui
proses biologis. Hal ini menyebabkan terdapatnya berbagai komponen penting yang berpengaruh dalam proses pembuatan biogas. Komponen biokimia (biochemist) dalam pembuatan biogas memerlukan perhatian penting. Berdasarkan kajian literatur yang telah dipaparkan pada sub – sub bab sebelumnya, berikut ini disajikan deskripsi proses dan sifat-sifat dari bahan baku dan produk.
2.5.1 Deskripsi Proses Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Gas Metana Dari Kotoran Ayam Kotoran ayam dikumpulkan di dalam Gudang (G-101) untuk persediaan selama 6 hari, selanjutnya kotoran unggas dipompa menuju Tangki Neutralisasi (TK-103) untuk dicampur dengan NaHCO3, dan Bakteri. Penambahan senyawa NaHCO3 dilakukan untuk menetralkan pH kotoran ayam karena fermentasi berlangsung dengan baik dalam pH 6-8, sedangkan penambahan senyawa Bakteri Thermophilic bertujuan sebagai nutrisi bagi inokulum. Setelah itu, kotoran unggas dari TK-103 dialirkan ke Reaktor Fermentasi (R-101). Suhu di dalam fermentor dijaga 500C - 600C dengan memakai steam pada suhu 110 0C dimana bakteri yang digunakan adalah bakteri thermophilic. Proses pembentukan metana terjadi dengan hydraulic retention time 6 hari. Dari
Universitas Sumatera Utara
fermentor, limbah dialirkan ke Bak Penampung Akhir yaitu limbah cair dan limbah padat (G-102) yang sebelumnya masuk ke Filter Press (FP-101) untuk diolah lanjut sebagai land application.
Biogas yang dihasilkan dari fermentor terdiri atas CH4, CO2, H2S dan H2O. Biogas yang dihasilkan dialirkan ke kolom absorbsi (AB-101) digunakan untuk menyerap CO2(g) yang terkandung di dalam biogas dengan menggunakan absorben air. CO2 yang terikat dengan air selanjutnya dialirkan ke bak penampungan air proses bekas. Gas H2S yang terdapat di dalam biogas diabaikan karena kandungannya sangat sedikit, Kemudian gas metana yang dihasilkan dipompakan dengan blower pada tekanan 1 atm ke tangki penyimpanan gas metana dan kemudian dapat dijual.
2.5.2 Sifat-Sifat Bahan Baku dan Produk 2.5.2.1 Natrium karbonat (NaHCO3)
Fungsi : sebagai penetral pH. 1. Berat molekul : 84,0079 gr/mol 2. Titik lebur : 500 C (323 K) 3. Densitas : 2,159 gr/cm3 4. Kelarutan dalam air : 7,89 g / 100 ml pada 180 C 5. Tingkat kebasaan (pKb) : -2,43 6. Berwarna padatan putih 7. Merupakan senyawa ampoterik (Wikipedia, 2014)
2.5.2.2 Metana (CH4) Fungsi : merupakan komponen unsur terbesar di dalam biogas 1. Berat Molekul : 16,043 g/mol 2. Temperatur kritis : -82,7oC 3. Tekanan kritis : 45,96 bar 4. Fasa padat • Titik cair : -182,5oC
Universitas Sumatera Utara
• Panas laten : 58,68 kJ/kg
5. Fasa cair • • •
Densitas cair : 500 kg/m3 Titik didih : -161,6oC Panas laten uap : 510 kJ/kg
6. Fasa gas • • • • • • • •
Densitas gas : 0,717 kg/m3 Faktor kompresi : 0,998 Spesifik graviti : 0,55 Spesifik volume : 1,48 m3/kg CP : 0,035 kJ/mol.K CV : 0,027 kJ/mol.K Viskositas : 0,0001027 poise Kelarutan : 0,054 vol/vol
(Wikipedia, 2014)
2.5.2.3 Karbon Dioksida (CO2) Fungsi : merupakan salah satu komponen di dalam biogas.
1. Berat Molekul : 44,01 g/mol 2. Temperatur kritis : 31oC
3. Tekanan kritis : 73,825 bar 4. Densitas kritis : 464 kg/m3
5. Fasa padat
ï‚· Densitas padat : 1562 kg/m3
ï‚· Panas laten : 196,104 kJ/kg
6. Fasa cair ï‚· ï‚·
Densitas cair : 1032 kg/m3 Titik didih : -78,5oC
ï‚· Panas laten uap : 571,08 kJ/kg
ï‚· Tekanan uap : 58,5 bar
7. Fasa gas ï‚·
Densitas gas : 2,814 kg/m3
Universitas Sumatera Utara
ï‚· Spesifik graviti : 1,521 ï‚· Spesifik volume : 0,547 m3/kg ï‚· CP : 0,037 kJ/mol.K ï‚· CV : 0,028 kJ/mol.K ï‚· Viskositas : 0,0001372 poise ï‚· Kelarutan : 1,7163 vol/vol (Wikipedia, 2014) 2.5.2.4 Air (H2O) Sebagai pengikat gas karbondioksida (CO2) didalam menara absorbsi.
1. Berat molekul
: 18,016 gr/gmol
2. Titik lebur
: 0°C (1 atm)
3. Titik didih
: 100°C (1 atm)
4. Densitas
: 1 gr/ml (4°C)
5. Spesifik graviti
: 1,00 (4°C)
6. Indeks bias
: 1,333 (20°C)
7. Viskositas
: 0,8949 cP
8. Kapasitas panas : 1 kal/gr
9. Panas pembentukan : 80 kal/gr
10. Panas penguapan : 540 kal/gr
11. Temperatur kritis : 374°C
12. Tekanan kritis
: 217 atm
(Perry dan Green, 1997)
Universitas Sumatera Utara
Air Proses SStteeaamm
TK-102
SC-102
3
NaHCO3
TK-101
SC-101
Bakteri
2
1
4
Kotoran Ayam
G-101
LC
C-101
BE-101
TK-103
FC
5
P-101
LC TC
R-101
6
PC
B-101
FC
12 P-102
FP-101
7
AB-101
PC
8
B -102
10
13 14
FC K-101
9 Gas Metana LC
LLiimmbbaahh CCaaiirr
Limbah Padat
G-102
KKoonnddeennssaatt AAiirr
Universitas Sumatera Utara
BAB III NERACA MASSA
Kapasitas produk Basis perhitungan
Kemurnian produk Satuan Operasi Waktu kerja per tahun
: 6733 ton/tahun : 1 jam operasi : 6733
: 4500 kg/jam : 98,91 % : kg/jam : 330 hari
x
Unit peralatan yang menghasilkan adanya perubahan massa pada proses produksi pembuatan gas metana dari kotoran ayam adalah sebagai berikut : ï‚· Tangki Netralisasi (TK-101) ï‚· Reaktor Fermentasi (R-101) ï‚· Kolom Absorbsi (AB-101) ï