Variasi Rasio Carbon-Nitrogen Bahan Kering Terhadap Produksi Dan Nilai Kalor Biogas Kotoran Sapi.
Adjar Pratoto & Syamsul Huda (KE - 161) ......................................................................... 801
Efek Variasi Warna Lapisan Film pada Panel Solar-termal terhadap Proses Perpindahan
Kalor
Edi Marzuki, Indra Resmana, Yogi Sirodz G, Mulya Juarsa, Januar Akbar (KE - 162) ........ 805
Peningkatan Nilai Tambah Kotoran Sapi Penghasil Arang Dengan Slow Pirolisis
Mega Nur Sasongko, Widya Wijayanti, Abraham, Aris Wijaya (KE - 163) ........................ 811
Variasi Rasio Carbon-Nitrogen Bahan Kering Terhadap Produksi Dan Nilai Kalor Biogas
Kotoran Sapi
Sukadana, Tenaya, Awing W. (KE - 164) ........................................................................... 815
Penentuan Komposisi Gas Keluar Water-Cooled Hot Gas Line Menggunakan Perangkat
Lunak Computational Fluid Dynamics
Caturwati NK, Yusvardi Y, Firmansyah (KE - 166) ............................................................. 821
Karakteristik Fluida Magnetorheological Mr-112 Eg Saat Terkena Beban Impact Pada
Kondisi Medan Magnet Berkekuatan Rendah
Intan P. Purwanto, Danang P, M. Khoif Billah, M. Agung Bramantya (KE - 167) .............. 825
KAJI EKSPERIMENTAL PEMISAHAN ALIRAN KEROSEN-AIR (Variasi Sudut Kemiringan Side
Arm Pada Rasio Diameter = 1)
Dewi Puspitasari, Indarto, Purnomo, dan Khasani (KE - 168) ........................................... 828
Pengurangan Kerugian Jatuh Tekanan Menggunakan Biopolimer Serbuk Lendir Belut dan
Lele pada Pipa Saluran Tangki Air Harian Kapal
Marcus A. Talahatu, Gunawan dan Indah Puspitasari (KE - 169) ..................................... 840
Studi Numerik Pengaruh Putaran Impeler dan Bukaan Damper Induce Draft (ID) Fan pada
Pabrik Semen
Nur Ikhwan, Suwarmin, Is Bunyamin Suryo (KE - 170) ................................................. 844
Pengembangan Sistem Filter Putar Berbasis Aliran Couette-Taylor
Prajitno (KE - 171) ............................................................................................................ 849
Studi Eksperimental Karakterisitik Aliran Melintasi Silinder Teriris Tipe-D dengan
sudut Pengirisan ( s) = 530 Tersusun Secara Side by Side di Dekat Dinding Datar.
Suprapto,Eka Daryanto, Triyogi Yuwono, Wawan Aries Widodo (KE - 172) .................... 853
Karakteristik Drag pada Lapis Batas Turbulen diatas Pelat Datar Beralur
xvii
KE - 163
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
Dari hasil penelitian dapat diambil beberapa
kesimpulan sebagai berikut :
1. Semakin tinggi temperatur pirolisis akan
menyebabkan semakin besar pengurangan massa
spesimen dan semakin banyak char (arang) yang
terbentuk, sehingga warna padatan hasil pirolisis
semakin gelap atau hitam yang menunjukkan
besarnya kadar C.
2. Pada laju pemanasan yang sama, biomassa
kotoran sapi yang dipirolisis dengan temperatur
100-500 oC selama 2 jam memiliki kenaikan
nilai kalor yaitu sebesar 6-10% dibandingkan
biomassa kotoran sapi yang tidak dipirolisis.
3. Semakin cepat laju pemanasan maka nilai
kalornya akan semakin kecil hal ini disebabkan
karena seiring dengan kenaikan laju pemanasan
pada pirolisis lambat memberikan massa char
yang cenderung semakin sedikit, karena gas
yang dikeluarkan semakin banyak.
Referensi
Bock, B. 2006. Feasibility of Renewable Energy from
poultry litter in the TVA Region. EPRI, Palo Alto, CA
and Tennessee Valley Authority. Muscle Shoals, AL.
1010486.
Funazukuri, T., R. Hudgins and P. Silveston. 1986.
Product distribution in pyrolysis of cellulose in
microfluidized bed. J. Anal. Pyrolysis. Vol. 9:
139-158.
Samy Sadaka. 2007. Pyrolysis. Department of
Agricultural and Biosystems Engineering Iowa State
University. Nevada.
Tanoue, K., Widya, W., Yamasaki, K.,
Kawanaka, T., Yoshida, A., Nishimura, T.,
Taniguchi, M., Sasauchi, K., Numerical
Simulation of the thermal conduction of packed
bed of woody biomass particles accompanying
volume reduction induced by pyrolysis, J. Jpn.
Inst. Energy, 89 (10), 948 (2010)
Tanoue, K., T. Hinauchi, T. Oo, T. Nishimura,
M. Taniguchi, and K. Sasauchi, Modeling of
heterogeneous chemical reactions caused in
pyrolysis of biomass particles, Advanced Powder
Technology 18, 825-840 (2007)
814
KE – 164
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
Variasi Rasio Carbon-Nitrogen Bahan Kering Terhadap Produksi Dan Nilai Kalor
Biogas Kotoran Sapi
Sukadana, Tenaya, Awing W.
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana-Bali
Email : pengumpian_09@yahoo.com
Abstrak
Biogas dihasilkan dari proses fermentasi bahan- bahan organik oleh bakteri anaerob. Nilai kalor
yang terkandung pada biogas tergantung pada konsentrasi CH 4. Semakin tinggi kandungan CH 4,
maka nilai kalor biogas juga semakin tinggi, atau sebaliknya. Salah satu yang mempengaruhi
produksi CH 4 pada biogas adalah rasio C-N pada bahan kering. Rasio C-N yang baik adalah
berkisar antara 25:1 – 30:1. Kotoran sapi memiliki rasio C-N sebesar 18:1, harus ditambahkan
bahan lainnya yaitu sekam padi yang memiliki rasio C-N sebesar 65:1. Tujuan penelitian ini adalah
untuk mengatahui pengaruh variasi rasio C-N terhadap produksi dan nilai kalor biogas kotoran sapi.
Pengujian ini dilakukan dengan sistem tumpak alami dengan variasi C-N adalah 18, 25.0, 26.5,
27,9 dan 29.3. Data yang diamati adalah perubahan tekanan harian biogas dalam digester,
perubahan temperatur pemanasan air, perubahan masa biogas dan komposisi gas pada biogas.
Hasil penelitian, pada rasio C-N 27,9 bahan kering menghasilkan produksi biogas tertinggi
sebesar 0,059698 kg dengan nilai kalor biogas tertinggi secara eksperimental sebesar 23,112256 kJ
dan nilai kalor teoritis dalam hal ini nilai kalor eksperimnetal sebesar 75,03375 kJ.
Kata kunci : rasio C-N, produksi biogas, nilai kalor eksperimental, nilai kalor teoritis
Abstract
Biogas produced from the fermentation of organic matter by anaerobic bacteria. The calorific value
contained in biogas depends on the concentration of CH 4 . The higher the content of CH 4 , the calorific
value of biogas is also higher, or vice versa. One of the things that affect the production of CH 4 in biogas
is the C-N ratio on dry matter. C-N is a good ratio is between 25:1 - 30:1. Cow manure has a C-N ratio
of 18:1, so it should be added to other materials, namely rice husk which has a C-N ratio of 65:1. The
purpose of this study is to know the effect of the C-N ratio to the production and calorific value of
manure biogas.
The test is performed with a batch system with the is C-N ratio 18, 25.0, 26.5, 27,9 and 29.3.
Observed data is a pressure change at digester, hot water temprature change the mass of biogas
change and gas composition on biogas.
The results obtained at ratio C-N 27,9 dry matter had the highest production is equal to 0.059698 kg
and the highest calorific value of biogas by experimental is 23.112256 kJ and theoretical calorific value
in this lower heating value is 75.03375 kJ.
Key words : C-N ratio, biogas production, experimental calorific value, theoretical calorific value
Pendahuluan
Peran energi sangat penting, dewas ini
semua aktivitas kehidupan manusia tergantung
pada energi. Sarana pendukung kehidupan
manusia, seperti penerangan, transportasi,
peralatan rumah tangga, peralatan industri
tergantung pada energi. Manusia saat ini masih
tergantung pada energi yang berasal dari bahan
bakar fosil seperti minyak bumi, gas alam dan
batubara. Saat ini energi merupakan persoalan
dunia. Peningkatan permintaan energi akibat dari
pertumbuhan penduduk, kemajuan teknologi dan
perkembangan perekonomian, berpengaruh pada
konsumsi
energi
semakin
meningkat.
Peningkatan konsumsi energi tidak diimbangi
dengan jumlah pasokan energi yang mencukupi,
sehingga muncul masalah krisis energi. Dalam
815
KE – 164
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
produksi. Meningkatkan pemahaman mengenai
pembuatan biogas dan memanfaatkan limbah
organic sebagai sumber energi alternative bagi
masyarakat.
Buku Putih Energi Nasional 2005 – 2025,
cadangan minyak bumi Indonesia hanya tersisa
hingga 23 tahun ke depan.
Permasalahan kelangkaan energi mendapat
perhatian khusus pemerintah. Kebijakan
pengurangan konsumsi bahan bakar fosil dan
peningkatan penggunaan energi terbarukan yang
dituangkan dalam bentuk sasaran energi
Nasional tahun 2025. Salah satu upaya untuk
memenuhi target adalah penggunaan sumber
energi biomassa.
Sumber energi biomassa adalah biogas,
biogas tergolong dalam energi yang berasal dari
bahan- bahan organik, umumnya berasal dari
limbah organik seperti, kotoran manusia, kotoran
hewan, sisa-sisa tumbuhan. Limbah organik
tersebut
mudah
didapat
dan
terjamin
kontinuitasnya, terpenting adalah limbah organik
tersebut ramah lingkungan. Hal ini sebagai
faktor utama pertimbangan biogas sebagai
sumber energi .
Biogas dihasilkan dari proses fermentasi
bahan- bahan organik oleh bakteri anaerob. Gas
yang dihasilkan sebagian besar gas metana
(CH 4 ) dan karbondioksida (CO 2 ), dan gas
lainnya. Energi yang terkandung dalam biogas
tergantung dari konsentrasi CH 4 . Semakin tinggi
kandungan CH 4 maka semakin besar kandungan
energi pada biogas, atau sebaliknya (Pambudi,
2008).
Faktor yang mempengaruhi produksi gas
CH 4 di dalam biogas adalah hubungan antara
jumlah karbon (C) dan nitrogen (N) yang
terdapat pada bahan organik dinyatakan sebagai
rasio C-N. Rasio C-N yang baik pada slurry
adalah berkisar antara 25:1 – 30:1 (Singh
Dissanayake, 1977). Kotoran sapi mempunyai
rasio C-N sebesar 18. Karena itu perlu ditambah
dengan bahan lainnya yang mempunyai rasio
C-N yang tinggi, seperti, limbah pertanian, sisa
dapur dan sampah organik lainnya.
Bahan organik yang memiliki rasio C-N
tinggi adalah sekam padi. Sekam padi
merupakan lapisan keras yang meliputi kariopsis
yang terdiri dari dua belahan yang disebut
lemma dan palea yang saling bertautan. Pada
proses penggilingan beras, sekam akan terpisah
dari butir beras dan menjadi bahan sisa atau
limbah penggilingan. Kadar karbon (C) pada
sekam padi sebesar 38,9 % dan kadar nitrogen
(N) dalam sekam padi sebesar 0,6 %.
Tujuan penelitian adalah Mengetahui dan
menganalisa pengaruh penambahan variasi rasio
C-N 18, 25.0, 26.5, 27,9 dan 29.3 terhadap
STUDI PUSTAKA
Proses Pembuatan Biogas
Pada pembuatan biogas dari bahan baku
kotoran sapi atau kerbau yang banyak
mengandung selulosa. Bahan baku dalam bentuk
selulosa akan lebih mudah dicerna oleh bakteri
anaerob. Reaksi pembentukan CH4 adalah :
(Price dan Cheremisinoff, 1981).
(C6H10O5)n + n H2O
CH4
3n CO2 + 3n
Reaksi kimia pembuatan biogas ada tiga tahap,
yaitu : pertama reaksi hidrolisa/tahap pelarutan :
(C6H10O5) n (s) + n H2O (l)
n C6H12O6
Kedua reaksi asidogenik/tahap pengasaman
Reaksi :
n (C6H12O6)
2n (C2H5OH) + 2nCO2(g)
+ kalor
2n (C2H5OH)(aq) + n CO2(g)
2n (CH3COOH)(aq) + n CH4(g)
Ketiga reaksi metanogenik/tahap gasifikasi. Pada
tahap ini, bakteri metana membentuk gas metana
secara perlahan secara anaerob. Proses ini
berlangsung selama 14 hari dengan suhu 25oC di
dalam digester. Pada proses ini akan dihasilkan
70% CH4, 30 % CO2, sedikit H2 dan H2S (Price
dan Cheremisinoff, 1981). Reaksi :
2n (CH3COOH)
CO2(g)
2n CH4(g) + 2n
Faktor yang Mempengaruhi Pembentukan
Biogas, Perbandingan C-N Bahan Isian. Rasio
C-N adalah perbandingan kadar karbon(C) dan
kadar Nitrogen (N) dalam satuan bahan.
Lamanya produksi biogas disebabkan oleh mutu
pakan yang lebih rendah, sehingga rasio
C-N-nya tinggi akibatnya perkembangan
mikroba
pembentuk
gas
lebih
lama
dibandingkan yang bermutu tinggi. Tinggi
rendahnya mutu ini tergantung pada nilai N
(nitrogen) di dalam ransum. Namun demikian
nilai N juga tergantung pada C (karbon). Jadi,
816
KE – 164
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
kalor dari produk pembakaran dikurangi jumlah
formasi nilai kalor dari reaktan ( metan, oksigen
dan nitrogen ). Tabel diatas memberikan nilai
kalor standar dari beberapa jenis gas.
perbandingan C dan N akan menentukan lama
tidaknya proses pembentukan biogas (Yunus,
1995).
Lama Fermentasi, menurut Sweeten (1979),
yang dikutip oleh Fontenot (1983), proses
fermentasi di dalam tangki pencerna dapat
berlangsung 60-90 hari, tetapi menurut Sahidu
(1983), hanya berlangsung 60 hari saja dengan
terbentuknya biogas pada hari ke-5 dengan suhu
pencernaan 28 oC, sedangkan menurut Hadi
(1981), biogas sekitar 10 hari.
Temperatur, Tempertur yang tinggi akan
memberikan hasil biogas yang baik. Bakteri
hanya dapat subur bila suhu disekitarnya berada
pada suhu kamar. Suhu yang baik untuk proses
pembentukan biogas berkisar antara 20-40 0C
dan suhu optimum antara 28-30 0C. Temperatur
untuk kemampuan hidup bakteri pemroses
biogas berkisar 270C-280C. (Paimin, 2001).
Kandungan Bahan Kering, Bahan isian
dalam pembuatan biogas harus berupa bubur.
Bentuk bubur ini dapat diperoleh bila bahan
bakunya mempunyai kandungan air yang tinggi.
Bahan baku dengan kadar air yang rendah dapat
dijadikan
berkadar
air
tinggi
dengan
menambahkan air ke dalamnya dengan
perbandingan tertentu sesuai dengan kadar bahan
kering bahan tersebut. Bahan baku yang paling
baik mengandung 7-9 % bahan kering (Paimin,
2001). Aktivitas normal dari mikroba metan
membutuhkan sekitar 90% air dan 7-10% bahan
kering. Dengan demikian isian yang paling
banyak menghasilkan biogas adalah yang
mengandung 7-9% bahan kering.
METODE PENELITIAN
Variabel Yang Diukur
Ada dua buah variabel yang digunakan
dalam penelitian ini, yaitu : Variabel bebas
adalah variasi rasio C-N yaitu 18, 25.0, 26.5,
27,9 dan 29.3. Variabel terikat adalah nilai kalor
biogas dan produksi biogas.
Formasi Nilai Kalor
Formasi kalor adalah kalor yang dilepaskan
atau diserap ketika 1 mol substansi terbentuk
dari sebuah elemen.
Tabel 1. Formasi nilai kalor gas
Massa
Kalor
Kalor
Substansi
Molar
(kJ/mol)
(MJ/kg)
(gram)
O2 , N2
0
0
H 2 O Uap
241,8
18
13,43
H 2 O Cair
285,7
18
15,87
CO 2
393,8
44
8,95
CO
110,6
28
3,95
CH 4
74,9
16
4,68
CH 2
14
1,81
25,4
(Kerosene)
Gambar 1. Instalasi Penelitian
Alat- alat yang digunakan dalam penelitian
ini adalah : Digester sebagai tempat fermentasi
anaerob bahan biogas. Pipa PVC Diameter ½
inchi sebagai penyalur biogas. Knee L Drat
sebagai penyambung pipa. Kran Gas sebagai
pengatur keluar masuknya biogas dari digester.
Manometer H 2 O digunakan untuk mengukur
tekanan biogas pada digester. Ember sebagai
tempat pencampuran bahan kering (kotoran sapi
dengan sekam padi).Timbangandigunakan untuk
mengukur berat slurry. Kayu Pengaduk
pengaduk bahan kering (kotoran sapi dengan
sekam padi) dan pengaduk bahan kering dengan
air. Kompor digunakan untuk menyalakan api
dari biogas. Panci digunakan sebagai wadah air
ketika air dipanaskan. Termometer digunakan
Nilai kalor yang dibebaskan selama
pembakaran dihitung dari jumlah formasi nilai
817
KE – 164
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
dengan rasio C-N 27,9 sebesar 55,01703448 kJ.
Berdasarkan pengujian secara teoritis, terhadap
nilai kalor atas maupun bawah dihasilkan oleh
rasio C-N 27,9 dengan nilai kalor atas sebesar
79,65525 kJ dan nilai kalor bawah sebesar
75,03375.
untuk mengukur kenaikan suhu air pada saat
dipanaskan. Bahan yang digunakan dalam
penelitian ini adalah :Kotoran sapi yang masih
segar, Sekam padi, dan Air
PEMBAHASAN
Produksi Harian Biogas Harian
Gambar 3. Grafik Variasi Campuran Bahan
Kering Terhadap Perbandingan Nilai Kalor
Eksperimental Dengan Nilai Kalor Bawah
Untuk variasi rasio C-N 18, 25.0, dan 26.5
Produksi awal biogas terjadi pada hari ke 9,
untuk variasi rasio C-N 27,9 dan 29.3 mulai
menghasilkan biogas pada hari ke 10. Terjadinya
perbedaan hari awal terbentuknya biogas
dikarenakan kandungan sekam padi pada variasi
rasio C-N 27,9 dan 29.3 lebih banyak jika
dibandingakn dengan variasi rasio C-N 18, 25.0,
dan 26.5. Bahan organik seperti sekam padi
banyak mengandung selulosa dan lignin,
sehingga akan lebih lama diuraikan oleh bakteri.
Peningkatan produksi biogas berlangsung
hingga hari ke 21, untuk variasi rasio C-N 18
produksi biogas mengalami puncaknya pada hari
ke 23. Variasi rasio C-N 25.0, dan 26.5 produksi
biogas mengalami puncaknya pada hari ke 24.
variasi rasio C-N 27,9 dan 29.3 masing-masing
mengalami puncak produksi biogas pada hari ke
25 dan 26.
variasi rasio C-N 27,9 memiliki peningkatan
produksi biogas paling tinggi. Sehingga variasi
rasio C-N 27,9 adalah campuran yang terbaik
yang memberikan produksi biogas yang
optimum.
Variasi komposisi rasio Carbon Nitrogen
bahan kering dapat menghasilkan nilai kalor
biogas yang berbeda- beda. Hal ini dikarenakan
perbedaan komposisi campuran bahan kering
akan menghasilkan komposisi gas pada biogas
yang berbeda- beda. Sehingga, pada saat
pengujian nilai kalor baik secara teoritis maupun
eksperimental akan dihasilkan nilai kalor yang
berbeda.
Dari pengujian nilai kalor eksperimental
dengan nilai kalor teoritis biogas terdapat
perbedaan nilai diantara keduanya. Karena pada
percobaan nilai kalor secara eksperimental tidak
menangkap uap air dari biogas, sehingga yang
digunakan sebagai perbandingan dari nilai kalor
teoritis adalah nilai kalor bawah. Perbedaan
antara nilai kalor eksperimental dengan nilai
kalor bawah sebesar 17,10665 % pada rasio C-N
27,9.
Perbedaan nilai kalor ini disebabkan pada uji
nilai kalor eksperimental tidak semua kalor dari
biogas diserap oleh air. Hal ini karena terjadinya
losses energi kalor, seperti kalor biogas yang
diserap oleh panci, kalor yang terlepas ke
lingkungan, kalor yang diserap oleh kompor dan
lain sebagainya. Sehingga, nilai kalor
eksperimental lebih kecil dibandingkan dengan
nilai kalor bawah.
Perbandingan Nilai Kalor Biogas
Berdasarkan pengujian secara eksperimental,
nilai kalor tertinggi dihasilkan dari biogas
Kesimpulan
Pada rasio C-N 27,9 bahan kering
menghasilkan produksi biogas tertinggi sebesar
Gambar 2. Grafik hubungan waktu terhadap
massa harian biogas
818
KE – 164
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
0,059698 kg dengan nilai kalor biogas tertinggi
secara eksperimental sebesar 23,112256 kJ dan
nilai kalor teoritis dalam hal ini nilai kalor
eksperimnetal sebesar 75,03375 kJ.
DAFTAR PUSTAKA
Borman, Gary L., Kenneth W. Ragland, 1998,
Combustion Engineering, International Edition,
McGraw-Hill, Singapore
Bruce E. Poling, John M. Prausnitz, John P.
O’Connell, (2007), The Properties of Gases and
Liquids, McGraw-Hill, Singapore.
Dieter Deublin, Angelika Steinhauser, (2008),
Biogas From Waste and Renewable Resources,
Wiley-VCH Verlag GmbH and Co. KGaA,
Germany.
Gary L. Borman, Kenneth W. Ragland, (1998),
Combustion
Engineering,
McGraw-Hill
International Edition, Singapore.
Geersen, Theo M., 1998, Physical Properties of
Natural Gas, N.V. Nederlandse Gasunie,
Groningen
Jean and Badeau Pierre, (2009), Biomass
Gasification,Chemistry
Processes
and
Applications,Nova Science Publisher,Inc., New
York
Kementrian Negara Riset dan Teknologi
Republik Indonesia, (2005), Blue Print
Pengelolaan Energi Nasional 2005-2025,
Jakarta.
Kementrian Negara Riset dan Teknologi
Republik Indonesia, (2006), Buku Putih
Penelitian, Pengembangan dan Penerapan Ilmu
Pengetahuan dan Teknologi Bidang Sumber
Energi Baru dan Terbarukan untuk Mendukung
Keamanan Ketersediaan Energi Tahun 2025,
Jakarta.
Wahyuni, Sri, (2011), Menghasilkan Biogas Dari
Aneka Limbah, PT Argro Media Pustaka,
Jakarta.
819
Paper No KE 164
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
820
6
Efek Variasi Warna Lapisan Film pada Panel Solar-termal terhadap Proses Perpindahan
Kalor
Edi Marzuki, Indra Resmana, Yogi Sirodz G, Mulya Juarsa, Januar Akbar (KE - 162) ........ 805
Peningkatan Nilai Tambah Kotoran Sapi Penghasil Arang Dengan Slow Pirolisis
Mega Nur Sasongko, Widya Wijayanti, Abraham, Aris Wijaya (KE - 163) ........................ 811
Variasi Rasio Carbon-Nitrogen Bahan Kering Terhadap Produksi Dan Nilai Kalor Biogas
Kotoran Sapi
Sukadana, Tenaya, Awing W. (KE - 164) ........................................................................... 815
Penentuan Komposisi Gas Keluar Water-Cooled Hot Gas Line Menggunakan Perangkat
Lunak Computational Fluid Dynamics
Caturwati NK, Yusvardi Y, Firmansyah (KE - 166) ............................................................. 821
Karakteristik Fluida Magnetorheological Mr-112 Eg Saat Terkena Beban Impact Pada
Kondisi Medan Magnet Berkekuatan Rendah
Intan P. Purwanto, Danang P, M. Khoif Billah, M. Agung Bramantya (KE - 167) .............. 825
KAJI EKSPERIMENTAL PEMISAHAN ALIRAN KEROSEN-AIR (Variasi Sudut Kemiringan Side
Arm Pada Rasio Diameter = 1)
Dewi Puspitasari, Indarto, Purnomo, dan Khasani (KE - 168) ........................................... 828
Pengurangan Kerugian Jatuh Tekanan Menggunakan Biopolimer Serbuk Lendir Belut dan
Lele pada Pipa Saluran Tangki Air Harian Kapal
Marcus A. Talahatu, Gunawan dan Indah Puspitasari (KE - 169) ..................................... 840
Studi Numerik Pengaruh Putaran Impeler dan Bukaan Damper Induce Draft (ID) Fan pada
Pabrik Semen
Nur Ikhwan, Suwarmin, Is Bunyamin Suryo (KE - 170) ................................................. 844
Pengembangan Sistem Filter Putar Berbasis Aliran Couette-Taylor
Prajitno (KE - 171) ............................................................................................................ 849
Studi Eksperimental Karakterisitik Aliran Melintasi Silinder Teriris Tipe-D dengan
sudut Pengirisan ( s) = 530 Tersusun Secara Side by Side di Dekat Dinding Datar.
Suprapto,Eka Daryanto, Triyogi Yuwono, Wawan Aries Widodo (KE - 172) .................... 853
Karakteristik Drag pada Lapis Batas Turbulen diatas Pelat Datar Beralur
xvii
KE - 163
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
Dari hasil penelitian dapat diambil beberapa
kesimpulan sebagai berikut :
1. Semakin tinggi temperatur pirolisis akan
menyebabkan semakin besar pengurangan massa
spesimen dan semakin banyak char (arang) yang
terbentuk, sehingga warna padatan hasil pirolisis
semakin gelap atau hitam yang menunjukkan
besarnya kadar C.
2. Pada laju pemanasan yang sama, biomassa
kotoran sapi yang dipirolisis dengan temperatur
100-500 oC selama 2 jam memiliki kenaikan
nilai kalor yaitu sebesar 6-10% dibandingkan
biomassa kotoran sapi yang tidak dipirolisis.
3. Semakin cepat laju pemanasan maka nilai
kalornya akan semakin kecil hal ini disebabkan
karena seiring dengan kenaikan laju pemanasan
pada pirolisis lambat memberikan massa char
yang cenderung semakin sedikit, karena gas
yang dikeluarkan semakin banyak.
Referensi
Bock, B. 2006. Feasibility of Renewable Energy from
poultry litter in the TVA Region. EPRI, Palo Alto, CA
and Tennessee Valley Authority. Muscle Shoals, AL.
1010486.
Funazukuri, T., R. Hudgins and P. Silveston. 1986.
Product distribution in pyrolysis of cellulose in
microfluidized bed. J. Anal. Pyrolysis. Vol. 9:
139-158.
Samy Sadaka. 2007. Pyrolysis. Department of
Agricultural and Biosystems Engineering Iowa State
University. Nevada.
Tanoue, K., Widya, W., Yamasaki, K.,
Kawanaka, T., Yoshida, A., Nishimura, T.,
Taniguchi, M., Sasauchi, K., Numerical
Simulation of the thermal conduction of packed
bed of woody biomass particles accompanying
volume reduction induced by pyrolysis, J. Jpn.
Inst. Energy, 89 (10), 948 (2010)
Tanoue, K., T. Hinauchi, T. Oo, T. Nishimura,
M. Taniguchi, and K. Sasauchi, Modeling of
heterogeneous chemical reactions caused in
pyrolysis of biomass particles, Advanced Powder
Technology 18, 825-840 (2007)
814
KE – 164
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
Variasi Rasio Carbon-Nitrogen Bahan Kering Terhadap Produksi Dan Nilai Kalor
Biogas Kotoran Sapi
Sukadana, Tenaya, Awing W.
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana-Bali
Email : pengumpian_09@yahoo.com
Abstrak
Biogas dihasilkan dari proses fermentasi bahan- bahan organik oleh bakteri anaerob. Nilai kalor
yang terkandung pada biogas tergantung pada konsentrasi CH 4. Semakin tinggi kandungan CH 4,
maka nilai kalor biogas juga semakin tinggi, atau sebaliknya. Salah satu yang mempengaruhi
produksi CH 4 pada biogas adalah rasio C-N pada bahan kering. Rasio C-N yang baik adalah
berkisar antara 25:1 – 30:1. Kotoran sapi memiliki rasio C-N sebesar 18:1, harus ditambahkan
bahan lainnya yaitu sekam padi yang memiliki rasio C-N sebesar 65:1. Tujuan penelitian ini adalah
untuk mengatahui pengaruh variasi rasio C-N terhadap produksi dan nilai kalor biogas kotoran sapi.
Pengujian ini dilakukan dengan sistem tumpak alami dengan variasi C-N adalah 18, 25.0, 26.5,
27,9 dan 29.3. Data yang diamati adalah perubahan tekanan harian biogas dalam digester,
perubahan temperatur pemanasan air, perubahan masa biogas dan komposisi gas pada biogas.
Hasil penelitian, pada rasio C-N 27,9 bahan kering menghasilkan produksi biogas tertinggi
sebesar 0,059698 kg dengan nilai kalor biogas tertinggi secara eksperimental sebesar 23,112256 kJ
dan nilai kalor teoritis dalam hal ini nilai kalor eksperimnetal sebesar 75,03375 kJ.
Kata kunci : rasio C-N, produksi biogas, nilai kalor eksperimental, nilai kalor teoritis
Abstract
Biogas produced from the fermentation of organic matter by anaerobic bacteria. The calorific value
contained in biogas depends on the concentration of CH 4 . The higher the content of CH 4 , the calorific
value of biogas is also higher, or vice versa. One of the things that affect the production of CH 4 in biogas
is the C-N ratio on dry matter. C-N is a good ratio is between 25:1 - 30:1. Cow manure has a C-N ratio
of 18:1, so it should be added to other materials, namely rice husk which has a C-N ratio of 65:1. The
purpose of this study is to know the effect of the C-N ratio to the production and calorific value of
manure biogas.
The test is performed with a batch system with the is C-N ratio 18, 25.0, 26.5, 27,9 and 29.3.
Observed data is a pressure change at digester, hot water temprature change the mass of biogas
change and gas composition on biogas.
The results obtained at ratio C-N 27,9 dry matter had the highest production is equal to 0.059698 kg
and the highest calorific value of biogas by experimental is 23.112256 kJ and theoretical calorific value
in this lower heating value is 75.03375 kJ.
Key words : C-N ratio, biogas production, experimental calorific value, theoretical calorific value
Pendahuluan
Peran energi sangat penting, dewas ini
semua aktivitas kehidupan manusia tergantung
pada energi. Sarana pendukung kehidupan
manusia, seperti penerangan, transportasi,
peralatan rumah tangga, peralatan industri
tergantung pada energi. Manusia saat ini masih
tergantung pada energi yang berasal dari bahan
bakar fosil seperti minyak bumi, gas alam dan
batubara. Saat ini energi merupakan persoalan
dunia. Peningkatan permintaan energi akibat dari
pertumbuhan penduduk, kemajuan teknologi dan
perkembangan perekonomian, berpengaruh pada
konsumsi
energi
semakin
meningkat.
Peningkatan konsumsi energi tidak diimbangi
dengan jumlah pasokan energi yang mencukupi,
sehingga muncul masalah krisis energi. Dalam
815
KE – 164
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
produksi. Meningkatkan pemahaman mengenai
pembuatan biogas dan memanfaatkan limbah
organic sebagai sumber energi alternative bagi
masyarakat.
Buku Putih Energi Nasional 2005 – 2025,
cadangan minyak bumi Indonesia hanya tersisa
hingga 23 tahun ke depan.
Permasalahan kelangkaan energi mendapat
perhatian khusus pemerintah. Kebijakan
pengurangan konsumsi bahan bakar fosil dan
peningkatan penggunaan energi terbarukan yang
dituangkan dalam bentuk sasaran energi
Nasional tahun 2025. Salah satu upaya untuk
memenuhi target adalah penggunaan sumber
energi biomassa.
Sumber energi biomassa adalah biogas,
biogas tergolong dalam energi yang berasal dari
bahan- bahan organik, umumnya berasal dari
limbah organik seperti, kotoran manusia, kotoran
hewan, sisa-sisa tumbuhan. Limbah organik
tersebut
mudah
didapat
dan
terjamin
kontinuitasnya, terpenting adalah limbah organik
tersebut ramah lingkungan. Hal ini sebagai
faktor utama pertimbangan biogas sebagai
sumber energi .
Biogas dihasilkan dari proses fermentasi
bahan- bahan organik oleh bakteri anaerob. Gas
yang dihasilkan sebagian besar gas metana
(CH 4 ) dan karbondioksida (CO 2 ), dan gas
lainnya. Energi yang terkandung dalam biogas
tergantung dari konsentrasi CH 4 . Semakin tinggi
kandungan CH 4 maka semakin besar kandungan
energi pada biogas, atau sebaliknya (Pambudi,
2008).
Faktor yang mempengaruhi produksi gas
CH 4 di dalam biogas adalah hubungan antara
jumlah karbon (C) dan nitrogen (N) yang
terdapat pada bahan organik dinyatakan sebagai
rasio C-N. Rasio C-N yang baik pada slurry
adalah berkisar antara 25:1 – 30:1 (Singh
Dissanayake, 1977). Kotoran sapi mempunyai
rasio C-N sebesar 18. Karena itu perlu ditambah
dengan bahan lainnya yang mempunyai rasio
C-N yang tinggi, seperti, limbah pertanian, sisa
dapur dan sampah organik lainnya.
Bahan organik yang memiliki rasio C-N
tinggi adalah sekam padi. Sekam padi
merupakan lapisan keras yang meliputi kariopsis
yang terdiri dari dua belahan yang disebut
lemma dan palea yang saling bertautan. Pada
proses penggilingan beras, sekam akan terpisah
dari butir beras dan menjadi bahan sisa atau
limbah penggilingan. Kadar karbon (C) pada
sekam padi sebesar 38,9 % dan kadar nitrogen
(N) dalam sekam padi sebesar 0,6 %.
Tujuan penelitian adalah Mengetahui dan
menganalisa pengaruh penambahan variasi rasio
C-N 18, 25.0, 26.5, 27,9 dan 29.3 terhadap
STUDI PUSTAKA
Proses Pembuatan Biogas
Pada pembuatan biogas dari bahan baku
kotoran sapi atau kerbau yang banyak
mengandung selulosa. Bahan baku dalam bentuk
selulosa akan lebih mudah dicerna oleh bakteri
anaerob. Reaksi pembentukan CH4 adalah :
(Price dan Cheremisinoff, 1981).
(C6H10O5)n + n H2O
CH4
3n CO2 + 3n
Reaksi kimia pembuatan biogas ada tiga tahap,
yaitu : pertama reaksi hidrolisa/tahap pelarutan :
(C6H10O5) n (s) + n H2O (l)
n C6H12O6
Kedua reaksi asidogenik/tahap pengasaman
Reaksi :
n (C6H12O6)
2n (C2H5OH) + 2nCO2(g)
+ kalor
2n (C2H5OH)(aq) + n CO2(g)
2n (CH3COOH)(aq) + n CH4(g)
Ketiga reaksi metanogenik/tahap gasifikasi. Pada
tahap ini, bakteri metana membentuk gas metana
secara perlahan secara anaerob. Proses ini
berlangsung selama 14 hari dengan suhu 25oC di
dalam digester. Pada proses ini akan dihasilkan
70% CH4, 30 % CO2, sedikit H2 dan H2S (Price
dan Cheremisinoff, 1981). Reaksi :
2n (CH3COOH)
CO2(g)
2n CH4(g) + 2n
Faktor yang Mempengaruhi Pembentukan
Biogas, Perbandingan C-N Bahan Isian. Rasio
C-N adalah perbandingan kadar karbon(C) dan
kadar Nitrogen (N) dalam satuan bahan.
Lamanya produksi biogas disebabkan oleh mutu
pakan yang lebih rendah, sehingga rasio
C-N-nya tinggi akibatnya perkembangan
mikroba
pembentuk
gas
lebih
lama
dibandingkan yang bermutu tinggi. Tinggi
rendahnya mutu ini tergantung pada nilai N
(nitrogen) di dalam ransum. Namun demikian
nilai N juga tergantung pada C (karbon). Jadi,
816
KE – 164
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
kalor dari produk pembakaran dikurangi jumlah
formasi nilai kalor dari reaktan ( metan, oksigen
dan nitrogen ). Tabel diatas memberikan nilai
kalor standar dari beberapa jenis gas.
perbandingan C dan N akan menentukan lama
tidaknya proses pembentukan biogas (Yunus,
1995).
Lama Fermentasi, menurut Sweeten (1979),
yang dikutip oleh Fontenot (1983), proses
fermentasi di dalam tangki pencerna dapat
berlangsung 60-90 hari, tetapi menurut Sahidu
(1983), hanya berlangsung 60 hari saja dengan
terbentuknya biogas pada hari ke-5 dengan suhu
pencernaan 28 oC, sedangkan menurut Hadi
(1981), biogas sekitar 10 hari.
Temperatur, Tempertur yang tinggi akan
memberikan hasil biogas yang baik. Bakteri
hanya dapat subur bila suhu disekitarnya berada
pada suhu kamar. Suhu yang baik untuk proses
pembentukan biogas berkisar antara 20-40 0C
dan suhu optimum antara 28-30 0C. Temperatur
untuk kemampuan hidup bakteri pemroses
biogas berkisar 270C-280C. (Paimin, 2001).
Kandungan Bahan Kering, Bahan isian
dalam pembuatan biogas harus berupa bubur.
Bentuk bubur ini dapat diperoleh bila bahan
bakunya mempunyai kandungan air yang tinggi.
Bahan baku dengan kadar air yang rendah dapat
dijadikan
berkadar
air
tinggi
dengan
menambahkan air ke dalamnya dengan
perbandingan tertentu sesuai dengan kadar bahan
kering bahan tersebut. Bahan baku yang paling
baik mengandung 7-9 % bahan kering (Paimin,
2001). Aktivitas normal dari mikroba metan
membutuhkan sekitar 90% air dan 7-10% bahan
kering. Dengan demikian isian yang paling
banyak menghasilkan biogas adalah yang
mengandung 7-9% bahan kering.
METODE PENELITIAN
Variabel Yang Diukur
Ada dua buah variabel yang digunakan
dalam penelitian ini, yaitu : Variabel bebas
adalah variasi rasio C-N yaitu 18, 25.0, 26.5,
27,9 dan 29.3. Variabel terikat adalah nilai kalor
biogas dan produksi biogas.
Formasi Nilai Kalor
Formasi kalor adalah kalor yang dilepaskan
atau diserap ketika 1 mol substansi terbentuk
dari sebuah elemen.
Tabel 1. Formasi nilai kalor gas
Massa
Kalor
Kalor
Substansi
Molar
(kJ/mol)
(MJ/kg)
(gram)
O2 , N2
0
0
H 2 O Uap
241,8
18
13,43
H 2 O Cair
285,7
18
15,87
CO 2
393,8
44
8,95
CO
110,6
28
3,95
CH 4
74,9
16
4,68
CH 2
14
1,81
25,4
(Kerosene)
Gambar 1. Instalasi Penelitian
Alat- alat yang digunakan dalam penelitian
ini adalah : Digester sebagai tempat fermentasi
anaerob bahan biogas. Pipa PVC Diameter ½
inchi sebagai penyalur biogas. Knee L Drat
sebagai penyambung pipa. Kran Gas sebagai
pengatur keluar masuknya biogas dari digester.
Manometer H 2 O digunakan untuk mengukur
tekanan biogas pada digester. Ember sebagai
tempat pencampuran bahan kering (kotoran sapi
dengan sekam padi).Timbangandigunakan untuk
mengukur berat slurry. Kayu Pengaduk
pengaduk bahan kering (kotoran sapi dengan
sekam padi) dan pengaduk bahan kering dengan
air. Kompor digunakan untuk menyalakan api
dari biogas. Panci digunakan sebagai wadah air
ketika air dipanaskan. Termometer digunakan
Nilai kalor yang dibebaskan selama
pembakaran dihitung dari jumlah formasi nilai
817
KE – 164
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
dengan rasio C-N 27,9 sebesar 55,01703448 kJ.
Berdasarkan pengujian secara teoritis, terhadap
nilai kalor atas maupun bawah dihasilkan oleh
rasio C-N 27,9 dengan nilai kalor atas sebesar
79,65525 kJ dan nilai kalor bawah sebesar
75,03375.
untuk mengukur kenaikan suhu air pada saat
dipanaskan. Bahan yang digunakan dalam
penelitian ini adalah :Kotoran sapi yang masih
segar, Sekam padi, dan Air
PEMBAHASAN
Produksi Harian Biogas Harian
Gambar 3. Grafik Variasi Campuran Bahan
Kering Terhadap Perbandingan Nilai Kalor
Eksperimental Dengan Nilai Kalor Bawah
Untuk variasi rasio C-N 18, 25.0, dan 26.5
Produksi awal biogas terjadi pada hari ke 9,
untuk variasi rasio C-N 27,9 dan 29.3 mulai
menghasilkan biogas pada hari ke 10. Terjadinya
perbedaan hari awal terbentuknya biogas
dikarenakan kandungan sekam padi pada variasi
rasio C-N 27,9 dan 29.3 lebih banyak jika
dibandingakn dengan variasi rasio C-N 18, 25.0,
dan 26.5. Bahan organik seperti sekam padi
banyak mengandung selulosa dan lignin,
sehingga akan lebih lama diuraikan oleh bakteri.
Peningkatan produksi biogas berlangsung
hingga hari ke 21, untuk variasi rasio C-N 18
produksi biogas mengalami puncaknya pada hari
ke 23. Variasi rasio C-N 25.0, dan 26.5 produksi
biogas mengalami puncaknya pada hari ke 24.
variasi rasio C-N 27,9 dan 29.3 masing-masing
mengalami puncak produksi biogas pada hari ke
25 dan 26.
variasi rasio C-N 27,9 memiliki peningkatan
produksi biogas paling tinggi. Sehingga variasi
rasio C-N 27,9 adalah campuran yang terbaik
yang memberikan produksi biogas yang
optimum.
Variasi komposisi rasio Carbon Nitrogen
bahan kering dapat menghasilkan nilai kalor
biogas yang berbeda- beda. Hal ini dikarenakan
perbedaan komposisi campuran bahan kering
akan menghasilkan komposisi gas pada biogas
yang berbeda- beda. Sehingga, pada saat
pengujian nilai kalor baik secara teoritis maupun
eksperimental akan dihasilkan nilai kalor yang
berbeda.
Dari pengujian nilai kalor eksperimental
dengan nilai kalor teoritis biogas terdapat
perbedaan nilai diantara keduanya. Karena pada
percobaan nilai kalor secara eksperimental tidak
menangkap uap air dari biogas, sehingga yang
digunakan sebagai perbandingan dari nilai kalor
teoritis adalah nilai kalor bawah. Perbedaan
antara nilai kalor eksperimental dengan nilai
kalor bawah sebesar 17,10665 % pada rasio C-N
27,9.
Perbedaan nilai kalor ini disebabkan pada uji
nilai kalor eksperimental tidak semua kalor dari
biogas diserap oleh air. Hal ini karena terjadinya
losses energi kalor, seperti kalor biogas yang
diserap oleh panci, kalor yang terlepas ke
lingkungan, kalor yang diserap oleh kompor dan
lain sebagainya. Sehingga, nilai kalor
eksperimental lebih kecil dibandingkan dengan
nilai kalor bawah.
Perbandingan Nilai Kalor Biogas
Berdasarkan pengujian secara eksperimental,
nilai kalor tertinggi dihasilkan dari biogas
Kesimpulan
Pada rasio C-N 27,9 bahan kering
menghasilkan produksi biogas tertinggi sebesar
Gambar 2. Grafik hubungan waktu terhadap
massa harian biogas
818
KE – 164
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
0,059698 kg dengan nilai kalor biogas tertinggi
secara eksperimental sebesar 23,112256 kJ dan
nilai kalor teoritis dalam hal ini nilai kalor
eksperimnetal sebesar 75,03375 kJ.
DAFTAR PUSTAKA
Borman, Gary L., Kenneth W. Ragland, 1998,
Combustion Engineering, International Edition,
McGraw-Hill, Singapore
Bruce E. Poling, John M. Prausnitz, John P.
O’Connell, (2007), The Properties of Gases and
Liquids, McGraw-Hill, Singapore.
Dieter Deublin, Angelika Steinhauser, (2008),
Biogas From Waste and Renewable Resources,
Wiley-VCH Verlag GmbH and Co. KGaA,
Germany.
Gary L. Borman, Kenneth W. Ragland, (1998),
Combustion
Engineering,
McGraw-Hill
International Edition, Singapore.
Geersen, Theo M., 1998, Physical Properties of
Natural Gas, N.V. Nederlandse Gasunie,
Groningen
Jean and Badeau Pierre, (2009), Biomass
Gasification,Chemistry
Processes
and
Applications,Nova Science Publisher,Inc., New
York
Kementrian Negara Riset dan Teknologi
Republik Indonesia, (2005), Blue Print
Pengelolaan Energi Nasional 2005-2025,
Jakarta.
Kementrian Negara Riset dan Teknologi
Republik Indonesia, (2006), Buku Putih
Penelitian, Pengembangan dan Penerapan Ilmu
Pengetahuan dan Teknologi Bidang Sumber
Energi Baru dan Terbarukan untuk Mendukung
Keamanan Ketersediaan Energi Tahun 2025,
Jakarta.
Wahyuni, Sri, (2011), Menghasilkan Biogas Dari
Aneka Limbah, PT Argro Media Pustaka,
Jakarta.
819
Paper No KE 164
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV
Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
820
6