5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. UBI KAYU SINGKONG
Singkong atau yang sering disebut dengan ketela pohon atau ubi kayu berasal dari keluarga Euphorbiaceae dengan nama latin Manihot esculenta. Singkong
merupakan jenis tanaman perdu yang hidup sepanjang tahun. Singkong mudah ditanam dan dibudidayakan, dapat ditanam di lahan yang kurang subur, resiko
gagal panen 5 dan tidak memiliki banyak hama [10]. Singkong dapat diolah menjadi berbagai bahan baku produk industri. Industri pengolahan singkong dapat
digolongkan menjadi tiga, yaitu hasil fermentasi singkong tape, singkong yang dikeringkan gaplek dan tepung tapioka [8].
Gambar 2.1 Ubi Kayu Singkong [8] Menurut Retnowati dan Sutanti 2009, komposisi ubi kayu singkong per
100 gram bahan dapat dilihat pada tabel 2.1. Tabel 2.1 Komposisi Ubi Kayu Singkong per 100 gram bahan [11]
Komponen Kadar
Kalori 146,00 kal
Air 63,00 gr
Fosfor 40,00 mg
Karbohidrat 34,70 gr
Kalsium 33,00 mg
Vitamin C 30,00 mg
Protein 1, 20 gr
Besi 0,70 mg
Lemak 0,30 gr
Vitamin B1 0,06 mg
Berat dapat dimakan 75,00
6
2.2 INDUSTRI PEMBUATAN TAPIOKA
Umumnya tapioka digunakan sebagai bahan pengental, bahan pengisi dan bahan pengikat dalam industri makanan, seperti dalam pembuatan puding, sup,
makanan bayi dan es krim. Tapioka juga banyak digunakan sebagai bahan baku pewarna putih alami pada industri pangan dan tekstil [12].
Adapun tahap pengolahan tepung tapioka ini adalah:
2.2.1 Pengupasan
Pengupasan dilakukan dengan cara manual yang bertujuan untuk memisahkan daging singkong dari kulitnya. Selama pengupasan, sortasi juga
dilakukan untuk memilih singkong berkualitas tinggi dari singkong lainnya. Singkong yang kualitasnya rendah tidak diproses menjadi tapioka dan dijadikan
pakan ternak.
2.2.2 Pencucian
Pencucian dilakukan dengan cara manual yaitu dengan meremas-remas singkong di dalam bak yang berisi air, yang bertujuan memisahkan kotoran pada
singkong.
2.2.3 Pemarutan
Parut yang digunakan ada 2 macam yaitu: Parut manual, dilakukan secara tradisional dengan memanfaatkan tenaga
manusia sepenuhnya. Parut semi mekanis, digerakkan dengan motor.
2.2.4 PemerasanEkstraksi
Pemerasan dilakukan dengan 2 cara yaitu: Pemerasan bubur singkong yang dilakukan dengan cara manual
menggunakan kain saring. Pemerasan bubur singkong dengan saringan goyang sintrik.
2.2.5 Pengendapan
Pati hasil ekstraksi diendapkan dalam bak pengendapan selama 4 jam. Air di bagian atas endapan dialirkan dan dibuang, sedangkan endapan diambil dan
dikeringkan.
7
2.2.6 Pengeringan
Sistem pengeringan menggunakan sinar matahari dilakukan dengan cara menjemur tapioka dalam nampan yang diletakkan di atas rak-rak bambu selama 1-
2 hari tergantung dari cuaca. Tepung tapioka yang dihasilkan sebaiknya mengandung kadar air 15-19 [13].
Ini merupakan diagram alir proses pembuatan tapioka:
Gambar 2.2 Diagram Alir Proses Pembuatan Tapioka [14]
2.3 Limbah Industri Tapioka
Produksi tepung tapioka menghasilkan jumlah limbah organik yang tinggi. Secara umum, ada dua sumber limbah yang muncul dari proses produksi tepung
Singkong
Proses pengupasan kulit
Proses pencucian Kulit Singkong
Tanah dan Kotoran Proses
pemanasan
Proses pemerasan Onggok
Proses pengendapan
Proses penjemuran
Proses pengayakan
Tepung Tapioka
Limbah Cair
8 tapioka, yaitu limbah padat dan cair [15]. Dari proses ini dihasilkan limbah sekitar
23 bagian atau sekitar 75 dari bahan mentahnya [11]. Secara umum, pengelolaan limbah dapat dilakukan dengan cara
pengurangan sumber source reduction, penggunaan kembali, pemanfaatan recycling, pengolahan treatment dan pembuangan. Banyak jenis limbah dapat
dimanfaatkan kembali melalui daur ulang atau dikonversikan ke produk lain yang berguna. Limbah yang dapat dikonversikan ke produk lain, misalnya limbah dari
industri pangan. Limbah tersebut biasanya masih mengandung serat, karbohidrat, protein, lemak, asam organik dan mineral. Pada dasarnya limbah dapat mengalami
perubahan secara biologis sehingga dapat dikonversikan ke produk lain.
2.3.1 Limbah Cair Industri Tapioka
Industri pengolahan tepung tapioka menghasilkan limbah cair dari proses pencucian, ekstraksi dan pengendapan [16]. Untuk 1 ton tepung tapioka yang
diproduksi, akan dihasilkan limbah cair sebanyak 12 m
3
[15]. Limbah ini masih mengandung mineral-mineral nitrogen, karbon, fosfor, kalium, kalsium,
magnesium, sulfur, besi, mangan, tembaga dan natrium [7]. Jadi, bila limbah cair industri tapioka ini dibuang ke lingkungan tentu saja akan merusak lingkungan.
Limbah cair industri tapioka dari proses ekstraksi dengan kadar COD 33.600-38.223 mgL tercatat mengandung 425-1.850 mgL glukosa dan 223.614-
29.725 mgL gula yang dapat dihidrolisis menjadi glukosa. Asam asetat juga teridentifikasi menjadi satu-satunya komponen asam lemak volatil dalam limbah
cair tapioka hasil ekstraksi pati dengan kadar 9,5 total COD [17]. Adapun
karakteristik limbah cair tapioka dapat dilihat dari Tabel 2.2 Tabel 2.2 Karakteristik Limbah Cair Tapioka [17]
Karakteristik Unit
encucian Ubi Kayu roses Ekstraksi Kombinasi
- 6,5-7,5
4,5-4,7 4,5-5,6
mgL 550-700
4000-6600 4000-4300
mgL 100-150
3870-6670 5631-6409
mgL 40-60
3400-6018 4600-5200
l Nitrogen mgL
30-38 65-74
66-72 l Fosfat
mgL 1-1,4
5,6-6,3 5,8-6,4
mgL -
30-36 10
9 Kandungan nutrisi limbah cair tapioka dapat dilihat pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3 Kandungan Nutrisi Limbah Cair Tapioka [17] Nutrisi
Kadar Tiap 100 gr Limbah Cair Tapioka Karbohidrat
25-37 g Serat
0,19 g Lemak
1,2 g Protein
0,91 g Tingginya kadar karbohidrat dalam limbah cair tapioka menunjukkan
bahwa limbah ini bersifat mudah dibiodegradasi sehingga dapat dijadikan gas bio.
2.3.2 Limbah Padat Industri Tapioka
Limbah padat industri tapioka onggok dapat dijadikan sebagai sumber karbon karena masih mengandung pati sebanyak 75 dari bobot kering yang
tidak terekstrak. Limbah ini memiliki kandungan protein yang rendah dan serat yang tinggi. Onggok juga termasuk limbah organik yang banyak mengandung
karbohidrat, protein dan gula seperti glukosa, arabinosa, xilosa, dekstran dan manosa. Senyawa organik tersebut dapat dijadikan sebagai substrat bakteri
penghasil gas metan untuk proses fermentasi menjadi gas bio [18,19]. Adapun komposisi onggok limbah padat industri tapioka dapat dilihat
pada Tabel 2.4. Tabel 2.4 Komposisi Ampas Ubi Kayu Singkong Onggok [8]
Komponen Persentase
Karbohidrat Protein
Lemak Serat kasar
Kadar air 68,00
1,57 0,26
10,00 20,00
Adapun pengolahan limbah cair untuk industri pangan skala kecil meliputi sistem lumpur aktif, sistem trickling filter, Rotating Biological Disk, kolam
oksidasi dan septic tank. Akan tetapi, sebagian besar industri pengolahan tepung tapioka ini hanya melakukan pengolahan limbah tahap awal, yaitu netralisasi
limbah, sedangkan limbah padatnya biasanya dijadikan pakan ternak dengan proses pengolahan lebih lanjut [20].
10
2.4 GAS BIO
2.4.1 Pengertian Gas Bio
Gas bio merupakan salah satu jenis energi yang dapat dibuat dari banyak jenis bahan buangan dan bahan sisa, semacam sampah, kotoran ternak, jerami,
dan yang lainnya. Gas bio dihasilkan melalui fermentasi anaerobik yang melibatkan mikroorganisme dalam mengubah konversi bahan-bahan organik
menjadi gas hidrogen dan gas karbon dioksida yang kemudian lebih lanjut diubah menjadi gas metana dan air [21]. Secara umum, semua bahan organik dapat
dijadikan bahan baku jika mengandung karbohidrat, protein, lemak, selulosa dan hemiselulosa sebagai komponen utama [22].
Proses penguraian bahan organik secara anaerob ini disebut sebagai pencernaan anaerob anaerob digestion dan peralatan yang memfasilitasi
prosesnya disebut sebagai digester [23]. Pencernaan anaerobik adalah proses yang banyak digunakan di unit pengolahan limbah. Pengurangan massa dan produksi
metana merupakan tujuan utama dari proses ini.
2.4.2 Prinsip Dasar Gas bio
Prinsip pembuatan gas bio adalah adanya dekomposisi bahan organik secara anaerobik tertutup dari udara bebas untuk menghasilkan gas yang
sebagian besar adalah berupa gas metan yang memiliki sifat mudah terbakar dan karbon dioksida. Gas inilah yang disebut gas bio. Proses dekomposisi anaerobik
dibantu oleh sejumlah mikroorganisme, terutama bakteri metan. Suhu yang baik untuk proses fermentasi adalah 30-55
o
C, dimana pada suhu tersebut mikroorganisme mampu merombak bahan-bahan organik secara optimal [24].
Hasil perombakan tersebut akan menghasilkan gas bio dengan komposisi seperti pada tabel 2.1.
Tabel 2.5 Komposisi Gas Bio [23] Jenis Gas
Jumlah Metana CH
4
Karbon Dioksida CO
2
Nitrogen N
2
Hidrogen H
2
Hidrogen Sulfida H
2
S Oksigen O
2
50-75 25-50
0-10 0-1
0-3 0-2
11 Gas bio memiliki karakteristik yang berbeda jika komposisinya berbeda.
Tabel 2.6 menunjukkan karakteristik gas bio untuk komposisi tertentu. Tabel 2.6 Karakteristik Gas Bio [22]
Komposisi 55-70 Metana
30-45 Karbon dioksida Gas lainnya
Kandungan energi Kesetaraan bahan bakar
Batas ledakan Temperatur kritik
Tekanan kritik Densitas normal
Bau Massa molekul
6-6,5 kWh m
-3
0,6-0,65 L minyakm
3
gas bio 6-12 gas bio di udara
650-750
o
C 75-89 bar
1,2 kg m
-3
Seperti telur busuk 16,043 kg kmol
-1
2.4.3 Aplikasi Gas bio Pada pembakaran yang sempurna, maka 1 m
3
gas metan akan melepaskan 4700-6000 kkal panas berdasarkan reaksi berikut:
CH
4
+ 2O
2
CO
2
+ H
2
O + Energi Penggunaan 1 m
3
gas bio di lapangan mampu melakukan kegiatan berikut: 1.
Memasak untuk keperluan keluarga terdiri dari 5-6 orang selama 3 jam. 2.
Menjalankan motor berkekuatan 1 hp selama 2 jam. 3.
Membangkitkan listrik sebesar 1,25 kW. 4.
Menghidupkan lampu petromax 1 buah selama 18 jam [25].
2.3.4 Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Pembentukan Gas Bio 1. Temperatur Proses
Gas bio dapat diproduksi pada temperatur 30
o
C psikrofilik, 30-40
o
C mesofilik dan 40-50
o
C termofilik. Bakteri anaerobik aktif pada rentang suhu mesofilik dan termofilik, jadi pada temperatur demikian akan menghasilkan
banyak gas bio [26].
2. Derajat Keasaman pH
Derajat keasaman memiliki efek terhadap aktivasi biologi dan mempertahankan pH agar stabil penting untuk semua proses kehidupan bakteri.
Derajat keasaman yang dibutuhkan oleh digester antara 7-8,5. Pada awal pencernaan, pH bahan dalam tangki pencerna dapat turun menjadi 6 atau lebih
12 rendah. Hal ini merupakan akibat dari degradasi bahan organik oleh bakteri.
Kemudian pH mulai naik disertai perkembangbiakan bakteri metana.
3. Pengadukan
Bahan baku yang sukar untuk dicerna misalnya, jerami yang mengandung senyawa lignin dan sisa pencernaan akan membentuk lapisan kerak pada
permukaan cairan. Lapisan ini dapat dipecah dengn alat pengaduk sehingga hambatan terhadap laju alir gas bio yang dihasilkan dapat dikurangi.
4. Bahan Penghambat
Bahan yang dapat menghambat pertumbuhan mikroorganisme sehingga berpengaruh terhadap jumlah gas bio yang dihasilkan antara lain logam berat,
seperti tembaga, cadmium dan kromium. Selain desinfektan, deterjen dan antibiotik. Untuk menghindari hal-hal tersebut perlu diperhatikan air yang
digunakan sebagai pelarut atau pencampur agar tidak mengandung bahan-bahan tersebut.
5. Rasio CN
Unsur karbon C untuk pembentukan gas metana dapat berasal dari sampah, limbah pertanian dan kotoran hewan. Sedangkan unsur nitrogen N
diperlukan oleh bakteri untuk pembentukan sel. Perbandingan unsur karbon dan nitrogen CN paling baik untuk pembentukan gas bio adalah 30 [23].
2.4.5 Mekanisme Pembentukan Gas bio
Secara garis besar, proses pembentukan gas bio dibagi dalam tiga tahap, yaitu:
1. Tahap Hidrolisis
Pada tahap ini, senyawa-senyawa organik dengan susunan molekul yang kompleks akan dihidrolisis oleh jasad renik bakteri-bakteri menjadi monomer-
monomernya, seperti asam amino, glukosa, asam lemak dan gliserol. Sejumlah bakteri yang berperan pada tahap ini adalah bakteri selulitik dan amilotik dimana
kerjasama antara kedua jenis bakteri ini akan menghasilkan proses hidrolisis lebih cepat dibandingkan jika bakteri tersebut bekerja sendiri-sendiri [18,23].
13
2. Pembentukan Asam Organik
Pada tahap ini, bakteri yang menghasilkan asam merupakan produk akhir dari metabolisme bakteri, hasil terbanyak adalah asam asetat, asam propionat dan asam
laktat [27]. Pada pembentukan asam organik ini terjadi dua tahapan, yaitu: a. Tahap Asidogenesis
Pada tahap ini, hasil hidrolisis dari tahap sebelumnya akan difermentasikan menjadi asam lemak volatil asam asetat, asam butirat, dan
propionat dan asam lemak rantai panjang, CO
2
, format, H
2
, NH
4 +
, HS
-
dan alkohol.
b. Tahap Asetagenesis Pada tahap ini, bakteri sintropik atau bakteri asetogenik pereduksi
proton akan menguraikan propionat, asam lemak rantai panjang, alkohol, beberapa asam amino dan senyawa aromatik menjadi H
2
, format, dan asetat [28].
3. Pembentukan MetanaMehanogenesis
Tahap terakhir melibatkan 2 kelompok metanogen, yakni metanogen hidrogenotropik yang menggunakan H
2
dari reaksi sebelumnya untuk mereduksi CO
2
menjadi CH
4
, dan metanogen asetotropik yang menguraikan asetat menjadi CO
2
dan CH
4
berdasarkan reaksi berikut [23]. CO
2
+ 4H
2
CH
4
+ 2H
2
O CH
3
COOH CH
4
+ CO
2
2.5 PEMILIHAN PROSES
Pemilihan proses pengolahan limbah tidak terlepas dari pemahaman masing-masing proses yang terlibat dan karakteristik limbah tersebut. Hal tersebut
sangat berguna untuk memilih proses yang paling tepat. Pengolahan limbah industri tapioka merupakan jenis pengolahan limbah organik yang dapat
terbiodegradasi karena pada industri tapioka akan dihasilkan limbah padat dan cair yang mengandung senyawa organik yang tinggi yang yang dapat diuraikan
oleh mikroorganisme [29].
14 Pada proses pengolahan biologi yang melibatkan degradasi senyawa
organik oleh mikroba, perlu dipertimbangkan apakah akan menggunakan proses aerobik perlu aerasi atau anaerobik. Tabel 2.7 memperlihatkan keunggulan dan
kekurangan untuk proses aerobik dan anaerobik. Tabel 2.7 Perbandingan Proses Aerobik dan Anaerobik [30]
Perbandingan Proses Aerobik
Proses Anaerobik Pemakaian listrik
Excess sludge Kualitas effluent
Organic loading Lain-lain
Besar Besar
Baik pada umumnya Kecil
- Kecil
Kecil Kurang-Sedang pada umumnya
Besar Menghasilkan gas metana dan
kurang efisien pada temperatur rendah
Bila dilihat dari tabel 2.7 maka proses anaerobik lebih menguntungkan walaupun efluen yang dihasilkan masih berpotensi mencemari lingkungan. Akan
tetapi, di negara beriklim tropis seperti Indonesia, keuntungan mempergunakan proses anaerobik adalah karena temperatur rata-rata tinggi dan stabil maka
mikroorganisme anaerob dapat hidup secara stabil dan aktif [30]. Selain itu, pengolahan secara anaerobik adalah metode yang paling banyak
digunakan dalam pengolahan limbah organik karena kinerjanya tinggi dalam pengurangan volume limbah, stabil dan menghasilkan produk berupa pupuk padat
ataupun cair yang masih mengandung mineral-mineral penting serta energi berupa gas bio yang merupakan energi yang dapat diperbaharui karena substratnya dapat
berasal dari limbah organik maupun kotoran hewan. Kondisi operasi dalam pengolahan anaerobik ini dapat dilakukan pada kondisi psikrofilik 12-16
o
C, mesofilik 35-37
o
C dan termofilik 55-60
o
C [1,5,31]. Menurut Anis Fahri 2008, suhu yang baik untuk proses fermentasi adalah 30-55
o
C, berkisar pada kondisi mesofilik. Secara umum, proses fermentasi anaerobik pada kondisi
mesofilik paling banyak digunakan daripada termofilik karena stabilitas prosesnya lebih rendah dan kebutuhan energinya juga rendah dibandingkan termofilik [32].
Disamping itu, efisiensi pada proses anerobik akan menurun bila temperaturnya rendah maka kondisi psikofilik bukan menjadi pilihan yang tepat [30]. Pada
penelitian yang dilakukan ini, sistem yang digunakan adalah sistem batch karena sistem batch cocok untuk tahap eksperimen, untuk mengetahui potensial gas dari
15 suatu jenis limbah organik [27]. Dari paparan diatas maka dipilih proses anaerobik
pada kondisi mesofilik dengan sistem batch dalam pengolahan limbah padat dan cair industri tapioka.
2.6 DESKRIPSI PROSES