## RANCANG BANGUN REAKTOR BIOGAS TIPE PORTABLE DARI LIMBAH KOTORAN TERNAK SAPI

## Design of Portable Biogas Reactor Type for Cow Dung Waste
Guyup Mahardhian Dwi Putra 1,*) , Sirajuddin Haji Abdullah 1 , Asih Priyati 1 , Diah Ajeng Setiawati 1 , Surya Abdul Muttalib 1
1 Program Studi Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pangan dan Agroindustri Universitas Mataram Email *) : guyupmdp@gmail.com
Diterima: 12 Desember 2016 Disetujui: 1 Februari 2017

## ABSTRACT
The  aim  of  this  study  were  1)  Designing  small-scale  portable  biogas  reactors,  2)  analyze  the quality of biogas flame test regard to the temperature, pH, and pressure. The method used in this study  is  an  experimental  method  to  measure  the  parameters  of  biogas  reactor,  i.e.  temperature, pressure, acidity (pH) and the volume of produced gas. This study used materials of cow dung and water at ratio of 1:2 in a capacity of 200 liters. Data were collected for 37 days. Results from this study  is  a  laboratory  scale  floating  type  biodisgeter  made  of  plastic  and  fiber  glass,  with  a diameter of 52 cm and 92 cm high. The volume of biogas produced during 37 days was 2.721 m 3 with average formation gas of 0.074 m 3 /day and the combustion rate of 66.44 liters/hour.
Keywords: biogas, cow manure, combustion time, volume

## ABSTRAK
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  (1)  merancang  reaktor  biogas  skala  kecil  dan  portable  dan  (2) menganalis  kualitas  uji  nyala  api  biogas  dengan  memperhatikan  suhu,  pH,  dan  tekanan.  Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode eksperimental dengan mengukur parameter suhu reaktor  biogas,  tekanan,  derajat  keasaman  (pH)  dan  volume  gas  yang  dihasilkan.  Penelitian  ini menggunakan  bahan  kotoran  sapi  dan  air  dengan  perbandingan  1:2  pada  kapasitas  200  liter. Pengambilan data dilakukan selama 37 hari. Hasil dari penelitian ini adalah sebuah alat biodigester skala laboratorium tipe floating drum atau terapung yang terbuat dari bahan plastik dan fiber glass dengan diamater reaktor 52 cm  dan tinggi 92 cm. Volume biogas yang dihasilkan selama 37 hari adalah  2,721  m 3 dengan  ata-rata  pembentukan  gas  sebesar  0,074  m 3 /hari  dan  laju  pembakaran 66,44 liter/jam.
Kata kunci : biogas, kotoran sapi, lama pembakaran, volume

## PENDAHULUAN
Kenaikan  harga  minyak  dunia  sangat berpengaruh  terhadap  kehidupan  masyarakat Indonesia,  terutama  masyarakat  kecil.  Harga minyak dunia yang mahal memaksa pemerintah  untuk  menaikkan  harga  bahan bakar  minyak.  Subsidi  pemerintah  akan dialokasikan pada bidang lain seperti pendidikan dan kesehatan. Mungkin akan lebih baik  jika  sebagian  dana  subsidi  BBM  tersebut
digunakan untuk pengembangan sumber energi alternatif.
Dari  data  BPS  tahun  2013  mengenai tingkat  pertumbuhan  ternak  di  kawasan  Nusa Tenggara  Barat,  terlihat  bahwa  pertumbuhan sapi  dari  tahun  ke  tahun  semakin  meningkat dengan  tingkat  pertumbuhan  rata-rata  per tahun  14,09.  Peningkatan  jumlah  sapi  tentu saja  akan  berimbas  pada  peningkatan  limbah kotoran  yang  dihasilkan.  Seekor  sapi  dengan
berat 454 kg akan menghasilkan 30 kg limbah feses  dan  urine  setiap  hari.  Kita  bisa membayangkan jika memelihara 100 ekor sapi, jumlah limbah yang dihasilkan 3 ton per hari.
Dengan  instalasi  biogas,  peternak  akan mendapatkan  gas  sebagai  bahan  bakar  serta pupuk  organik  padat  dan  cair  dari  sisa fermentasi  bahan  organik  dalam  digester biogas. Selain itu, dapat mengurangi pencemaran  akibat  tumpukan  feses.  Instalasi biogas dapat dibuat dalam  skala rumah tangga maupun  skala  besar.  Saat  ini  ketika  harga bahan  bakar  minyak  melambung  tinggi, pemanfaatan  kotoran  sebagai  bahan  baku penghasil  biogas  bisa  menjadi  alternatif  yang tepat.
Dari uraian tersebut maka perlu dilakukan penelitian mengenai kajian
pemanfaatan limbah ternak sebagai bahan baku pembuatan  biogas.  Adapun  tujuan  penelitian ini  adalah  (1)  merancang  reaktor  biogas  skala kecil dan portable dan (2) menganalis kualitas uji  nyala  api  biogas  dengan  memperhatikan suhu, pH, dan tekanan.

## METODOLOGI PENELITIAN

## Waktu dan tempat penelitian
Penelitian dilaksanakan dari bulan Mei 2016 sampai dengan Desember 2016
bertempat  di  Laboratorium  Daya  dan  Mesin Pertanian  Fakultas  Teknologi  Pangan  dan Agroindustri Universitas Mataram.

## Bahan dan Alat Penelitian
Bahan  penelitian:  kotoran  sapi  yang telah  dibersihkan  dari  rumput  ataupun  batu. Sebelum  di  masukkan  kedalam  biodigester kotoran  sapi  yang  telah  bersih  dicampur  air dengan perbandingan 1:2.
Alat penelitian: bor listrik, termokopel CA  tipe  CC,  timbangan  digital,  timbangan analitis, rekam data YokoGawa Model FX 106 – 1-2, pipa PVC 0,5 inchi, dan kran 0,5 inchi.

## Parameter Desain dan Pengukuran
Analisis  Desain  Rancangan  Struktural  dan Fungsional
Analisis  desain  diperlukan  untuk menghitung  kebutuhan  limbah  kotoran  ternak
dan  kapasitas  maksimal  yang  dapat  dicapai pada alat biodigester. Selain itu juga dijelaskan fungsi dari bagian-bagian biodigester.

## Performansi alat
Pengamatan  performansi  dari  alat penghasil biogas model terapung ini dilakukan dengan  cara  melihat  kinerja  alat  mulai  dari memasukkan bahan hingga alat dapat diaplikasikan ke kompor biogas.

## Tekanan biogas
Pengukuran  tekanan  biogas  dilakukan dengan  melihat  angka  atau  nilai  yang ditunjukkan  oleh  manometer  U  yang  diukur tiap  hari  pada  tangki.  Besamya  nilai  tekanan yang ditunjukkan oleh manometer U menunjukkan  besarnya  tekanan  dan  produksi biogas yang dihasilkan.
Volume biogas (m 3 )
Pengukuran volume gas yang dihasilkan dilakukan dengan melihat perubahan ketinggian tangki pengumpul.
V = πr 2 . t(1) ............................................ (1)
Dimana : V=volume biogas (m 3 ) r = jari-jari drum penampung (m) t = selisih tinggi drum penampung (m)

## Lama nyala api (menit)
Lama  nyala  api  dihitung  dengan  melihat lamanya waktu yang terpakai pada kompor gas mulai dari api menyala hingga api mati.

## Massa jenis (ρ) (kg/m³)
Satuan SI massa jenis  adalah kg/m³. Suatu  zat berapapun massanya dan berapapun volumenya  akan  memiliki  massa  jenis  yang sama.  Rumus    untuk  menentukan  massa  jenis adalah:
ρ = 𝑚 𝑣 ............................................ (2)
Dimana: Ρ = massa jenis (kg/m³ atau g/cm³) m = massa (kg atau g) v = volume (m³ atau cm³)
Laju pembakaran (liter/menit)
Laju pembakaran bahan bakar campuran  merupakan  kecepatan  bahan  bakar habis  pada  tangki  minyak  pada  uji  bakar menggunakan  kompor  tekan  sistem  injeksi langsung.  Laju  pembakaran  dapat  dihitung menggunakan persamaan di bawah ini :

## Laju pembakaran =
Volume Bahan Bakar (liter) waktu sampai bahan bakar habis(menit) .............. (3)

## Rancangan Desain
Gambar  1  menunjukkan  rancangan desain  biodigester  yang  dilakukan  dalam penelitian ini.
Gambar 1 . Rancangan Desain
Adapun prosedur penelitian dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Prosedur Penelitian

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Analisis Desain Rancangan Struktural
1. Perhitungan volume digester
V = πr 2 x t = 3,14 x (26) 2 x 92 = 195.282,88 cm 3 = 0,19 m 3
= 195,28 liter  200 liter 2. Banyaknya kotoran sapi yang dibutuhkan Dalam perhitungan untuk
menentukan  jumlah  kotoran  sapi  yang dibutuhkan  untuk  menghasilkan  biogas yang  akan  digunakan.  Terlebih  dahulu dihitung  massa  jenis  kotoran  sapi  dengan menggunakan persamaan 2:
Diketahui  massa  kotoran  sapi  ditimbang seberat  1,46  kg  dengan  menggunakan ember dengan volume 0,00108 m 3 .
Sehingga  massa  jenis  kotoran  sapi  adalah
1351,85 kg/m 3 .
a. Volume  digester  =  0,19  m 3 atau
200 liter
b. Volume  (V)  bubur  kotoran  adalah 3/4  dari  volume  digester  dengan perbandingan air dan kotoran sapi, yaitu 2 : 1
3 19 , 0 4 3 m x V 
=  0,1425  m 3 volume  digester yang diisi bubur kotoran sapi. Jadi  dalam  digester  diperlukan  0,107 m 3 air dan 0,036 m 3 kotoran sapi c. Massa  kotoran  sapi  (M s )  yang dibutuhkan:
M s = 1351,85 kg/m 3 x 0,036 m 3 = 48,67 kg
d. Massa air (M a ) yang dibutuhkan:
M a = 1000 kg/m 3 x 0,107 m 3
= 107 kg

## 3. Manomater
Manometer  adalah  alat  ukur  untuk mengukur  tekanan.  Manometer  dibuat dengan  prinsip  pipa  U  dengan  fluida  air yang  diberi  zat  warna  untuk  mengetahui tekanan  biogas  yang  dihasilkan  selama proses berlangsung dalam satuan atm. Bila manometer diberi tekanan gas dalam salah satu  kolom,  maka  air  di  kolom  lainnya akan  naik  hingga  mencapai  tekanan tertentu. Perbedaan ketinggian ini di kedua kolom dinyatakan dengan nilai (h).
Studi karakterisasi dan desain reaktor biogas Analisis perancangan - Rancangan fungsional - Rancangan struktural - Gambar desain alat Reaktor Biogas Pemisahan kotoran sapi dari sampah lain Pengujian Pencampuran kotoran sapi dengan air (1 : 2) Parameter : - uji kebocoran - uji nyala api - uji nilai kalor Selesai
4. Tekanan  dihitung  dengan  menggunakan Hukum  Boyle  seperti  rumus  di  bawah
(Rohyami, 2012): P = ρ.g.h + tekanan atmosfer
Keterangan : P = Tekanan absolut (N/m 2 ) ρ = Densitas zat cair (kg/m3) = 1000 kg/m 3 g = Percepatan gravitasi (9,81 m/s 2 ) h  =  Perbedaan  ketinggian  kolom  zat  cair yang digunakan (m) 1 atm = 101.325 N/m 2 1 N/m 2 = 9,869x10 -6 atm

## Analisis Desain Rancangan Fungsional
Jenis  reaktor  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  adalah  reaktor floating  drum . 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.  Reaktor  ini terdiri  dari  bebepa  bagian  diantaranya  (1) digester  yang  digunakan  sebagai  tempat pencerna  material  biogas  dan  sebagai  rumah bagi  bakteri,  baik  bakteri  pembentuk  asam ataupun  bakteri  pembentuk  gas  metana,  (2) penampung gas yang dapat bergerak menggunakan peralatan sejenis drum. Drum ini dapat bergerak naik turun yang berfungsi untuk menyimpan  gas  hasil  fermentasi  dalam digester.  Drum  akan  bergerak  naik  atau mengapung  pada  cairan  ketika  ada  gas  yang memenuhi  ruang  penampung  gas,  semakin banyak  gas  yang  dihasilkan  semakin  tinggi penampung gas akan terapung, (3) lubang inlet yang  berfungsi  sebagai  tempat  pemasukan bahan  limbah  kotoran  ternak  (4)  lubang outlet sebagai tempat  pengeluaran  limbah  yang  telah selesai digunakan.
Jenis  bahan  yang  digunakan  untuk pembuatan  reaktor  ini  adalah  fiber  plastik. Bahan  fiber  memiliki  kelebihan  diantaranya kuat,  tahan  lama,  tidak  berkarat,  anti  bocor serta ringan.
.
Gambar 3. Rancangan desain reaktor floating drum
Gambar 4. Reaktor biogas hasil rancangan

## Temperatur biodigester
Temperatur  yang  tinggi  umumnya akan  memberikan  produksi  biogas  yang  baik. Namun  suhu  tersebut  sebaiknya  tidak  boleh melebihi  suhu  kamar.  Bakteri  ini  hanya  dapat berkembang  bila  suhu  disekitarnya  berada pada suhu kamar. Suhu yang baik untuk proses pembentukan  biogas  berkisar  antara  20-40 o C dan suhu optimum antara 28-30 o C. Temperatur selama  proses  berlangsung  sangat  penting karena  hal  ini  berkaitan  dengan  kemampuan hidup  bakteri  pemroses  biogas,  yaitu  berkisar 27 o C-28 o C.  Dengan  temperatur  itu,  proses pembuatan biogas akan berjalan sesuai dengan waktunya.  Tetapi  berbeda  bila  temperatur terlalu  rendah  (dingin),  maka  waktu  untuk membentuk  biogas  akan  lebih  lama  (Paimin, 2000). Dari hasil penelitian diperoleh temperatur  dalam  biodigester  cenderung  stabil
dengan  rata-rata  suhu  31,15 o C  dengan  suhu maksimal 32,11 o C dan suhu minimum 29,49 o C.  Suhu  lingkungan  diperoleh  berkisar 30,59 o C dengan suhu maksimal 32 o C dan suhu minimum 26 o C.

## Tekanan biogas
Tekanan  biogas  selama  fermentasi cenderung mengalami perubahan yaitu mengalami  kenaikan  dan  penurunan.  Dari grafik  dibawah  ini  dapat  dilihat  perubahan tekanan selama fermentasi.
Gambar 5. Tekanan Biogas
Gambar  5  memperlihatkan  hubungan tekanan  yang  dihasilkan  oleh  biogas  dengan waktu.  Pada  hari  ke-1  sudah  tampak  adanya kenaikan  tekanan  sebesar  101,619  N/m 2 . Semakin  bertambahnya  hari,  tekanan  dalam biogas terus bertambah.  Tekanan biogas yang semakin  besar  mengindikasikan  bahwa  biogas yang  dihasilkan  juga  semakin  banyak  (Insani, 2013) dan tekanan maksimal tercapai pada hari ke  16  yaitu  101,933  N/m 2 . Hal  ini  sesuai dengan pernyataan Hadi (1981) yang menyatakan  bahwa  peningkatan  penambahan waktu  fermentasi  dari  10  hari  hingga  30  hari meningkatkan  produksi  biogas  sebesar  50%. Hasil  penelitian  ini  menunjukkan  terjadi penurunan tekanan pada hari ke 20 sampai hari ke  37.  Hal  ini  disebabkan  karena  proses degradasi anaerob dalam biogas sudah semakin berkurang.  Tekanan  yang  dihasilkan  oleh biogas  ini  sudah  mampu  digunakan  untuk menyalakan api dalam kompor gas.

## PH
Kisaran  pH  optimal  untuk  produksi methan  adalah  7,0  sampai  7,2,  tetapi  pada kisaran  6.8  sampai  8.0  masih  diperbolehkan (Sitorus,  2011).  Nilai  pH  dalam  penelitian  ini rata-rata  6,94  sehingga  nilai  pH  dalam  reaktor biogas  dapat  dikatakan  cukup  baik  untuk produksi gas metan.
Dalam bioreaktor, terdapat dua bakteri yang  berperan,  yaitu  bakteri  asam  dan  bakteri metan.  Kedua  jenis  bakteri  ini  harus  eksis dalam  jumlah  yang  berimbang.  Kegagalan proses  pembuatan  biogas  dapat  dikarenakan oleh tidak seimbangnya populasi bakteri metan terhadap  bakteri  asam  yang  menyebabkan lingkungan  menjadi  sangat  asam  (pH  kurang dari 7) yang selanjutnya menghambat kelangsungan  hidup  bakteri  metan.  Keasaman substrat  yang  dianjurkan  berada  pada  rentang pH 6.5 sampai 8 (Sitorus, 2011).

## Volume Biogas
Perubahan volume dalam biogas dapat dilihat  pada  Gambar  6.  Dimana  volume maksimal  biogas  bernilai  0,101  m 3 .  Volume maksimal ini didapatkan dengan menggunakan rumus  ketinggian  maksimum  pada  drum penampung  gas  dikalikan  dengan  diameter drum penampung.
Gambar 6. Volume Biogas
Dari  Gambar  6,  terlihat  perubahan volume  biogas  sangat  fluktuatif.  Hal  ini disebabkan  pada  saat  drum  telah  mencapai ketinggian  maksimum,  gas  harus  dibuang untuk  menampung  kembali  gas  yang  akan terbentuk.  Sama  halnya  dengan  tekanan dimana  pada  hari  ke  20  mulai  terjadi penurunan  volume  sampai  pada  hari  ke  37. Artinya  bahwa  gas  yang  tebentuk  dalam  drum penampung  sudah  semakin  berkurang.  Jumlah biogas  yang  terbentuk  dapat  dihitung  dengan akumulasi  terbentuknya  gas  dari  hari  pertama sampai  terakhir,  sehingga  didapatkan  jumlah gas yang terbentuk sebesar 2,721 m 3 atau rata- rata pembentukan gas sebesar 0,074 m 3 /hari.

## Lama Nyala Api
Lama nyala api diperoleh dari pengujian  api  pada  kompor  biogas.  Pengujian dilakukan pada saat volume tangki penampung
101,500 101,600 101,700 101,800 101,900 102,000 0 20 40 Tekana n B iogas (N/m 2 ) Hari ke- 0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0 20 40 V ol um e bi ogas (m 3) Hari ke-
gas mencapai maksimum yaitu 0,101 m 3 . Nyala api dalam penelitian ini diuji coba menggunakan  nyala  api  besar  dan  nyala  api kecil.  Pada  nyala  api  besar  didapatkan  hasil, dimana  untuk  memanaskan  750  gr  air  sampai gas dalam drum penampung habis, dibutuhkan waktu  7  menit,  dengan  sisa  massa  air  sebesar 675 gr dengan suhu 73 o C.
Dari  hasil  uji  nyoba  nyala  api  besar ternyata waktu yang diperlukan untuk memanaskan  air  sangat  singkat,  sehingga percobaan selanjutnya dilakukan dengan menggunakan  nyala  api  kecil.  Dari  hasil  uji coba  nyala  api  kecil  waktu  total  yang  dapat digunakan  untuk  memanaskan  air  adalah  181 menit  dengan  suhu  akhir  tata-rata  91,5 o C.
Selain  itu  warna  nyala  api  besar  masih campuran  warna  biru  dan  kuning,  hal  ini disebabkan  pada  awal  pembakaran  masih banyak kandungan gas selain metana.
Sedangkan  pada  nyala  api  kecil  warnanya sudah  cenderung  biru  merata,  hal  ini  karena gas metana sudah sudah homogen.
(a)                                   (b)
Gambar 7. (a) nyala api besar, (b) nyala api kecil
Jika dibandingkan dengan hasil
penelitian  Amaru  (2006)  yang  menyatakan bahwa biodigester dengan kapasitas penyimpan  gas  2,5  m 3 dapat  dimanfaatkan untuk  tungku  pemasak  selama  4-5  jam.  Pada penelitian  ini  dengan  menggunakan  0,19  m 3 biodigester tipe floating drum dapat menghasilkan  nyala  api  181  menit  atau  3,01 jam, sehingga sudah sangat baik.

## KESIMPULAN
1. Dari  hasil  rancangan  diperoleh  dimensi biodigester  dengan  tinggi  92  cm  dan  jari jari 26 cm, menghasilkan kapasitas sebesar
200  liter  campuran  kotoran  sapi  dengan air.
2. Tekanan yang dihasilkan biogas selama 37 hari  adalah  101,84  N/m 2 dengan  tekanan tertinggi  101,619  pada  hari  ke  16  dan tekanan  terendah  101,756  N/m 2 pada  hari ke 28.
3. Volume  biogas  yang  dihasilkan selama  37 hari  adalah  2,721  m 3 dengan  rata-rata pembentukan gas sebesar 0,074 m 3 /hari.
4. Waktu  total  hasil  pembakaran  yang  dapat digunakan  untuk  memanaskan  air  adalah 181  menit  dengan  suhu  akhir  tata-rata 91,5 o C.

## DAFTAR PUSTAKA
Amaru,  K., Michael  A.,  Dian  Y.  S.,  Indah  K.,
2006.  Teknologi  Digester  Gas  Bio Skala Rumah Tangga. http://infoinfoanyar.blogspot.com/200 7/08/biogas.html [9 Januari 2008]. BPS.  2013.  Nusa  Tenggara  Barat  Dalam
Angka (tahun) 2013. Mataram.
Hadi,  N.1981.  Gas  Bio  Sebagai  Bahan  Bakar. Lemigas, Cepu.
Insani,  Metri  Dian.  2013.  Degradasi  Anaerob Sampah  Organik  dengan  Bioaktivator Effective  Microorganism -5  (EM-5) untuk  Menghasilkan  Biogas.  Jurnal Pendidikan Sains, Volume 1, Nomor 3, September 2013, Halaman 298-306.
Paimin.  2000.  Alat  Pembuat  Biogas  dari Batubata.  Jakarta:  Penebar  Swadaya,
Cetakan ke-3.
Rohyami.
2012. Hukum Gas ideal,
http://rohyami.staff.uii.ac.id/2012/05/0 7/gas/ , diakses 1 juli 2014
Sitorus.  2011.  Pemanfaatan  Lumpur  Selokan sebagai  Bahan  Baku  Biogas  dengan Metode Batch Feeding . Skripsi. Jurusan  Teknik  Pertanian,  Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Sumatera Utara, Medan.