## PRODUKSI GAS HIDROGEN DARI BIOMASSA DENGAN PROSES ANAEROB
Ahmad Syauqi *) , Intan Ratna Kusumawardhany, Laurentius Urip Widodo
Program studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, UPN”Veteran” Jawa Timur Jl. Raya Rungkut Madya,Gunung Anyar, Surabaya 60294 Telepon (031) 8782179, faks (031) 8782257 Email: asyauq96@gmail.com

## Abstrak
Hidrogen  dapat  di  produksi  dari  bahan  bakar  fosil,  biomassa  dan  air,  baik  dengan  proses kimia maupun biologi. Secara biologi hidrogen dapat diproduksi dengan photosintesis dan fermentasi dimana  lebih  ramah  lingkungan  dari  pada  proses  thermo  kimia  dan  elektro  kimia.  Proses  ini menggunakan  metode  fermentasi  gelap  karena  dinilai  lebih  efisien  dibandingkan  fermentasi  terang. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mencari waktu dan penambahan volume bakteri yang terbaik Kotoran sapi digunakan sebagai penghasil gas hidrogen dengan bakteri Clostridium Butyricum yang telah dihidrolisis menggunakan metode enzimatis  sehingga menghasilkan gula reduksi. Gula reduksi dikonsumsi  oleh  bakteri  Clostridium  Butyricum  yang  akan  menghasilkan  Gas  Hidrogen.  Gas hidrogen tertinggi yang dihasilkan yaitu sebesar 2.45 mol H 2 /mol gula.
Kata kunci : anaerob, biohidrogen, biomassa

## HYDROGEN GAS PRODUCTION FROM BIOMASS WITH ANAEROB PROCESS

## Abstract
Hydrogen  can  be  produced  from  fossil  fuels,  biomass  and  water  either  by  chemical  or biological  processes.  Biologically  hydrogen  can  be  produced  with  photosynthesis  and  fermentation which  is  more  environmentally  friendly  than  chemical  and  electrochemical  thermo  process.  This process  uses  the  dark  fermentation  method  because  it  is  considered  more  efficient  than  bright fermentation. The purpose of this research is to get the optimum tme and bacteria volume. Cow dung is used as a producer of hydrogen gas with Clostridium Butyricum bacteria that has been hydrolyzed using  enzymatic  method  to  produce  reducing  sugar.  Sugar  reduction  is  consumed  by  Clostridium Butyricum bacteria which will produce hydrogen Gas. The highest hydrogen gas produced is 2.45 mol H 2 / mol total sugar.
Keywords : anaerob, biohydrogen, biomass

## PENDAHULUAN
Pertumbuhan  ekonomi  dan  energi  di  dunia sangat  membutuhkan  bahan  bakar  fosil  sehingga membuat  konsumsi  yang  sangat  tinggi  yang mengakibatkan  kelangkaan  yang  sangat  cepat,  dan mempercepat  meningkatnya  kadar  karbon  dioksida, carbon  monoksida,  sulfur  dan  nitrogen  (SO x dan NO x ) di atmosphere. Meningkatnya  konsentrasi dari gas–gas tersebut di lingkungan dapat mengakibatkan
pemanasan global dan dapat mengganggu kesehatan manusia  (Pallavi,  2013).  Hidrogen  dapat  menjadi energi alternatif sebagai pengganti bahan bakar fosil karena  energinya  bersih  dan  terbaik  sebagai pengganti  bahan  bakar  untuk  mobil,  truk  dan  bus (Lee, 2011).
Hidrogen  dapat  di  produksi  dari  bahan  bakar fosil,  biomassa  dan  air  baik  dengan  proses  kimia maupun  biologi.  Secara  biologi  hidrogen  dapat diproduksi  dengan  photosintesis  dan  fermentasi
dimana  lebih  ramah  lingkungan  dari  pada  proses thermo  kimia  dan  elektro  kimia  (Pattra,  2008). Dengan  menggunakan  kotoran  sapi  berpotensi sebagai  bahan  baku  utama  penghasil  hidrogen karena pada  hasil analisis didapatkan kadar selulosa sebesar  21.53%,  hemiselulosa  sebesar  27.76%  dan lignin sebesar 16.03%. Komposisi kotoran sapi yang digunakan  yaitu  total  padatannya  15%(w/w),  cairan yang  menguap  85%  dari  padatannya,  total  karbon 45%  dari  padatan,  total  nitrogen  2.5%  dari  padatan dan pH 6.6 (Yokohama, 2007).
Mikroorganisme  yang  mampu  menghasilkan gas  hidrogen  yaitu  genus Clostridium seperti Clostridium  butyricum,  C.  acetobutylicum,  C. saccharoper  butylacetonicum,  C.  pasteurianum. Spesies Clostridium adalah  organisme  anaerobic yang  mampu  mengkonversi  heksosa  menjadi hidrogen dengan hasil 2 mol hidrogen /mol heksosa. Clostridium butyricum mampu menghasilkan hidrogen  dengan  substratnya  glukosa  dan  xilosa dengan hasil 2.0 dan 2.3 mol H 2 /mol glukosa (Pattra, 2008). Clostridium  butyricum mampu  merubah glukosa  menjadi  butirat,  asetat,  CO 2 ,  dan  hidrogen (Nigel,1989). Clostridium butyricum memiliki karakteristik  berupa  gram  positif  pembentuk  spora, bersifat  anaerob  obligat  dan  hidup  di  usus  besar manusia  dan  hewan,  serta tanah.  Sebagai  salah  satu mikroflora  dalam  tubuh, Clostridium  butyricum berperan  dalam  menghasilkan  asam  lemak  rantai pendek  (SCFA),  terutama  asam  butirat,  asetat  dan propionat  serta  sejumlah  asam  format  dan  laktat (Miwatani, 1990).
Dalam  penelitian  ini  produksi  hidrogen dihasilkan  dengan  proses  biokimia  menggunakan metode  dark  fermentasi  (fermentasi  gelap).  Dark fermentasi  merupakan  proses  yang  terjadi  dibawah kondisi  anaerobik,  yang  mampu  mengubah  gula sederhana  menjadi  hidrogen.  Dark  fermentasi  ini sangat  dipengaruhi  oleh  jenis  mikroorganisme  yang digunakan  dan  suhu  ruangan.  Hasil  maksimal  yang bisa  di  dapat  secara  teori  untuk  selulosa  yaitu sebesar  4  mol  H 2 /mol  glukosa  pada  proses fermentasi asam asetat. Dan pada kondisi fermentasi yang  lain  mengalami  penurunan  menjadi  2 molH 2 /mol heksosa. (Krzystof, 2015). Dalam proses ini  bakteri  melaku-kan hidrogenase sebagai  sarana mengoksidasi  substrat  yang  berkurang  selama fermentasi (Lee. 2011).
Kotoran  sapi  adalah  limbah  peternakan  yang merupakan buangan dari usaha peternakan sapi yang bersifat  padat  dan  dalam  proses  pembuangannya sering  bercampur  dengan  urine  dan  gas  seperti metana dan amoniak. Gas hidrogen dapat dihasilkan dari  bahan  bakar  fosil  seperti  gas  alam  dan  naptha, yang didalam proses tersebut menghasilkan gas CO 2 sebagai  emisi  yang terbentuk. Selain  menjadi  bahan bakar  yang  ramah  lingkungan,  berdasarkan  pemba- karan  hidrogen  juga  menghasilkan  air  sebagai emisinya dan juga memiliki energi yang tinggi yaitu
142  kj/g  atau  2.75  kali  lebih  tinggi  dari  pada hidrokarbon  apapun.  (Gadow,  S.I.,  2012).  Produksi hidrogen  dapat  terbentuk  dari  reaksi  asam  butirat dan asam asetat sebagai berikut :
C 6 H 12 O 6 CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 + 2H 2 (1)
C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O       2CH 3 COOH + 2CO 2 + 4H 2 (2) Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk mencari  waktu  dan  penambahan  volume  bakteri yang terbaik.

## METODE PENELITIAN

## Bahan
Bahan  yang  diperlukan  kotoran  sapi  kering yang  diambil  di  peternakan  Sinar  Agung  Surabaya, bakteri Clostridium  Butyricum yang  dibeli  di Universitas  Airlangga  kampus  B,  aquadest,  alkohol 70%,  yeast  ekstrak,  enzim  selulase,  FeSO 4 .7H 2 O (Merck), DNS (Sigma. India),  larutan buffer pH 5,5, larutan  buffer  pH  3,  CMC Carboxymetil  Cellulose ( Sigma,  USA),  DNS  (Sigma.  India),  Gas  Nitrogen, glukosa  (Merck),  Xilanase  dari  A.  Niger  (Sigma, USA),  Xylan  from  Oat  Spelts  (Sigma-Aldrich, Germany), malam, alumunium foil, cling wrap.

## Peralatan
Alat  yang  digunakan  adalah  neraca  analitik (Ohaus),  tedlar  bag,  Bunsen,  Erlenmeyer  250  ml yang telah dimodifikasi (iwaki), pipet volume 10 ml, GC-2010  plus  (Shimadzu,  Jepang),  laminar  flow, Incubator (Incucell), gelas ukur, kaca arloji. Vacuum pump (Weich), Spectrophotometer (Cecil, England), sentrifuge digital  (Hermle  Labortechik,  Germany), Incubator (Incucell), Furnance  Lin  High  Therm VMK 135 Germany.

## Pelaksanaan Penelitian
Kotoran sapi sebagai bahan baku utama yang diperoleh  dari  peternakan  Sinar  Agung  Surabaya. Kotoran sapi yang diambil sudah dalam bentuk yang kering.  Kemudian  sampel  tersebut  dihaluskan dengan blender. Selanjutnya sampel yang telah halus discreening dengan ukuran 100 mesh hingga sampel berubah  menjadi  bubuk.  Kotoran  sapi  yang  telah mempunyai ukuran seragam di enzimatis menggunakan  enzim  selulase  dan  xilanse  dengan jumlah  6,11U/1gram  kotoran  sapi.  Menggunakan komposisi  enzim  selulase  sebanyak  3,31  ml  dan enzim  xilanase  sebanyak  2,8  ml  di  campurkan dengan  kotoran  sapi  dengan  di  atur  suhu  enzimatis 60 o C dan shaker dengan kecepatan 125 rpm selama 48  jam.  Setelah  itu  di  ambil  sebanyak  120  ml hidrolisat  kotoran  sapi  dan  ditambahkan  nutrisi berupa  yeast ekstrak sebanyak 6  gram,  FeSO 4 .7H 2 O 0,35  gr/l  sebanyak  3  ml  dan  larutan  buffer  pH  5,5 sebanyak 9 ml.
Diambil  sebanyak  12  ml  larutan  hidrolisat kotoran  sapi  dimasukkan  ke  dalam  erlenmeyer kemudian ditambahkan Bakteri Clostridium
Butyricum ke  dalam  larutan  hidrolisat  dengan menambahkan volume bakteri sebesar 4, 6, 8, 10, 12 ml.  Kemudian  erlenmeyer  ditutup  dengan  adaptor yang dilengkapi dengan saluran ke hidrogen bag dan di  inkubasi  dalam  inkubator  shaker  selama  14–16 jam pada suhu 37 o C dan di shaker dengan kecepatan 125 rpm.
Sebanyak  12  ml  dari  hasil  aklimatisasi  yang telah  berusia  14–16  jam  ditambahkan  larutan hidrolisat glukosa sebanyak 120 ml sehingga volume menjadi  132  ml  dan  ditutup  dengan  adaptor  yang dilengkapi  dengan  saluran  (selang)  yang  dihubung- kan dengan hidrogen bagian penutup dilapisi dengan cling warp  dan plastisin untuk mencegah kebocoran gas.  Sebanyak  1  ml  larutan  yang  difermentasi tersebut  diambil  menggunakan  jarum  suntik  steril setiap  jam  ke  12,  24,  36,  48,  60,  72,  84  dan  96 kemudian dilakukan analisa kadar glukosa menggunakan  metode  DNS  ( Asam  Dinitrosalisilat ), serta  analisa  kadar  hidrogen  dengan  menggunakan Gas Chromatograph (GC).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil analisis kandungan hemiselulosa, selulosa,  dan  lignin  pada  kotoran  sapi  dapat  dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil Analisa Kandungan Kotoran Sapi
Kandungan Kadar Selulosa 21.53% Hemiselulosa 27.76 % Lignin 16.03 %
Terlihat pada Tabel 1, bahwa kandungan dari kotoran  sapi  teridiri  dari:  selulosa  sebesar  21.53%, hemiselulosa  sebesar  27.76%,  dan  lignin  sebesar 16.03%.
Gambar 1 . Hubungan waktu terhadap kadar gula reduksi
Gambar 2 . Hubungan waktu terhadap produksi gas
Hidrogen
Gambar 3 . Hubungan konsentrasi gula reduksi terhadap produksi gas Hidrogen
Gambar  1.,  menunjukkan  bahwa  lamanya waktu fermentasi menyebabkan terjadinya penurunan  konsentrasi  gula  reduksi.  Hal  tersebut terjadi  karena  pengkonsumsian  gula  oleh  bakteri Clostridium  Butyricum yang  menyebabkan  penu- runan  konsentrasi  gula  reduksi.  Namun  pada variabel  penambahan  bakteri  sebanyak  4  ml  terjadi penurunan  konsentrasi    gula  yang  signifikan  tetapi menghasilkan gas hidrogen yang sedikit, karena gula yang dikonsumsi oleh bakteri tidak di rubah menjadi gas  hidrogen  melainkan  menjadi  produk  samping seperti  asam  asetat  maupun  asam  butirat.  Menurut Argun  (2008)  bahwa  adanya  akumulasi  produk didalam  media  yang  berperan  sebagai  produk inhibitor  sehingga  menghambat  proses  degradasi gula  dan  menyebabkan  metabolisme  sel  tidak berjalan  dengan  baik.  Hidrogen  dihasilkan  dari metabolisme sel selama fermentasi anaerob.
Gambar  2.,  menunjukkan  bahwa  lamanya waktu  fermentasi  mengakibatkan  meningkatnya produksi  gas  hidrogen.  Untuk  variabel  penambahan
volume  bakteri  sebanyak  8  ml  mengalami  pening- katan  produksi  gas  hidrogen  yang  sangat  signifikan yang  terjadi  dari  jam  ke-  36  hingga  jam  ke-  96  hal tersebut terjadi karena gula reduksi yang terkandung di  dalam  hidrolisat  di  rubah  menjadi  hidrogen  oleh bakteri Clostridium  Butyricum .  Untuk  variabel penambahan volume bakteri sebanyak 4 ml, 6 ml, 10 ml,  dan  12  ml  mengalami  penambahan  hidrogen secara  terus  menerus  meskipun  tidak  terlalu signifikan  yang  memungkinkan  terjadinya  perubah- an  gula  reduksi  menjadi  CO 2 dan  menjadi  asam asetat  maupun  asam  butirat  sedangkan  menurut Widjaja  (2016)  bahwa  semakin  tinggi  konsentrasi substrat,  kekuatan  ionik  didalam  larutan  semakin tinggi  sehingga  memungkinkan  terjadinya  pertu- karan  antara  produksi  hidrogen  menjadi  asam. Konsentrasi asam dalam larutan yang semakin tinggi menghambat  produksi  hidrogen.  Penghambatan terjadi  ketika  asam  masuk  kedalam  dinding  sel  dan mempengaruhi  peningkatan  energi  yang  digunakan oleh  sel  sehingga  menghambat  proses  glikolisis  dan pembentukan hidrogen.
Gambar  3,  menunjukkan  bahwa  peningkatan produksi  gas  hidrogen  seiring  dengan  penurunan kadar  konsentrasi  gula  reduksi  yang  terjadi  pada proses  fermentasi  dengan  hasil  terbaik.  Penurunan kadar  konsentrasi  gula  reduksi  menandakan  bahwa gula  yang  terkandung  telah  terkonversi  menjadi hidrogen karena dikonsumsi oleh bakteri Clostridium  Butyricum. Hasil  gas  hidrogen  yang didapat  dari  reaksi  tersebut  dianalisa  dan  dihitung volume hidrogennya. Gas dianalisa dengan GC (Gas Chromatography)  dan  perhitungan  volume  gas hidrogen  didapat  menggunakan  metode water displacement .  Dari  hasil  GC  diperoleh  yield hidrogen  hasil  fermentasi. Untuk variabel penamba- han  bakteri  sebanyak  4ml  di  peroleh  hasil  sebesar 0,0297  mol  H 2 /mol  gula  reduksi,  sedangkan  untuk variable  penambahan  bakteri  sebanyak  6  ml  di peroleh  hasil  sebesar  0,0108  mol  H 2 /mol  gula reduksi, untuk variable penambahan bakteri sebanyak  8  ml  diperoleh  hasil  sebesar  2,456  mol H 2 /mol  gula  reduksi,  untuk  variable  penambahan bakteri  sebanyak  10  ml    diperoleh  hasil  sebesar 0,0583 mol H 2 /mol gula reduksi, dan untuk variabel penambahan bakteri sebanyak 12  ml diperoleh  hasil sebesar  0,0483  mol  H 2 /mol  gula  reduksi.  Menurut Kotay  (2006)  yang  mempelajari  pengaruh  konsen- trasi  glukosa  murni  pada  fermentasi  hidrogen menggunakan Bacillus  coagulans IIT-BT  SI menyatakan  bahwa  pada  temperatur  37 o C,  laju pembentukan  hidrogen  meningkat  dengan  mening- katnya  konsentrasi  glukosa  0.5–2.5  % w/v dan selanjutnya menurun.

## SIMPULAN
Diperoleh  kesimpulan  semakin  lama  waktu fermentasi  maka  gula  yang  dikonsumsi  oleh  bakteri semakin  banyak  sehingga  produksi  gas  hidrogen akan semakin tinggi. Yield hidrogen yang dihasilkan melalui  kedua  reaksi  pembentukan  gas  hidrogen menunjukkan  hasil  terbaik  yaitu  pada  variabel penambahan bakteri sebanyak 8 ml yang memproduksi gas hidrogen sebesar 2.45 mol H 2 /mol gula reduksi terkonsumsi.

## DAFTAR PUSTAKA
Argun,  H.,  Kargi,  F.,  Kapdan,  I.K.,  Oztekin,  R. 2009.  ‘Batch  dark  fermentation  of  powdered wheat  starch  to  hydrogen  gas:  Effect  of  the initial  substrate  and  biomass  concentrations’. International Journal of Hydrogen Energy 33 page 6109 - 6115
Gadow,  S.I.,  Li,Yu-You.,  Liu,Y.  2012.  ‘Effect  of temperature on continuous hydrogen production of cellulose’. International journal  of hydrogen energy 37 (2012) 15465 – 15472
Lee,  D.J.,  Show,  K.Y.,  Su,Ay.  2011. Dark fermentation  on  biohydrogen  production: pure  culture .  Bioresource  Technology  102 (2011) 8393 – 8402
Miwatani,  T.  1990. A  Profile  of  Intestinal  Bacteria. Tomotari  Mitsuoka  (ed) .  Yakult  Honsha  Co, Ltd, Tokyo.
Nigel,  P.M.  1989.  Departement  of  Anaerobic Microbiology,  Virginia  Polytechnic  Institute and  State  University,  Blacksburg,  Virginia 24061, U.S.A.
Pattra,S.,  Sangyoka,S.,  Boonmee,M.,  Reungsang,A. 2008.  ‘Bio-hydrogen  production  from  the fermentation of sugarcane bagasse hydrolysate by clostridium butyricum’. International  journal  of  hydrogen  energy 33 (2008) 5256 - 5265
Sinha, P., Pandey, A. 2013. ‘Biohydrogen production  from  various  feedstocks  by bacillus  firmus  NMBL-03’. International journal of hydrogen energy xxx (2013) 1 – 8 Urbaniec,  K.,  Bakker,  Rob  R.  2015.  ‘Biomass residues  as  raw  material  for  dark  hydrogen fermentation’. International journal of hydrogen energy 40 (2015) 3648 – 3658 Widjaja,  A.  2016. Enzim  Lignoselulolitik  dan Aplikasinya . ITS Press Surabaya
Yokohama,  H.,  Waki,  M.,  Ogino,  A.,  Ohmori.,  H., Tanaka,Y.  2007. Effect  of  fermentation temperature  on  hydrogen  production  from cow  waste  slurry  by  using  anaerobic microflora  within  slurry . Received:  19 December 2005 /  Revised:  20  August 2006  / Accepted:  22  August  2006  /  Published online:  5  October  2006#  Springer-Verlag 2006