Abstrak —Biogas  merupakan  produk  akhir  dari  degradasi anaerobik  oleh  bakteri  methanogen.  Biogas  memanfaatkan bahan-bahan  yang  renewable  dan  penggunaannya  pun  ramah lingkungan,  contohnya  limbah  perairan  yaitu  eceng  gondok. Eceng  gondok  ( Eichhornia  crassipes )  yang  selama  ini  merugikan ternyata  potensial  untuk  dijadikan  biogas.  Namun,  lignin  yang menjadi inhibitor menunjukkan perlu adanya proses pretreatment yang optimum agar biogas yang terbentuk lebih banyak dan lebih cepat.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  pengaruh proses pretreatment dengan  metode  fisik  dan  kimia.  Metode- metodenya yaitu untuk mengetahui pengaruh suhu menggunakan alat  oven,  autoclave,  dan  hot  water  bath  pada  suhu  70-110 ⁰ C, serta  jenis  asam organik yaitu asetat, oksalat, dan  sitrat dengan kadar 5%, 10% dan 15% (w/w). Adapun parameter yang diukur yaitu  kandungan  lignoselulosa,  COD,  yield  biogas  serta  hasil analisa  kandungan  metana  biogas.  Dari  penelitian  ini  dihasilkan bahwa  proses pretreatment terbaik  dihasilkan  oleh pretreatment menggunakan  oven  dengan  suhu  100 ⁰ C  dan  asam  oksalat  15  % (w/w)  selama  1  jam  dengan  kandungan  hemiselulosa,  selulosa, lignin  dan  COD  yaitu  46.11%,  23.14%,  0.86%  dan  31360  mg COD/L.  Kemudian,  kuantitas  produksi  biogas  yang  dihasilkan oleh  eceng  gondok  dengan  proses pretreatment (kombinasi  oven dengan suhu 100 ⁰ C serta asam oksalat 15% (w/w) selama 1 jam) lebih  tinggi  yaitu  375.68  L/kg  VS  daripada  produksi  biogas  oleh eceng  gondok  tanpa  proses pretreatment yaitu  368.654  L/kg  VS. Dengan  produksi  gas  tersebut,  dapat  dihasilkan  listrik  dengan beban  maksimum  pada  load  300-Watt  dan  efisiensi  optimum sebesar 10.64% menggunakan gas generator 600-Watt.
Kata  Kunci —Biogas,  Eceng  Gondok,  Hidrolisis,  Listrik, Pretreatment

## I. PENDAHULUAN
EBUTUHAN  energi  dunia  terutama  yang  bersumber pada  bahan  bakar  fosil  di  dunia  semakin  meningkat seiring  dengan  perkembangan  peradaban  manusia.  Namun kenyataannya,  kebutuhan  energi  yang  ada  berbanding terbalik dengan  cadangan  energi  fosil  di  dunia  sehingga  dibutuhkan suatu  energi  alternatif  dari  masalah  tersebut.  Biogas merupakan  salah  satu  penyelesaian  masalah  energi  yang  saat ini  sedang  hangat  untuk  dikembangkan  sebagai  energi
alternatif  yang  ramah  lingkungan.  Biogas  dapat  dibuat  dari berbagai  macam  limbah  organik  melalui  proses  penguraian secara  anaerobik.  Terdapat  berbagai  macam  bahan  baku pembuatan  biogas,  seperti  limbah  peternakan  berupa  kotoran ternak,  limbah  pertanian  yang  berupa  jerami,  sampah  organik dari  sisa  rumah  tangga  dan  pasar,  dan  limbah  perairan  yang berupa eceng gondok.
Seperti  yang  diketahui,  eceng  gondok  merupakan  jenis gulma  yang  pertumbuhannya  sangat  cepat,  yaitu  dapat mencapai  1.9%  per  hari  dengan  tinggi  antara  0.3-0.5  m. Pertumbuhannya  yang  begitu  pesat,  dirasa  sangat  merugikan karena  sifatnya  yang  menutupi  permukaan  air  sehingga kandungan  oksigen  di  dalam  air  berkurang.  Disamping  efek negatif dari tanaman eceng gondok, tanaman ini memiliki nilai ekonomis  yang  dapat dimanfaatkan, yaitu dapat memproduksi gas metana dengan metode anaerobic digestion . Eceng gondok dapat  dimanfaatkan  dalam  produksi  biogas  karena  memiliki kandungan  hemiselulosa  yang  cukup  besar  dibandingkan komponen  organik  zat  tunggal  lainnya.  Eceng  Gondok mempunyai  kandungan  hemiselulosa  48.7%,  selulosa  18.2%, dan  lignin  3.5%  [1]  serta  mempunyai  struktur  jaringan  yang berongga,  sehingga  tanaman  ini  mempunyai  energi  yang tinggi,  terdiri  dari  bahan  yang  dapat  difermentasikan  dan berpotensi sangat besar  dalam menghasilkan biogas.
Dari  penelitian  sebelumnya,  jika  biogas  dihasilkan  dengan bahan  baku  jerami,  biogas  tersebut  dapat  ditingkatkan kuantitas  nya  dengan  melakukan pretreatment secara  proses kimia-fisika  yaitu  dengan  penambahan  asam  asetat  5%  lalu dipanaskan  hingga  135 ⁰ C.  Dengan  proses  tersebut  dihasilkan yield  biogas  sebanyak  7  kali  lebih  banyak  dibanding  tanpa proses pretreatment [2].  Selain  itu,  eceng  gondok  dapat ditingkatkan  kandungan  selulosa  nya  dengan  ditreatment menggunakan NaOH 2 M selama 30 menit. Namun, penelitian- pretreatment menggunakan NaOH ini dirasa kurang ekonomis karena  harga  NaOH  2  M  yang  cukup  mahal,  membutuhkan suhu  yang  relatif  tinggi  yaitu  100-126oC  serta  tidak  ramah lingkungan  jika  diaplikasikan  dalam  produksi  biogas  skala

## Pengembangan Metode Pretreatment Melalui Proses Fisik dan Kimia untuk Optimasi Produksi Biogas dari Eceng Gondok
( Eichhornia crassipes ) sebagai Alternatif Energi Listrik ─ Biogas
Yudhiantono Atidhira, Adam Noviansyah, dan Fadlilatul Taufany Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
e-mail : f_taufany@chem-eng.its.ac.id
K
besar.  Selain  itu,  dalam  penelitian pretreatment dengan  asam asetat jika diaplikasikan ke eceng gondok, maka membutuhkan 4 liter asam asetat untuk 1 kg biomassa, sehingga tidak efisien dalam prosesnya yang membutuhkan space yang cukup besar.
Oleh  karena  itu,  dalam  penelitian  ini  akan  dilakukan  usaha untuk  meningkatkan  produksi  biogas  dari  eceng  gondok dengan  proses pretreatment penghilangan  lignin  secara  fisik dan  kimia  yang  efektif,  efisien  dan  ramah  lingkungan  agar proses fermentasi eceng gondok bisa optimal.

## II. URAIAN PENELITIAN

## A. Material
Bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  eceng gondok  ( Eichhornia  crassipes ),  kotoran  sapi,  NaOH  teknis, air,  urea,  asam  asetat  teknis,  asam  oksalat  teknis,  dan  asam sitrat teknis.
Sedangkan  untuk  alat  yang  digunakan  adalah  mesin pencacah  ( blender ),  neraca  analitik, oven , hot  water  bath, autoclave, beaker glass 1 liter, gelas ukur, reaktor biogas skala kecil (4 liter) dan reaktor biogas skala besar (300 liter). Skema rangkaian  alat  berupa  reaktor  biogas  skala  kecil  dan  besar ditunjukkan oleh Gambar 1 dan Gambar 2 berikut.
Gambar 1. Skema reaktor biogas skala kecil (4 liter)

## Gambar 2. Skema reaktor biogas skala besar (300 liter)

## B. Kondisi Penelitian
Eceng  gondok  yang  digunakan  ialah  eceng  gondok  yang berasal  dari  Kali  ITS  dan  kemudian  dicacah  menggunakan mesin  pencacah  ( blender )  selama  30  detik  sehingga ukurannnya  menjadi  1-2  mm.  Sedangkan  sampel  yang digunakan  untuk  pengujian  ialah  campuran  antara  eceng gondok dan air dengan perbandingan 1:4. Massa eceng gondok yang  digunakan  ialah  25  gram  per  sampel  dengan  waktu pretreatment selama  1  jam. Anaerobic  digester yang digunakan  berada  dalam  tekanan  760  mmHg  (atmosferik) dengan suhu 28-32 ⁰ C.

## C. Variabel
Variabel  penelitian  yang  digunakan  terdiri  dari  3  jenis variabel,  meliputi  variabel independent, variabel dependent, dan  variabel  tetap.  Variabel independent yakni  meliputi  suhu pretreatment oven,  dan autoclave yaitu  90, 100, 110 ⁰ C serta hot water bath yaitu 70, 80, 90 ⁰ C. Kemudian jenis asam yang digunakan  pada  proses pretreatment yaitu  asam  asetat,  asam oksalat  dan  asam  sitrat  (teknis)  dengan  konsentrasi  sebesar 5%,  10%,  dan  15%  (%berat).  Untuk  variabel dependent yang digunakan  yakni  kandungan  lignoselulosa  sebelum  dan sesudah pretreatment ,  COD  substrat  sebelum  dan  sesudah pretreatment ,  serta yield biogas.  Variabel  tetap  yang digunakan  pada  penelitian  ini  berupa  volume feed Eceng Gondok  kontrol  dan pretreatment sebanyak  117  ml  yang diencerkan hingga 285 ml.

## D. Prosedur Penelitian
Prosedur  penelitian  ini  terdiri  dari  proses pretreatment eceng  gondok,  persiapan feed ,  pembentukan  biogas  dalam anaerobic digester, dan tahap generasi listrik.
1) Pretreatment Eceng Gondok
Pada  tahap  ini  eceng  gondok  akan  melalui  proses pretreatment dengan cara fisik, kimia dan fisik-kimia. Physical pretreatment dilakukan  dengan  variabel  suhu  pada  alat oven , autoclave ,  dan hot  water  bath .  Sedangkan Chemical pretreatment dengan menambahkan asam organik dengan rasio yang  telah  ditentukan.  Serta physio-chemical  pretreatment dengan  menggabungkan  kedua  metode pretreatment dengan fisik dan kimia. Langkah-langkah dalam pretreatment dimulai dengan  pengancuran  eceng  gondok  dengan  menggunakan mesin pencacah ( blender ) selama 30 detik dengan kecepatan 1 di blender .  Kemudian  masing-masing  sampel  dimasukkan kedalam oven/autoclave/hot  water  bath dengan  variabel  suhu yang  telah  ditentukan  selama  1  jam.  Uji  sampel  dapat dilakukan  setelah  melalui  kedua  proses  ini.  Langkah selanjutnya  yakni  melakukan  kombinasi  asam  organik  dan suhu. Eceng gondok dihancurkan dengan menggunakan mesin pencacah  ( blender )  selama  30  detik.  Dari  hasil  variabel  suhu yang  terbaik  dari  masing-masing  alat,  sampel  ditambahkan asam  organik  konsentrasi  5,  10,  dan  15%  (%  w/w)    dengan rasio  eceng  gondok  dengan  asam  organik  yaitu  1:1  (%  w/w) kemudian dipanaskan selama satu jam.
2) Persiapan Feed
Pada  tahap  ini  digunakan feed eceng  gondok  dengan Load umpan  masuk  ( feed  in )  variabel  kontrol  =  1,43  kg  COD/m 3 hari  (285  mL). Load umpan  masuk  ( feed  in )  variabel pretreatment =  1,83  kg  COD/m 3 .hari  (285  mL)  dan  dengan HRT  (Hydraulic  Retention  Time)  keduanya  7  hari. Sebelumnya, feed di pretreatment dengan metode pretreatment yang paling efektif agar nantinya dapat diketahui hasil yield biogas  dari  proses anaerobic  digestion . Feed (umpan)  eceng  gondok  yang  yang  telah  dikumpulkan  dalam tangki  penampung  &  pengencer,  kemudian  dilakukan  proses pretreatment dan dinetralisasi hingga pH 6-7.
3) Pembentukan Biogas dalam Anaerobic Digester
Bubur  eceng  gondok  sebagai  substrat  dari  tangki penampung  pengencer, pretreatment dan  netralisasi,  dipompa menuju  reaktor anaerobic  digester yang  bertipe batch . Substrat ini yang akan di fermentasi oleh mikroorganisme yang diumpankan  dari  penampung starter .  Hasil  fermentasi  ini adalah  biogas  sebagai  produk  atas  dengan  kandungan utamanya  CH 4 dan  CO 2 .  Sedangkan  produk  bawah  berupa slurry ditampung  untuk  dipisahkan  antara cake dan  filtratnya, dimana  produk  cair  filtrat-nya  bisa  digunakan  kembali  ke tangki anaerobic digester . 4) Tahap Generasi Listrik
Pada  tahap  ini  biogas  yang  sudah  terbentuk  dikompres untuk  ditampung  pada  tabung compressor hingga  pressure  5- 7,5  bar.  Kemudian  dialirkan  menuju  generator  gas  pada tekanan  keluaran  1  bar.  Setelah  itu,  diukur  waktu  untuk masing-masing  beban  yang  digunakan  pada load  bank yaitu
berkisar  antara  25-800  Watt.  Hasil  dari  pengujian  generasi listrik ini didapatkan nilai efisiensi pada masing-masing beban hingga beban maksimal.

## III. HASIL DAN ANALISIS

## A. Pretreatment Feed Eceng Gondok
Dalam  uji pretreatment eceng  gondok  ini,  eceng  gondok harus  dipotong-potong  terlebih  dahulu  dan  direduksi  lagi ukuran nya. Hal ini bertujuan agar nantinya substrat yang akan dijadikan  biogas  dapat  dikonversi  lebih  maksimal.  Eceng gondok  ini  nantinya  akan  di  reduksi  ukurannya  dengan menggunakan blender selama  30  detik  dengan  campuran  air 4:1  untuk  memudahkan  dalam  prosesnya.  Setelah  itu,  eceng gondok melalui proses pretreatment dengan menggunakan alat oven,  autoclave dan hot  water  bath dengan  variabel  suhu masing-masing.  Gambar  3  hingga  Gambar  5  berikut menunjukkan  pengaruh  alat  dan  suhu  terhadap  kandungan COD eceng gondok.
Gambar 3. Pengaruh Pretreatment Menggunakan Oven terhadap Kandungan COD dan Lignin Eceng Gondok
Gambar  4.  Pengaruh Pretreatment Menggunakan Hot  Water  Bath terhadap Kandungan COD Eceng Gondok
Gambar  5.  Pengaruh Pretreatment Menggunakan Autoclave terhadap Kandungan COD Eceng Gondok
Pada  Gambar  3  menunjukkan  bahwa heat  pretreatment menggunakan oven dapat  menaikkan  kadar  COD  pada  eceng gondok.  Kadar  COD  meningkat  hingga  29500  mg  COD/L pada  suhu  100 ⁰ C,  namun  turun  pada  suhu  110 ⁰ C  menjadi 28300 mg COD/L. Penurunan kadar COD pada suhu tinggi ini disebabkan  oleh  hilangnya  kadar Volatile  Fatty  Acids (VFA) akibat penguapan. Penguapan akan menyebabkan ikatan kimia pada  dinding  sel  terganggu  sehingga  melepaskan  komponen organik  (VFA).  Selanjutnya,  Gambar  4  menunjukkan heat pretreatment menggunakan hot water bath tidak memiliki efek yang  signifikan  terhadap  kandungan  COD  eceng  gondok. Kadar COD tertinggi terdapat pada suhu 90 ⁰ C yaitu 26200 mg COD/l. Pada Gambar 5 menunjukkan bahwa heat pretreatment dengan  menggunakan  autoclave  justru  akan  membuat  kadar COD menurun. Pada suhu 100 ⁰ C, kadar COD dengan metode ini  turun  jauh  menjadi  15000  mg  COD/L, lalu seiring dengan kenaikan  suhu,  kadar  COD  menjadi  meningkat  namun  tidak lebih  tinggi  dengan  kadar  COD  kontrol  nya.  Hal  ini disebabkan  penguapan  yang  mengakibatkan  hilangnya komponen  organik  seperti  VFA.  Dari  penjelasan  tersebut dipilih  lah  metode  terbaik heat  pretreatment yaitu  dengan menggunakan oven 100 ⁰ C. Oven yang  memiliki  prinsip  kerja konduksi  dan  konveksi  dengan  media  air  ini  terbukti  dapat melarutkan  lignin  lebih  efektif  dibandingkan  metode pretreatment yang  lain  [3]. Heat  pretreatment ini  dapat menurunkan  kadar  lignin  hampir  50%  nya  yaitu  dari  4.38% hingga  2.29%  lalu  kadar  COD  pun  meningkat  dari  24480  mg COD/L menjadi 29500 mg COD/L. Gambar 6 hingga Gambar 8  menunjukkan  pengaruh pretreatment  oven 100 ⁰ C  dan  asam organik terhadap kadar COD eceng gondok.
Gambar  6.  Pengaruh Pretreatment  Oven 100 ⁰ C  dan  Asam  Asetat  terhadap Kandungan COD Eceng Gondok
Gambar  7.  Pengaruh Pretreatment  Oven 100 ⁰ C  dan  Asam  Sitrat  terhadap Kandungan COD dan Lignin Eceng Gondok
Gambar  8.  Pengaruh Pretreatment  Oven 100 ⁰ C  dan  Asam  Oksalat  terhadap Kandungan COD Eceng Gondok
Gambar  6  hingga  Gambar  8  di  atas  menunjukkan pretreatment  oven 100 ⁰ C  dengan  asam  organik  dapat menaikkan kadar COD pada eceng gondok. Selain itu, seiring dengan kenaikan konsentrasi asam maka kandungan COD juga meningkat.  Jika  dibandingkan  dengan  eceng  gondok  yang hanya  di heat  pretreatment terlihat  bahwa  kandungan  COD dengan  metode pretreatment kombinasi  memiliki  kandungan lebih  tinggi.  Hal  ini  dikarenakan  adanya  tambahan  asam organik  yang  berfungsi  agar  reaksi  hidrolisis  yang  ada  pada eceng  gondok  lebih  efektif.  Jika  dibandingkan  pada  semua Grafik,  kandungan  COD  tertinggi  berada  pada  kondisi pretreatment kombinasi  dengan  asam  sitrat  15%  yaitu  31390 mg  COD/L.  Dari  berbagai  macam  pertimbangan  seperti kandungan  lignoselulosa  dan  COD  dipilihlan pretreatment kombinasi  dengan  asam  oksalat  15%  sebagai  metode pretreatment yang  terbaik.  Dibanding  dengan  asam  lainnya, asam  oksalat  dapat  menurunkan  kandungan  lignin  lebih  besar yaitu  menjadi  0.86%.  Selain  itu,  kandungan  selulosa  nya paling  tinggi  dibanding  hasil pretreatment lainnya  yaitu sebesar  46.11%  walaupun  kandungan  hemiselulosa  dan  kadar COD  nya  hanya  berbeda  sedikit  dibanding  metode pretreatment asam  asetat  15%  dan  asam  sitrat  15%. Amnuaycheewa (2016) juga menyebutkan bahwa pretreatment pada jerami dengan menggunakan asam oksalat memiliki sugar yield  lebih  tinggi  serta  kandungan  lignin  lebih  rendah dibandingkan  asam  organik  lainnya.  Lalu,  Mtui  (2012) menyebutkan  bahwa  asam  oksalat  juga  sangat  bagus  untuk pretreatment biomassa  untuk  meningkatkan  efisiensi  proses sakarifikasi  khususnya  dalam  memproduksi  ethanol.  Asam Oksalat merupakan asam yang dapat meningkatkan digestibilitas  selulosa  dibandingkan  asam  asetat  dan  sitrat karena  asam  oksalat  dapat  membentuk  gula  (xylosa  dan glukosa)  yang  tinggi.  Selain  itu  pembentukan  furfural  yang merupakan  inhibitor  dari  fermentasi  sangat  rendah.  Proses Produksi Biogas pada Reaktor skala Kecil
Feed eceng gondok kontrol serta feed eceng gondok dengan pretreatment terbaik kemudian dipersiapkan untuk dimasukkan ke dalam reaktor biogas skala kecil untuk diamati kumulatif  gas  yang  dihasilkan.  Sebelum  itu,  larutan starter yang  sudah  difermentasikan  dimasukkan  terlebih  dahulu  ke dalam reaktor skala kecil. Larutan starter ini berfungsi sebagai
mikroorganisme  yang  akan  mengonversi  substrat  (feed  eceng gondok)  menjadi  biogas.  Pada  pembuatan  biogas  skala  kecil ini  digunakan load  digester sebesar  1,43  kg  COD/m 3 untuk variabel  kontrol  dan  1,83  kg  COD/m 3 untuk  variabel pretreatment dengan  HRT  7  hari.  Berikut  merupakan  data kumulatif gas yang dihasilkan.

## Gambar 9. Grafik Kumulatif Biogas dengan Feed Eceng Gondok
Dari  grafik  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  9  didapatkan kumulaitif  biogas  yang  dihasilkan  oleh  variabel  kontrol  yaitu 2506  ml,  serta  untuk  variabel pretreatment didapatkan biogas sebanyak 2553 ml.

## B. Proses Generasi Listrik
Pada tahap ini dilakukan load bank test dengan tujuan untuk mengetahui  beban  optimal  yang  dapat  menghasilkan  efisiensi maksimum  generasi  listrik.  Untuk  itu,  biogas  yang  telah dihasilkan  diuji  dengan  gas  metana  sebagai  pembanding. Generator  yang  digunakan  memiliki  spesifikasi  1200  Watt. Pada gas metana, beban maksimal dicapai pada beban 700 W sedangkan biogas dicapai pada 150 W. Load optimal (efisiensi tertinggi)  dicapai  pada  150  W  untuk  biogas  yaitu  3.37%  dan 700  W  untuk  metana  murni  yaitu  11.61%.  Efisiensi  yang dihasilkan  dari  biogas  masih  cukup  rendah,  terlebih  beban maksimal  yang  dapat  dicapai  pun  juga  masih  sangat  rendah
dibanding metana murni. Untuk itu dilakukan pengujian beban dengan  generator  listrik  dengan  spesifikasi 600 Watt. Dengan generator  600  Watt  in  beban  maksimal  dapat  mencapai  300 Watt  dengan  efisiensi  10,64%. Load optimal  yang  dihasilkan biogas  masih cukup jauh dibandingkan dengan metana murni, hal  itu  menunjukkan  bahwa  purifikasi  gas  dibutuhkan  agar generasi listrik yang dihasilkan bisa lebih maksimal.

## IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
Beberapa kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1.  Proses pretreatment yang  optimal  didapatkan  dengan kombinasi pemanasan oven pada suhu 100 o C selama 1 jam dengan  penambahan  asam  oksalat  15%.  Didapatkan kumulatif  biogas  control  2506  ml  dan pretreatment 2553 ml.  Serta  didapatkan yield (m 3 /kg  COD  removal)  masing- masing  variabel  yaitu  0,401  m 3 /kg  COD,  dan  0,3 m 3 /kgCOD untuk kontrol dan pretreatment .
2.  Efisiensi listrik optimum yang dihasilkan oleh biogas yaitu 10,64% pada load 300-Watt.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]
J.  .  Nigam,  “Bioconversion  of  water-hyacinth  (Eichhornia crassipes)  hemicellulose  acid  hydrolysate  to  motor  fuel  ethanol  by xylose–fermenting yeast,” J. Biotechnol. , pp. 107–116, 2002.
[2] et  al  Amnuaycheewa,  P.,  R.  Hengaroonprasan.,  K.  Rattanaporn, “Enhancing  enzymatic  hydrolysis  and  biogas  production  from ricestraw by pretreatment with organic,” Ind. Crops Prod. , pp. 247– 254, 2016.
[3] A. S. K. Barua, Visva Bharati., “Effect of various types of thermal pretreatment  techniques  on  the  hydrolysis,  compositional  analysis and  characterization  of  water  hyacinth,” Bioresour.  Technol. ,  pp. 147–154, 2017.