Sri Mulato

PENDAHULUAN

Sumber energi alternatif terbarukan di kebun kopi adalah limbah biomassa yang berasal dari hayati dan hewani. Secara tradisionil, keluarga petani sudah terbiasa menggunakan kayu bakar untuk memasak bahan pangan sehari-hari. Kayu bakar secara reguler diperoleh dari hasil pangkasan pohon kopi dan pohon penaungnya. Namun, mereka belum sepenuhnya menyadari potensi penyakit akibat asap pembakaran kayu yang tidak sempurna. Keluarga petani sebaiknya mulai diarahkan untuk mengalihkan sumber energi ramah kesehatan, yaitu biogas dan memanfaatkan kayu untuk keperluan lain. Biogas bisa terbakar mendekati sempurna dan tanpa asap yang berbahaya bagi kesehatan. Biogas dapat diproduksi dari berbagai jenis limbah biomassa kebun kopi dicampur kotoran ternak sebagai bahan inokulanmikroba penghasil biogas dalam reaktor tertutup. Biogas merupakan campuran 50-70% gas metana [CH₄], 30-40% gas karbon dioksida [CO₂], 5-10% gas hidrogen [H₂] dan sisanya berupa gas-gas lain. Biogas memiliki nilai panas pembakaran antara 4.800–6.700 kkal/m³. Nilai bakar 1 m³ [1000 liter] biogas setara dengan 0,60 liter minyak tanah atau 3 kg kayu bakar. Selain itu, lumpur keluaran reaktor biogas mempunyai kandungan hara lebih baik daripada pupuk kompos.

 

REAKSI PEMBENTUKAN BIOGAS

Biogas adalah campuran gas hasil degradasi bahan organik secara mikrobiologis dalam ruangan [reaktor] minim oksigen. Biomassa baik berbentuk padat maupun cair bisa digunakan sebagai bahan baku biogas. Syaratnya kedua bahan baku tersebut harus mengandung karbohidrat, lemak dan protein yang bisa dimanfaatkan oleh berbagai jenis mikroba sebagai media hidup.Biogas terbentuk melalui beberapa tahapan dekomposisi biokemis yang komplek, seperti disajikan pada Gambar 1 berikut

Secara umum, mikroba yang terlibat dalam produksi biogas terdiri dari mikroba mikroba bukan penghasil gas metan [non methane producing microorganisms] dan penghasil gas metan [methane producing microorganisms].Reaksi biokemis  berlangsung secara berurutan dalam empat tahapan. Masing-masing tahapan membutuhkan jenis mikroba yang spesifik sesuai dengan jenis reaksi dan kompleksitas senyawa kimia penyusun bahan bakunya.Berbagai spesies mikroba berperan dalam pembentukan biogas secara bersama dalam satu tim yang saling mendukung. Diawali dengan reaksi hidrolisis, asidogenesis dan asetogenesis. Ketiga jenis reaksi ini merubah karbohidrat, lemak dan protein menjadi 2 fase. Fase cair terdiri atas senyawa alkohol dan asam, sedangkan fase gas tersusun atas CO₂, NH₃ danH₂. Pada tahap akhir, gas metan terbentuk melalui reaksi metanogenesis antar senyawa-senyawa yang terbentuk pada tahap sebelumnya.

POTENSI BIOMASSA SEBAGAI SUMBER ENERGI

Tanaman dan Ternak

Contoh simbiose kebun kopi pola tanam-campuran, kopi dan ternak domba.Domba mendapatkan pasokan pakan dari daun pohon pelindung lamtoro, sebaliknya pohon kopi memperoleh imbal jasa dalam bentuk kotoran domba [Gambar 1].

Pada populasi tanaman kopi/hektar sebanyak 1,500, jumlah limbah padat hasil pangkasan pohon kopi berkisar antara 7 – 9 ton/tahun. Sedangkan, potensi biomassa dari tanaman penaung yang secara reguler diperkirakan mendekati 6 – 7 ton/tahun,dengan catatan populasi adalah 660 – 800 pohon lamtoro/ha. Daun hasil pangkasan dimanfaatkan sebagai pakan ternak. Kekurangan sumber pangan bisa juga ditambah dari rerumputan dan pangkasan tanaman pagar kebun, yaitu pohon glirisidia. Potensi biomassa ternak berasal dari peliharaan kambing dan sapi. Jumlah kotoran keduanya diperkirakan masing-masing sebanyak 1,5 kg dan 12 kg/ekor/hari. Kotoran hewan mengandung senyawa nitrogen [N] dan mikroba yang sangat dibutuhkan pada proses produksi kompos dan biogas [Tabel 1].

Table 1. Jumlah dan sifat limbah padat kebun kopi sistem integrasi ternak.

Metoda pengolahan buah kopi secara basah menghasilkan 2 jenis limbah dalam jumlah yang cukup banyak, yaitu bentuk padat dan cair[Gambar1]. Limbah padat adalah kulit buah hasil proses pengupasan. Sedangkan, limbah cair berupa air bilasan proses pengupasan buah dan air pencuci biji berkulit tanduk pasca fermentasi. Kedua jenis limbah tersebut mengandung senyawa organik yang bisa digunakan sebagai substrat [sumber makanan] mikroba pembentuk biogas.Limbah Pengolahan Buah

 

Pengolahan buah kopi secara basah sebanyak 1000 kg/hari menghasilkan jumlah total limbah kulit buah dan  limbah cair dari proses pengolahan buah kopi ditunjukkan pada Tabel 2. Limbah padat diperoleh dari proses pengupasan buah kopi [pulping]. Limbah padattersusun atas kulit buah dan lapisan daging buah yang menempel di bagian dalam kulitnya. Lendir tergolong limbah padat yangmasih menempel di permukaan kulit tanduk. Saat fermentasi di dalam bak, lendir akan terurai dan kemudian dicuci sampai permukaan kulit tanduk menjadi bersih. Konsumsi air untuk pengolahan lebih kurang 5.000 liter/ton buah. Sebagian besar di antaranya [3.500 liter] adalah untuk proses pencucian. Limbah cair ini bersifat sangat asam dan memiliki nilai pH 3 – 4. Sebelum masuk ke dalam reaktor, limbah cair tersebut perlu ditambah dengan air kapur pada konsentrasi 300 – 500 gr/m³ air limbah. Dengan perlakuan ini, nilai pH limbah cair meningkat mendekati 7, suatu kondisi ideal untuk pertumbuhan mikroba pembentuk biogas.

Tabel 2. Neraca massa pengolahan buah kopi secara proses basah per hari.

REAKTOR BIOGAS [BIO-DIGESTER]

Kontruksi

Kontruksi reaktor mirip sumur diameter 4,5 m dengan bagian dinding bak terpendam 2 m di kedalaman tanah dengan konstruksi bata-semen permanen. Sedangkan, dinding [bibir] sumur di atas permukaan tanah mempunyai tinggi 1 m. Total volume larutan penghasil biogas [substrat] adalah 30 m³ [Gambar 3].

Tutup reaktor berbentuk kerucut [cungkup] sekaligus sebagai penampung biogas terbuat dari pelat besi dan dapat bergerak naik turun [floating] mengikuti volume dan tekanan gas di dalam reaktor. Penutup bisa menampung total volume biogas sebanyak 28 m³. Penyekat air berfungsi sebagai penghalang gas [water seal] dan sekaligus sebagai landasan gerakan tutup naik-turun. Penutup juga dilengkapi dengan pengaduk tercelup dalam substrat. Saat tutup digerakkan arah kanan-kiri, substrat dalam sumur akan bergerak.

Pengoperasian Reaktor

Biogas merupakan produk sampingan aktivitas mikro-organisme dalam larutan senyawa organik. Mikroba menggunakan senyawa organik sebagai media hidup untuk berkembang baik. Secara teknis, semua jenis biomassa bisa digunakan sebagai bahan baku biogas. Yang membedakan adalah laju pembentukan biogas dan kemurnian kadar gas metana [CH₄] tergantung pada jenis biomassanya. Biomassa dengan kandungan nutrisi lengkap akan menghasilkan biogas lebih cepat dengan kadar gas metan yang tinggi. Selain itu, biomassa juga harus dilarutkan dalam air dalam jumlah yang cukup membentuk substrat untuk memudahkan mikroba perkembang-biak dengan cepat. Karena limbah cair pengolahan kopi tersedia cukup banyak, reaktor biogas yang dipilih adalah jenis basah. Karena limbah cair pengolahan kopi tersedia cukup banyak, reaktor biogas di kebun kopi dipilih jenis tipe basah: kandungan air dalam substrat berkisar antara 85 – 90 %.

 

Pemilihan substrat biogas sangat tergantung pada ketersediaan limbah biomassa di kebun kopi. Sehingga, prosedur pengisian substrat ke dalam reaktor biogas dibagi menjadi 2 langkah, yaitu,

 

Langkah-1pengisian reaktor: dilakukan sebelum musim panen buah. Reaktor kosong diisi substrat campuran kotoran sapi yang telah diencerkan dengan air dengan perbandingan berat masing-masing 50 % : 50 %. Pada proporsi ini, substrat mempunyai kadar air 12-13 %. dan C/N = 20 – 25. Jumlah substrat untuk pengisian awal lebih kurang 30 m³. Biogas akan mulai terbentuk pada 25 hari setelah pengisian pertama. Setelah itu, reaktor diberi umpan substrat dengan komposisi yang sama saat pengisian sebanyak 1 m³/hari.

 

Langkah-2saat panen buah: masukan reaktor adalah  campuran limbah kulit kopi dan air limbah pencucian dengan proporsi 45 % : 55 %. Pada proporsi ini, substrat mempunyai kadar air 12-13 %. dan C/N = 20 – 25.Namun, kedua jenis limbah ini sangat asam dengan nilai pH antara 3,8 – 4.  Sebelum dimasukkan ke dalam reaktor, campuran keduanya dinetralkan terlebih dahulu dengan larutan kapur. Jumlah umpan bahan campuran ini adalah 1 m³ ton/hari.

 

PRODUKSI dan APLIKASI BIOGAS

Produksi

Pada awalnya, biogas yang terbentuk di dalam reaktor berasal dari substrat kotoran sapi dan air. Pada kondisi suhu lingkungantropis [28-32 °C], bakteri anaerob mesofilik dapat berkembang dengan baik. Dua minggu setelah larutan kotoran sapi dimasukkan, reaktor mulai memproduksi biogas. Namun, komposisi gas metan [CH₄] di dalam biogas masih relatif rendah dan kandungan gas CO₂ masih tinggi. Sehingga, saat biogas dibakar, nyala api berwarna kemerahan dan mudah mati. Produksi biogas mulai terlihat stabil setelah minggu ketiga [21 hari] dengan kisaran 3- 5 m³/hari. Kadar gas metan di dalam biogas makin naik dan diperkirakan mencapai nilai di atas 55 %. Memasuki musim panen buah, reaktor diberi masukan limbah padat dan cair hasil pengolahan buah. Keduanya mengandung senyawa organik dari jenis karbohidrat dan protein yang relatif tinggi. Indikasinya setelah ditambah dengan larutan kapur akan menghasilkan lapisan kental seperti buih yang sangat berguna bagi pertumbuhan mikroba. Sehingga,kedua jenis limbah kopi tersebut menghasilkan laju produksi biogas menjadi lebih besar dibandingkan produksi biogas dari substrat kotoran sapi. Dalam dua minggu setelah panen kopi, produksi biogas mampu mencapai 40 m³/hari. Dengan demikian, pada saat musim panen kopi, kotoran ternak [sapi dan kambing] yang ada di kebun kopi dapat digunakan sepenuhnya untuk produksi pupuk kompos. Secara umum, komposisi kimia biogas yang dihasilkan oleh reaktor disajikan pada Tabel 3 berikut,

       Tabel 3.Komposisi kimia biogas.

Aplikasi

Biogas bersifat 20% lebih ringan dibandingkan berat udara dan mempunyai nilai panas pembakaran antara 4.800–6.700 kkal/m³. Seperti halya gas LPG, biogas dapat digunakan sebagai sumber energi untuk memasak, penerangan dan pembangkitan listrik [genset]. Tekanan biogas di dalam reaktor dapat mencapai 150 mm kolom H₂O dan mampu menyalurkan biogas ke dapur untuk masak atau ke pabrik pengolahan kopi untuk menyangrai kopi. Tekanan gas bisa ditingkatkan dengan memberi beban [batu cadas atau karung pasir] pada permukaan penutupnya [Gambar 4].

Saat panen kopi, produksi biogas sangat tinggi sehingga penampung utama tidak mampu menyimpan seluruh hasil biogas per harinya. Untuk itu, biogas bisa dialirkan ke penampung ekstra, yaitu ban-ban bekas truk, drum bertingkat dan silinder kain lapis plastik di dalamnya. Ban penampung lebih praktis dan mudah diangkut ke lokasi petani yang membutuhkannya untuk masak.

 

Selain untuk kompor masak, biogas dapat juga digunakan untuk menghidupkan lampu pijar [petromak], seperti yang biasanya dinyalakan dengan menggunakan minyak tanah. Biogas dapat memberikan intensitas pencacahan yang lebih baik [warna putih] dan tingkat kebisingan yang rendah dibandingkan jika menggunakan sumber energi minyak tanah. Pada tekanan 60 mm kolom H₂O, intensitas cahaya lampu biogas setara dengan intensitas cahaya bola lampu listrik 40 – 60 W. Masing-masing hasil uji coba disajikan pada Tabel 4.

 

Table 4. Berbagai pemanfaatan biogas untuk rumah tangga.

Pemanfaatan Lumpur [Slurry] Buangan Reaktor

Lumpur [bio-slurry]adalah produk akhir reaktor biogas dan memiliki bentuk cairan kental dengan proporsi 80 – 90 % cairan dan 10 – 20 % padatan. Lumpur ini merupakan sisa dekomposisi senyawa organik yang terdapat dalam limbah kopi dan kaya unsur-unsur kimiawi alami yang sangat bermanfaat untuk kegiatan pertanian. Secara kimiawi, komposisi lumpur keluaran reaktor biogas disajikan pada Tabel 5 berikut,

 

Tabel 5. Kandungan Hara Limbah Biogas Kotoran Sapi

Beberapa kegunaan lumpur reaktor biogas adalah dalam aspek,

1. Kandungan C yang relatif tinggi berperan untuk meningkatkan ketersediaan C-organik didalam tanah.
2. Unsur-unsur makro, seperti C, N, P, K, Ca, Mg dan SO₄ yang sangat dibutuhkan untuk pertumbuhan dan produksi
3. Senyawa organik berfungsi sebagai “soil conditioner” yang menjadikan kondisi tanah lebih gembur, memperbaikiaerasi udara, mempermudah penetrasi akar ke dalam tanah dan meningkatkan kapasitas cekaman air dalam tanah.

Gambar 5 merupakan ilustrasi metoda distribusi lumpur biogas ke areal kebun kopi dengan memanfaatkan drum yang ditempatkan di atas gerobak tarik. Lumpur dipompa dari bak keluaran biogas ke drum di gerobak dengan pompa yang digerakkan oleh motor berbahan bakar biogas.  Pengeluaran lumpur secara periodik diperlukan sesuai dengan kebutuhan pemupukan tanaman. Selain itu, secara teknis lumpur dari reaktor akan menjadikan subtrat dalam reaktor tercampur lebih homogen dan pengurangi pembentukan endapan padatan di dasar reaktor. Jika dibiarkan terlalu lama, endapan akan mengeras dan mengganggu aliran lumpur menuju bak keluaran.

Pengadukan Substrat Dalam Reaktor

Secara alami, produksi biogas cenderung fluktuatif yang ditunjukkan oleh perubahan posisi ketinggian cungkup penutup reaktor. Gejala ini disebabkan oleh terganggunya proses pelepasan biogas ke dalam sungkup [ruang penyimpan gas] akibat terbentuknya padatan di atas permukaan larutan. Diduga senyawa-senyawa organik yang belum atau sulit terurai oleh mikroba mengapung dan membentuk lapisan keras yang sulit ditembus oleh molekul biogas yang terbentuk di bawahnya. Hal ini bisa diatasi dengan menggerakkan cungkup ke kanan-kiri secara periodik. Pengaduk akan memecah lapisan penghalang tersebut untuk memberikan akses biogas menuju dan terkumpul di dalam cungkup. Pengaduk disatukan dengan tutup [cungkup] reaktor yang dihubungkan dengan tuas [as]. Pada saat pada terisi biogas, cungkupakan mengapung dan mudah dapat diputar kekiri-kekanan. Sirip-sirip pengaduk yang terendam larutan di dalam reaktor akan mendorong dan menggeser posisi larutan sehingga lapisan padatan terpecah.

 

REFERENSI

1. Kusnandar [2010]. Pengaruh Dosis Dan Interval Pemberian Pupuk Cair Limbah

BiogasKotoran Sapi Terhadap  Pertumbuhan Bibit Kopi Robusta  (Coffea canephora Pierrevar. robusta Chevall). Jurusan Budidaya Pertanian Fakultas Pertanian. Universitas Islam Jember.

2. Sri Mulato & Edy Suharyanto [2009]. Pemanfaatan Limbah Kebun dan Pabrik

Pengolahan Kopi untuk Produksi Biogas. Simposium Kopi 2009. Hotel Nusa Dua.