Aerobic Mono dan CO- Digestion Makroalga dan Residu Industri Rumput Laut: Kajian Potensi Metana Spesifik dan Estimasi Carbon, Energy, dan Nutrient Footprint

Elviliana, - and STP., M.Env.Mgt, PhD, Sri Suhartini and MP, Dr. Ir. Nur Hidayat (2023) Aerobic Mono dan CO- Digestion Makroalga dan Residu Industri Rumput Laut: Kajian Potensi Metana Spesifik dan Estimasi Carbon, Energy, dan Nutrient Footprint. Magister thesis, Universitas Brawijaya.

Abstract

Produksi makroalga di Indonesia menempati urutan kedua setelah negara China, dengan kuantitas sebesar 12 juta ton, yang diikuti negara Korea dan Filiphina. Cultivated Gracillaria Verrucosa (CGv) menjadi salah satu spesies makroalga budidaya terbanyak dengan jumlah produksi di tahun 2018 mencapai 1,12 juta ton. Hasil budidaya makroalga tersebut terbagi dalam kualitas tinggi, sedang, dan rendah. Makroalga kualitas tinggi dan sedang digunakan untuk bahan baku industri, sedangkan kualitas rendah akan dibuang ke laut. Pembuangan tanpa pengolahan secara terus menerus ini akan memberikan dampak negatif terhadap lingkungan. Di sisi lain, sebanyak 39,000 ton produk per tahun secara global dihasilkan oleh industri pengolah makroalga. Dari aktivitas tersebut, khususnya di Indonesia sebanyak 8 juta m3 limbah padat dan cair dihasilkan. Penanganan terhadap limbah tersebut hingga saat ini adalah dengan pemanfaatannya sebagai pupuk cair. Kedua substrat, makroalga kualitas rendah dan limbah industrinya berpotensi dijadikan bahan baku produksi biogas karena memiliki kandungan organik yang cukup memadai. Teknologi anaerobic digestion (AD) sebagai sistem konversi energi baru dan terbarukan yang sudah mumpuni tidak hanya menghasilkan biogas, namun digestate dapat dimanfaatkan kembali menjadi pupuk organik cair atau padat. Luaran tersebut dari biogas plant memberikan dua luaran yang dapat memberikan nilai ekonomis yang tinggi dan juga memberikan akses energi bersih darinya. Karakteristik substrat yang optimal hanya menjadi salah satu suksesnya pengoperasian biogas plant. Faktor utama lainnya adalah optimasi substrat melalui codigestion dan dukungan teknikal termasuk kerja para operator. Sehingga, pengotimasian perlu dilakukan dengan pemodelan untuk memperoleh kondisi optimum dalam membangun biogas plant dan untuk menghindari kesalahan overload dari operator. Pemodelan AD dapat dilakukan dengan variasi material kontruksi biogas plant seperti concrete atau steel, input organic loading rate (OLR), serta pemanfaatan biogas. Penentuan parameter dilakukan sesuai dengan kondisi akan diproyeksikannya plant sehingga hasil pemodelan dapat memberikan masukan positif kepada industri. Penelitian ini dilakukan dengan dua tahapan yaitu tahap pertama dalam skala laboratorium dan pemodelan carbon, energy, nutrient (CEN) balance sebagai tahap kedua. Tahap pertama penelitian dimulai dengan karakterisasi substrat untuk mengetahui kandungan biokimia (analisa proksimat, ultimat, rasio C/N, dan konduktivitas) dari tiap biomassa sebelum dan sesudah biochemical methane potential test (BMP). Pengujian karakterisasi susbtrat ini menunjukkan bahwa CGv memiliki sifat inhibitor pada AD yaitu nilai tinggi pada kandungan sulfur, lignin, hemiselulosa, dan tingginya salinitas. Secara keseluruhan, hasil karakterisasi menunjukkan bahwa substrat SIR sebagai kandidat yang memiliki potensi tertinggi sebagai biogas. Uji BMP untuk mengetahui potensi produksi metana spesifik dilakukan menggunakan automatic methane potential test system (AMPTS) II selama 28 hari dengan kondisi mesofilik dan diperoleh 0.173 m3CH4/kg VSadded dari substrat SIR, 0.063 m3CH4/kg VSadded dari substrat CGv:SIR (88:12), dan 0.056 m3CH4/kg VSadded dari substrat CGv. Substrat SIR memberikan hasil potensi produksi tertinggi dan pengujian ini menunjukkan bahwa nilai potensi metana codigestion lebih rendah daripada mono digestion. Hal tersebut disebabkan oleh kondisi rasio yang tidak optimum dan adanya inhibitor pada substrat CGv. Dilakukan juga pengujian kualitas digestate untuk melihat potensi sebagai biofertilizer dan diperoleh nilai N sebesar 0.030-0.069%, nilai P sebesar 0.014-0.032% dan K sebesar 0.345-0.437%. Rendahnya nilai nutrisi pada digestate dapat diatasi dengan pemberian bahan aditif lainnya. Tahap kedua yaitu pemodelan AD menggunakan AD assessment tool dengan skenario combined heat and power (CHP) dan biogas upgrading (BU) dalam variasi organic loading rate (OLR) 3, 4, dan 5 kg VS/m3/hari, bahan kontruksi, dan penggunaan digestate. Diperoleh nilai estimasi CEN balance sebesar 0.021-0.431 ton CO2 eq, 0.155-2.707 MJ/kg TS, 0.124-25.515% net emisi nutrisi NPK. Nilai neraca energi yang dihasilkan tidak masuk dalam hasil potensi biogas dari susbtrat lainnya (pertanian dan tanaman energi). Nilai estimasi untuk emisi dan juga nutrisi menunjukkan bahwa sistem AD berbahan makroalga dan/atau residu industri rumput laut dapat mengurangi emisi gas rumah kaca. Perlakuan terbaik dari pemodelan AD ini adalah skenario SIR_ETS_3 yaitu substrat SIR, skenario AD-CHP, material steel, kondisi simple, dan OLR 3 kg VS/m3/hari. Pengujian skala laboratorium dan pemodelan AD menunjukkan hasil tertinggi yang sama yaitu pada substrat SIR. Hal ini dapat disebabkan oleh kandungan organik yang mencukupi (nilai lignin terendah dan selulosa tertinggi) dibandingkan substrat lainnya. Penelitian ini menemukan bahwa substrat makroalga CGv berkualitas rendah dan residu industri rumput laut (SIR) melalui anaerobic mono digestion serta kombinasi keduanya dalam anaerobic co-digestion (AcD) memiliki potensi untuk menghasilkan biogas. Ke depannya, perlu dilakukan pengujian rasio lain dalam AcD dan pemberian pre-treatment pada substrat CGv untuk mempemudah biodegradasi oleh mikroorganisme AD.

English Abstract

Macroalgae production in Indonesia ranks second after China, with a quantity of 12 million tons, followed by Korea and the Philippines. Cultivated Gracillaria Verrucosa (CGv) is one of the most cultivated macroalgae species with total production in 2018 reaching 1.12 million tonnes. The results of the macroalgae cultivation are divided into high, medium, and low quality. Macroalgae of high and medium quality are used for industrial raw materials, while low quality will be disposed of into the sea. Disposal without proper treatment will have a negative impact on the environment. On the other hand, 39,000 tons of products per year globally are produced by the macroalgae processing industry. From these activities, especially in Indonesia, 8 million m3 of solid and liquid waste was generated. Until now, this waste has been handled by using it as liquid fertilizer. The low-quality macroalgae and their industrial waste have the potential to be used as raw materials for biogas production because they have sufficient organic content. Anaerobic digestion (AD) technology as a renewable energy conversion system capable of producing biogas and digestate can be reused into liquid or solid organic fertilizer. The output of biogas plant provides two outputs that can provide high economic value and provide access to clean energy from it. Optimal substrate characteristics are only part of the successful operation of a biogas plant. Another major factor is the optimization of the substrate through co-digestion and technical support, including the operators' work. Thus, optimization needs to be done with modeling to obtain optimum conditions in building a biogas plant and to avoid operator overload errors. AD modeling can be done with various biogas plant construction materials such as concrete or steel, organic input loading rate (OLR), and biogas utilization. Parameters are determined according to the projected plant conditions so that the modeling results can provide positive input to the industry. This research was conducted in two stages: the first stage on a laboratory scale and carbon, energy, and nutrient (CEN) balance modeling as the second stage. The first stage of the research began with the characterization of the substrate to determine the biochemical content (proximate, ultimate, C/N ratio, and conductivity analysis) of each biomass before and after the biochemical methane potential test (BMP). This substrate characterization test showed that CGv has inhibitory properties in AD, namely high values for sulphur, lignin, hemicellulose, and high salinity. Overall, the characterization results show that the SIR substrate is a candidate that has the highest potential as biogas. The BMP test to determine the specific methane production potential was carried out using the automatic methane potential test system (AMPTS) II for 28 days under mesophilic conditions and obtained 0.173 m3CH4/kg VSadded from the SIR substrate, 0.063 m3CH4/kg VSadded from the CGv:SIR substrate (88:12), and 0.056 m3CH4/kg VSadded of CGv substrate. The SIR substrate has the highest production potential, and this test showed that methane's co-digestion potential value is lower than mono-digestion. This was caused by the ratio conditions that were not optimal and the presence of inhibitors on the CGv substrate. Digestate analysis was also carried out to see its potential as a biofertilizer and obtained N values of 0.030-0.069%, P values of 0.014-0.032%, and K values of 0.345-0.437%. The low nutritional value of the digestate can be overcome by adding other additives. The second stage is AD modeling using the AD assessment tool with combined heat and power (CHP) and biogas upgrading (BU) scenarios in organic loading rate (OLR) variations of 3, 4, and 5 kg VS/m3/day, construction materials, and use digestate. The estimated value of the CEN balance is 0.021-0.431 ton CO2 eq, 0.155-2.707 MJ/kg TS, 0.124-25.515% net emission of NPK nutrients. The resulting energy balance value is not included in the potential yield of biogas from other substrates (agriculture and energy crops). The estimated emissions and nutrient values show that AD systems based on macroalgae and/or seaweed industrial residues can reduce greenhouse gas emissions. The best treatment for AD modeling is the SIR_ETS_3 scenario, namely SIR substrate, AD-CHP scenario, steel material, simple conditions, and OLR 3 kg VS/m3/day. Laboratory scale testing and AD modeling showed the same highest results on SIR substrates. This can be caused by sufficient organic content (the lowest lignin value and the highest cellulose) compared to other substrates. This study found that low-quality macroalgae CGv substrates and industrial seaweed residues (SIR) via anaerobic mono digestion and the combination of both in anaerobic co-digestion (AcD) have the potential to produce biogas. Furthermore, it is necessary to test other ratios in AcD and provide pre-treatment on CGv substrates to promote biodegradation by AD microorganisms.

Item Type:	Thesis (Magister)
Identification Number:	0423100005
Uncontrolled Keywords:	Makroalga, Residu industri rumput laut, Biogas, codigestion, Pemodelan, Macroalgae, Residues of seaweed industry, Biogas, codigestion, Modeling
Subjects:	300 Social sciences > 338 Production > 338.1 Agriculture
Divisions:	S2/S3 > Magister Teknik Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian
Depositing User:	soegeng sugeng
Date Deposited:	17 May 2023 01:15
Last Modified:	12 Feb 2024 06:31
URI:	http://repository.ub.ac.id/id/eprint/199719

Text (DALAM MASA EMBARGO) Elviliana.pdf Restricted to Registered users only until 31 December 2025. Download (7MB)

Actions (login required)

View Item