Produksi Biogas dari Limbah Kulit Buah Kopi dan Aplikasi Campuran Garam Asam Amino sebagai Promotor Larutan MDEA untuk Absorpsi CO2 pada Pemurnian Gas

Iswanto, Toto (2019) Produksi Biogas dari Limbah Kulit Buah Kopi dan Aplikasi Campuran Garam Asam Amino sebagai Promotor Larutan MDEA untuk Absorpsi CO2 pada Pemurnian Gas. Doctoral thesis, Institu Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 02211660010006-Doctoral.pdf Restricted to Repository staff only Download (7MB) | Request a copy

Abstract

Proses pengolahan buah kopi selalu menghasilkan residu berupa limbah kulit buah kopi yang dapat menyebabkan masalah lingkungan serius ketika melimpah dan tidak dimanfaatkan secara optimal. Limbah kulit kopi dapat dijadikan sebagai bahan baku untuk produksi metana. Namun, mengubah limbah kulit buah kopi menjadi gas metana secara komersial masih menghadapi tantangan, dimana keberadaan lignin dan zat inhibitor proses fermentasi metana seperti kafein, tannin, dan fenol bebas masih menjadi batasan pemanfaatan limbah tersebut. Selain itu, kemurnian dari biogas yang dihasilkan selalu menjadi kendala dalam optimasi pemanfaatannya karena mengandung gas karbondioksida (CO2) sebagai produk gas utama dalam biogas selain metana (CH4). Pada penelitian ini, perlakuan awal secara biologis oleh konsorsium mikroba dari feses luwak (Paradoxurus hermaphroditus atau Asian Palm Civet) telah diselidiki apakah mampu mengurangi inhibitor tersebut dan karenanya dapat meningkatkan biodegradasi kulit kopi. Limbah kulit kopi hasil perlakuan awal kemudian difermentasi menggunakan mikroba dari kotoran sapi dan cairan rumen sebagai starter biogas. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perlakuan awal secara biologis tersebut berperan dalam menurunkan lignin sebesar 35% dan senyawa inhibitor lebih dari 96%. Degradasi substrat kulit kopi hasil perlakuan awal selama fermentasi menunjukkan peningkatan yang signifikan dibanding tanpa perlakuan awal, dimana fermentasi kulit kopi hasil perlakuan awal yang dikombinasikan dengan inokulum kotoran sapi atau cairan rumen dapat menghasilkan volume biogas yang lebih tinggi dengan konsentrasi metana >70% daripada hasil fermentasi dari kulit kopi tanpa perlakuan awal. Lebih lanjut, penelitian ini berkaitan dengan isolasi bakteri pendegradasi kafein yang diperoleh dari kotoran luwak dengan menggunakan media agar selektif berkafein, caffeinated-agar medium (CAM), dimana kafein dijadikan sebagai satu-satunya sumber karbon dan nitrogen untuk proses metabolisme isolat. Bakteri ini berguna untuk berbagai aplikasi bioteknologi terutama dalam meningkatkan potensi pemanfaatan limbah berkafein dan menghasilkan bahan kimia bernilai tinggi. Seleksi bakteri potensial telah dilakukan dengan menggunakan CAM yang mengandung kafein dengan konsentrasi 1,5 hingga 10 g/l. Identifikasi molekuler berdasarkan urutan gen 16S rRNA telah dilakukan untuk mengidentifikasi bakteri terpilih. Berdasarkan urutan gen 16S rRNA dan analisis filogenetik, bakteri tersebut berasal dari 5 spesies Gram-negatif, yaitu Pseudomonas japonica, Methylobacterium populi, Raoultella ornithinolytica, Klebsiella quasipneumoniae, dan Stenotrophomonas chelatiphaga.
Alternatif lain untuk perlakuan awal limbah kulit buah kopi yakni alkalin hidrogen peroksida (AHP) diikuti dengan perlakuan awal menggunakan cairan rumen telah diterapkan pada limbah tersebut untuk menghilangkan lignin dan senyawa inhibitor. Pada perlakuan awal menggunakan AHP, desain penelitian berdasarkan Taguchi ortogonal telah digunakan untuk menganalisis berbagai efek waktu, suhu, dan dosis hidrogen peroksida. Hasil penelitian menunjukkan bahwa faktor yang signifikan pada proses perlakuan awal menggunakan AHP adalah dosis H2O2 > waktu > suhu. Selanjutnya, limbah kulit kopi hasil perlakuan awal menggunakan AHP diolah lebih lanjut menggunakan cairan rumen sapi dan diinkubasi selama 48 jam pada suhu 37 oC, yang bermanfaat untuk meningkatkan nilai kecernaan bahan kering dan konsentrasi gula reduksi dan asam-asam lemak mudah menguap. Selama perlakuan awal menggunakan cairan rumen ini, tiga filum dengan kelimpahan relatif tinggi, milik bacteroidetes, firmicutes, dan verrucomicrobia, teridentifikasi menggunakan MiSeq next-generation sequencer. Pada hari terakhir fermentasi uji batch, volume metana yang dihasilkan dari limbah kulit kopi hasil dari perlakuan awal AHP-cairan rumen adalah 5 kali lebih tinggi daripada tanpa perlakuan awal. Secara keseluruhan, hasil menunjukkan bahwa pretreatment AHP mampu menyediakan substrat yang dapat dicerna oleh mikroba cairan rumen sapi untuk menghasilkan prekursor metana, yang mengarah pada peningkatan hasil metana dengan waktu pencernaan yang lebih cepat selama proses produksi biogas.
Dalam upaya mendapatkan pelarut untuk penyerapan CO2 pada pemurnian biogas, larutan methyldiethanolamine (MDEA) telah dipilih karena memiliki muatan CO2 yang tinggi namun laju penyerapan terhadap CO2 yang rendah. Oleh karena itu, garam asam amino dipilih untuk menjadi alternatif sebagai promotor dalam meningkatkan laju penyerapan larutan MDEA terhadap CO2. Dalam penelitian ini, kinetika penyerapan CO2 ke dalam larutan MDEA 40% bepromotor 1% dan 5% (b/b) campuran 2 jenis garam asam amino telah diselidiki dengan menggunakan wetted wall column (WWC) pada rentang suhu 303,15 hingga 323,15 K. Garam asam amino yang dipakai adalah garam kalium dari arginin, asam glutamat dan glisin. Pengaruh rasio campuran dari promotor tersebut pada laju reaksi dan sifat fisikokimia diselidiki berdasarkan pada rezim cepat pseudo-firstorder. Reaksi antara CO2 dan asam amino dijelaskan dengan mekanisme zwitterionik. Larutan MDEA tanpa promotor ditetapkan sebagai larutan kontrol. Hasil penelitian menunjukkan bahwa promotor campuran telah mempengaruhi peningkatan laju penyerapan CO2 ke dalam larutan MDEA dibandingkan dengan larutan kontrol dan larutan MDEA dengan hanya menggunakan promotor tunggal karena adanya interaksi antara promotor. Selain itu, konstanta laju reaksi keseluruhan, kov, meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi promotor campuran dan suhu pada kisaran variabel yang diselidiki.
===================================================================================================================================
Coffee processing always generates a residue of coffee-pulp waste (CPW) that can, where abundant and not be optimally utilized, cause a serious environmental problem. CPW can be used as the feedstock for methane production. However, converting CPW to methane commercially still has a challenge, where the presence of lignin and the inhibitor compounds of methane fermentation such as caffeine, tannin and free phenol in CPW become major limiting in its utilization. Moreover, the purity of produced biogas is always an obstacle in optimizing its utilization because it contains carbon dioxide (CO2) as the main gas product in biogas other than methane (CH4). This study aimed to investigate whether biological pretreatment by the consortium microbes from luwak feces (Paradoxurus hermaphroditus or Asian Palm Civet) was able to reduce those inhibitors and therefore increase biodegradation of CPW. The pretreated CPW was used together with the microbes from cow dung and rumen fluid as seed culture for biogas production. The results showed that biological pretreatment played a role in decreasing the lignin content by 35% and the inhibitor by more than 96%. Degradation of pretreated CPW showed significant improvement than that without pretreatment, where fermentation of pretreated CPW combined with cow dung or rumen fluid could produce higher biogas volume with a methane concentration more than 70% than that which was resulted from un-pretreated CPW. Moreover, the present study deals with the isolation of caffeine-degrading bacteria obtained from the luwak feces using the selective caffeinated-agar medium (CAM) where caffeine as a sole source of carbon and nitrogen for their metabolism. These bacteria are useful for various biotechnological applications especially in increasing the potential utilization of caffeinated wastes and producing the high-value chemicals. Screening of the potential bacteria has been done using CAM-supplemented with 1.5 to 10 g/l of caffeine. Molecular identification based on 16S rRNA gene sequence was performed to identify the selected bacteria. Based on 16S rRNA gene sequence and phylogenetic analysis, those bacteria were from 5 Gram-negative species, namely
Pseudomonas japonica, Methylobacterium populi, Raoultella ornithinolytica,
Klebsiella quasipneumoniae, and Stenotrophomonas chelatiphaga.
Another alternative of pretreatment of CPW, alkaline hydrogen peroxide (AHP) followed by rumen fluid pretreatment, had been applied to coffee pulp waste to remove lignin and those inhibitor compounds. In AHP pretreatment, Taguchi orthogonal test was used to analyze the multiple effects of various variabels; time, temperature, and dosage of hydrogen peroxide. The results reveal that the significant factor for AHP pretreatment process was dosage of H2O2 > pretreatment time > temperature. Subsequently, AHP pretreated coffee pulp was treated by rumen fluid and incubated for 48 h at 37 oC, which resulted in significant value of dry matter digestability and the concentration of reducing sugar and volatile fatty acids. During rumen fluid pretreatment, three phyla with high relative abundance, belonging to Bacteroidetes, Firmicutes, and Verrucomicrobia, were identified using MiSeq next-generation sequencer. At the final day of batch test fermentation, methane volume produced from the sequential pretreated cofee pulp was 5 times higher than that without pretreatment. Overall, the results revealed that the AHP pretreatment was able to provide digestable substrate by the rumen fluid microbes to produce methane precursors, leading to the increase of methane yield with faster digestion time during its production process.
In attempt to find solvents in CO2 absoprtion in biogas purification, methyldiethanolamine (MDEA) was used due to its high CO2 loading capacity and and slow absorption kinetics with CO2. Therefore, amino acid salt can be a promising alternative as the promoter for increasing the absorption rate of MDEA toward CO2. In this study, the kinetics of CO2 absorption into an aqueous 40 wt% equivalent methyldiethanolamine (MDEA) solution promoted by 1% and 5 wt% (w/w) of mixed of two kinds of amino acid salts was performed using a wetted wall column (WWC) at temperatures from 303.15 to 323.15 K. These amino acid salts were potassium salt of arginine, glutamic acid and glycine. Effect of various mixture ratios of those promoters on the reaction rate parameters and its physicochemical properties was investigated based on the fast pseudo-first-order regime. The reaction between CO2 and amino acid was described with the zwitterionic mechanism. Aqueous MDEA without promoter was set as the control. The result revealed that the mixed promoter has affected to increase CO2 absorption rate into the aqueous MDEA solution compared with the control and the solution with the addition of single promoter only due to the interaction between two promoters. In addition, the overall reaction rate constant, kov, increased with the increase of mixed promoter concentration and temperature under the investigated range.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	asam amino,cairan rumen, kinetika absorpsi CO2, alkalin hidrogen peroksida, identifikasi mikroba, kotoran luwak, kotoran sapi
Subjects:	S Agriculture > S Agriculture (General) > S494.5.D58 Diversification T Technology > TD Environmental technology. Sanitary engineering > TD195.B56 Biomass energy T Technology > TD Environmental technology. Sanitary engineering > TD756.45 Anaerobic treatment T Technology > TD Environmental technology. Sanitary engineering > TD899 Waste control in special industries, plants, processes, etc T Technology > TP Chemical technology > TP248.3 Biochemical engineering. Bioprocess engineering T Technology > TP Chemical technology > TP359 Biogas
Divisions:	Faculty of Industrial Technology > Chemical Engineering > 24001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Dr. Toto Iswanto
Date Deposited:	21 Jul 2026 06:46
Last Modified:	21 Jul 2026 06:46
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/70636

Actions (login required)

View Item