Potensi ampas tebu sebagai bahan baku produksi biogas di Nigeria

Abstrak
Minat pemerintah Nigeria dalam memperluas sektor gula telah meningkatkan produksi tebu secara signifikan, menghasilkan produk sampingan ampas tebu yang substansial tanpa strategi pengelolaan limbah yang memadai. Studi ini meneliti potensi ampas tebu sebagai bahan baku biogas dengan mengintegrasikan survei sosial ekonomi terhadap 120 petani tebu di Negara Bagian Oyo, Nigeria, dan eksperimen pencernaan anaerobik di laboratorium. Survei tersebut mengungkapkan bahwa 74,2% petani menyatakan kesediaan untuk mengadopsi teknologi biogas, yang secara signifikan dipengaruhi oleh tingkat pendidikan (rasio peluang (OR) = 7,08), persepsi (OR = 12,72) dan pengalaman bertani (OR = 1,12), sedangkan usia memiliki efek negatif (OR = 0,94). Dalam eksperimen laboratorium, pencernaan anaerobik ampas tebu saja menghasilkan kandungan metana maksimum sebesar 53,7%, sementara co-digesti dengan kotoran sapi mencapai 53,8%, meskipun analisis statistik menunjukkan tidak ada perbedaan yang signifikan ( P  = 0,841) dalam produksi biogas kumulatif antara perlakuan ini. Temuan ini menyoroti perlunya intervensi kebijakan yang tepat sasaran, termasuk pendidikan petani dan keterlibatan pemuda, untuk meningkatkan adopsi teknologi biogas dan pemanfaatan ampas tebu yang efisien, berkontribusi terhadap pembangkitan energi berkelanjutan dan peningkatan pengelolaan limbah di Nigeria.

Perkenalan
Energi sangat penting untuk pertumbuhan ekonomi, pembangunan, dan pengentasan kemiskinan. Di banyak bagian dunia, pasokan energi yang tidak memadai membatasi perluasan ekonomi, membatasi kegiatan sosial ekonomi, dan mengurangi kualitas hidup. Nigeria, meskipun menjadi produsen minyak terbesar di Afrika dengan cadangan gas alam yang besar, menghadapi tantangan energi yang signifikan. Kapasitas pembangkitan listrik negara itu, saat ini sekitar 4025 MW, 1 tetap tidak mencukupi untuk populasinya yang terus bertambah lebih dari 210 juta. Perkiraan menunjukkan bahwa konsumsi energi Nigeria dapat mencapai 250,84 MTOE pada tahun 2030, 2 yang mencerminkan perluasan industri dan demografi yang sedang berlangsung di negara itu. Kerugian ekonomi yang terkait dengan kekurangan listrik diperkirakan mencapai USD 26 miliar per tahun, dengan tambahan USD 22 miliar dihabiskan untuk bahan bakar generator di luar jaringan. 3 Sekitar 40% penduduk Nigeria tidak memiliki akses ke listrik. 4 Akibatnya, sektor industri dan banyak rumah tangga bergantung pada sumber energi alternatif, seringkali swasta, untuk memenuhi kebutuhan mereka.

Nigeria memiliki sumber daya energi terbarukan yang cukup besar, termasuk tenaga air, radiasi matahari, angin, pasang surut dan energi biomassa, namun ini masih sangat kurang dimanfaatkan. 5 , 6 Misalnya, Nigeria memiliki potensi teknis untuk tenaga surya fotovoltaik sebesar 210 GW, dengan mempertimbangkan hanya 1% dari lahan yang sesuai dapat digunakan untuk pengembangan proyek, 7 dan memiliki potensi tenaga air teknis sebesar 24.000 MW ditambah 3.500 MW dalam tenaga air kecil, 8 di samping potensi energi biomassa yang substansial. 6 Khususnya, Nigeria menghasilkan sekitar 542,5 juta ton limbah organik setiap tahun, yang mampu menghasilkan sekitar 25,53 miliar m 3 biogas, setara dengan 169.541,66 MWh energi. 9 Mengintegrasikan sumber-sumber energi terbarukan ini secara efisien ke dalam bauran energi Nigeria dapat mengurangi defisit saat ini dan menstabilkan pasokan energi nasional.

Biogas, yang sebagian besar terdiri dari metana (CH₄) dan karbon dioksida (CO₂), diproduksi melalui pencernaan anaerobik substrat organik dan biasanya harus menjalani pemurnian untuk meningkatkan konsentrasi metana sebelum digunakan sebagai bahan bakar kendaraan atau disuntikkan ke jaringan gas alam. 10 , 11 Produksi biogas bervariasi tergantung pada karakteristik bahan baku, terutama dipengaruhi oleh rasio karbon terhadap nitrogen (C/N), dengan kisaran optimal biasanya antara 20:1 dan 30:1 untuk mempertahankan aktivitas mikroba anaerobik yang efisien. 12

Tebu, tanaman pertanian utama di Nigeria, secara tradisional dibudidayakan untuk produksi gula dan etanol. Antara tahun 2018 dan 2022, produksi tebu rata-rata Nigeria sekitar 1.526.144 ton, dengan rata-rata area panen 86.588 ha, menghasilkan hasil rata-rata sekitar 52,2 ton per hektar. 13 Meskipun ada upaya pemerintah dan investasi sektor swasta yang ditujukan untuk meningkatkan produktivitas dan memperluas area budidaya, tantangan tetap ada, termasuk irigasi yang tidak memadai, akses terbatas ke input modern dan biaya produksi yang tinggi. 14 Biasanya, fasilitas industri gula di Nigeria memanfaatkan ampas tebu untuk pembangkitan energi di tempat. Namun, praktik ini tidak konsisten di seluruh wilayah, dan sejumlah besar ampas tebu masih kurang dimanfaatkan, terutama di tempat-tempat yang fasilitas industrinya tidak ada atau tidak berfungsi, sehingga menimbulkan tantangan pengelolaan limbah dan lingkungan yang signifikan.

Meskipun Nigeria memiliki industri gula yang berkembang, infrastrukturnya tidak merata, dengan sebagian besar fasilitas pemrosesan gula yang beroperasi terpusat di wilayah utara tempat budidaya tebu skala komersial lazim dilakukan. Sebaliknya, wilayah selatan, meskipun menghasilkan sebagian besar tebu, tidak memiliki pabrik gula yang berfungsi penuh, sehingga membatasi kapasitas lokal untuk memanfaatkan ampas tebu melalui pembakaran industri. 15 Akibatnya, ampas tebu dalam jumlah besar dibuang atau dibakar secara tidak efisien, menimbulkan risiko lingkungan dan merupakan peluang yang hilang untuk pemulihan energi. Menurut FAS Lagos, konsumsi gula Nigeria pada tahun pemasaran 2021/2022 sekitar 1,6 juta metrik ton, sedikit lebih rendah dari tahun sebelumnya meskipun populasi negara itu meningkat lebih dari 3% setiap tahunnya. Kesenjangan antara permintaan yang meningkat, kapasitas pemrosesan yang belum berkembang, dan perbedaan regional dalam infrastruktur memperkuat kebutuhan untuk mengeksplorasi solusi tingkat pertanian yang terdesentralisasi, seperti produksi biogas dari ampas tebu—untuk mengurangi limbah dan meningkatkan akses energi pedesaan.

Penelitian sebelumnya telah menetapkan bahwa ampas tebu menimbulkan tantangan sebagai bahan baku mono-digesti karena kandungan lignoselulosanya yang tinggi dan rasio C/N yang tinggi, yang menghambat aktivitas mikroba dan menyebabkan rendahnya hasil metana. Namun, penelitian telah menunjukkan bahwa teknik pra-perlakuan seperti ledakan uap atau hidrolisis alkali secara signifikan meningkatkan kecernaan, meningkatkan hasil metana hingga 20–50%. 16 , 17 Co-digesti ampas tebu dengan substrat kaya nitrogen seperti pupuk kandang terbukti lebih mudah diakses dan hemat biaya dalam banyak konteks. Misalnya, Bohutskyi et al. 18 dan Pan et al. 19 melaporkan peningkatan hasil metana dan stabilitas proses ketika ampas tebu dicerna bersama dengan pupuk kandang atau limbah kaya nutrisi lainnya, karena peningkatan keseimbangan C/N dan kapasitas penyangga.

Di Nigeria, tren serupa telah diamati, meskipun dalam skala yang lebih kecil. Mashi 20 menemukan bahwa pencernaan bersama ampas tebu dengan kotoran sapi menghasilkan produksi biogas yang lebih tinggi dibandingkan dengan pencernaan tunggal, sekaligus menghindari pengasaman proses. Meskipun ada hasil teknis yang menggembirakan ini, penerapannya masih rendah karena terbatasnya kesadaran, kurangnya keahlian teknis, dan tidak adanya kebijakan yang mendukung atau insentif finansial. Strategi pemerintah seperti Rencana Induk Gula terutama berfokus pada produksi, mengabaikan pengelolaan produk sampingan. Tanpa integrasi ke dalam kebijakan energi terbarukan atau dukungan untuk sistem biogas yang terdesentralisasi, ampas tebu terus kurang dimanfaatkan.

Dengan menyadari peluang-peluang ini, penelitian ini mengevaluasi potensi ampas tebu khususnya sebagai bahan baku untuk produksi biogas di Nigeria. Dengan menyelidiki kelayakan pendekatan ini, penelitian ini bertujuan untuk menentukan kondisi pencernaan anaerobik yang optimal, menyelidiki faktor penentu sosial-ekonomi yang memengaruhi keinginan petani tebu untuk mengadopsi teknologi biogas, dan mengidentifikasi hambatan praktis terhadap adopsi yang meluas. Mengatasi masalah-masalah ini dapat menginformasikan intervensi kebijakan yang ditargetkan, meningkatkan akses energi di masyarakat pedesaan, dan mendukung tujuan transisi energi berkelanjutan di Nigeria.

Bahan dan metode
Daerah studi
Ampas tebu yang digunakan dalam penelitian ini bersumber dari perkebunan yang berlokasi di Akufo, Negara Bagian Oyo, Nigeria. Negara Bagian Oyo merupakan wilayah pertanian yang dikenal sebagai penghasil tanaman pangan dan tanaman komersial. Wilayah ini meliputi 33 wilayah pemerintahan daerah di tiga zona agro-ekologi (hutan hujan, sabana turunan, dan sabana), yang menyediakan lanskap beragam yang ideal untuk penelitian ini.

Penentuan populasi dan ukuran sampel
Penelitian ini melibatkan sampel 120 petani tebu dari Akufo, Ibadan, yang dipilih menggunakan metode simple random sampling. Total populasi petani tebu di area penelitian adalah sekitar 200 petani, dan ukuran sampel yang dibutuhkan (120) dihitung menggunakan rumus sampel standar dengan mempertimbangkan margin kesalahan sebesar 0,05.

Pengumpulan data
Data primer dikumpulkan melalui survei cross-sectional menggunakan kuesioner semi-terstruktur yang dikembangkan berdasarkan tujuan penelitian dan tinjauan literatur yang relevan. Kuesioner tersebut mencakup rincian demografi, karakteristik pertanian, persepsi petani dan kemauan adopsi. Kuesioner tersebut telah diuji coba terlebih dahulu dan disempurnakan berdasarkan umpan balik dari diskusi kelompok fokus dengan petani lokal. Data yang dikumpulkan mencakup faktor demografi, sosial ekonomi, biofisik dan kelembagaan yang relevan dengan produksi tebu dan adopsi teknologi biogas. Petugas sensus terlatih memberikan kuesioner secara langsung kepada 120 petani tebu yang dipilih secara acak di Negara Bagian Oyo, Nigeria. Data sekunder melengkapi analisis dari artikel yang ditinjau sejawat, laporan pemerintah, dan statistik resmi. Salinan kuesioner dan ikhtisar hasil disediakan sebagai Materi Tambahan ( S1 dan S2 ).

Uji batch biogas
Penelitian ini juga mencakup eksperimen laboratorium untuk mengkaji hasil biogas dari ampas tebu dari area penelitian dengan berbagai strategi pencernaan.

Perlakuan awal ampas tebu
Ampas tebu menjalani pra-perlakuan mekanis, melalui penghancuran dalam penggiling kopi, untuk meningkatkan aksesibilitas mikroba dengan mengganggu struktur lignoselulosa.

Inokulum dan kotoran sapi
Inokulum diperoleh dari stasiun biogas di Červené Janovice (Republik Ceko), diayak untuk menghilangkan partikel yang lebih besar dari 1 mm, dan disimpan dalam kondisi anaerobik pada suhu ruangan selama lebih dari 7 hari untuk mengurangi produksi metana endogen. Kotoran sapi yang bersumber dari peternakan di Universitas Ilmu Hayati Ceko digunakan sebagai ko-substrat.

Total padatan dan padatan volatil
Total padatan (TS) dan padatan volatil (VS) untuk semua substrat ditentukan menggunakan protokol yang dijelaskan oleh Drosg. 21 Penentuan TS melibatkan pengeringan sampel pada suhu 105°C selama 24 jam, sedangkan VS ditentukan dengan membakar sampel kering pada suhu 550°C selama 2 jam. Kandungan TS dan VS dihitung menggunakan persamaan standar dan dirata-ratakan dari pengukuran rangkap tiga untuk memastikan keakuratan. Nilai-nilai tersebut kemudian digunakan untuk menentukan volume dan rasio yang tepat dari setiap substrat yang digunakan dalam bioreaktor, menurut pedoman Jerman VDI 4630. 22

Desain uji batch
Tiga percobaan batch pencernaan anaerobik (AD) paralel dilakukan dalam rangkap tiga. Batch pertama (SB) berisi ampas tebu dan inokulum yang dicampur dalam rasio 15:85. Batch kedua (SBCM) berisi ampas tebu, pupuk kandang sapi, dan inokulum dalam rasio 13:2:85. Batch ketiga hanya berisi inokulum (INC), yang berfungsi sebagai kontrol. pH dari ketiga pengujian batch diukur untuk memastikan stabilitas.

Semua kelompok diinkubasi dalam bioreaktor 2 L yang tertutup rapat pada suhu mesofilik 38°C. Kondisi mesofilik dipilih karena stabilitas operasionalnya, konsumsi energi yang lebih rendah dibandingkan dengan sistem termofilik, dan kesesuaian untuk mempertahankan komunitas mikroba yang konsisten, terutama saat memproses substrat lignoselulosa seperti ampas tebu. 23 Parameter uji dari ketiga kelompok disajikan dalam Tabel 1 .

Tabel 1. Parameter pengujian batch dengan substrat yang berbeda.

Pengukuran biogas
Produksi biogas diukur menggunakan metode perpindahan air seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 , dengan volume biogas dikumpulkan dan dicatat setiap hari. pH dipantau secara berkala untuk menjaga stabilitas. Komposisi gas, khususnya konsentrasi metana, dianalisis menggunakan alat analisis biogas portabel (BIOGAS 5000, Geotech, Inggris), yang memberikan akurasi dalam ±1% untuk pengukuran metana. Percobaan disimpulkan setelah 38 hari, ketika produksi metana harian turun di bawah 0,5% dari produksi metana kumulatif di semua batch, seperti yang dijelaskan dalam pedoman Jerman VDI 4630. 22

Spesifikasi model empiris
Analisis regresi logistik dilakukan untuk menilai kemauan petani dalam mengadopsi teknologi biogas. Model regresi logistik biner memperkirakan probabilitas adopsi berdasarkan variabel penjelas (usia, tingkat pendidikan, jumlah anggota rumah tangga, pengalaman bertani, pendapatan, dan persepsi), menggunakan metode kemungkinan maksimum untuk estimasi parameter. 24 Pemilihan variabel-variabel ini dipandu oleh studi empiris sebelumnya yang meneliti faktor-faktor yang memengaruhi adopsi teknologi dalam konteks pertanian dan energi terbarukan. 25 – 32 Variabel-variabel ini merupakan penentu sosial ekonomi, infrastruktur, dan persepsi utama yang sering dikutip dalam literatur sebagai faktor yang memengaruhi keputusan adopsi petani terkait sistem biogas.

Analisis statistik
Analisis varians satu arah (ANOVA) dilakukan untuk membandingkan hasil biogas di seluruh kelompok, dengan signifikansi ditetapkan pada tingkat keyakinan 95%. Regresi logistik dilakukan menggunakan SPSS untuk memeriksa faktor-faktor yang memengaruhi keinginan petani untuk mengadopsi sistem biogas.

Hasil dan Pembahasan
Karakteristik sosial ekonomi dan demografi responden
Petani tebu yang disurvei seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2 sebagian besar laki-laki (65%) dengan mayoritas (>50%) berusia antara 35 dan 55 tahun. Ini menunjukkan norma regional bahwa laki-laki sering berperan sebagai pencari nafkah utama dalam rumah tangga pertanian, sejalan dengan temuan oleh Onah et al., 33 yang mencatat bahwa laki-laki biasanya menganggap peran ini sejalan dengan norma budaya dan tradisional. Sebagian besar responden sudah menikah (76,7%), yang menunjukkan bahwa kewajiban dan stabilitas keluarga dapat memengaruhi keterbukaan mereka terhadap teknologi baru. Sementara sekitar 36% memiliki pendidikan menengah, sebagian besar (24,2%) tidak memiliki sekolah formal. Rata-rata, petani memiliki 15 tahun pengalaman bertani, meskipun sekitar setengahnya memiliki <10 tahun pengalaman, yang menunjukkan keragaman petani berpengalaman dan relatif baru.

Tabel 2. Statistik deskriptif responden.

Pendapatan pertanian bulanan rata-rata rendah (€111), dengan lebih dari 80% berpenghasilan kurang dari €150 per bulan. Demografi ini mengungkapkan bahwa populasi studi kami terdiri dari petani kecil dengan sumber daya keuangan terbatas. Faktor sosial ekonomi seperti itu penting ketika mempertimbangkan adopsi biogas. Misalnya, pengambilan keputusan yang didominasi laki-laki dan pendapatan rendah dapat memengaruhi investasi dalam sistem biogas. Khususnya, penelitian sebelumnya di Nigeria menunjukkan bahwa peran gender dan norma budaya sangat membentuk keputusan pertanian. 34 Perbedaan gender dalam produktivitas pertanian, seperti yang disoroti oleh Bello et al., 34 sering kali berasal dari peran dan pembagian kerja yang ditentukan secara budaya. Dominasi laki-laki dalam pertanian dapat memfasilitasi adopsi biogas jika kepala rumah tangga laki-laki yakin akan manfaatnya, tetapi itu juga berarti bahwa penting untuk melibatkan perempuan, yang mewakili 35% responden, untuk memastikan bahwa inisiatif biogas bersifat inklusif.

Sebagian besar petani tebu (77,5%) menjual hasil panen mereka ke pengecer; 16,7% menanam sendiri dan 5,8% menjual langsung ke konsumen di pasar. Hal ini sesuai dengan penelitian lain yang telah melaporkan prevalensi pertanian tebu skala kecil di Nigeria.35 Jadi, agar adopsi biogas berbasis ampas tebu dapat dilakukan di kalangan petani ini, mekanisme atau pengaturan kolaboratif dengan fasilitas pemrosesan gula dan pengecer akan sangat penting.

Hal ini juga dapat dikaitkan dengan tren penurunan konsumsi gula akhir-akhir ini, dengan konsumsi gula per kapita pada tahun 2020 sekitar 8 kg, jauh lebih rendah dari rata-rata global sekitar 36 kg per orang. Masalah kesehatan mendorong banyak orang, terutama mereka yang berada di golongan berpenghasilan menengah, untuk mencari pemanis alternatif seperti madu. 15

Penggunaan energi rumah tangga dan kesadaran akan teknologi biogas
Penggunaan energi rumah tangga saat ini di antara responden sangat bergantung pada biomassa tradisional dan bahan bakar fosil. Arang (35%) dan kayu bakar (31,7%), merupakan bahan bakar memasak yang paling umum, diikuti oleh minyak tanah (19,2%) dan LPG (12,5%). Sebaliknya, energi terbarukan modern memiliki penetrasi yang sangat sedikit dengan hanya sekitar 2% petani yang melaporkan menggunakan tenaga surya. Temuan ini sejalan dengan penelitian sebelumnya yang dilakukan di Nigeria, yang menunjukkan bahwa bahan bakar tradisional masih merupakan sumber energi yang paling banyak digunakan, meskipun sumber energi terbarukan tersedia. Data Terbuka Bank Dunia 36 mengungkapkan bahwa sekitar 55% penduduk perkotaan di Nigeria tidak memiliki akses ke bahan bakar dan teknologi bersih untuk memasak.

Di satu sisi, hal ini menunjukkan adanya potensi kebutuhan akan sumber energi alternatif dan lebih berkelanjutan seperti teknologi biogas, dan di sisi lain, mungkin ada penolakan untuk mengadopsi teknologi baru. Selain itu, meluasnya penggunaan bahan bakar tradisional dapat menunjukkan kurangnya infrastruktur dan sumber daya yang diperlukan untuk menerapkan dan memelihara sistem biogas, yang juga dapat menghambat keinginan untuk mengadopsi teknologi ini.

Kesadaran umum tentang biogas relatif tinggi di kalangan petani karena 83,3% pernah mendengar tentang teknologi biogas dan konsep dasarnya. Hal ini menunjukkan bahwa upaya penjangkauan tentang bioenergi telah memberikan dampak. Akan tetapi, kedalaman pengetahuan terbatas. Banyak petani tidak menyadari, misalnya, bahwa ampas tebu dapat diubah menjadi energi di lahan pertanian, yang menunjukkan adanya kesenjangan pengetahuan dalam aplikasi biogas secara spesifik. Kesenjangan ini konsisten dengan laporan oleh Yaradua dan Bello 37 bahwa petani Nigeria hanya memiliki pengetahuan yang dangkal tentang biogas dan manfaatnya.

Meskipun ada kesenjangan ini, persepsi petani terhadap biogas sebagai solusi energi pada umumnya positif. Dalam survei kami, sebagian besar responden setuju bahwa biogas dapat membantu meningkatkan akses energi pedesaan dan pengelolaan limbah. Meskipun demikian, beberapa kesalahpahaman dan kekhawatiran masih ada. Misalnya, banyak petani tidak menyadari bahwa biogas dapat digunakan untuk menghasilkan listrik, dengan lebih dari setengahnya menyatakan ketidakpastian atau ketidakpercayaan pada hal ini. Ini adalah kesalahpahaman yang penting, karena biogas memang dapat menggerakkan generator atau turbin mikro untuk menghasilkan listrik 38 dalam sistem skala kecil dan besar. Beberapa responden juga menyimpan keraguan tentang kelayakan finansial dan keamanan biogas, yang mencerminkan kekhawatiran akan biaya awal yang tinggi atau kompleksitas pemeliharaan digester. Temuan ini menekankan perlunya proyek pendidikan dan demonstrasi yang terarah. Studi sebelumnya telah mengidentifikasi kurangnya pengetahuan teknis sebagai hambatan utama untuk adopsi biogas 39 . Program pelatihan dapat menekankan bagaimana sistem biogas yang sederhana dan berbiaya rendah dapat beroperasi dengan aman dan menghemat uang untuk bahan bakar, seperti yang telah dicatat dalam upaya penjangkauan baru-baru ini di Nigeria. Secara keseluruhan, meningkatkan kesadaran dan pemahaman akan menjadi penting untuk mengubah minat pasif menjadi adopsi aktif.

Kemauan untuk mengadopsi biogas dan faktor-faktor yang mempengaruhinya
Yang menggembirakan, sebagian besar petani (74,2%) menyatakan kesediaan untuk mengadopsi biogas jika tersedia. Tingkat minat yang tinggi ini menunjukkan basis pengguna potensial yang substansial untuk program biogas pedesaan. Untuk memahami pendorong di balik kesediaan ini, kami melakukan analisis regresi logistik yang meneliti faktor sosial-ekonomi dan persepsi. Hasilnya, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3 , menunjukkan bahwa empat faktor secara signifikan memengaruhi peluang petani untuk bersedia mengadopsi biogas: tingkat pendidikan; pengalaman bertani; persepsi biogas; dan usia. Pendidikan tinggi dengan rasio peluang (OR) sebesar 7,08 merupakan salah satu prediktor terkuat, di mana petani dengan setidaknya pendidikan menengah jauh lebih mungkin menjadi pengadopsi yang bersedia daripada mereka yang tidak memiliki pendidikan formal. Hal ini sejalan dengan beberapa penelitian, termasuk penelitian Ruzzante et al., 40 yang menemukan bahwa pendidikan meningkatkan kemampuan petani untuk memahami teknologi baru dan manfaatnya, sehingga mereka lebih mungkin untuk mengadopsinya. Hal ini memberi tahu kita bahwa petani yang berpendidikan mungkin lebih mengenali manfaat biogas atau memiliki lebih banyak paparan terhadap inovasi pertanian baru.

Tabel 3. Hasil regresi logistik kesediaan pemanfaatan ampas tebu untuk biogas.

Catatan : * dan ** signifikan pada level 1% dan 5%; −2 log likelihood, 78,661; Cox & Snell R 2 , 0,363; Nagelkerke R 2 , 0,542; χ 2 , 54,058.

Dari hasil ini, jelas bahwa intervensi pendidikan harus menjadi prioritas dalam mempromosikan teknologi biogas. Pemerintah dan organisasi nonpemerintah dapat menyediakan program pelatihan yang terarah, khususnya di daerah pedesaan, yang tingkat pendidikannya mungkin lebih rendah. Program pelatihan ini harus berfokus tidak hanya pada aspek teknis biogas, tetapi juga pada keuntungan ekonomi dan lingkungannya. Para pembuat kebijakan juga dapat mengintegrasikan pendidikan biogas ke dalam layanan penyuluhan pertanian yang lebih luas, memastikan bahwa petani memperoleh informasi yang cukup tentang teknologi tersebut. Misalnya, menggabungkan pendidikan biogas ke dalam program literasi pertanian nasional dapat meningkatkan tingkat adopsi, seperti yang telah ditunjukkan oleh Kebede et al. 41 dalam inovasi pertanian lainnya.

Demikian pula, persepsi positif terhadap biogas (OR = 12,72) memiliki efek yang jelas karena petani yang sangat yakin akan manfaat biogas memiliki peluang kemauan yang jauh lebih tinggi. Dengan demikian, mempromosikan manfaat nyata biogas dapat secara langsung memengaruhi niat adopsi yang lebih besar. Persepsi positif juga dapat didukung melalui subsidi atau insentif yang menurunkan biaya awal, seperti yang ditekankan oleh Roumani et al., 42 yang melaporkan bahwa insentif mungkin efektif dalam meningkatkan niat perilaku untuk mencoba teknologi baru. Pengalaman bertani juga memiliki dampak yang sederhana tetapi positif, dengan setiap tahun tambahan pengalaman sedikit meningkatkan kemungkinan petani untuk mengadopsi biogas (OR = 1,12 per tahun). Petani yang berpengalaman mungkin lebih menghargai manfaat praktis dari pengelolaan residu pertanian dan lebih mampu mengintegrasikan biogas ke dalam kegiatan pertanian mereka yang ada. Sebaliknya, usia menunjukkan pengaruh negatif, karena petani yang lebih tua umumnya lebih ragu untuk mengadopsi teknologi baru dibandingkan dengan petani yang lebih muda, yang biasanya menerima inovasi lebih awal. Temuan ini sejalan dengan literatur yang lebih luas tentang adopsi inovasi di bidang pertanian, di mana usia sering ditemukan memengaruhi keterbukaan terhadap teknologi baru.43 – 45 Oleh karena itu, strategi penjangkauan harus secara khusus menargetkan petani yang lebih muda dan lulusan pertanian baru-baru ini dengan melibatkan mereka dalam proyek demonstrasi biogas. Antusiasme dan pengalaman sukses mereka dapat secara efektif memotivasi rekan-rekan yang lebih tua untuk mengadopsinya.

Perlu dicatat bahwa beberapa faktor tidak signifikan secara statistik dalam model kami. Secara khusus, pendapatan rumah tangga dan jumlah anggota keluarga tidak secara signifikan memengaruhi keinginan untuk mengadopsi biogas. Tidak adanya pengaruh pendapatan, meskipun pendapatan responden umumnya rendah, menunjukkan bahwa petani tidak mengevaluasi adopsi biogas hanya berdasarkan keterjangkauan langsung. Hal ini mungkin mencerminkan kesadaran yang terbatas tentang persyaratan investasi di muka atau pengakuan oleh petani berpenghasilan rendah tentang potensi biogas untuk penghematan jangka panjang, seperti pengurangan biaya bahan bakar dan pupuk. 46 , 47

Namun, hal ini tidak berarti bahwa biaya tidak relevan; bahkan petani yang berminat kemungkinan akan memerlukan bantuan keuangan atau desain sistem biogas berbiaya rendah untuk beralih dari keinginan ke adopsi aktual. 46 Demikian pula, tidak pentingnya ukuran rumah tangga, meskipun ada harapan bahwa rumah tangga yang lebih besar mungkin mendapat manfaat lebih banyak dari biogas karena permintaan energi yang lebih tinggi, menunjukkan faktor-faktor mendasar yang kompleks. Keluarga yang lebih besar memang dapat memperoleh manfaat yang lebih besar, tetapi pada saat yang sama menghadapi kendala keuangan atau keterbatasan sumber daya, yang mempersulit korelasi langsung. 28 Studi terkini menekankan bahwa manfaat sistem biogas bersifat jangka panjang dan menyebar, yang berpotensi menjelaskan mengapa metrik langsung seperti pendapatan saat ini atau ukuran rumah tangga menunjukkan korelasi yang terbatas atau tidak langsung dengan keinginan adopsi. 47

Oleh karena itu, intervensi kebijakan tidak boleh berasumsi bahwa hanya petani kaya yang akan mengadopsi biogas. Faktanya, menyediakan pembiayaan mikro, subsidi, atau digester komunitas dapat membuat biogas dapat diakses oleh petani berpenghasilan rendah dan rumah tangga besar, yang akan memperoleh keuntungan paling banyak dalam hal keringanan biaya bahan bakar. Secara keseluruhan, analisis kami menunjukkan bahwa peningkatan pendidikan dan persepsi petani tentang biogas akan menghasilkan dorongan terbesar untuk adopsi, dan bahwa upaya khusus diperlukan untuk melibatkan petani yang lebih tua dan lebih tradisional. Penjangkauan dan pelatihan seperti lokakarya dan pertanian demonstrasi harus difokuskan pada pendidikan petani tentang cara kerja sistem biogas dan mengatasi persepsi atau ketakutan negatif apa pun. Langkah-langkah tersebut, dikombinasikan dengan pelibatan kaum muda dan pertimbangan insentif keuangan, dapat menerjemahkan keinginan yang dinyatakan tinggi menjadi implementasi teknologi biogas yang sebenarnya di lapangan.

Produksi biogas dari ampas tebu di antara batch
Dalam percobaan pencernaan anaerobik di laboratorium, kedua perlakuan menghasilkan biogas dengan kandungan metana sekitar 53–54% seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Ampas tebu saja menghasilkan konsentrasi metana puncak sebesar 53,7%, sedangkan digester ampas tebu–pupuk kandang mencapai 53,8% CH₄. Meskipun batch co-digestion (SBCM) menunjukkan produksi biogas kumulatif yang sedikit lebih tinggi, ANOVA satu arah menunjukkan tidak ada perbedaan yang signifikan secara statistik antara kedua perlakuan ( P  = 0,841).

Dengan demikian, penambahan sedikit kotoran sapi tidak secara signifikan meningkatkan produksi biogas secara keseluruhan dari ampas tebu dalam kondisi percobaan kami. Ini merupakan hasil yang tidak terduga, karena pencernaan bersama sering dilaporkan dapat meningkatkan hasil biogas dengan menyediakan campuran nutrisi yang lebih seimbang untuk aktivitas mikroba. 19 , 48 – 50

Dalam pengujian batch kami seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4 , ampas tebu saja (SC) menunjukkan potensi yang kuat untuk produksi biogas, mencapai hasil bersih 416,6 L/kg VS biogas dan 216,8 L/kg VS metana, setara dengan 216,8 Nm3 CH₄ ·ton −1 . Batch co-digestion (SBCM), yang menggabungkan ampas tebu dengan kotoran sapi, menghasilkan hasil bersih yang sedikit lebih tinggi yaitu 434,8 L/kg VS biogas dan 225,4 L/kg VS metana (225,4 Nm3 CH₄ ·ton −1 ). Meskipun co-digestion (SBCM) menunjukkan hasil yang sedikit lebih tinggi, analisis statistik tidak mengungkapkan perbedaan yang signifikan ( P  > 0,05) dalam hasil metana keseluruhan antara kedua perlakuan.

Tabel 4. Hasil biogas dan metana dari ketiga batch.

SBCM, ampas tebu, kotoran sapi dan inokulum; SC, ampas tebu.

Temuan kami dengan demikian menunjukkan bahwa ampas tebu, bahkan tanpa substrat pendamping, merupakan bahan baku yang layak untuk produksi biogas, mencapai sekitar 50–60% dari hasil metana khas dari substrat ideal seperti pupuk kandang atau limbah makanan, yang sering menghasilkan sekitar 200–300 Nm 3 CH₄·ton −1 dalam kondisi optimal. 51 – 53 Pencernaan pendamping dengan 13% pupuk kandang, meskipun tidak meningkatkan volume gas total, memengaruhi dinamika pencernaan. Kami mengamati bahwa batch SBCM memiliki laju produksi biogas awal yang lebih cepat, karena volume gas mencapai puncaknya pada hari ke-1–2 pada volume yang lebih tinggi daripada batch yang hanya menggunakan ampas, dan mempertahankan produksi metana sedikit lebih lama dalam periode pencernaan.

Dalam 3–5 hari pertama, keberadaan kotoran sapi dalam digester SBCM menyebabkan fermentasi yang lebih cepat pada komponen yang mudah terurai, sedangkan digester SB, meskipun juga menunjukkan puncak lebih awal, mengalami penurunan produksi gas yang lebih nyata setelah lonjakan awal. Meskipun demikian, pada akhir periode 38 hari, digester yang hanya menggunakan ampas tebu berhasil mengejar ketertinggalan dalam produksi biogas kumulatif, sehingga menghasilkan paritas yang kami amati.

Kurangnya peningkatan bersih yang signifikan dari co-digestion dapat dijelaskan dengan mempertimbangkan komposisi ampas tebu dan proporsi pupuk kandang yang ditambahkan. Rasio C/N ampas tebu dilaporkan antara 65:1 dan 100:1, 16 , 54 jauh di atas kisaran optimal 20–30:1 untuk pencernaan anaerobik. 16 , 55 C/N yang begitu tinggi berarti bahwa nitrogen adalah nutrisi yang membatasi; populasi mikroba tidak dapat sepenuhnya mengonsumsi karbon karena kekurangan nitrogen untuk membangun protein dan enzim, yang menyebabkan degradasi yang lebih lambat. Co-digesting dengan pupuk kandang dimaksudkan untuk memasok nitrogen tambahan dan nutrisi lainnya. Namun, dalam percobaan kami fraksi pupuk kandang relatif kecil (13% dari total campuran bahan baku berdasarkan berat kering). Penambahan bahan kaya N yang sederhana ini tidak cukup untuk menyesuaikan C/N keseluruhan ke zona optimal. Bahkan setelah menambahkan kotoran sapi, gabungan C/N pakan mungkin tetap jauh di atas 40:1, sehingga tidak secara mendasar mengubah keseimbangan nutrisi yang membatasi mikroba.

Beberapa literatur menunjukkan bahwa proporsi pupuk kandang (atau ko-substrat kaya N lainnya) yang jauh lebih tinggi diperlukan untuk mengoptimalkan pencernaan substrat C tinggi. Misalnya Pan et al. 19 melaporkan bahwa co-digesti batang semu pisang, ampas tebu dan pupuk kandang ayam meningkatkan hasil metana hingga 122,6% dibandingkan mono-digesti, menunjukkan bahwa campuran nutrisi C/N yang seimbang meningkatkan produksi biogas. Selain itu, Tanimu et al. 56 menemukan bahwa co-digesti residu tanaman dengan pupuk kandang menghasilkan peningkatan hasil metana ketika campuran mencapai rasio C/N yang seimbang. Demikian pula, Bohutskyi et al. 18 menunjukkan bahwa co-digesti biomassa alga yang tumbuh di air limbah dengan biomassa selulosa yang miskin nitrogen meningkatkan rasio C/N bahan baku dan secara signifikan meningkatkan hasil metana, memperkuat pentingnya penyeimbangan nutrisi dalam sistem anaerobik. Namun, Chao et al. 57 tidak menemukan peningkatan saat mencerna kulit pisang dengan pupuk kandang, skenario yang serupa dengan skenario kami. Tampaknya untuk meningkatkan produksi biogas dari ampas tebu melalui pencernaan bersama, seseorang mungkin memerlukan setidaknya rasio 1:1 (50% atau lebih) pupuk kandang atau sumber nitrogen yang setara untuk menurunkan C/N hingga 30:1. Dengan 13% pupuk kandang yang digunakan di sini, sistem tetap kekurangan nitrogen, sehingga pencernaan bersama gagal menghasilkan hasil yang lebih tinggi secara statistik. Salah satu implikasi praktisnya adalah jika ampas tebu akan digunakan untuk biogas di pertanian, petani mungkin perlu mencampurkan pupuk kandang atau amandemen nitrogen lainnya seperti kotoran unggas atau urea dalam jumlah besar untuk mencapai peningkatan produksi gas yang signifikan.

Alasan lain mengapa pencernaan bersama tidak secara statistik mengungguli batch yang hanya menggunakan ampas tebu bisa jadi adalah sifat bahan organik ampas tebu yang membandel. Ampas tebu kaya akan selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Lignin, khususnya, membungkus serat selulosa dan hemiselulosa dan memperlambat hidrolisisnya oleh mikroba anaerobik. Sementara praperlakuan penghancuran mekanis meningkatkan luas permukaan dan membuat bahan lebih halus, hal itu tidak menghilangkan lignin atau mengubah struktur polimer dasar ampas tebu. 58 Akibatnya, sebagian besar selulosa dan hemiselulosa dalam ampas tebu mungkin tetap tidak dapat diakses atau hanya dapat dicerna secara lambat oleh mikroba. Hal ini dapat sangat membatasi hasil biogas. Secara umum, tanpa praperlakuan yang efektif, pencernaan anaerobik dari residu lignoselulosa mentah yang dihasilkan gagal mencapai potensi metana penuhnya, 59 karena enzim tidak dapat dengan mudah menembus matriks lignin-karbohidrat. Dalam percobaan kami, fakta bahwa pencernaan bersama tidak jauh lebih baik daripada pencernaan tunggal menunjukkan bahwa langkah yang membatasi laju adalah biodegradasi ampas tebu itu sendiri, bukan ada atau tidaknya pupuk kandang. Pupuk kandang mungkin telah menyediakan beberapa bahan organik yang mudah dicerna dan mikroba tambahan, tetapi sebagian besar ampas tebu tetap tahan terhadap degradasi dalam kondisi tertentu.

Sumardiono et al. 60 menunjukkan bahwa penerapan praperlakuan alkali ringan pada ampas tebu secara nyata meningkatkan potensi biogasnya. Dalam penelitian mereka, ampas tebu direndam dalam 2% NaOH selama 24 jam untuk menghilangkan lignin dan menggembungkan serat, dan kemudian dicerna bersama dengan sekitar 20% isi rumen sapi yang berfungsi sebagai inokulum/ko-substrat yang kaya akan mikroba. Pengaturan praperlakuan kimia ini menghasilkan hasil biogas sekitar 51,04 L per kg substrat, yang secara signifikan lebih tinggi daripada hasil dari ampas tebu yang tidak diolah. Perlakuan soda kaustik melarutkan sebagian lignin dan mengganggu struktur serat, membuat lebih banyak selulosa yang dapat diakses untuk fermentasi. Demikian pula, Bohutskyi et al. 61 melaporkan bahwa penggunaan praperlakuan oksidatif termal yang kuat (oksidasi basah) pada aliran limbah lignoselulosa menyebabkan peningkatan sekitar dua kali lipat dalam hasil metana dibandingkan dengan tanpa praperlakuan. Dalam kasus tersebut, oksidasi suhu tinggi memecah bahan organik yang membandel (seperti limbah halaman), sehingga secara drastis meningkatkan pencernaan anaerobik berikutnya. Sebaliknya, praperlakuan mekanis minimal yang digunakan dalam penelitian kami mungkin tidak cukup untuk mewujudkan potensi energi penuh dari ampas tebu. Penggilingan saja tidak dapat mengatasi penghalang lignin secara signifikan; penggilingan hanya dapat mengekspos sedikit lebih banyak area permukaan.

Stabilitas proses dan kualitas biogas dalam mono- vs. co-digestion
Sementara volume biogas kumulatif SB dan SBCM setara, digester SBCM menunjukkan parameter proses yang lebih stabil selama percobaan. Secara khusus, digester co-digestion mempertahankan pH yang sedikit lebih tinggi dan lingkungan yang lebih terbuffer daripada digester yang hanya menggunakan ampas tebu. Kedua digester, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 , tetap berada dalam kisaran pH yang baik (pH awal ~7,7, berakhir sekitar 7,8), tetapi sistem ampas tebu murni menunjukkan sedikit lebih banyak pengasaman di awal, mungkin karena akumulasi asam lemak volatil dari fermentasi cepat gula hemiselulosa. Kotoran sapi di SBCM memberikan alkalinitas dan mikronutrien tambahan, yang membantu menstabilkan pH dan mencegah penurunan yang signifikan.

Ini sejalan dengan penelitian sebelumnya yang menekankan peran co-digestion dalam menyeimbangkan pH dan nutrisi. Luo dan Pradhan 62 melaporkan bahwa co-digestion limbah makanan dengan pupuk kandang menghasilkan proses pencernaan yang lebih stabil karena pasokan karbon dan nitrogen yang seimbang mendukung komunitas mikroba yang kuat. Selain itu, kandungan CO₂ dalam biogas sedikit lebih tinggi dalam kasus SBCM selama hari-hari produksi puncak, yang konsisten dengan pencernaan yang lebih lengkap dari komponen yang mudah terurai yang menghasilkan CO₂ dalam fase asidogenesis. Digester ampas tebu saja menghasilkan kadar H₂S yang sangat rendah, sedangkan co-digestion menghasilkan konsentrasi H₂S yang lebih tinggi, memuncak sekitar 180–200 ppm dalam pengujian kami meskipun kemudian menurun. Hal ini dapat dijelaskan oleh kandungan sulfur dalam pupuk kandang sapi. Pupuk kandang mengandung senyawa sulfur yang dapat diubah oleh bakteri pereduksi sulfat menjadi H₂S selama pencernaan. Dengan demikian, pencernaan tunggal ampas tebu menghasilkan biogas yang lebih bersih berkenaan dengan H₂S, yang menguntungkan karena H₂S bersifat korosif dan harus dihilangkan dari biogas untuk sebagian besar aplikasi. 63 Pencernaan bersama, selain meningkatkan stabilitas, juga memasukkan lebih banyak sulfur ke dalam digester dan dengan demikian lebih banyak H₂S ke dalam biogas.

Untungnya, tingkat H₂S yang diamati dengan co-digestion masih moderat dan dapat dikelola dengan metode pembersihan biogas yang umum, misalnya filter besi atau scrubber. 64 , 65 Temuan ini menunjukkan bahwa pilihan co-substrat dapat memengaruhi kualitas dan kuantitas biogas. Dalam skenario di mana sumber daya pemurnian gas terbatas, menjalankan digester bagasse murni dapat menghasilkan volume gas yang lebih rendah tetapi juga gas yang lebih mudah digunakan langsung untuk pemanasan atau mesin sederhana karena kandungan H₂S-nya yang sangat rendah. Di sisi lain, manfaat co-digestion dalam ketahanan proses mungkin lebih besar daripada kerugian dari H₂S yang lebih tinggi jika tujuannya adalah produksi metana maksimum dan H₂S dapat digosok.

Kesimpulan
Penelitian ini mengkaji potensi ampas tebu sebagai bahan baku biogas di Nigeria dengan meneliti keinginan petani untuk mengadopsi teknologi biogas dan faktor-faktor yang memengaruhi keputusan mereka. Hasil penelitian menunjukkan bahwa 74,2% petani bersedia menggunakan biogas jika tersedia, dengan tingkat pendidikan, persepsi, dan pengalaman bertani yang memengaruhi keinginan secara positif, sedangkan usia memiliki dampak negatif. Penelitian ini menyimpulkan bahwa meningkatkan kesadaran dan mendidik petani tentang manfaat produksi biogas dan ampas tebu sebagai sumber energi terbarukan dapat menjadi hal yang penting dalam mendorong adopsi dan pemanfaatan ampas tebu sebagai bahan baku biogas.

Percobaan pencernaan anaerobik menunjukkan bahwa pencernaan bersama ampas tebu dengan kotoran sapi meningkatkan produksi biogas dibandingkan dengan ampas tebu saja atau inokulum. Sementara pencernaan bersama menghasilkan volume gas awal tertinggi dan produksi metana berkelanjutan, analisis statistik (ANOVA) tidak mengungkapkan perbedaan signifikan dalam hasil biogas secara keseluruhan antara strategi fermentasi, yang menunjukkan perlunya pengoptimalan lebih lanjut dari kombinasi substrat untuk memaksimalkan produksi biogas.

Temuan-temuan ini memiliki implikasi penting bagi kebijakan dan praktik. Mengingat peran penting pendidikan dan persepsi dalam membentuk adopsi, pelatihan yang terarah dan layanan penyuluhan, khususnya bagi petani muda dan berpendidikan sedang, harus diprioritaskan. Proyek percontohan menggunakan ampas tebu dan co-substrat yang tersedia secara lokal dapat menunjukkan manfaat praktis dan membangun kepercayaan masyarakat. Untuk mengatasi hambatan biaya, para pembuat kebijakan dan pelaku sektor swasta harus mempertimbangkan untuk memperkenalkan subsidi, pembiayaan mikro, dan model biogas koperasi. Lebih jauh lagi, mengintegrasikan pencernaan anaerobik skala kecil ke dalam kebijakan energi pedesaan dan memastikan penjangkauan bersifat inklusif dapat mendukung transisi yang lebih luas dan adil menuju energi terbarukan di Nigeria.