Pengaruh Pengadukan terhadap Produksi Biogas pada Proses Metanogenesis Berbahan Baku Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit

PENGARUH PENGADUKAN TERHADAP

PRODUKSI BIOGAS PADA PROSES

METANOGENESIS BERBAHAN BAKU

LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT

SKRIPSI

Oleh

INTAN ZAHARA

090405004

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

JULI 2014

PENGARUH PENGADUKAN TERHADAP

PRODUKSI BIOGAS PADA PROSES

METANOGENESIS BERBAHAN BAKU

LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT

SKRIPSI

Oleh

INTAN ZAHARA

090405004

SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN

PERSYARATAN M ENJADI SARJANA TEKNIK

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

JULI 2014

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul:

PENGARUH PENGADUKAN TERHADAP PRODUKSI BIOGAS PADA PROSES METANOGENESIS BERBAHAN BAKU LIMBAH CAIR

PABRIK KELAPA SAWIT

dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya.

Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila dikemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku.

Medan, 16 Juli 2014

Intan Zahara NIM 090405004

PENGESAHAN

Skripsi dengan judul:

PENGARUH PENGADUKAN TERHADAP PRODUKSI BIOGAS PADA PROSES METANOGENESIS BERBAHAN BAKU LIMBAH CAIR

PABRIK KELAPA SAWIT

dibuat untuk melengkapi persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini telah diajukan pada sidang ujian skripsi pada 16 Juli 2014 dan dinyatakan memenuhi syarat/sah sebagai skripsi pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Mengetahui, Medan, 16 Juli 2014

Koordinator Skripsi Dosen Pembimbing

Ir.Renita Manurung, MT Ir.Bambang Trisakti, MT

NIP. 19681214 199702 2 002 NIP. 19660925 199103 2 003

Dosen Penguji I Dosen Penguji II

Dr.Ir.Fatimah, MT Dr.Eng.Rondang Tambun,MT

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan skripsi dengan judul “Pengaruh Pengadukan terhadap Produksi Biogas pada Proses Metanogenesis Berbahan Baku Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit”, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik.

Hasil penelitian ini:

 Penelitian ini membantu pengolahan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit secara anaerobik sehingga mengurangi pencemaran lingkungan.

 Penelitian ini memberikan sumbangan ilmu pengetahuan tentang energi terbarukan yaitu biogas dan teknik pengolahannya yang lebih efektif.

Selama melakukan penelitian sampai penulisan skripsi ini penulis banyak mendapat pengarahan dan bimbingan dari dosen pembimbing penulis. Untuk itu secara khusus penulis mengucapakan terima kasih dan penghargaan sebesar-besarnya kepada Bapak Ir. Bambang Trisakti, MT selaku pembimbing; ibu Dr. Ir Fatimah, MT dan bapak Dr. Eng. Rondang Tambun, MT selaku dosen penguji yang telah bamyak memberikan arahan dalam penyelesaian skripsi ini. Selain itu, ucapan terimakasih kepada seluruh pegawai Departemen Teknik Kimia yang telah banyak membantu.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Medan, Juli 2014 Penulis

DEDIKASI

Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada:

1. Kedua orang tua penulis, ayahanda Syamsuddin Halim dan ibunda Mahnita yang telah melakukan banyak hal dalam mendukung saya dalam menyelesaikan skripsi ini.

2. Teman-teman sekelompok penelitian; Herypasc, Wenny, Veronica, dan terkhusus Mahdalena sebagai patner penelitian yang telah banyak membantu dalam penelitian dan penyelesaian skripsi ini.

3. Teman-teman stambuk 2009, adik-adik,kakak senior yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

4. Saudara sekaligus sahabat terkasih Danil Tarmizi dan Tian Havwini yang telah banyak memberikan doa dan dukungan kepada penulis selama penelitian dan penyelesaian skripsi ini.

RIWAYAT HIDUP PENULIS

Nama: Intan Zahara NIM: 090405004

Tempat/Tgl. Lahir: Tanjung Pura, 08 Maret 1991 Nama orang tua: Syamsuddin Halim

Alamat orang tua:

Jalan Pangkalan Berandan, No. 7, Tanjung Pura

Asal Sekolah

 SD Swasta Dharma Patra Rantau, tahun 1997-2003  SMP Swasta Dharma Patra Rantau, tahun 2004-2007  SMA Negeri 1 Kejuruan Muda, tahun 2007-2009 Beasiswa yang pernah diperoleh :

1. Bantuan Belajar Mahasiswa (BBM) tahun 2010 2. Beasiswa Peduli Pendidikan tahun 2011

Pengalaman Organisasi/ Kerja:

1. Asisten Lab.PIK tahun 2012-2014 modul Reaktor Fasa Cair, Resin Urea Formaldehid, dan Esterifikasi

2. Covalen Study Group Periode 2011-2012 sebagai Anggota Bidang Peningkatan Akademik dan Literatur (PAL)

ABSTRAK

Penelitian ini merupakan pengkajian terhadap pengaruh pengadukan terhadap produksi biogas pada tahap metanogenesis. Adapun tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan pengaruh pengadukan terhadap produksi biogas, pH, alkalinitas, dan reduksi zat-zat organik (Total Solid (TS), Volatile Solid (VS), dan Chemical Oxygen Demand (COD)), mendapatkan kondisi pengadukan optimum dalam pembentukan biogas serta kondisi mikroorganisme dalam menghasilkan biogas yang dilihat dari Total Suspended Solid (TSS) dan Volatile Suspended Solid (VSS). Penelitian ini dilakukan proses loading up dengan HRT 0, 40, 10, 6 hari dan HRT 4 hari untuk variasi pengadukan. Substrat yang digunakan merupakan effluent Limbah Cair Pabrik kelapa Sawit (LCPKS) dari reaktor asidogenesis yang diumpankan 4 kali sehari, kemudian dilakukan analisa pH, alkalinitas, TS, VS, TSS, VSS, dan COD. Selain itu juga dilakukan analisa gas CO2 dan H2S. Dari hasil penelitian diperoleh bahwa pengadukan tidak berpengaruh terhadap nilai pH dan alkalinitas karena masih dalam rentang untuk proses metanogenesis. Nilai ΔTS dan ΔVS mengalami peningkatan secara signifikan pada pengadukan 100 rpm, hal ini sama dengan peningkatan produksi biogas pada pengadukan tersebut. Dari hasil juga didapat bahwa kadar TSS dan VSS meningkat dengan bertambahnya kecepatan pengadukan, kemudian nilai COD mengalami penurunan dengan bertambahnya hari dan kecepatan pengadukan serta tingkat penguraian COD tertinggi sebesar 81%.

ABSTRACT

This study is an assessment of the effect of stirring on biogas production on methanogenesis stage. The purpose of this study is to get the effect of stirring on biogas production, pH, alkalinity, and the reduction of organic substances (Total Solid (TS), Volatile Solid (VS), and Chemical Oxygen Demand (COD)), obtain optimum stirring conditions in the formation of biogas and microorganisms conditions in producing biogas as seen from the Total Suspended Solid (TSS) and Volatile Suspended Solid (VSS). This study conducted the process of loading up with HRT 0, 40, 10, 6 days and 4 days HRT for stirring variation. The substrate used is the Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) effluent from the asidogenesis reactor fed 4 times a day, then performed an analysis of pH, alkalinity, TS, VS, TSS, VSS, and COD. It also conducted an analysis of CO2 and H2S. The result showed that the agitation did not affect the pH and alkalinity because it is still within the range for methanogenesis process. ΔTS and ΔVS value increased significantly at 100 rpm stirring, it is equal to the increase in biogas production in the agitation. From the results also found that the levels of TSS and VSS increased with increasing stirring speed, then the COD value decreased with increasing the stirring speed and the highest COD and decomposition rate of 81%.

DAFTAR ISI

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i

PENGESAHAN ii

PRAKATA iii

DEDIKASI iv

DAFTAR RIWAYAT HIDUP v

ABSTRAK vi

ABSTRACT vii

DAFTAR ISI viii

DAFTAR GAMBAR xi

DAFTAR TABEL xiii

DAFTAR LAMPIRAN xiv

DAFTAR SINGKATAN xv

DAFTAR ISTILAH/SIMBOL xvi

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Perumusan Masalah 4

1.3 Tujuan Penelitian 5

1.4 Manfaat Penelitian 5

1.5 Ruang Lingkup Penelitian 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 7

2.1 Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) 7

2.2 Biogas 10

2.3 Fermentasi Anaerobik 14

2.4 Tahapan Metabolisme dalam Degradasi Anaerobik 16

2.4.1 Hidrolisis 16

2.4.2 Asidogenesis 17

2.4.3 Asetogenesis 19

2.4.4 Metanogenesis 19

2.5 Parameter Fermentasi Anaerobik 21

2.5.2 pH 23

2.5.3 Alkalinitas 23

2.5.4 Nutrisi 24

2.5.5 Logam Terlarut 24

2.5.6 Pengadukan 24

2.5.7 Zat Racun (Toxic) 27

2.5.8 Organic Loading Rate (OLR) 27

2.5.9 Hydraulic Retention Time (HRT) 27

2.6 Potensi Ekonomi 28

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 30

3.1 Lokasi Penelitian 30

3.2 Bahan dan Peralatan 30

3.2.1 Bahan 30

3.2.2 Peralatan 30

3.2.3 Rangkaian Peralatan 32

3.3 Prosedur Penelitian 33

3.3.1 Prosedur Utama 33

3.3.2 Prosedur Analisa Sampel 35

3.3.2 Prosedur Analisa Gas 44

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 32

4.1 Karakteristik Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) 47 4.2 Perubahan Nilai Derajat Keasaman (pH) dan Alkalinitas 48 4.3 Perubahan Nilai Total Solid (TS) dan Volatile Solid (VS) 50

4.4 Perubahan Nilai Produksi Biogas 53

4.5 Perubahan Nilai Total Suspended Solid (TSS) dan Volatile

Suspended Solid (VSS) 55

4.6 Penghilangan Senyawa Organik COD (Chemical Oxygen

Demand) 58

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 60

5.1 Kesimpulan 60

5.2 Saran 60

LAMPIRAN 1 66

LAMPIRAN 2 69

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Diagram Alir dari Proses Pembentukan Biogas 16 Gambar 2.2 Perbedaan Tipe dari Bakteri dalam Proses Pembentukan Metan 20 Gambar 2.3 Hubungan Nilai Biogas yang Bergantung pada Temperatur dan

HRT 22

Gambar 2.4 Sketsa Tangki berpengaduk Jenis Turbin denganAliran Radial 26

Gambar 3.1 Rangkaian Peralatan 32

Gambar 3.2 Blok Diagram Proses Metanogenesis dari Asam LCPKS Menjadi

Biogas 34

Gambar 3.3 Flowchart Analisa pH 35

Gambar 3.4 Flowchart Prosedur Analisa Alkalinitas 37 Gambar 3.5 Flowchart Prosedur Analisa Total Solid (TS) 39 Gambar 3.6 Flowchart Prosedur Analisa Volatile Solid (VS) 40 Gambar 3.7 Flowchart Prosedur Analisa Total Suspended Solid (TSS) 43 Gambar 3.8 Flowchart Prosedur Analisa Volatile Suspended Solid (VSS) 44

Gambar 3.9 Flowchart Prosedur Analisa Gas H2S 45

Gambar 3.10 Flowchart Prosedur Analisa Gas CO2 46 Gambar 4.1 Profil Perubahan Nilai pH dan Alkalinitas 49 Gambar 4.2 Pengaruh Pengadukan terhadap Perubahan Nilai pH 49 Gambar 4.3 Pengaruh Pengadukan terhadap Perubahan Nilai Alkalinitas 50 Gambar 4.4 Profil Pengurangan Nilai Total Solid (TS) 51 Gambar 4.5 Profil Pengurangan Nilai Volatile Solid (VS) 51 Gambar 4.6 Pengaruh Pengadukan terhadap Pengurangan Nilai Total Solid (TS)

52 Gambar 4.7 Pengaruh Pengadukan terhadapPengurangan Nilai Volatile

Solid (VS) 52

Gambar 4.8 Perubahan Nilai Produksi Biogas Per VS (kg/m3 VS) 54 Gambar 4.9 Pengaruh Pengadukan terhadap Produksi Biogas Per VS (kg/m3VS) 54 Gambar 4.10 Perubahan Nilai Total Suspended Solid (TSS) dan Volatile

Gambar 4.11 Pengaruh Pengadukan terhadap Perubahan Nilai Total Suspended

Solid (TSS) 56

Gambar 4.12 Pengaruh Pengadukan terhadap Perubahan Nilai Volatile Suspended

Solid (VSS) 57

Gambar 4.13 Pengaruh Pengadukan terhadap Perubahan Nilai Chemical Oxygen Demand (COD)

58 Gambar 4.14 Perubahan Nilai Efisiensi Penguraian Zat Organik (%COD) 59

Gambar L3.1 Fermentor 73

Gambar L3.2 Analisa pH dan Alkalinitas 73

Gambar L3.3 Analisa Analisa Total Solid (TS) dan Volatile Solid (VS) 74 Gambar L3.4 Analisa Analisa Total Suspended Solid (TSS) dan Volatile

Suspended Solid (VS) 74

Gambar L3.5 Gasmeter 75

Gambar L3.6 Analisa CO2 75

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Beberapa Penelitian mengenai Pengaruh Pengadukan terhadap

Produksi Biogas 3

Tabel 2.1 Karakteristik dari Palm Oil Mill Effluent (POME) 7 Tabel 2.2 Potensi Biogas yang Dihasilkan oleh Beberapa Substrat 8 Tabel 2.3 Baku Mutu Limbah Cair Industri Minyak Kelapa Sawit 9

Tabel 2.4 Karakteristik LCPKS Adolina 9

Tabel 2.5 Komponen Penyusun Biogas 10

Tabel 2.6 Komponen-komponen dalam Biogas dan Pengaruhnya 11 Tabel 2.7 Data Operasional dan Performance dari Design Reaktor

Berpengaduk untuk Substrat yang Berbeda 13

Tabel 2.8 Jenis Enzim dan Substrat yang Didegradasinya 17

Tabel 2.9 Contoh Produk Fermentasi Glukosa 18

Tabel 2.10 Jenis Bakteri Metanogen dan Sustrat yang Dimanfaatkannya 19 Tabel 2.11 Hubungan Reaksi untuk Metanogenesis 21

Tabel 2.12 Kondisi optimum Produksi Biogas 21

Tabel 2.13 Hubungan Temperatur dan HRT 22

Tabel 4.1 Karakteristik LCPKS Adolina 48

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN 1 DATA PENELITIAN 66

LAMPIRAN 2 CONTOH PERHITUNGAN 69

L2.1 Perhitungan Nilai Alkalinitas 69

L2.2 Perhitungan Total Solid (TS) 69

L2.3 Perhitungan Volatile Solid (VS) 69

L2.4 Perhitungan Total Suspended Solid (TSS) 70 L2.5 Perhitungan Volatile Suspended Solid (VSS) 70

L2.6 Perhitungan Nilai Densitas (ρ) 70

L2.7 Perhitungan Nilai Viskositas (μ) 71

L2.8 Perhitungan Bilangan Reynold (NRe) 72

LAMPIRAN 3 DOKUMENTASI 73

L3.1 Fermentor 73

L3.2 Analisa pH dan Alkalinitas 73

L3.3 Analisa Total Solid (TS) dan Volatile Solid (VS) 74 L3.4 Analisa Total Suspended Solid (TSS) dan Volatile Suspended Solid

(VSS) 74

L3.5 Gasmeter 75

L3.6 Analisa CO2 75

DAFTAR SINGKATAN

BOD Biological Oxygen Demand COD Chemical Oxygen Demand HRT Hydraulic Retention Time

LCPKS Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit OLR Organic Loading Rate

pH Power of Hydrogen POME Palm Oil Mill Effluent TS Total Solid

TSS Total Suspended Solid VS Volatile Solid

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Dimensi

CH4 Metana

CO2 Karbondioksida ppm

D Diameter Tangki m

NRe Bilangan Reynold

H2S Hidrogen Sulfida ppm

NaHCO3 Natrium Bikarbonat

ΔTS Perubahan Nilai TS mg/L

ΔVS Perubahan Nilai VS mg/L

V Volume Sampel ml

ρ Densitas gr/ml

μ Viskositas kg/m.s

ABSTRAK

Penelitian ini merupakan pengkajian terhadap pengaruh pengadukan terhadap produksi biogas pada tahap metanogenesis. Adapun tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan pengaruh pengadukan terhadap produksi biogas, pH, alkalinitas, dan reduksi zat-zat organik (Total Solid (TS), Volatile Solid (VS), dan Chemical Oxygen Demand (COD)), mendapatkan kondisi pengadukan optimum dalam pembentukan biogas serta kondisi mikroorganisme dalam menghasilkan biogas yang dilihat dari Total Suspended Solid (TSS) dan Volatile Suspended Solid (VSS). Penelitian ini dilakukan proses loading up dengan HRT 0, 40, 10, 6 hari dan HRT 4 hari untuk variasi pengadukan. Substrat yang digunakan merupakan effluent Limbah Cair Pabrik kelapa Sawit (LCPKS) dari reaktor asidogenesis yang diumpankan 4 kali sehari, kemudian dilakukan analisa pH, alkalinitas, TS, VS, TSS, VSS, dan COD. Selain itu juga dilakukan analisa gas CO2 dan H2S. Dari hasil penelitian diperoleh bahwa pengadukan tidak berpengaruh terhadap nilai pH dan alkalinitas karena masih dalam rentang untuk proses metanogenesis. Nilai ΔTS dan ΔVS mengalami peningkatan secara signifikan pada pengadukan 100 rpm, hal ini sama dengan peningkatan produksi biogas pada pengadukan tersebut. Dari hasil juga didapat bahwa kadar TSS dan VSS meningkat dengan bertambahnya kecepatan pengadukan, kemudian nilai COD mengalami penurunan dengan bertambahnya hari dan kecepatan pengadukan serta tingkat penguraian COD tertinggi sebesar 81%.

ABSTRACT

This study is an assessment of the effect of stirring on biogas production on methanogenesis stage. The purpose of this study is to get the effect of stirring on biogas production, pH, alkalinity, and the reduction of organic substances (Total Solid (TS), Volatile Solid (VS), and Chemical Oxygen Demand (COD)), obtain optimum stirring conditions in the formation of biogas and microorganisms conditions in producing biogas as seen from the Total Suspended Solid (TSS) and Volatile Suspended Solid (VSS). This study conducted the process of loading up with HRT 0, 40, 10, 6 days and 4 days HRT for stirring variation. The substrate used is the Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) effluent from the asidogenesis reactor fed 4 times a day, then performed an analysis of pH, alkalinity, TS, VS, TSS, VSS, and COD. It also conducted an analysis of CO2 and H2S. The result showed that the agitation did not affect the pH and alkalinity because it is still within the range for methanogenesis process. ΔTS and ΔVS value increased significantly at 100 rpm stirring, it is equal to the increase in biogas production in the agitation. From the results also found that the levels of TSS and VSS increased with increasing stirring speed, then the COD value decreased with increasing the stirring speed and the highest COD and decomposition rate of 81%.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Bagian terbesar dari kebutuhan energi di dunia selama ini telah ditutupi oleh bahan bakar fosil. Konsumsi sumber energi fosil seperti minyak dan batu bara dapat menimbulkan pengaruh negatif terhadap lingkungan, yaitu dapat menimbulkan penambahan konsentrasi CO2 di atmosfir dan juga kehabisan sumber energi fosil secara cepat. Limbah merupakan pilihan yang menjanjikan untuk memproduksi bahan bakar bio yang merupakan sumber energi alternatif. Hal ini juga dapat membantu untuk menstabilkan limbah yang dapat mengganggu komunitas lingkungan [1].

Salah satu energi alternatif yang ramah lingkungan dan dapat terbarukan adalah biogas dari Palm Oil Mill Effluent (POME) atau yang sering disebut dengan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS). Limbah kuat yang berasal dari pabrik kelapa sawit dapat diidentifikasi sebagai sumber energi potensial untuk menghasilkan bioenergi terbarukan dengan proses fermentasi anaerobik [2]. Limbah cair yang dihasilkan oleh pabrik kelapa sawit berupa POME (Palm Oil Mill Effluent) yang berasal dari air kondensat pada proses sterilisasi sebesar 15-20%, air dari proses klarifikasi dan sentrifugasi sebesar 40-50%, dan dari proses hydrocyclone (claybath) sebesar 9-11%. LCPKS umumnya bersuhu tinggi, berwarna kecoklatan, mengandung padatan terlarut dan tersuspensi berupa koloid dan residu minyak dengan kandungan COD (Chemical Oxygen Demand) yang tinggi. Limbah cair juga bersifat asam dengan pH 3,5-5, dengan nilai COD yang tinggi dan kisaran pH yang rendah ini, mengakibatkan terjadinya pencemaran lingkungan bila limbah cair minyak sawit langsung dibuang ke lingkungan [3]

Bahan organik dalam fermentasi anaerob dirombak oleh aktivitas mikroorganisme menjadi biogas. Produksi biogas dengan bahan LCPKS memberikan berbagai keuntungan diantaranya pengurangan jumlah padatan organik, jumlah mikroba pembusuk yang tidak diinginkan, serta kandungan racun dalam limbah, selain itu residu limbah dapat dimanfaatkan sebagai pupuk organik

[4]. Proses anaerob merupakan proses yang kompleks dengan melibatkan berbagai kelompok bakteri. Masing-masing kelompok bakteri yang terlibat mempunyai subsrat tertentu antara lain kelompok bakteri hidrolitik hanya memanfaatkan substrat berupa senyawa organik dengan molekul besar seperti karbohidrat, protein dan minyak lemak, kelompok bakteri asidogen hanya dapat memanfaatkan substrat yang lebih sederhana dengan molekul organik penguraian dari sebelumnya, sedangkan bakteri astogen hanya memanfaatkan asam organik rantai sedang. Selanjutnya produk akhir dari kelompok bakteri pembentuk asam berupa asam asetat akan dimanfaatkan oleh bakteri metanogen asetotrof untuk membentuk gas metan sedangkan gas yang dihasilkan berupa gas CO2 dan H2 akan dimanfaatkan oleh kelompok bakteri metanogen hidrogenotrof untuk membentuk gas metan [2].

Energi biogas didominasi oleh gas metan (60-70%), karbondioksida (30-40%), dan beberapa gas lain dalam jumlah kecil [5]. Tingkat kandungan H2S umumnya dari 100 sampai 2000 ppm. Pada umumnya, untuk mengetahui potensi produksi biogas dapat diestimasi dari volatile solid (VS) dari umpan di dalam digester dan persentase dari reduksi VS. Laju produksi gas yang rentangnya berubah-ubah dapat dilihat dari kandungan VS di dalam sludge umpan dan tingkat aktivitas biologis di dalam digester [6].

Dalam penelitian ini, variabel tetap yang digunakan adalah suhu yaitu mesofilik (35oC) sebagai tahap awal penyesuaian dan termofilik (55oC) sebagai variabel tetap untuk variasi pengadukan. Potensi keuntungan dari termofilik dibandingkan dengan mesofilik adalah penambahan inaktivasi kerja bakteri pathogen sehingga sangat baik untuk peningkatan reduksi volatile solid (VS). Selain itu, suhu termofilik juga dapat meningkatkan laju produksi biogas [7].

Pengadukan menjadi salah satu variabel pendukung yang divariasikan. Pengadukan dimaksudkan agar kontak antara substrat dan bakteri perombak lebih baik dan menghindari padatan terbang (scum) atau mengendap. Selain itu, terdapat kontak yang baik antara limbah segar dan bakteri pencerna yang aktif dan menghindari akumulasi dari padatan terapung ataupun padatan mengendap yang akan mengurangi volume keaktifan digester dan menimbulkan plugging gas serta lumpur keluaran. Selama pengadukan lingkungan yang kondusif selalu tersedia

bagi pertumbuhan bakteri yang bekerja mengubah bahan organik menjadi metan. Dengan pengadukan, lebih dari 80% dari patogen dan padatan tereliminasi, dan lebih efektif untuk mengubah padatan organik menjadi unsur hara terlarut dengan bantuan mikroorganisme [8].

Beberapa penelitian sebelumnya mengenai pengaruh pengadukan dan pengenceran terhadap produksi biogas dan penghilangan zat organik telah dilakukan dari bahan baku yang berbeda-beda.

Tabel 1.1 Beberapa artikel yang berhubungan dengan pengaruh pengadukan terhadap produksi biogas [9,10,8,11,12,13.14,15].

Peneliti Judul Artikel Hasil

Hadi and el-azeem, 2008 [9]

Pengaruh pemanasan, pengadukan, dan tipe digester pada produksi biogas dari kotoran sapi

Penelitian ini dilakukan secara batch dalam kondisi anaerobik menggunakan digester tipe vertikal dan horizontal. Yield biogas dan metan tertinggi pada digester vertical (pemanasan (38,1oC) pengadukan) (468,1 L/kg TS; 284,1 L/kg OTS), dibanding horizontal (353,1 L/kg TS; 233,7 L/kg OTS). Triakuntini,

dkk, 2014 [10]

Pengaruh pengenceran dan pengadukan pada produksi biogas dari limbah rumah makan dengan menggunakan starter ekstrak rumen sapi

Penelitian ini menggunakan 10 reaktor dengan jumlah limbah 4 kg dan rumen 1,5 L dengan variasi penambahan air sebanyak 6000, 4000, 2600, 1500, dan 670 ml. 5 reaktor pertama diberikan pengadukan sedangkan 5 lainnya tanpa pengadukan. Reaktor dengan pengenceran 6000 ml menghasilkan gas terbanyak, yaitu reaktor 1(1032,02 ml) dan 6 (1196,99 ml).

Luthfianto, dkk, 2012 [8]

Pengaruh macam limbah organik dan pengenceran terhadap produksi biogas dari bahan biomassa limbah

Penelitian ini dilakukan menggunakan limbah peternakan ayam dengan perlakuan pengenceran dan penambahan berbagai substrat. Hasil

peternakan ayam terbaik ditunjukkan pada pengadukan 4 jam/hari suhu termofilik (550C), dengan penyampuran kotoran ayam dengan eceng gondok, pengenceran 1:3 efisiensi perombakan COD 78,46% dibandingkan dengan frekuensi pengadukan 8 jam/hari dan suhu mesofilik (370C) sebesar 76,23%. Angkara,

dkk, 2013 [11]

pengaruh pengenceran dan pengadukan terhadap produksi biogas pada limbah industry kecil pengasapan ikan dengan menggunakan starter ekstrak rumen sapi

Penelitian ini berskala laboratorium dengan kapasitas digester 500 ml dan sampel limbah pengasapan ikan pari dan ekstrak rumen sapi sebgaai starter. Kadar biogas terbanyak pada pengadukan 3 kali,sampel yang tidak dihaluskan dan dengan pengenceran 150 ml sebanyak 800 mL biogas. Dibandingkan dengan pengadukan 1 kali sampel dihaluskan dengan pengenceran 100 ml menghasilkan biogas 249 Ml

Sasongko dan Wedo, 2010 [12]

Produksi biogas dari biomassa kotoran sapi dalam biodigester fixdome dengan pengenceran dan penambahan agitasi

Penelitian ini dilakukan skala laboratorium dan skala semi pilot dengan kapasitas digester 20 L dan 9 m3. Perlakukan pengenceran dan pengadukan. Produksi biogas tertinggi pada rasio pengenceran 1:3 + agitasi (18 m3/hari) dan tanpa agitasi (6,62 m3/hari) (dua kali lipat). Efisiensi perombakan COD, TS, VS pada rasio pengenceran 1:3 dengan agitasi yaitu 78,45; 82,56; 82,75%.

2012 [13] dari kotoran sapi untuk produksi methane: efek pengadukan

menggunakan kotoran sapi yang dicampur. Digester kering + pengadukan memproduksi methane 0,35 LCH4/kg VS (7,5% lebih tinggi dari yang tidak diaduk). Efisiensi pengurangan material organik mengalami penambahan 9,73% dalam masa dari VS.

Irawati, dkk, 2013 [14]

Pengaruh pengadukan dan variasi feeding pada sampah rumah makan terhadap laju produksi biogas dengan penambahan rumen sapi (Bos Taurus) sebagai activator

Penelitian ini menggunakan 2 reaktor besar dan 3 reaktor kecil, limbah yang digunakan untuk reaktor besar adalah 2,5 kg limbah, 1,3 L rumen sapi, dan 12,3L penambahan air. Pada reaktor 1 + pengadukan mengalami penurunan COD paling besar (12383-8716 mg/l) dibandingkan reaktor 2 (tanpa pengadukan) (9366,67 mg/L). Untuk produksi biogas, reaktor 1 83,8 L). Reaktor 2 (9,29 L). untuk reaktor kecil dilakukan variasi umpan (60 gr, 2a; 180 gr, 2b; 240 gr, 2c). hasil menunjukan produksi biogas terbesar pada reaktor 2c (337 ml) dibanding 2a (233 ml) dan 2b (313 ml).

Wisnu, dkk, 2013 [15]

Pengaruh pengenceran dan pengadukan limbah dapur daerah bulusan (studi kasus rasio c/n 17 : 1) terhadap peningkatan produksi biogas dengan menggunakan ekstrak rumen sapi sebagai starter

Penelitian ini dilakukan menggunakan limbah makanan/dapur dengan penambahan rumen sapi sebagai starter. Variasi yang digunakan adalah penambahan air dan pengadukan. Nilai tertinggi dengan penambahan air 150 ml 3x pengadukan total biogas 905 ml. Limbah yang diblender didapat volume biogas tertinggi dengan penambahan air sebanyak 150 ml 3x pengadukan (905 ml). Sedangkan untuk limbah yang dicacah variasi terbaik adalah 1x

pengadukan dengan penambahan air 150 ml

Berdasarkan beberapa penelitian yang telah dilakukan diatas, kami ingin melakukan penelitian dengan hanya menggunakan satu proses yaitu metanogenesis yang berbahan baku hasil keluaran (effluent) berupa asam-asam lemak rantai pendek yang dihasilkan dari reaktor asidogenesis. Selain itu juga menggunakan pengadukan sebagai variabel yang divariasikan dengan tujuan untuk melihat seberapa besar pengaruh pengadukan terhadap produksi biogas dan penghilangan (reduksi) zat organik.

1.2 PERUMUSAN MASALAH

Adapun yang menjadi perumusan masalah dalam penelitian ini adalah :

Bagaimana pengaruh pengadukan terhadap perubahan pH dan alkalinitas, produksi biogas, reduksi zat-zat organik (total solid (TS) dan volatile solid (VS)), serta Chemical Oxygen Demand (COD). Selain itu juga dikaji bagaimana pengadukan dapat memperngaruhi kondisi kehidupan mikroorganisme (bakteri metanogenik) dalam menghasilkan biogas yang dilihat dari nilai Total Suspended Solid (TSS), Volatile Suspended Solid (VSS).

1.3 TUJUAN PENELITIAN

Adapun yang menjadi tujuan dari penelitian ini adalah:.

1. Memperoleh profil proses metanogenesis dari perubahan nilai pH, alkalinitas,

total solid (TS) dan volatile solid (VS), Total Suspended Solid (TSS), Volatile Suspended Solid (VSS).

2. Mendapatkan pengaruh pengadukan terhadap pH dan alkalinitas, reduksi senyawa organik (total solid (TS) dan volatile solid (VS)), produksi biogas,

serta COD.

3. Mendapatkan kecepatan pengadukan yang optimum untuk menghasilkan produksi biogas tertinggi.

4. Mendapatkan pengaruh pengadukan terhadap kondisi mikroorganisme dalam menghasilkan biogas yang dilihat dari nilai Total Suspended Solid (TSS), Volatile Suspended Solid (VSS).

1.4 MANFAAT PENELITIAN

Adapun Manfaat dari penelitian yang akan dilakukan antara lain yaitu :

1. Memperoleh kondisi pengadukan yang baik (optimum) untuk menghasilkan biogas serta dalam penghilangan zat organik seperti TS, VS, dan COD.

2. Memberikan informasi mengenai pembuatan biogas berbahan baku asam limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) dengan proses metanogenesis untuk dikembangkan ke skala yang lebih besar (pilot plant).

3. Memperoleh data dan informasi untuk menghasilkan biogas dengan kondisi yang optimum pada proses metanogenesis untuk dikembangkan pada penelitian selanjutnya.

1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN

Penelitian ini dilakukan di laboratorium Ekologi Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Univesitas Sumatera Utara, Medan. Adapun ruang lingkup dan batasan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Substrat yang digunakan adalah asam limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) yang diperoleh dari effluent tahap asidogenesis.

2. Proses yang digunakan adalah digestasi anaerobik sistem kontinu dengan menggunakan reaktor CSTR (Continous Stirred Tank Reactor) bervolume 2 liter.

3. Variabel yang ditetapkan pada penelitian ini adalah suhu mesofilik (35oC) sebagai tahap penyesuaian, termofilik (55oC) untuk variasi pengadukan, pH 6,9-7,5, alkalinitas ≥ 2500 mg/L.

4. Hydraulic Retention Time (HRT) yang digunakan adalah HRT 0, 40, 10 pada loading up dan 4 hari.

5. Variabel yang divariasikan dalam penelitian ini adalah pengadukan yaitu 50, 100, 150, dan 200 rpm.

6. Analisa yang dilakukan meliputi analisa sampel cair dan sampel gas.

Analisa sampel cair meliputi :

a. Analisa M-alkalinity dengan metode titrasi

c. Analisa Total Solid (TS), Volatile Solid (VS), Total Suspended Solid (TSS), dan

Volatile Suspended Solid (VSS) dengan metode gravimetri sesuai dengan SNI 06-6989.3-2004 dan Standard Methods for Examination of Water and Wastewater [34].

d. Analisa Chemical Oxygen Demand (COD) yang dilakukan di Balai Teknik Kesehatan Lingkungan dan Pengendalian Penyakit (BTKLPP) kelas I Medan dengan metode .

Sedangkan untuk analisa biogas meliputi :

a. Analisa H2S menggunakan gastec detecting tube No. 4HM

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) ATAU PALM OIL MILL EFFLUENT (POME)

Dalam pabrik kelapa sawit, cairan keluaran umumnya dihasilkan dari proses sterilisasi dan klarifikasi yang dalam jumlah besar berasal dari steam dan air panas yang digunakan. Untuk setiap ton minyak kelapa sawit dari tandan buah segar, diestimasi bahwa 0,5-0,75 ton dari POME akan dikembalikan [16].

Produksi minyak kelapa sawit membutuhkan air dalam jumlah besar. Satu ton minyak kelapa sawit menghasilkan 2,5 ton limbah cair, yaitu berupa limbah organik berasal dari input air pada proses separasi, klarifikasi dan sterilisasi [4].

POME merupakan salah satu residu dari agroindustri yang menyebabkan polusi terbesar terhadap beban organiknya. Tingginya tingkat polusi limbah dapat menyebabkan permasalahan bau terhadap lingkungan sekitar pabrik, tempat tinggal masyarakat, lokal dan polusi sungai. Palm Oil Mill Effluent (POME) memiliki karakteristik tertentu yang akan ditunjukkan pada tabel berikut :

Tabel 2.1 Karakteristik dari Palm Oil Mill Effluent (POME) [16]

Parameter Konsentrasi (mg/l)

pH 4,0-5,0

Oil and Grase 4000-6000

BOD 3 Hari, 300C 25.000

COD 50.000

Total Solids (TS) 40.500

Total Suspended Solids (TSS) 18.000 Total Volatile Solids (TVS) 34.000

Amonical-Nitrogen 35

Total Nitrogen 750

Phosporus 180

Magnesium 615

Kalsium 439

Boron 7,6

Iron 46,5

Manganese 2,0

Copper 0,89

Zinc 2,3

LCPKS mengandung berbagai senyawa terlarut, termasuk serat-serat pendek, hemiselulosa dan turunannya, protein, asam organik bebas dan campuran mineral-mineral. LCPKS bersuhu tinggi, berwarna kecoklatan, mengandung padatan terlarut dan tersuspensi berupa koloid dan residu minyak dengan BOD (biological oxygen demand) dan COD (chemical oxygen demand) yang tinggi [17]. Selain itu, LCPKS merupakan limbah berwarna kuning dan bersifat asam dengan sifat pencemar tertinggi, dengan rata-rata 25.000 mg/l Biochemical Oxygen Demand (BOD), 55250 mg/l Chemical Oxygen Demand (COD) dan 19610 mg/l Suspended Solid (SS) [16]. Dari sumber lain juga diketahui LCPKS memiliki pH yang asam, yaitu sekitar 3,5-5 dan mengandung padatan terlarut dan tersuspensi berupa koloid serta residu minyak dengan kandungan COD yang tinggi (47.165-49.765 mg/l) [3].

LCPKS memiliki komposisi dan konsentrasi dari protein, komponen nitrogen, lemak, dan mineral. Lemak adalah satu dari polutan organik utama yang terdapat dalam LCPKS. Berikut adalah potensi biogas yang dihasilkan oleh beberapa substrat yang diuraikan dalam tabel berikut :

Tabel 2.2 Potensi Biogas yang Dihasilkan oleh Beberapa Substrat [2]

Komponen Reaksi Metanogenik Biogas (lg-1) CH4 (%)

Lemak H90O6 + 24,5 H2O 34,75 CH4 + 15,25 CO2 1,425 69,5 Karbohidrat C6H10O5+ H2O 3 CH4 + 3 CO2 0,830 50,0

Protein H24O5N4 + 14,5 H2O 8,25 CH4 + 3,75 CO2 +

LCPKS yang dibuang ke sungai atau lingkungan harus memenuhi standar baku mutu agar aman terhadap lingkungan. Berikut ini adalah baku mutu untuk limbah cair industri minyak kelapa sawit berdasarkan Keputusan Menteri Lingkungan Hidup No. 51 Tahun 1995.

Tabel 2.3 Baku Mutu Limbah Cair Industri Minyak Kelapa Sawit [17]

Parameter Kadar Maksimum

(mg/l) Beban Pencemaran Maksimum (Kg/ton) BOD5 COD TSS

Minyak dan lemak

Nitrogen total (sebagai N)

100 350 250 25 50,0 0,25 0,88 0,63 0,063 0,125 Nikel (Ni) Kobal (Co) pH

Debit limbah maksimum

0,5 mg/l 0,6 mg/ L 6,0 – 9,0

2,5 m3 per ton produk minyak sawit (CPO)

Adapun beberapa komponen yang dimiliki oleh LCPKS dari sampel penelitian ini yaitu PKS Adolina dapat dilihat pada Tabel 2.3

Tabel 2.4 Karakteristik LCPKS dari PKS Adolina [18]

No. Parameter Satuan Nilai

1. Fe mg/L 220

2. Ni mg/L 0,49

3. Co mg/L 0,43

4. COD mg/L 38554

5. pH - 4-5

6. H % 6,68

7. N % 2,12

Limbah cair kelapa sawit merupakan nutrien yang kaya karbon dan senyawa organik, dimana dekomposisi senyawa organik ini oleh bakteri anaerob dapat menghasilkan biogas yang terdiri dari 55% - 70% metan, 30% - 45% karbon dioksida dan sedikit hidrogen sulfida. Jika gas-gas tersebut tidak diolah dan dibiarkan lepas ke udara bebas maka dapat menjadi salah satu penyebab pemanasan global karena gas metana dan karbon dioksida termasuk gas rumah kaca [17].

2.2 BIOGAS

Biogas adalah campuran gas-gas dari biomassa (bahan-bahan organik) termasuk diantaranya kotoran manusia dan hewan, limbah organik (rumah tangga), sampah biodegradable yang dihasilkan dengan mendayagunakan bakteri melalui proses fermentasi bahan organik dalam keadaan tanpa oksigen. Biogas dapat dibakar seperti elpiji dan dalam skala besar, biogas dapat digunakan sebagai pembangkit energi listrik sehingga dapat dijadikan sumber energi alternatif yang ramah lingkungan [19].

Biogas dapat dikategorikan sebagai solusi perencanaan energi terbarukan yang cukup baik dalam mengurangi emisi gas rumah kaca. Biogas adalah energi bersih dan terbarukan yang dapat dijadikan substitusi dari sumber energi konvesional yang dapat menyebabkan masalah bagi lingkungan dan meningkatkan laju penipisan energi dalam waktu yang sama. Biogas adalah gas yang mudah terbakar yang dihasilkan dari proses anaerobik pada temperatur rendah dan tanpa oksigen [20].

Nilai kalor dalam biogas lebih tinggi dibandingkan sumber energi lainnya, seperti batubara (586 K.cal/m3) ataupun uap air (302 K.cal/m3), tetapi lebih rendah dari gas alam yaitu 967 K.cal/m3 . setiap 1m3 biogas setara dengan setengah kilogram gas alam cair (Liquid Protoleum Gases), atau setengah liter bensin/minyak diesel. Biogas sanggup membangkitkan tenaga listrik sebesar 1,25-1,50 kilo watt hour (kwh) [21].

Biogas dapat dijadikan sebagai bahan bakar karena mengandung gas metana (CH4) dalam persentase yang cukup tinggi. Gas metana dalam biogas bila terbakar relatif lebih bersih daripada batu bara dan menghasilkan energi yang

lebih besar dengan emisi karbondioksida yang lebih sedikit [8]. Komponen yang terdapat dalam biogas adalah sebagai berikut :

Tabel 2.5 Komponen Penyusun Biogas [22]

Jenis Gas Jumlah (%)

Metana (CH4) 50-70

Nitrogen (N2) 0-0,3

Karbondioksida (CO2) 25-45

Hidrogen (H2) 1-5

Oksigen (O2) 0,1-0,5

Hidrogen Sulfida (H2S) 0-3

Menurut [22] adapun sifat–sifat kimia dan fisika dari biogas antara lain : 1. Tidak seperti LPG yang bisa dicairkan dengan tekanan tinggi pada suhu

normal, biogas hanya dapat dicairkan pada suhu –178 oC sehingga untuk menyimpannya dalam sebuah tangki yang praktis mungkin sangat sulit. Jalan terbaik adalah menyalurkan biogas yang dihasilkan untuk langsung dipakai baik sebagai bahan bakar untuk memasak, penerangan dan lain–lain.

2. Biogas dengan udara (oksigen) dapat membentuk campuran yang mudah meledak apabila terkena nyala api karena flash point dari metana (CH4) yaitu sebesar -188 ºC dan autoignition dari metana adalah sebesar 595 ºC.

3. Biogas tidak menghasilkan karbon monoksida apabila dibakar sehingga aman dipakai untuk keperluan rumah tangga.

4. Komponen metana dalam biogas bersifat narkotika pada manusia, apabila dihirup langsung dapat mengakibatkan kesulitan bernapas dan mengakibatkan kematian.

Komponen-komponen dalam biogas mempunyai pengaruh terhadap daya bahan bakar. Adapun pengaruh komponen-komponen dalam biogas adalah sebagai berikut :

Tabel 2.6 Pengaruh Komponen-Komponen dalam Biogas dan Pengaruhnya [18]

Kompenen Kandungan Pengaruh

CH4 50-75 (%volume) Komponen yang mudah terbakar pada biogas

CO2 25-50 (%volume) Mengurangi nilai bahan bakar; meningkatkan anti-ketukan sifat motor; menyebabkan

korosi (karbonat

asam lemah), jika gas juga lembap itu kerusakan sel bahan bakar alkali

H2S 0,005 – 0,5 mgS/m3 Korosif pada agregat dan pipa (korosi); timbul emisi SO2setelah pembakaran H2S jika pembakaran tidak sempurna, keracunan katalis

NH3 0-1 (%volume) Emisi NOx setelah pembakaran; berbahaya untuk sel bahan bakar; meningkatkan anti-ketuk sifat motor

Uap air 1-5 (%volume) Berkontribusi terhadap korosi dalam agregat dan pipa; kondensat akan menyebabkankerusakan instrumen dan agregat; dapat menyebabkan pipa dan ventilasi membeku pada temperatur bekunya

Debu >5 mikrometer Ventilasi tersumbat dan kerusakan sel bahan bakar

N2 0-5 (%volume) Mengurangi nilai bahan bakar dan meningkatkan sifat anti –ketuk

motor

Siloxane 0-50 mg/m3 Hanya dalam bentuk limbah dan gas TPA dari kosmetik, cuci bubuk,

tinta cetak dll, bertindak sebagai media grinding kuarsa dan kerusakan motor

Komponen kecil yang paling penting dalam biogas adalah H2S, dimana kuantitasnya dapat berfluktuasi dan sangat tergantung pada substrat input. Kisaran fluktuasi untuk H2S dapat diperikirakan dari 200 sampai 10.000 ppm dalam produksi biogas selama periode waktu tertentu. Senyawa sulfur meliputi kontaminan gas yang mengandung senyawa sulfur seperti belerang hidroksida, karbon oksida sulfida, dan disulfida. Kandungan senyawa sulfur dalam gas yang dihasilkan tergantung pada bahan baku yang digunakan dan pada proses

Tabel 2.7 Data Operasional dan Performance dari Design Reaktor Berpengaduk untuk Substrat yang Berbeda

Peneliti Tipe reaktor dan

volume Substrat

HRT (Hari)

Efisiensi VS umpan (%)

CH4 (m3kg-1

VS) Biogas (m

3

kg-1 VS) % CH4

Hartman and Ahring (2005)

[23] CSTR (4,5 L)

Fraksi organik limbah sampah kota + kotoran

ternak

18

74% 0,460 0,710 64%

Glass et.al (2005) [24]

CSTR Fraksi organik limbah

sampah kota 12

20% COD, 86% COD (CSTR)

- 0,02-0,29; 0,04-0,47

(CSTR)

-

Angelidaki et. al (2006) [25]

CSTR (4,5 L) Limbah sampah kota

yang telah disortir 15

30% 0,430 0,71 64%

Linke (2006) [26]

CSTR Limbah hasil

pemrosesan kentang -

- - 0,65-0,85 58%

Maroun and EL Fadel (2007)

[27] CSTR (0,4 L)

Limbah sampah kota

yang telah disortir 90

- - 0,2-0,56 40-65%

Rebecca et.al (2007) [28] Continously Stirred

Anaerobic Digesters

Limbah kotoran

hewan -

52 dan 58% 0,541 (LCH4/g

VS)

- -

Abhijeet et.al (2006) [29]

Upflow Bioreactor Limbah pertanian 16 - 0,4 L CH4/L

digester

0,64 Lgas/liquid -

Wanna Choorit (2007) [30]

CSTR Limbah Cair Pabrik

Kelapa Sawit (POME) 7 dan5

70,32% red COD

2.3 FERMENTASI ANAEROBIK

Digestasi atau fermentasi anaerobik merupakan rangkaian dari reaksi kimia selama bahan organik terurai melalui metabolisme alami dengan lingkungan yang tanpa oksigen. Fermentasi anaerobik dapat digunakan untuk proses yang mengandung rantai karbon yang banyak, seperti limbah makanan, kertas, dan kotoran dengan berbagai variasi tingkat penguraian [31].

Proses anaerob merupakan proses biologi dimana bahan organik terdekomposisi dengan keadaan yang tanpa oksigen untuk menghasilkan metan (CH4), karbondioksida (CO2), dan sejumlah kecil gas (H2S, N2, dan H2O). proses ini memerlukan kerja dari populasi simbiosis 3 kelompok dari fakultatif, obligat, dan bakteri anaerobik [32]. Keterlibatan antara kelompok ini saling menguntungkan satu sama lainnya karena tidak terjadi saling kompetisi antara kelompok dalam rangka pemanfaatan nutrien atau substrat. Masing – masing kelompok bakteri yang terlibat mempunyai substrat tertentu antara lain kelompok bakteri hidrolitik hanya memanfaatkan substrat berupa senyawa organik dengan molekul besar seperti karbohidrat, protein dan minyak lemak, kelompok bakteri asidogen hanya dapat memanfaatkan substrat yang lebih sederhana dengan molekul organik penguraian dari sebelumnya, sedangkan bakteri asetogen hanya memanfaatkan asam organik rantai sedang. Selanjutnya produk akhir dari kelompok bakteri pembentuk asam berupa asam asetat akan dimanfaatkan oleh bakteri metanogen asetotrof untuk membentuk gas metan sedangkan gas yang dihasilkan berupa gas CO2 dan H2 akan dimanfaatkan oleh kelompok bakteri metanogen hidrogenotrof untuk membentuk gas metan [2].

Selama proses pengolahan secara anaerobik, komponen organik nitrogen dikonversi menjadi ammonia (NH3), sulfur dikonversi menjadi hidrogen sulfida (H2S), phospor menjadi ortophospat, kalsium, magnesium, dan natrium dikonversi menjadi bermacam garam [33]. Proses anaerobik memiliki banyak keuntungan dibandingkan secara aerobik. Adapun keuntungan dari proses anaerobik untuk menghasilkan biogas antara lain [34]:

1. Energi biogas dapat berfungsi sebagai energi pengganti bahan bakar fosil, sehingga akan menurunkan gas rumah kaca di atmosfer dan emisi lainnya. 2. Biogas merupakan energi tanpa menggunakan material yang masih memiliki

3. manfaat termasuk biomassa sehingga biogas tidak merusak keseimbangan karbondioksida yang diakibatkan oleh penggundulan hutan (deforestation) dan perusakan tanah.

4. Dapat meningkatkan nilai manfaat dari limbah yang pada awalnya tidak mempunyai manfaat.

5. Produk sampingnya yang berupa sludge, dapat digunakan sebagai pupuk. Proses fermentasi anaerobik terdiri dari beberapa kelompok mikroorganisme yang membuat proses menjadi kompleks dan sensitif, serta membutuhkan persoalan khusus dalam pengontrolan dan optimisasi. Proses penting di dalam fermentasi anaerobik adalah hidrolisis, fermentasi (asidogenesis), asetogenesis, dan metanogenesis, dimana hidrolisis merupakan subjek dari proses fermentasi (asidogenesis), dimana asetogenesis dan metanogenesis berhubungan. Proses hidrolisis adalah proses ekstraselular dimana bakteri hidrolitik dan fermentatif mengeluarkan enzim untuk mengkatalis hidrolisis dari bahan organik kompleks menjadi unit sederhana yang kemudian akan dimanfaatkan oleh bakteri fermentasi (asidogenesis). Produk fermentasi seperti asetat, hidrogen, dan karbondioksida dapat secara langsung dimanfaatkan oleh bakteri metanogenik untuk memproduksi metan dan karbondioksida. Ketika produk lain lebih banyak dikurangi seperti alkohol dan asam lemak volatil untuk dioksidasi lebih lanjut oleh bakteri asetogen yang berhubungan dengan metanogen [35]. Gambar berikut menunjukkan diagram alir dari proses pembentukan biogas :

Gambar 2.1 Diagram Alir dari Proses Pembentukan Biogas [35]

2.4 TAHAPAN METABOLISME DALAM DEGRADASI ANAEROBIK

Umumnya, perombakan bahan organik dikelompokkan dalam empat tahapan proses, pertama bakteri fermentatif menghidrolisis senyawa polimer menjadi senyawa sederhana yang bersifat terlarut. Kedua, monomer dan oligomer dirombak menjadi asam asetat, H2, CO2, asam lemak rantai pendek dan alkohol, tahap ini disebut asidogenesis. Ketiga, disebut fasa non metanogenik yang menghasilkan asam asetat, CO2, dan H2. Keempat, pengubahan senyawa-senyawa tersebut menjadi gas metana oleh bakteri metanogenik [4]. Berikut akan diuraikan tahapan-tahapan dalam fermentasi anaerobik:

2.4.1 Hidrolisis

Hidrolisis merupakan proses ekstraselular dimana partikulat organik dipecah menjadi oligomer dan monomer terlarut. Tahap ini merupakan tahapan yang penting untuk proses fermentasi, karena bakteri fermentatif tidak dapat menyerap bahan polimer kompleks secara langsung ke dalam selnya. Berikut adalah beberapa jenis enzim dan substrat yang didegradasinya.

Tabel 2.8 Jenis Enzim dan Substrat yang Didegradasinya [35, 38]

Jenis Enzim Substrat

Selulase, selobiase, xylanse Polisakarida Monosakarida

Protease Protein Asam amino

Lipase Lemak Asam lemak dan gliserol

Dalam proses hidrolisis, peningkatan alkalinitas larutan dapat terjadi seiring dengan bertambahnya jumlah NH3 terbentuk dalam hidrolisis protein dengan reaksi sebagai berikut :

R-CHNH2COOH + 2 H2O → R-COOH + NH3 + CO2 + 2H2

Protein asam amino

Peningkatan produksi CO2 selanjutnya akan membuat konsentrasi alkalinitas bikarbonat (HCO3-) menjadi lebih tinggi sehingga alkalinitas cairan dalam bioreaktor meningkat seperti terlihat di persamaan berikut :

NH3 + H2O + CO2→ NH4+ + HCO3-

Besar nilai laju hidrolisis akan tergantung kepada jenis dan konsentrasi substrat, pH dan temperatur. Laju tahapan hidrolisis akan menjadi menurun pada operasi anaerobic digestion limbah berkadar organik tersuspensi tinggi [36].

Proses hidrolisis mempunyai beberapa tahapan, seperti produksi enzim, adsorpsi difusi, reaksi, dan tahap deaktivasi enzim. Laju hidrolisis keseluruhan bergantung pada ukuran bahan organik, bentuk, luas permukaan, konsentrasi biomassa, produksi enzim, dan adsorpsi [35].

2.4.2 Asidogenesis

Asidogenesis merupakan tahap kedua di dalam proses dimana bakteri mentransformasi asam yang merupakan momomer dan memproduksi produk hasil fermentasi di tahap pertama, menjadi asam asetat (CH3COOH), hidrogen (H2), dan karbondioksida (CO2). Bakteri yang hidup pada tahap ini adalah fakultatif anaerobik yang hidup dalam lingkungan yang asam. Dengan ini, lingkungan yang anaerobik dapat membuat bakteri memproduksi asam, dimana sangat vital untuk mikroorganisme yang memproduksi metan. Selanjutnya bakteri penghasil asam juga mereduksi senyawa berberat molekul rendah menjadi asam organik, alkohol,

asam amino, karbondioksida, metan dan H2S. Asam yang utama diproduksi pada tahap ini adalah asam asetat, asam propionat, dan asam butirat, yang selanjutnya juga memproduksi etanol [37].

Tabel 2.9 Contoh Produk Fermentasi Glukosa [35]

Produk Reaksi

Asetat C6H12O6 + H2O 2CH3COOH + 2CO2 +4H2 Propionat + Asetat 3C6H12O6 4CH3CH2COOH +2CH3COOH 2CO2

+4H2

Butirat C6H12O6 CH3CH2 CH2COOH+ 2CO2 +4H2 Laktat C6H12O6 2CH3CHOHCOOH

Etanol C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2

Selama asidogenesis, produk dari hidrolisis dikonversi oleh bakteri

acidogenic (fermentative) menjadi substrat pada tahap metanogenesis. Gula sederhana, asam amino, dan asam lemak didegradasi menjadi asetat, karbondioksida, dan hidrogen (70%) sebagai Volatile Fatty Acid (VFA) dan alkohol (30%) [38]. Konsentrasi total asam volatil terbentuk dapat meningkat dengan adanya kenaikan nilai pembebanan organik dan keberadaan toksik. Penurunan pH berlangsung cepat seiring terjadinya konversi senyawa organik menjadi asam lemak volatil. Penurunan pH berlanjut tidak diinginkan sebab dapat mengakibatkan terjadinya peningkatan terhadap kadar COD efluent dan HRT sistem fermentasi anaerobik diperlukan.

Tingginya kadar alkalinitas cairan di dalam sistem fermentasi anaerobik diperlukan untuk meningkatkan kemampuan netralisasi terhadap asam lemak volatil yang dihasilkan untuk mencegah terjadinya penuruna pH drastis yang bersifat menghambat aktivitas metanogen. Alkalinitas bikarbonat sebaiknya dijaga pada kisaran nilai 2,5-5. Konsentrasi alkalinitas dalam digester diketahui merupakan fungsi jumlah protein dalam substrat, laju pemecahan ammonia dan HRT. Jika alkalinitas tidak tersedia cukup dalam substrat, maka dapat dilakukan pengurangan laju pembebanan organik atau penambahan bahan kimia. Penambahan senyawa kimia seperti Ca(OH)2 dan Na2CO3 dapat dilakukan untuk meningkatkan nilai pH dan alkalinitas larutan perlu dilakukan pada substrat

dengan kadar alkalinitas di bawah 1000 mg/L CaCO3. Peningkatan nilai alkalinitas akan menghasilkan peningkatan laju metanogenesis yang selanjutnya berakibat pada perbaikan dalam reduksi COD [36].

2.4.3 Asetogenesis

Tahapan ketiga dalam anaerobic digestion adalah asetogenesis, di mana asam lemak volatil selain CH3COOH yang diproduksi asidogenesis dicerna lebih lanjut oleh bakteri asetogenik untuk memproduksi CH3COOH, CO2 dan H2 [28]. Beberapa produk hasil fermentasi seperti asam lemak rantai panjang dari dua atom karbon, alkohol yang lebih panjang dari satu atom karbon, rantai cabang dan aromatik dari asam lemak, tidak dapat secara langsung digunakan oleh bakteri metanogenesis. Di dalam proses asetogenesis, produk dioksidasi menjadi asetat dan H2 proton direduksi oleh bakteri obligat di dalam hubungan syntropic dengan methanogenic archaea yang bertekanan parsial H2 rendah [27]. Bila gas H2 dan CO2 yang terbentuk besar, reduksi COD yang terjadi dapat mencapai nilai 10 % [36].

2.4.4 Metanogenesis

Selama metanogenesis, produk asetogenesis seperti asetat dan H2/CO2 dikonversi menjadi CH4 dan CO2 oleh bakteri Methanogenic archaea. Berikut adalah beberapa jenis bakteri metanogen yang memanfaatkan substratnya.

Tabel 2.10 Jenis Bakteri Metanogen dan Substrat yang Dimanfaatkannya [35]

Jenis Bakteri Substrat

Methanogenic archaea H2/CO2, asetat, dan senyawa karbon lainnya, seperti format, metanol, dan

methylamine

Methanosaeta Asam asetat

Methanobrevibacter arboriphilus H2/CO2

Methanospirilium hungatei dan

Methanobacterium formiccium

H2/CO2 dan asam format

senyawa karbon tunggal

Mikroorganisme sangat sensitif pada variasi lingkungan. Bakteri metanogenik termasuk genus archeabacter yang membedakannya dari bakteri asidogenik dan asetogenik. Berikut salah satu jenis bakteri metanogen:

Gambar 2.2 Perbedaan tipe dari bakteri metanogenik dalam proses pembentukan metan [37].

Menurut [37] ada tiga jenis dari bakteri metanogenik dalam pembentukan metan:

1. Genus Methanosarcina (berbentuk bola) 2. Methanothrix Bacteria (panjang dan turbular)

3. Bakteri yang mengkatabolisme furfural dan sulfat (pendek dan berbentuk batang yang berliku).

Peningkatan pH akan terjadi dalam tahapan metanogenesis. Penurunan COD terbesar akan dihasilkan dari proses konversi CH3COOH menjadi CH4 karena 70 % total CH4 diproduksi dalam sistem anaerobic digestion dihasilkan oleh proses pemecahan CH3COOH Bakteri methanogen merupakan grup bakteri yang bersifat paling sensitif terhadap oksigen dan pH. Oksigen terlarut berkadar 0,01 mg/l sudah dapat menghambat pertumbuhan bakteri methanogen. Penurunan laju pertumbuhan methanogen terjadi signifikan pada kondisi di luar kisaran pH 6,5-8,2. Pada nilai pH di bawah 6, laju produksi CH4 akan berlangsung sangat lambat. Namun, konsentrasi NH3 dapat menjadi semakin meningkat seiring naiknya nilai pH sehingga dapat menghambat akitivitas methanogen terutama yang berperan mengkonversi CH3COOH menjadi CH4 dan mengakibatkan

kondisi di mana proses berjalan stabil namun dengan laju produksi CH4 rendah [36]. Berikut adalah reaksi yang berhubungan antara konsumsi asetat dan hidrogen:

Tabel 2.11 Hubungan Reaksi untuk Metanogenesis [35].

Jenis Bakteri Reaksi Δ

Go (kJ/mol) Hydrogenothropic methanogenesis 4H2 +CO2 CH4+ 2H2O -135,0

Aceticlastic methanogenesis CH3COOH+2H2O CH4+CO2 -31,0 Acetate oxidation CH3COOH+2H2O 4H2+2CO2 +104,0 Homoacetogenesis 4H2+2CO2 CH3COOH+2H2O -104,0

Metanogenesis merupakan tahap yang paling kritis dari keseluruhan proses fermentasi anaerobik. Metanogenesis umumnya dipengaruhi oleh kondisi operasi. Komposisi dari umpan, laju umpan, temperatur, dan pH adalah contoh faktor yang mempengaruhi proses metanogenesis. Digester yang volumenya berlebihan, perubahan temperatur, atau masuknya oksigen dapat menghasilkan penghentian produksi metan [38].

2.5 Parameter Fermentasi Anaerobik

Pada dasarnya efisiensi produksi biogas sangat dipengaruhi oleh berbagai faktor meliputi : suhu, derajat keasaman (pH), konsentrasi asam-asam lemak volatil, nutrisi (terutama nisbah karbon dan nitrogen), zat racun, waktu retensi hidrolik, kecepatan bahan organik, dan konsentrasi amonia. Dari berbagai penelitian, dapat dirangkum beberapa kondisi optimum proses produksi biogas yang diperlihatkan pada Tabel 2.12

Tabel 2.12 Kondisi Optimum Produksi Biogas [18]

Parameter Kondisi Optimum

Suhu 550C

Derajat Keasaman 6,8-7,8

Nutrien Utama Karbon dan Nitrogen

Sulfida <200 mg/L

Sodium <5000 mg/L

Kalsium < 2000 mg/L

Magnesium < 1200 mg/L

Amonia < 1700 mg/L

Parameter-parameter di dalam produksi biogas harus diperhatikan dan dijaga karena jika kondisi di atas tidak terpenuhi maka bukan metana sebagai produk utama akan tetapi akan dihasilkan karbon dioksida sebagai produk utama [8].

2.5.1 Temperatur

Proses digestasi anaerobik dapat dioperasikan pada temperatur yang berbeda. Temperatur dapat dibagi dalam 3 range yaitu psycrophilic (dibawah 250C), mesophilic (250C -450C), thermophilic (450C-700C). Berikut adalah tabel hubungan langsung antara temperatur operasi dan Hydraulic Retention Time (HRT) :

Tabel 2.13 Hubungan antara Temperatur dan Hydraulic Retention Time (HRT) [38]

Tahapan termal Temperatur proses HRT minimum Psychrophilic < 200C 70 - 80 hari

Mesophilic 30 sampai 420C 30 - 40 hari

Thermophilic 43 sampai 550C 15 – 20 hari

Kestabilan temperatur menentukan proses digestasi anaerobik. Dalam prakteknya, temperatur operasi dipilih dengan pertimbangan umpan yang digunakan dan kebutuhan temperatur proses selalu disediakan dengan lantai atau dinding yang menggunakan sistem pemanas. Seperti yang didapat dari beberapa penelitian bahwa temperatur termofilik selalu menunjukan hasil terbaik dalam produksi biogas maupun penguraian zat-zat organik. Salah satunya penelitian yang dilakukan oleh (Hadi dan el azeem, 2008) yang menggunakan variasi pemanasan dan pengadukan, hasil menunjukkan bahwa yield biogas dan metan

tertinggi pada digester vertical (pemanasan (38,1oC) dan pengadukan) (468,1 L/kg TS; 284,1 L/kg OTS), dibanding horizontal tanpa pengadukan dan suhu ruangan (27oC) (353,1 L/kg TS; 233,7 L/kg OTS) [8]. Selain bergantung pada temperatur, nilai produksi biogas juga bergantung pada HRT [38]. Gambar berikut menunjukkan hubungan antara nilai biogas relatif yang bergantung pada temperatur dan HRT:

Gambar 2.3 Hubungan nilai biogas yang bergantung pada temperatur dan HRT [38].

2.5.2 pH

Konsentrasi ion-hidrogen merupakan kualitas parameter yang penting di dalam limbah cair. Konsentrasi dari pH dapat diartikan sebagai eksistensi dari kehidupan mikroba di dalam limbah cair (biasanya pH diantara 6 sampai 9). Limbah cair mempunyai konsentrasi pH yang sulit diatur karena adanya proses pengasaman pada limbah cair. pH mempunyai arti yang sangat penting di dalam pengolahan limbah cair karena dari pH kita dapat mengetahui kondisi mikroba yang ada di dalam limbah cair [18]. Tingkat pH memberikan pengaruh terhadap aktivitas enzim di dalam mikroorganisme, setiap enzim hanya dapat aktif pada rentang pH tertentu dan mempunyai aktivitas maksimum pada pH optimal. Setiap kelompok mikroorganisme mempunyai perbedaan rentang pH optimal. Methanogenic archea dapat berfungsi dalam batas interval dari 5,5-8,5 dengan range optimal 6,5-8,0. Bakteri fermentatif dapat berfungsi pada rentang yang luas dari 8,5 menurun hingga pH 4 [35].

Untuk mendapatkan kondisi optimum pada produksi biogas, dimana bakteri yang berperan adalah penghasil metan, nilai pH untuk campuran umpan di

dalam digester harus diantara 6 dan 7. Setelah stabilisasi dari proses fermentasi pada kondisi anaerobik, nilai pH akhir harus diantara 7,2 dan 8,2. Untuk memberikan efek penyangga dari penambahan konsentrasi ammonium. Ketika jumlah asam organik yang diproduksi besar pada permulaan fermentasi, pH di dalam digester mungkin menurun sampai 5. Saat digester mempunyai konsentrasi asam volatil yang tinggi, proses fermentasi metan akan terhambat bahkan terhenti. pH yang rendah (dibawah 6, 5) akan memberikan efek racun pada bakteri metanogenik [37]. Oleh karena itu, perlu adanya penambahan natrium bikarbonat (NaHCO3) yang berfungsi untuk menyangga pH.

2.5.3 Alkalinitas

Alkalinitas pada limbah cair dihasilkan dari hidrokarbon, karbonat (CO32-) dan bikarbonat (HCO3-) yang berikatan dengan kalsium, magnesium, kalium dan amonia. Alkalinitas pada limbah cair membantu untuk mempertahankan pH agar tidak mudah berubah yang disebabkan oleh penambahan asam. Konsentrasi dari alkalinitas pada limbah cair sangatlah penting karena kadar alkalinitas mempengaruhi pengolahan zat-zat kimia dan biologi, juga dibutuhkan untuk nutrisi bagi mikroba. Kadar alkalinitas didapat dengan menitrasi sampel dengan larutan standar asam, hasil dalam satuan mg/L CaCO3 [18].

2.5.4 Nutrisi

Nutrisi sangat penting bagi pertumbuhan mikroba, nutrisi untuk pertumbuhan mikroba dalam limbah cair umumnya adalah nitrogen dan phospor. Untuk mendapatkan sludge yang kecil pada proses anaerobik, maka diperlukan kadar nitrogen dan pospor dalam kandungan yang cukup untuk pertumbuhan biomassa. Oleh karena itu, penambahan nitrogen dan/atau phospor yang dibutuhkan tergantung dari substrat dan nilai dari SRT, biasanya jumlah nutrisi yang dibutuhkan seperti nitrogen, phospor, dan sulfur pada range 10-13,2-2,6 dan 1-2 mg per 100 mg limbah. Akan tetapi, agar metanogenesis maksimum, konsentrasi nitrogen, phospor dan sulfur biasanya 50, 10, dan 5 mg/L. Kandungan nitrogen dapat diperoleh dari berbagai macam senyawa seperti amonium hirogen karbonat (NH4HCO3) [18]. Sampel LCPKS yang digunakan dalam penelitian ini

sudah memenuhi nutrisi yang cukup untuk pertumbuhan mikroba dan dapat dilihat pada tabel 2.1 [16].

2.5.5 Logam Terlarut

Logam terlarut sangat penting di dalam proses fermentasi limbah cair, terutama pada proses methanogenesis. Logam terlarut ini berfungsi sebagai nutrisi penting pada pertumbuhan mikroba. Kandungan untuk logam terlarut yang direkomendasikan pada pengolahan limbah cair seperti besi, kobalt, nikel dan seng adalah 0,02; 0,004; 0,003 dan 0,02 mg/g produksi asam asetat. Penambahan logam-logam ini meningkatkan aktifitas mikroba dan sangat menguntungkan pada proses anaerobik untuk limbah cair. Kadar logam berat terlarut yang direkomendasikan per liter reaktor adalah 1 mg FeCl2; 0,1 mg CaCl2; 0,1 mg NiCl2; dan 0,1 mg ZnCl2 [18].

2.5.6 Pengadukan

Pengadukan merupakan salah satu parameter penting di dalam fermentasi anaerobik, karena dapat memperngaruhi kinerja dari mikroorganisme dalam merombak zat-zat organik menjadi biogas. Pengadukan memiliki beberapa tujuan, yaitu untuk memudahkan pengontakan antara mikroorganisme, substrat, dan nutrien yang tersedia pada temperatur yang seragam untuk keseluruhan proses, melindungi material dari akumulasi dalam bagian bawah tangki digestasi [33]. Selain itu, pengadukan dapat menghilangkan kemungkinan dari terbentuknya busa yang akan menyebabkan terhambatnya keluar gas (plugging) [8]. Biasanya mikroorganisme tumbuh dalam gumpalan, yang memudahkan penutupan penggumpalan dan transfer hidrogen. Pengadukan yang pelan bermanfaat untuk penyebaran dari penggumpalan dan pencampuran secara kontinu menghindari pengendapan. Dalam tangki digestasi sebaiknya dilengkapi dengan pengaduk (pengaduk mekanik dan pompa) untuk mencampur substrat dan mikroorganisme secara baik [33].

Hal lain yang perlu diperhatikan dalam menggunakan pengadukan adalah durasi dan intensitas pengadukan yang juga mempengaruhi performance dari fermentasi anaerobik. Faktor utama yang berpengaruh terhadap pengadukan

digester adalah strategi pengadukan, intensitas, durasi dan lokasi pengaduk di dalam sistem. Pengadukan yang cukup menunjukan pendistribusian substrat, enzim, dan mikroorganisme secara merata di dalam digester. Sebaliknya, pengadukan yang tidak cukup akan menunjukan hasil timbulnya lapisan padatan pada bagian atas [9].

Berdasarkan salah satu dari hasil penelitian yang mengkaji pengaruh laju pengadukan terhadap efisiensi dan stabilitas dari rangkaian proses anaerobik yang dilakukan oleh Rodrigues et al, (2003) mengindikasikan laju pengadukan yang optimum (50 rpm), sedangkan pengadukan dibawah 50 rpm dapat menurunkan efisiensi karena pengadukan yang tidak cukup ataupun melebihi, penururnan ini terjadi karena penyebaran pertumbuhan biomassa disebabkan oleh pengadukan yang berlebihan. Bagaimanapun, kajian ini dilakukan dengan pengadukan konstan selama keseluruhan eksperimen yang tidak membutuhkan kondisi yang optimal karena pengadukan yang kotinyu tidak selalu harus diperlukan untuk memperbaiki transfer masa di dalam lumpur/limbah [39].

Pengadukan yang berlebihan juga tidak baik, karena dapat merusak mikroorganisme [40]. Impeller atau pengaduk yang digunakan dalam penelitian ini adalah impeller berjenis turbin bilah empat. Turbin umumnya digunakan untuk cairan dengan viskositas yang rendah dan rotasi perputaran yang tinggi [41]. Hal ini sebenarnya kurang sesuai digunakan untuk digestasi anaerobik, karena akan menurunkan kinerja mikroorganisme jika putaran terlalu tinggi, sesuai dengan beberapa penelitian lain yang umumnya menggunakan pengadukan yang cenderung pelan [9,10,11], Turbin sendiri memiliki pola aliran radial yang akan mengangkat seluruh padatan terdispersi di bagian dasar reaktor. Selain itu juga dapat mendispersi gas di dalam cairan dengan viskositas yang rendah. Turbin membentuk pola aliran radial yang memberikan zona sirkulasi pada bagian atas dan bawah tangki. Berikut adalah gambar tangki berpengaduk jenis turbin dengan pola aliran radial [41].

Gambar 2.4 Sketsa Tangki Berpengaduk Jenis Turbin dengan Aliran Radial [41]

Pengadukan juga memiliki kaitan yang erat dengan densitas dan viskositas cairan yang dihasilkannya. Densitas merupakan ukuran yang menyatakan kekentalan suatu zat. Viskositas merupakan sifat dari fluida yang menyebabkan naiknya ketahanan relatif dari batas lapisan dalam fluida. Studi menunjukkan bahwa perpindahan dari aliran laminar ke turbulen di dalam pipa tidak hanya fungsi dari kecepatan saja, tetapi juga merupakan fungsi dari densitas dan viskositas. Beberapa variabel dikombinasikan menjadi sebuah persamaan yang disebut bilangan Reynold (tak berdimensi) [41] :

NRe = D2Nρ/ μ Keterangan:

Nre = Bilangan Reynold D = Diameter impeller (m2) N = Kecepatan putaran (rps) ρ = Densitas fluida (kg/m3) μ = Viskositas fluida (kg/m.s) 2.5.7 Zat Racun (Toxic)

Faktor lain yang berpengaruh terhadap aktivitas mikroorganisme anaerobik adalah kehadiran dari komponen senyawa toxic. Zat-zat toxic terebut dapat terbawa ke dalam sistem digestasi anaerobik bersamaan dengan umpan atau dihasilkan selama proses berlangsung, sehingga akan berpengaruh terhadap hasil dari digestasi anaerobik tersebut [38].

2.5.8 Organic Loading Rate (OLR)

Pembuatan dan pengoperasian dari sebuah pabrik biogas adalah kombinasi dari ekonomi dan pertimbangan teknikal. Untuk memperoleh nilai biogas maksimum, dengan digestasi lengkap dari substrat akan membutuhkan waktu tinggal yang lama dari substrat yang berada di dalam digester dan sebuah ukuran digester yang cocok. Di dalam prakteknya, pemilihan rancangan sistem (ukuran dan tipe digester) atau dari waktu tinggal yang dipakai selalu didasari pada persetujuan untuk memperoleh nilai tertinggi dari biogas dan mempunyai nilai ekonomi yang sesuai. Organic Load merupakan parameter operasional yang penting dan mengindikasikan berapa banyak bahan organik yang dapat diumpankan ke dalam digester per volume dan unit waktu [38]. Dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :

BR = m * c / VR

Dimana :

Br = Organic Load (kg/hari m3)

m = Massa umpan substrat per unit waktu (kg/hari) c = Konsentrasi bahan organik (%)

VR = Volume digester (m3)

Organic Load dapat berupa pengenceran dari substrat yang tentunya akan mempengaruhi hasil dari digestasi anaerobik. Seperti penelitian yang dilakukan oleh (Triakuntini, 2014) yang melakukan penelitian menggunakan 10 reaktor dengan jumlah sampah 4 kg dan rumen 1,5 L dengan variasi penambahan air sebanyak 6000, 4000, 2600, 1500, dan 670 ml. 5 reaktor pertama diberikan pengadukan sedangkan 5 lainnya tanpa pengadukan. Hasil menunjukkan bahwa reaktor dengan pengenceran 6000 ml menghasilkan gas terbanyak, yaitu reaktor 1(1032,02 ml) dan 6 (1196,99 ml), dibandingkan pengenceran lain yang penambahan airnya lebih sedikit [10].

2.5.9 Hydraulic Retention Time (HRT)

Parameter yang penting untuk ukuran dari digester biogas adalah waktu tinggal (HRT). HRT adalah interval waktu rata-rata selama substrat tinggal di

dalam tangki digester. HRT adalah korelasi dari volume digester dan volume umpan substrat per unti waktu yang dituliskan dalam persamaan berikut :

HRT = VR/V Dimana :

HRT = Waktu tinggal hidraulik ( hari) VR = Volume digester (m3)

V = Volume substrat umpan per unit waktu (m3/ hari)

Sesuai dengan persamaan diatas, penambahan bahan organik (Organic Load) dapat mengurangi waktu tinggal (HRT). Waktu tinggal harus cukup lama untuk memastikan jumlah mikroorganisme yang dihilangkan dengan digestasi tidak lebih tinggi dari jumlah mikroorganisme yang diproduksi. Laju perbanyakan dari bakteri anaerobik selalu 10 hari atau lebih. Waktu tinggal yang rendah memberikan laju substrat yang baik, tetapi nilai (yield) gas yang rendah. Oleh karena itu, perlu untuk menyesuaikan HRT untuk laju dekomposisi spesifik dari penggunaan substrat. Perlu diketahui target waktu tinggal dari umpan yang masuk setiap hari, laju dekomposisi substrat, itu mungkin untuk menghitung volume digester yang sesuai [38].

2.6 POTENSI EKONOMI

Penelitian ini memanfaatkan limbah cair pabrik kelapa sawit, merupakan salah satu limbah agroindustri yang paling sering menyebabkan polusi dan merupakan limbah terbesar dari proses pengolahan kelapa sawit [4], minyak kelapa sawit adalah sumber penting untuk produksi biogas yang merupakan energi terbarukan, yang tersedia 43.100.000 ton atau 27% dari total produksi minyak dan lemak nabati didunia, diikuti oleh minyak kedelai. Permintaan minyak sawit Indonesia di pasar internasional semakin meningkat setiap tahunnya. Laju permintaan naik hingga tahun 2007 mencapai 4,105 dan 12,65 juta ton [3]. Laju produksi kelapa sawit perbulan cenderung fluktuasi, artinya limbah yang dihasilkan juga mengalami fluktusi sedangkan energi yang dibutuhkan semakin meningkat. Untuk itu, penelitian ini dilakukan tindakan untuk mengatasi ketidakseimbangan tersebut yang sangat berpotensi dan menguntungkan dikarenakan kandungan metana yang sangat tinggi yang dihasilkanpleh Limbah

Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) yang digunakan sebagai substrat pada penelitian ini yaitu mencapai 69% per hari.

Dari hasil penelitian, produk yang dihasilkan, pada HRT 4, dengan kandungan metana maksimum 69% produksi biogas dihasilkan 0,78L/hari. Volume metana yang terbentuk = 69% x 0,78L/hari = 0,5382 L/hari

= 5,382 x 10-4 m3/hari Diketahui, ρ CH4 = 0,68 kg/m3 [33]

Massa metana (CH4) = ρ CH4 x Volume CH4

= 0,68 kg/m3 x 5,382 x 10-4 m3/ hari = 3,65976 x 10-4 kg/hari

Harga biogas adalah 1200/kg, sehingga total penjualan 3,65976 x 10-4 kg/hari biogas adalah = Rp. 0,44/hari. Meskipun dari nilai harga tidak begitu menjanjikan namun potensi ekonomi dari energi sangat begitu menguntungkan yaitu :

1. Tingginya kandungan metana yang dihasilkan, yang dapat diubah menjadi energi panas dan listrik

2. Sangat sedikitnya H2S yang terbentuk bahkan hampir tidak terdeteksi.

3. Dan merupakan pengolahan yang ramah lingkungan karena mampu untuk mendegradasi limbah organik menjadi metana.

4. Proses dua tahap ini ini mengurangi resiko akumulasi intermediet beracun seperti asam lemak volatil yang dapat menghambat bakteri metanogen untuk berproduksi.

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 LOKASI PENELITIAN

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Ekologi, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara (USU), Medan.

3.2 BAHAN DAN PERALATAN 3.2.1 Bahan Penelitian

3.2.1.1 Bahan Utama

Bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah substrat asam limbah cair kelapa sawit dari effluent reaktor asidogenesis dari peneliti sebelumnya yang menggunakan bahan baku Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS).

3.2.1.2 Bahan Analisa 1. Aquadest (H2O) 2. Asam Klorida (HCl)

3. Kertas Saring Whattman No. 41 Ashless 4. Gastec detecting tube No. 4HM

5. Gastec detecting tube No. 2HT

3.2.2 Peralatan

3.2.2.1 Peralatan Utama

1. Fermentor tangki berpengaduk/ jar fermentor (EYELA model MBF 300ME) yang dilengkapi pengatur kecepatan pengadukan dan suhu.

2. Pompa sludge /slurry pump (HEISHIN, model No :3NY06F) 3. Gas meter (SHINAGAWA, model No.:W-NK-0.5B)

4. Botol penampungan keluaran fermentor 5. Gascollector

3.2.2.2 Peralatan Analisa 1. Injektor

2. pH meter (pH elektroda dan monitor) 3. Cawan Porselin

4. Oven 5. Desikator

6. Timbangan elektrik Merk OHAUS (4 angka desimal) 7. Pipet volumetrik

8. Karet penghisap 9. Pengaduk magnetic 10. Vacuum Filter set 11. Furnace

12. Gastec Model 801 untuk analisa H2S 13. Injector 20 ml untuk analisa CO2

3.2.3 Rangkaian Peralatan

Gambar Berikut merupakan rangkaian peralatan yang dilakukan dalam metanogenesis asam limbah cair kelapa sawit menjadi biogas.

Gambar 3.1 Rangkaian Peralatan Keterangan :

1. Jar Fermentor 8. Pengatur Suhu Air Jaket

2. Pompa Masuk 9. Wadah Keluaran Fermentor

3. Pompa Keluar 10. Injektor

4. Gas Meter 11. Gas Collector

5. Tombol Pompa Air Jaket 12. Bacaan pH elektroda 6. Tombol Penghidup Fermentor 13. pH meter

7. Pengatur Kecepatan Pengaduk 14. Data Logger

1 1

2 4

10

3.3 PROSEDUR PENELITIAN 3.3.1 Prosedur Utama

Penelitian ini merupakan tahap terakhir untuk menghasilkan biogas. Pada tahap metanogenesis ini dilakukan proses loading up terlebih dahulu, proses ini dilakukan selama 60 hari. Limbah cair pabrik kelapa sawit dimasukkan ke dalam jar fermentor sebagai wadah proses digestasi anaerobik yang bervolume 2 liter dengan starter dari proses fermentasi limbah cair kelapa sawit pada penelitian sebelumnya dengan perbandingan 3 : 1. Proses ini dilakukan secara kontinu dimana asam limbah cair kelapa sawit sebagai substrat yang diperoleh dari digester asidogenesis di umpankan ke digester metanogenesis 4 kali sehari sebagai makanan. Setelah kondisi kehidupan bakteri stabil yaitu dengan pH dan alkalinitas konstan, dilakukan variasi pengadukan dengan suhu termofilik (55 oC).

Pada tahap penelitian ini dilakukan secara kontinu dengan waktu retensi (HRT) 4, suhu termofilik (55 oC) dengan kecepatan pengadukan yang divariasikan yaitu 50, 100, 150, dan 200 rpm dengan pH di jaga konstan 6,9 - 7,5 dengan menggunakan larutan penyangga yaitu natrium bikarbonat (NaHCO3). Pengadukan dinaikan secara perlahan untuk menjaga kestabilan kondisi kehidupan mikroba di dalam digester, biogas yang terbentuk diukur melalui gas meter yang dihubungkan dengan jar fermentor lalu analisa yang dilakukan adalah pH, alkalinitas, Volatil Solid (VS) dan Total Solid (TS) dilakukan setiap hari sedangkan Total Suspended Solid (TSS) dan Volatil Suspended Solid (VSS), CO2 dan H2S dilakukan setiap 3 hari sedangkan COD seminggu sekali.

3.3.1.1 Blok Diagram Proses Metanogenesis Dari Asam Limbah Cair Kelapa Sawit Menjadi Biogas

Gambar 3.2 Blok Diagram Proses Metanogenesis Dari Asam Limbah Cair Kelapa Sawit (LCPKS) Menjadi Biogas

Mulai

Dilakukan aklimatisasi POME + starter dengan perbandingan (3:1) di dalam jar

fermentor metanogenesis

Dilakukan analisa pH, Alkalinitas,

Ditetapkan HRT 4 dan dilakukan variasi suhu direaktor

Selesai Apakah nilai

pH dan Ya

Tidak Diumpankan substrtat

dari effluent asidogenesis 4

Dicatat volume gas yang

Dilakukan analisa gas CO2 dan H2S

3.3.2 Prosedur Analisa Sampel

3.3.2.1 Analisa Konsentrasi Chemical Oxygen Demand (COD)

Pengujian konsentrasi Chemical Oxygen Demand (COD) dilakukan di Balai Teknik Kesehatan Lingkungan dan Pengendalian Penyakit (BTKLPP) di jalan K. H. Wahid Hasyim No 15 Medan 20154, Sumatera Utara.

3.3.2.2 Analisia pH

pH optimum dari mikroorganisme membentuk metana adalah pada pH = 6,7-7,5. pH mempunyai arti yang sangat penting di dalam pengolahan limbah cair karena dari pH kita dapat mengetahui kondisi mikroba yang ada di dalam limbah cair, oleh karena itu analisa ini perlu dilakukan. Prosedur analisa pH adalah sebagai berikut:

1. sampel diambil melalui injektor.

2. Masukkan sampel ke dalam beaker gelas.

3. pH elektroda diletakkan di dalam beaker gelas dan dicatat pH sampel tersebut. Berikut Adalah Flowchart Prosedur Analisa pH :

Gambar 3.3 Flowchart Prosedur Analisa pH Mulai

Dimasukkan sampel kedalam beaker glass

Diletakkan pH elektroda ke dalam beaker glass yang telah berisi sampel

Dicatat nilai pH

3.3.2.3 Analisa Alkalinitas

Alkalinitas dinyatakan sebagai ukuran untuk mmengontrol pH dengan metode titrasi dan berhenti pada pH yang berkisar 4,8± 0,02 [42]. Adapun prosedurnya adalah sebagai berikut :

1. Rotating Magnet dimasukkan kedalam Beaker glass.

2. Sampel sebanyak 5 ml ditambahkan dengan aquadest hingga volume larutan 80 ml dimasukkan kedalam Beaker glass tersebut.

3. Beaker glass diletakkan diatas magnetic stirrer, dan pH elektroda diletakkan di dalam Beaker glass, kemudian stirrer dihidupkan dan kecepatan diatur sedemikian rupa hingga sampel tercampur sempurna dengan aquadest.

4. Campuran dititrasi dengan larutan HCl 0,1 N hingga pH mencapai 4,8± 0,02. 5. Dicatat volume HCl yang di gunakan

6. Data yang diperoleh di hitung dengan rumus :

M-Alkalinity =

Sampel Vol

x x M x terpakai yang

HCl

Vol. _HCl 1000 5

Berikut Flowchart Prosedur Analisa Alkalinitas :

Mulai

Dimasukkan rotating magnet kedalam beaker glass

Dimasukkan 5 ml sampel dan ditambahkan aquadest kedalam beaker glass hingga volume 80 ml

Diletakkan pH elektroda kedalam beaker glass lalu diletakan beaker glass tersebut di atas magnetic stirrer

Dihidupkan stirrer dan diatur kecepatan sedemikian rupa hingga sampel tercampur sempurna dengan

Gambar 3.4 Flowchart Prosedur Analisa Alkalinitas

3.3.2.4 Analisa Total Solids (TS)

Total solid didefinisikan sebagai sisa material atau residu yang tersisa yang ada atau masih tetap ada pada cawan setelah dilakukan proses pengeringan di dalam oven pada suhu yang ditetapkan. TS ini terdiri dari total padatan tersuspensi atau total padatan ditahan oleh filter biasa disebut Total Suspended Solid (TSS) dan total padatan terlarut yaitu bagian yang melewati filter biasa disebut Total Dissolved Solid (TDS). “Padatan Tetap” adalah istilah yang diterapkan pada total residu yang tertahan, atau padatan terlarut setelah pemanasan sampai kering untuk waktu tertentu pada suhu tertentu . Penurunan padatan melalui pembakaran disebut “padatan volatile’ atau biasa disebut Volatile Solid. Analisa ini dilakukan dengan metode gravimetri sesuai dengan SNI 06-6989.3-2004 dan Standard Methods for the Examinatioan of Water and Wastewater [43]. Adapun prosedurnya sebagai berikut :

Apakah pH sudah mencapai

4,8±

Tidak

Ya

Selesai

Dicatat volume HCl yang di gunakan Dititrasi campuran dengan larutan

HCl 0,1 N hingga pH mencapai 4,8± 0,02

1. Cawan penguap kosong yang telah dibersihkan, dipanaskan pada suhu 105oC dalam oven selama 1 jam. Apabila akan dilanjutkan untuk analisa zat tersuspensi organik, cawan dipanaskan pada 550oC, selama 1 jam. 2. Cawan didinginkan selama 15 menit dalam desikator, lalu ditimbang

cawan yang keluar dari furnace pada 550oC diturunkan dulu panasnya dalam oven pada 105oC sebelum didinginkan dalam desikator.

3. Sampel sebanyak 5 ml diletakkan ke dalam cawan yang telah di dinginkan.

4. Cawan yang berisi sampel ditimbang.

5. Masukkan cawan berisi sampel ke oven, suhu 103 – 105oC selama 1 jam. 6. Setelah 1 jam dinginkan cawan yang berisi residu zat padat tersebut dalam

desikator sebelum ditimbang.

7. Ulangi langkah 5 dan 6, sampai didapat berat yang konstan atau berkurang berat lebih kecil 4% berat semula atau 0,5 mg, biasanya pemanasan 1-2 jam sudah cukup. Penimbangan harus dikerjakan dengan cepat untuk mengurangi galat.

8. Kandungan TS dapat dihitung berdasarkan rumus sebagai berikut :

(mL) sampel volume

1000 B) -(A tal/L

padatan to

mg  

Keterangan :

A = berat residu kering + cawan porselen, mg B = berat cawan porselen, mg

71

: 9,5945 gr/9,61152 ml = 0,998229 gr/ml

L2.7 Perhitungan Nilai Viskositas (μ)

Kalibrasi aquadest : t1 : 22,62 t2 : 23,24 t3 : 23,84 ttotal : (t1+ t2+ t3 ) = 69,7 trata-rata : 23,23 detik

Sampel : t1 : 30,26 t2 : 28,88 t3 : 28,21 ttotal : (t1+ t2+ t3 )= 87,35 trata-rata :29,117 detik

Diketahui N (30oC) : 0,8007 cP [41] S : 1

t : 23,23 s

sg : densitas sampel/densitas (30oC) : 0,998229/0,99568 = 1,004834

k : N/(s x t)

: 0,8007 cP/ (1 x 23,23 s) = 0,034468 cP/s Nsampel : k x s x trata-rata

: 0,034468 x 1,004834 x 29,11667 : 1,008455 cP

L2.8 Perhitungan Bilangan Reynold (NRe)

NRe = D2Nρ / μ Keterangan:

Nre = Bilangan Reynold D = Diameter impeller (m2) N = Kecepatan putaran (rps) ρ = Densitas fluida (kg/m3)

μ = Viskositas fluida (kg/m.s)

Dengan mengambil nilai densitas dan viskositas diatas, maka dapat dihitung bilangan Reynold sebagai berikut :

kg/ms

0,00100845

kg/m3

998,229

x

rps

0,833

x

m

0,01

NRe



73

LAMPIRAN 3

DOKUMENTASI

L3.1 FERMENTOR

Gambar L3.1 Fermentor

L3.2 ANALISA pH DAN ALKALINITAS

Gambar L3.2 Analisa pH dan Alkalinitas

L3.3 ANALISA TOTAL SOLID (TS) DAN VOLATILE SOLID (VS)

Gambar L3.3 Analisa Total Solid (TS) dan Volatil Solid (VS)

L3.4 ANALISA TOTAL SUSPENDED SOLID (TSS) DAN VOLATILE

SUSPENDED SOLID (VSS)

75

L3.5 GASMETER

Gambar L3.5 Gasmeter

L3.6 ANALISA CO2

Gambar L3.6 Analisa CO2

L3.7 ANALISA H2S