METODE PENELITIAN
PROSES PENGOLAHAN TAPIOKA
Teknologi Pelaksanaan proses
Bahan-bahan masukan Produk yang dihasilkan Limbah PROSES PENGOLAHAN TAPIOKA Modifikasi Teknologi Good Housekeeping Substitusi Bahan masukan Modifikasi Produk yang dihasilkan On-site reuse
Proses produksi atau unit operasi
Masukan Keluaran
Bahan baku 1 Bahan baku 2 Bahan baku 3 Air dan energi
Gas
Produk utama Hasil samping Air limbah Limbah yang disimpan
Kajian Produksi Bersih Industri Tapioka
Tahap ini berupa pengamatan terhadap proses pengolahan ubikayu menjadi tapioka pada tingkat pabrik dan wawancara untuk mendapatkan data yaitu
1) bahan-bahan masukan (input); 2) teknologi yang digunakan; 3) pelaksanaan proses; 4) produk; dan
5) limbah yang dihasilkan.
Data yang diperoleh dari hasil analisis pendahuluan dijabarkan dalam bentuk aliran masukan dan keluaran berupa neraca massa dan energi serta limbah yang dihasilkan. Komponen-komponen dalam neraca massa dan energi yang dihasil-kan disajidihasil-kan berdasardihasil-kan basis unit produk yang dihasildihasil-kan. Tahap sintesis untuk menentukan pilihan produksi bersih terpilih berdasarkan:
1) evaluasi ekonomis menggunakan kriteria PBP, NPV, dan IRR (Soeharto 2002) 2) evaluasi lingkungan berdasarkan kriteria perubahan penggunaan bahan baku
dan pembantu, perubahan penggunaan air dan energi, dan karakteristik limbah yang dihasilkan berupa nilai TSS, COD, BOD, sianida (HCN), dan pH (Alaerts dan Santika 1984; APHA 1992).
Data yang dikumpulkan pada tahap ini disajikan pada Tabel 7.
Tabel 7. Data yang dibutuhkan pada kajian produksi bersih tingkat industri tapioka
Jenis Keterangan Cara perolehan data
Masukan (input) Ubikayu, air, energi, dan
lain-lain
Wawancara, pengamatan dan pengukuran langsung
Keluaran (output) Tapioka, hasil samping,
limbah padat, air limbah
Wawancara, pengamatan dan pengukuran langsung
Proses pembuatan tapioka Diagram alir dan neraca Pengamatan langsung
Mutu Ubikayu Kadar kotoran, kadar pati Pengujian laboratorium
Mutu tapioka Kadar abu, kadar air, Derajat
putih, cemaran logam, dan uji bakteri
Pengujian laboratorium
Air limbah Jumlah dan karakteristik
lim-bah)
Pengukuran langsung dan pengujian laboratorium
Limbah padat Jumlah dan jenis limbah Pengamatan dan
peng-ukuran langsung
N
Neerraaccaa MMaassssaa ddaann NNeerraaccaa EEnneerrggii Neraca Massa
Neraca massa (mass balance) seringkali disebut sebagai neraca material dalam industri kimia. Suatu neraca massa dapat bermakna tanpa adanya neraca energi, tetapi sebaliknya suatu neraca energi membutuhkan pengetahuan tentang massa dan komposisi dari semua aliran yang ada dalam neraca. Kombinasi dari neraca massa dan neraca energi merupakan suatu alat yang penting untuk evaluasi yang efektif terhadap proses rutin suatu industri kimia (Clausen dan Mattson 1978).
Neraca massa dibuat berdasarkan konsep hukum kekekalan (konservasi) materi yang menyatakan bahwa atom-atom tidak dapat diciptakan atau dihancurkan. Atom-atom yang masuk ke dalam suatu sistem terakumulasi dalam sistem atau meninggalkannya (Clausen dan Mattson 1978). Hal ini dinyatakan dalam persamaan berikut:
Akumulasi dari atom j total atom j yang total atom j yang
dalam sistem = memasuki sistem - meninggalkan sistem …. (1) Dengan menjumlahkan seluruh atom yang masuk dan meninggalkan sistem, total neraca material yang dihasilkan menjadi:
Total akumulasi dalam total massa total massa
sistem = memasuki sistem - meninggalkan sistem …(2) Jika tidak terjadi akumulasi dalam sistem maka persamaan 2 direduksi menjadi sebagai berikut:
total massa total atom massa
memasuki sistem = meninggalkan sistem ……..…... (3)
Neraca massa dibuat berdasarkan beberapa tahap yaitu: (1) Menggambar-kan aliran proses yang telah disederhanaMenggambar-kan dalam bentuk diagram; (2) Me-nempatkan data yang tersedia pada aliran proses yang telah dibentuk dalam suatu diagram menggunakan unit tertentu (metric system atau the American engineering system); (3) Membuat semua persamaan kimia untuk reaksi kimia yang terjadi di dalam proses; dan (4) Memilih basis yang digunakan untuk perhitungan (Clausen dan Mattson, 1978).
Neraca Energi
Neraca energi dibuat berdasarkan hukum termodinamika pertama tentang kekekalan energi. Hukum termodinamika pertama diterapkan dalam bentuk ne-raca energi dengan persamaan sebagai berikut:
Energi yang terakumulasi = energi yang – energi yang
dalam sistem masuk keluar ……… (4) Neraca energi dibuat dengan tahapan yang sama seperti pembuatan neraca massa dan semua jenis energi yang terdapat dalam sistem harus diekspresikan dalam satuan unit yang sama (metric system atau the American engineering system). Jenis-jenis energi yang digunakan dalam neraca energi adalah energi potensial, energi kinetik, energi termal (thermal energy), energi kerja (work energy), dan energi dalam (internal energy) (Clausen dan Mattson, 1978).
Energi yang merupakan salah satu input dalam proses produksi pertanian memiliki beberapa bentuk, antara lain energi langsung, energi tidak langsung, dan energi biologis. Energi yang digunakan dalam proses produksi dan pengolahan tapioka dapat dikategorikan menjadi 2 golongan yaitu energi langsung dan energi tidak langsung. Energi langsung adalah bentuk energi yang digunakan secara langsung dalam proses produksi yang antara lain berupa energi bahan bakar dan energi manusia. Energi tidak langsung adalah energi yang digunakan untuk mem-bentuk barang atau memberikan masukan atau energi yang tidak langsung berhubungan dengan proses produksi yang antara lain berupa energi biomassa dan energi alat mesin. Jumlah energi langsung dan tidak langsung yang telah diguna-kan dalam memproduksi suatu barang disebut embodied energy (Abdullah, 1987; Fluck, 1992). Dalam penelitian ini akan ditentukan kebutuhan energi langsung per satuan produk yang dihasilkan.
E
Evvaalluuaassii EEkokonnoommiiss PPiilliihhaann PPrroodduuksksii BBeerrssiihh
Evaluasi ekonomis terhadap pilihan produksi yang dihasilkan ditentukan menggunakan instrumen-instrumen berupa pay back period, net present value
(NPV), dan internal rate of return (IRR) (UNEP 1995 dalam UNEP DTIE dan DEPA 2000; Brown 1994; Soeharto 2002).
Pay back Period (PBP)
PBP atau waktu pengembalian modal adalah waktu yang diperlukan oleh proyek untuk mengembalikan investasi awal dengan tingkat pengembalian tertentu. Perhitungan PBP dilakukan berdasarkan aliran kas baik tahunan maupun yang merupakan nilai sisa. Apabila suatu alternatif investasi mempunyai umur ekonomis lebih besar daripada periode pengembalian (N’), maka alternatif tersebut layak. Jika sebaliknya N’ lebih besar dari estimasi umur ekonomis, maka dikatakan tidak layak. PBP dihitung dengan formula sebagai berikut:
PBP = -P +
" 1 ) %, , / ( N t t P F i t A ….. (5) Keterangan:At = Aliran kas yang terjadi pada periode t N’ = Periode pengembalian yang akan dihitung P = nilai sekarang
F = nilai yang akan datang
Net present value (NPV)
NPV menyatakan nilai bersih investasi saat ini yang diperoleh dari selisih antara nilai sekarang investasi dengan nilai sekarang penerimaan kas bersih di masa yang akan datang, setelah memperhitungkan discount factor. Suatu proyek dapat dinyatakan bermanfaat untuk dilaksanakan apabila NPV > 0. Jika NPV =0 berarti proyek dapat mengembalikan sebesar social opportunity cost faktor produksi modal. Jika NPV < 0 berarti proyek tidak dapat menghasilkan, sehingga ditolak. Formula untuk menghitung NPV adalah :
NPV = 0 1 (1 ) ) ( K i C B n t t t t
……… (6) Keterangan:Bt = benefit bruto proyek pada tahun ke t
Ct = biaya bruto proyek pada tahun ke t
K0 = nilai investasi awal n = umur ekonomis proyek i = tingkat bunga modal (persen)
Internal rate of return (IRR)
IRR menunjukkan tingkat bunga pada saat jumlah penerimaan sama dengan jumlah pengeluaran atau tingkat suku bunga yang menghasilkan NPV = 0. Jika
nilai IRR lebih besar dari tingkat suku bunga yang berlaku maka suatu proyek dapat dilanjutkan, jika yang terjadi sebaliknya maka proyek ditolak. IRR dapat dihitung dengan formula sebagai berikut
IRR = x D N D P PVN PVP PVP P Df ( f f ……….. (7) Keterangan:
DfP = Discount factor yang menghasilkan present value positif DfN = Discount factor yang menghasilkan present value negatif PVP = present value positif
PVN = present value negatif
P
Paarraammeetteerr MMuuttuu LLiinnggkkuunnggaann AAiirr lliimbmbaahh IInndduussttrrii TTaappiiookkaa
Industri tapioka mempunyai potensi mencemari lingkungan karena mengandung bahan organik yang tinggi berupa senyawa karbon, dan nitrogen yang relatif tinggi, sehingga berpotensi menyebabkan proses eutrofikasi dan dapat menstimulasi pertumbuhan ganggang secara cepat (Tchobanoglous, 1991). Total Suspended Solid (TSS)
TSS atau total zat padat tersuspensi diklasifikasikan menjadi zat padat dan melayang yang bersifat organis dan zat padat terendap yang dapat bersifat organis dan anorganis. Zat padat terendap adalah zat padat dalam suspensi yang dalam keadaan tenang dapat mengendap setelah waktu tertentu karena pengaruh gaya beratnya. Penentuan zat padat terendap tersebut dapat melalui volumenya yang disebut dengan analisis volume lumpur (sludge volume) dan dapat melalui bobotnya yang disebut dengan analisis lumpur kasar atau umumnya disebut zat padat terendap (settleable solids) (Alaerts dan Santika 1984).
Sampel dimasukkan ke dalam tabung untuk disentrifius. Sebelumnya cawan kosong telah di oven selama 1 jam dan dinginkan ke dalam desikator selama 30 menit. Kemudian dilakukan penimbangan berat cawan. Endapan yang terbentuk dari sentrifius di masukkan ke dalam cawan porselen yang telah diketahui berat keringnya kemudian cawan di masukkan ke dalam oven 105oC selama lebih kurang 3 jam atau masukkan ke dalam inkubator selama semalam dengan suhu 800C. Kemudian di oven selama 2 jam dengan suhu 105oC. Selanjutnya dimasukkan ke dalam desikator selama kira-kira 60 menit dan
lakukan penimbangan. Selisih berat cawan setelah dioven dengan berat kering cawan dan dibagi dengan volume sampel yang disentrifius dalam liter adalah nilai TSS (APHA, 1998).
Biological Oxygen Demand (BOD)
BOD atau kebutuhan oksigen secara biologis merupakan suatu analisis empiris yang mencoba mendekati secara global proses-proses mikrobiologis yang terjadi di dalam air. Nilai BOD yang dihasilkan menunjukkan jumlah oksigen yang dibutuhkan oleh bakteri untuk menguraikan atau mengoksidasikan hampir semua zat organik yang terlarut dan sebagian zat-zat organik yang tersuspensi dalam air (Alaerts dan Santika 1984; APHA 1992).
Larutan buffer yang digunakan untuk pengujian BOD terdiri dari 4 larutan dengan komposisi sebagai berikut :
1. Larutan buffer fosfat dibuat dengan cara melarutkan 8,5 gram KH2PO4, 33,40 gram Na2HPO4.7H2O, dan 1,70 gram NH4Cl ke dalam 1 Liter aquades.
2. Larutan buffer magnesium sulfat dibuat dengan cara melarutkan 22,50 gram MgSO4.7H2O dalam 500 mL aquades dan diencerkan sampai 1 Liter. 3. Larutan buffer kalsium klorida dibuat dengan cara melarutkan 27,50 gram
CaCl2 dalam 500 mL aquades dan diencerkan hingga 1 Liter.
4. Larutan buffer ferri klorida dibuat dengan cara melarutkan 0,25 gram FeCl3.6H2O ke dalam 500 mL aquades dan diencerkan hingga 1 Liter.
Nilai BOD diukur dengan menghitung selisih antara konsentrasi oksigen terlarut sebelum (DO0) dan sesudah inkubasi selama 5 hari (DO5). Pengukuran DO menggunakan DO meter jenis DO-24P. Sebelum alat digunakan terlebih dahulu DO meter dilakukan kaliberasi. Sampel sebanyak 20 mL dimasukkan ke dalam gelas beaker 1000 mL dan ditambahkan larutan buffer masing-masing sebanyak 1 mL serta 1 tetes seed kemudian diencerkan hingga 800 mL. Setelah itu sampel distirer selama 5 menit lalu dimasukkan ke dalam botol BOD ukuran 300 mL
) ( ) ( ker ) ( 2 , 105 L us disentrifi yang sampel volum g cawan ing berat g jam C dioven setelah cawan berat SS o
(sampel dibuat duplo) dan dilakukan pengukuran DO0. Blanko dibuat dengan memasukkan larutan buffer masing-masing 1 mL dan seed 1 tetes ke dalam gelas beaker 1000 mL dan diencerkan hingga 800 mL. Kemudian blanko distirer selama 5 menit lalu dimasukkan ke dalam botol BOD ukuran 300 mL (blanko dibuat duplo) dan dilakukan pengukuran BO0. Setelah dilakukan pengukuran DO0 dan BO0, botol BOD ditutup rapat dan diinkubasi selama 5 hari pada suhu 20oC di ruang gelap. Pada hari ke-5 dilakukan pengukuran DO yang tersisa.
Rumus perhitungan BOD :
P x V BO BO V DO DO L mg BOD 1000 2 1000 1 ) / ( 0 5 0 5 Dengan : 0
DO = rata-rata DO sampel 0 hari (mg/L)
5
DO = rata-rata DO sampel 5 hari (mg/L)
0
BO = rata-rata DO blanko 0 hari (mg/L)
5
BO = rata-rata DO blanko 5 hari (mg/L) 1
V = rata-rata volume botol sampel (mL) 2
V = rata-rata volume botol blanko (mL) P = Pengenceran
Chemical Oxygen Demand (COD)
Pengukuran karakteristik limbah berupa COD dilakukan dengan cara : Sampel diaduk terlebih dahulu kemudian diambil sebanyak 0,2 mL atau 200 µl menggunakan mikropipet. Masukkan ke dalam vial yang berisi reagen COD, kemudian dipanaskan dengan reactor unit DRB200 pada suhu 150oC selama 2 jam. Setelah dipanaskan, vial dikeluarkan dan dibiarkan sampai suhunya sama dengan suhu ruang kemudian diukur nilai COD dengan HACH Spektrofotometri DR4000 (HACH Company, 2004). Analisis COD berbeda dengan analisis BOD namun perbandingan antara nilai COD dan nilai BOD dapat ditetapkan seperti yang disajikan pada Tabel 8.
Tabel 8. Perbandingan rata-rata angka BOD5/COD untuk beberapa jenis air
Jenis air BOD5/COD
Air buangan domestik (penduduk)
Air buangan domestik setelah pengendapan primer Air buangan domestik setelah pengolahan biologis Air sungai
0,40 – 0,60 0,60 0,20 0,10 Sumber: Alaerts dan Santika (1984)
Metode Pengukuran Biogas di Kolam Air Limbah
Teknik yang dikembangkan adalah menggunakan metode Direct Floating Material Method yaitu meletakkan kontainer plastik yang dilengkapi dengan material mengambang (floating material), pemberat, selang plastik, katup, dan gas-meter di atas kolam IPAL seperti pada Gambar 12.
(a) (b)
Gambar 12. Peralatan penangkap gas (a) dan gas meter (b) yang digunakan untuk pengukuran biogas pada IPAL industri tapioka
Biogas dikumpulkan dari kolam No.4 menggunakan kontainer plastik dengan 60 cm × 40 cm × 30 cm (panjang × lebar × kedalaman). Setiap titik peng-ambilan sampel biogas memiliki waktu pengukuran selama 1-3 jam. Laju aliran biogas yang keluar dicatat menggunakan meteran gas basah (WK-NK-0.5B, Shinagawa Corporation, Jepang) dengan kapasitas laju alir 1-300 L/jam. Sampel biogas diambil dari kolam air limbah No.4 untuk menentukan komposisi biogas. Sampel biogas selanjutnya diukur dengan menggunakan alat analisis gas (GC-2014, Shimadzu).
Nilai Tambah Pengelolaan Limbah Terhadap Lingkungan
Nilai tambah terhadap lingkungan dari pengelolaan limbah dihitung dari pengolahan limbah cair, sementara untuk pengolahan limbah padat tidak dilaku-kan perhitungan karena limbah padat diasumsidilaku-kan dapat direduksi sampai ke titik nol (zero). Nilai tambah terhadap lingkungan dari pengolahan limbah cair menjadi biogas dilakukan dengan menghitung reduksi pencemaran gas rumah kaca (CH4) setelah dilakukan pengolahan.
Reduksi gas CO2 dari pemanfaatan limbah cair dihitung dengan meng-gunakan metode UNFCC (United Nation For Climate Change) tentang reduction emission di pengolahan limbah dan penggunaan reaktor dengan bahan bakar terbaharui (biogas) menggunakan IPCC 2006 Tools (Avoided waste water and on site energy use emission in the industrial sector) dimana gas CO2 dikonversikan sebagai bahan terbakar yang terperangkap pada pembentukan methane (Purwati, 2010). Rumus perhitungannya adalah sebagai berikut :
y y
y
BE PE
ER
……….………(1)Keterangan :
ERy : Emission reduction in the year y (pengurangan emisi CO2 pada tahun y) t CO2
BEy : Baseline emission in the year y (emisi CO2 yang ditimbulkan apabila tidak ada pemanfaatan pada tahun y) t CO2
PEy : Project emission in the year y (emisi CO2 yang ditimbulkan oleh adanya pemanfaatan pada tahun y) t CO2
power
BE
wwtread
BE
BE
y
y,
y ………(2) Keterangan :BEy,wwtread : Baseline emission from open lagoon in the year y (emisi CO2
yang ditimbulkan dari kolam pengolahan terbuka apabila tidak ada pemanfaatan pada tahun y)
BEy,power : Baseline emission year from power generator in the year y (emisi CO2 yang ditimbulkan dari generator apabila tidak ada
pemanfaatan pada tahun y)