Otomatisasi Monitoring pH pada Produksi Biogas dari Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) Dengan Mikrokontroler Arduino Mega 2560

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 PERKEMBANGAN KELAPA SAWIT DI INDONESIA

Kelapa sawit merupakan tanaman pohon tropis yang terutama ditanam untuk menghasilkan minyak. Ditanam dan dipanen di daerah yang luas (3.000 sampai 5.000 ha) disekitar pabrik minyak sentral untuk memungkinkan penanganan industri yang pesat [11]. Seiring dengan berkembangnya industri sawit di Indonesia, luas areal perkebunan sawit juga semakin bertambah yang dirangkum dalam Tabel 2.1 berikut, mulai dari tahun 2009 sampai 2013.

Tabel 2.1 Luas Areal Perkebunan Kelapa Sawit di Indonesia [12] Tahun Luas areal (1000 ha) kelapa sawit merupakan salah satu minyak nabati yang paling populer di dunia dan konsumsinya terus meningkat [2]. Peningkatan permintaan untuk minyak sawit didorong oleh meningkatnya konsumsi minyak nabati karena perkembangan populasi manusia [14]. Tabel 2.2 berikut merupakan produksi minyak kelapa sawit dunia. Tabel 2.2 Produksi Minyak Kelapa Sawit Dunia, dalam Jutaan Ton [15]

2.2 LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) 2.2.1 Sumber Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS)

Limbah cair dihasilkan dari ekstraksi minyak sawit dari proses basah di dekanter. Limbah cair ini dikombinasikan dengan limbah dari air pendingin dan sterilizer yang disebut sebagai palm oil mill effluent (POME) atau limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) [1]. Gambar 2.1 berikut merupakan diagram alir proses ekstraksi minyak sawit pada industri kelapa sawit, dilengkapi dengan limbah yang dihasilkan beserta sumber limbahnya.

Berdasarkan gambar di atas, dapat diketahui bahwa terdapat tiga sumber utama limbah cair yang dihasilkan dari pabrik kelapa sawit konvensional yaitu sterilizer kondensat, pemisah lumpur dan limbah hidrosiklon dengan perbandingan sekitar 0,9 : 1,5 : 0,1 m3 [17]. Produksi 1 juta ton minyak sawit mentah membutuhkan 5 juta ton tandan buah segar (TBS). Rata-rata pengolahan 1 juta ton TBS di Pabrik Kelapa Sawit menghasilkan 230.000 ton tandan kosong buah (TKS) dan 650.000 ton limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) sebagai residu [14]

2.2.2 Karakteristik Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS)

LCPKS berasal dari stasiun rebusan/sterilisasi dan klarifikasi yang dialirkan

ke fat pit untuk tujuan pengutipan minyak dimana limbah tersebut mengalir dengan debit rata-rata 21 m3_{/jam dengan waktu operasional 20 jam dalam satu hari.}

Karakteristik POME dapat dilihat pada tabel 2.3 Karakteristik LCPKS dari sampel

Adolina berikut ini:

Tabel 2.3 Karakteristik LCPKS dari sampel Adolina [18]

No. Nama Sampel Satuan Keluaran Cooling Tower

brondolan sawit/jam. Tahapan proses pengolahan air limbah terdiri atas: (1) Deoling Pond, (2) Kolam Pendingin, (3) Primary Anoerbic Pond, (4) Secondary Anaerobic Pond dan (5) Aeration Pond. Waktu tinggal limbah pada kolam keseluruhan adalah 109 hari, maka perluasan kolam limbah harus dilakukan sejalan dengan pengembangan kapasitas produksi [18]

Biogas dapat dibuat dari berbagai macam bahan baku seperti kotoran hewan,

sampah organik ataupun limbah cair kelapa sawit. Secara ilmiah, biogas yang

dihasilkan dari sampah organik adalah gas yang mudah terbakar (flammable). Gas ini dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri anaerob (bakteri

yang hidup dalam kondisi tanpa udara). Umumnya, semua jenis bahan organik bisa

diproses untuk menghasilkan biogas. Tetapi hanya bahan organik homogen, baik

padat maupun cair yang cocok untuk sistem biogas sederhana. Bila sampah-sampah

organik tersebut membusuk, akan dihasilkan gas metana (CH4) dan karbondioksida

(CO2). Tapi, hanya CH4 yang dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Umumnya

kandungan metana dalam reaktor sampah organik berbeda-beda dalam penelitiannya,

menghasilkan metana sebesar 50-80% dan karbondioksida 20-50% [19]. Sedangkan

kandungan umum dalam reaktor biogasnya mengandung sekitar 60-70% metana,

30-40% karbon dioksida, dan gas-gas lain, meliputi amonia, hidrogen sulfida, merkaptan

(tio alkohol) dan gas lainnya [20]. Tetapi secara umum rentang komposisi biogas

adalah dapat dilihat dalam tabel 2.4

Tabel 2.4 Karakteristik Biogas

Proses pembentukan biogas melalui pencernaan anaerobik merupakan proses

bertahap, dengan empat tahap utama, yakni hidrolisis, asidogenesis, asetogenesis dan

metanogenesis [19].

2.3.1 Hidrolisis

Pada tahap ini protein umumnya akan dihidrolisa menjadi asam amino

Clostridium, Fusobacterium, Selenomonas, dan Streptococcus. Asam amino yang diproduksi akan didegradasi menjadi asam lemak seperti asetat, propionat, dan

butirat, dan ada yang menjadi amonia yang akan dilakukan Clostridium, Peptococcus, Selenomonas, Campylobacter, dan Bacteroides [23]

Pada tahap ini intinya bahan-bahan organik seperti karbohidrat, lipid, dan

protein didegradasi oleh mikroorganisme hidrolitik menjadi senyawa terlarut seperti

asam karboksilat, asam keton, asam hidroksi, keton, alkohol, gula sederhana,

asam-asam amino, H2 dan CO2 [19]

2.3.2 Asidogenesis

Selama asidogenesis, produk hidrolisis diubah oleh bakteri asidogenik menjadi substrat untuk metanogen. Asidogens (mikroorganisme asidogenesis) menyediakan substrat penting bagi asetogens (mikroorganisme asetogenesis) dan metanogen (mikroorganisme metanogenesis) Banyak mikroorganisme yang berbeda, aktif selama tahap ini lebih dari pada tahap lain. Mikoorganisme pada tahap ini sama dengan tahap hidrolisis, namun organisme lain juga aktif, misalnya Enterobacterium, Bacteriodes, Acetobacterium, Eubacterium, Clostridium, Ruminococcus, Butyribacterium, Propionibacterium, Lactobacillus, Streptococcus, Pseudomonas,

Desulfobacter, Micrococcus, Bacillus dan Escherichia. Para anggota fakultatif kelompok ini juga membantu melindungi metanogen yang sensitive terhadap oksigen dengan mengkonsumsi jejak oksigen yang dapat masuk dalam umpan [24]

2.3.3 Asetogenesis

Asetogenesis merupakan tahapan dimana asam organik yang lebih tinggi dan zat-zat lain yang dihasilkan oleh asidogenesis selanjutnya dicerna oleh asetogen untuk menghasilkan asam asetat, CO2 dan hidrogen yang dapat digunakan oleh metanogen untuk produksi metana [21]

2.3.4 Metanogenesis

Metanogenesis adalah proses yang menghasilkan gas metana dengan digester

anaerobik. Walaupun asetat dan H2/CO2 adalah substrat utama pada proses ini, tetapi

senyawa-senyawa lain seperti asam format, metanol, metilamina dan CO akan

dikonversi juga untuk menghasilkan metana. Saat ini hanya ada dua kelompok yang

diketahui dari metanogen yang memecah asetat yaitu Methanosaeta dan

Methanosarcina, sementara yang memecah gas hidrogen yaitu Methanobacterium, Methanococcus, Methanogenium dan Methanobrevibacter [25]

2.4 PARAMETER FERMENTASI

Beberapa parameter yang penting dalam proses fermentasi anaerobik yaitu: 2.4.1 Alkalinitas

Alkalinitas adalah ukuran dari jumlah alkali (dasar) zat dalam proses biogas. Semakin tinggi alkalinitas, semakin besar kapasitas buffer dalam proses, yang akan menstabilkan nilai pH [24]. Alkalinitas pada limbah cair dapat dihasilkan dari hidrokarbon, karbonat (CO32-) dan bikarbonat (HCO3-) yang berikatan dengan

kalsium, magnesium, kalium dan amonia. Alkaliniti pada limbah cair membantu

untuk mempertahankan pH agar tidak mudah berubah yang disebabkan oleh

penambahan asam. Konsentrasi dari alkaliniti pada limbah cair sangatlah penting

karena kadar alkaliniti mempengaruhi pengolahan zat-zat kimia dan biologi, juga

dibutuhkan untuk nutrisi bagi mikroba [26].

2.4.2 Derajat Keasaman (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 dapat diketahui kondisi mikroba yang ada di dalam

limbah cair [26].

1) Hidrolisis, biasanya optimal di atas pH 6 tetapi memungkinkan hingga pH 5. 2) Asidogenesis, optimal antara pH 5,5 dan 8, tetapi memungkinkan hingga pH 4. 3) Asetogenesis/hidrogen memanfaatkan metanogen, optimal antara pH 6,5 dan 8

tetapi memungkinkan hingga pH 5.

4) Metanogenenesis, optimal antara pH 7 dan 8 tetapi memungkinkan hingga pH 6.

2.4.3 Kebutuhan 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 phospor dalam kandungan yang cukup untuk pertumbuhan biomassa.

Oleh karena itu, penambahan nitrogen dan/atau phospor yang dibutuhkan tergantung

dari substrat dan nilai dari SRT (Solid Retention Time), 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 methanogenesis maksimum, konsentrasi

nitrogen, phospor dan sulfur biasanya 50, 10, dan 5 mg/L. Kandungan nitrogen dapat

diperoleh dari berbagai macam senyawa seperti NH4HCO3 (amonium hidrogen

karbonat) [26]

2.4.4 Temperatur Operasi

Proses anaerob biasanya dijalankan pada temperatur 30-38⁰_{C atau pada} 49-57⁰_{C (termofilik) dan harus sangat diperhatikan mengingat organisme yang} berkembang pada temperatur yang berbeda tidaklah sama. Inkubasi laboratorium biasanya dioperasikan pada suhu 37⁰_{C atau 55}⁰_{C [28].}

Apabila temperatur menurun, aktivitas bakteri akan berkurang, begitu pula dengan produksi biogas. Sebaliknya bila temperatur meningkat, beberapa bakteri mulai memasuki fasa kematian dan biogas yang diproduksi juga akan berkurang. Isolasi, penukar panas, elemen pemanas, penangas air dan injeksi uap air merupakan metode-metode yang dapat digunakan untuk mengontrol temperatur digester [29].

Temperatur yang ada pada reaktor biogas (digester) akan mempengaruhi

kemampuan pertumbuhan mikroorganisme yang akan berdampak pada produksi gas

metana. pada gambar 2 terlihat grafik yang menunjukkan hubungan temperatur dengan

Gambar 2.2 Hubungan Temperatur dengan Kecepatan Pertumbuhan Mikroorganisme [29]

2.5 MIKROKONTROLLER 2.5.1 Perangkat Hardware

Dalam penelitian ini digunakan beberapa perangkat hardware, diantaranya: 2.5.1.1 Arduino

Untuk memahami Arduino, terlebih dahulu kita harus memahami terlebih dahulu apa yang dimaksud dengan physical computing. Physical computing adalah membuat sebuah sistem atau perangkat fisik dengan menggunakan software dan hardware yang sifatnya interaktif yaitu dapat menerima rangsangan dari lingkungan dan merespon balik. Pada prakteknya konsep ini diaplikasikan dalam desain-desain alat atau projek-projek yang menggunakan sensor dan microcontroller untuk menerjemahkan input analog ke dalam sistem software untuk mengontrol gerakan alat-alat elektro-mekanik seperti lampu, motor dan sebagainya [30].

Saat ini ada beberapa alat pengembangan prototype berbasis microcontroller yang cukup populer, misalnya [30]:

• Arduino • I-CubeX

• Arieh Robotics Project Junior • Dwengo

• EmbeddedLab

Arduino dikatakan sebagai sebuah platform dari physical computing yang bersifat open source. Pertama-tama perlu dipahami bahwa kata “platform” di sini adalah sebuah pilihan kata yang tepat. Arduino tidak hanya sekedar sebuah alat pengembangan, tetapi ia adalah kombinasi dari hardware, bahasa pemrograman dan

Integrated Development Environment (IDE) yang canggih. IDE adalah sebuah software yang sangat berperan untuk menulis program, meng-compile menjadi kode biner dan meng-upload ke dalam memory microcontroller [30]. Tipe-tipe platform

Arduino dapat dilihat pada tabel 2.5 berikut: Tabel 2.5 Tipe-Tipe Platform Arduino [30]

Tipe Keterangan Gambar

Arduino USB

Menggunakan USB sebagai antar muka pemrograman atau komunikasi komputer.

Arduino Serial

Menggunakan RS232 sebagai antar muka pemrograman atau komunikasi komputer

Arduino Mega

Papan Arduino dengan spesifikasi yang lebih tinggi, dilengkapi tambahan pin digital, pin analog, port serial dan sebagainya.

Arduino FIO Ditujukan untuk penggunaan nirkabel.

Arduino LILYPAD

Papan dengan bentuk yang melingkar

Arduino Nano dan Arduino

Mini

Papan berbentuk kompak dan digunakan bersama breadboard

Arduino berkembang dengan pesat dan dinamis di berbagai belahan dunia. Bermacam projek Arduino bermunculan dimana-mana, termasuk di Indonesia. Hal-hal yang membuat Arduino dengan cepat diterima oleh orang-orang adalah karena [30]:

• Murah, dibandingkan platform yang lain. Harga sebuah papan Arduino Mega 2560 adalah $9.90/buah [31]

• Platfrom yang digunakan adalah software Arduino dapat dijalankan pada system operasi Windows, Macintosh OSX dan Linux, sementara platform lain umumnya terbatas hanya pada Windows.

• Sangat mudah dipelajari dan digunakan. Processing adalah bahasa pemrograman yang digunakan untuk menulis program di dalam Arduino. Processing adalah bahasa pemrograman tingkat tinggi yang dialeknya sangat mirip dengan C++ dan Java, sehingga pengguna yang sudah terbiasa dengan kedua bahasa tersebut tidak akan menemui kesulitan dengan Processing. Bahasa pemrograman Processing sungguh-sungguh sangat memudahkan dan mempercepat pembuatan sebuah program karena bahasa ini sangat mudah dipelajari dan diaplikasikan dibandingkan bahasa pemrograman tingkat rendah seperti Assembler yang umum digunakan pada platform lain namun cukup sulit.

bantuan dari adaptor AC-DC atau baterai untuk memulai pengoperasian [31]. Pada gambar 2.3 terlihat tampilan Perangkat Hardware Arduino Mega 2560.

Gambar 2.3 Perangkat Hardware Arduino Mega 2560 [31]

Tabel 2.6 Spesifikasi Perangkat Hardware Arduino Mega 2560 [31]

Spesifikasi Keterangan

Mikrokontroler ATmega 2560

Operasi Voltage 5 V

Tegangan input (dianjurkan) 7-12V

Tegangan input (batas) 6-20V

Digital I / O Pins 54 (yang 15 memberikan output PWM)

Input analog Pins 16

DC I / O Pin 40 mA

DC 3.3V Pin 50 mA

Flash Memory 256 KB yang 8 KB digunakan oleh bootloader

SRAM 8 KB

EEPROM 4 KB

Kecepatan 16 MHz

2.5.1.2 Perangkat Sensor pH

Perangkat yang digunakan dalam penelitian ini yaitu, sensor pH dengan tipe SEN0161. Sensor pH merupakan elektroda gelas yang terdiri dari gelembung gelas yang sensitif pH pada ujungnya, berisi larutan klorida yang diketahui pHnya dan elektroda referensi [32]. Spesifikasi dari sensor pH ini adalah sebagai berikut:

• mV Rentang : -1.999,9 ~ 1.999,9 mV • mV Akurasi : ± 0,2 mV

• Suhu Rentang : 0 ~ 105 °C, 32 ~ 221 °F • Suhu Akurasi : ± 0,5 °C, ± 0,9 °F

• Kompensasi Suhu : 0 ~ 100 °C, 32 ~ 212 °F • Output : USB Interface Komunikasi

• Konektor : BNC • Berat: 300grams

Pada gambar 2.4 terlihat tampilan perangkat sensor pH.

Gambar 2.4 Perangkat Sensor pH [32]

2.5.1.3 Prinsip Kerja Sensor pH

Pengukuran suatu pH adalah didasarkan pada potensial elektro kimia yang terjadi antara larutan yang terdapat di dalam elektroda gelas (membrane glass) yang telah diketahui dengan larutan yang terdapat di luar elektroda gelas yang tidak diketahui. Hal ini dikarenakan lapisan tipis dari gelembung kaca akan berinteraksi dengan ion hidrogen yang ukurannya relatif kecil dan aktif, elektroda gelas tersebut akan mengukur potensial elektrokimia dari ion hidrogen atau diistilahkan dengan

Glass electrode Reference electrode Combined electrode

Gambar 2.5 Skema Elektroda Gelas, Referensi, dan Gabungan [33]

2.5.2 Perangkat Software

Perangkat software yang digunakan adalah National Instruments LabVIEW

(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) bahasa pemrograman grafis yang menggunakan ikon bukan baris teks. Berbeda dengan bahasa pemrograman berbasis teks, di mana instruksi menentukan urutan eksekusi program, LabVIEW menggunakan pemrograman dataflow, dimana aliran data melalui node pada diagram blok menentukan urutan pelaksanaan VI (virtual instrument) [34].

Di LabVIEW, pembuatan interface dengan menggunakan satu set alat dan benda-benda. Interface dikenal sebagai panel depan dengan menambahkan kode menggunakan representasi grafis dari fungsi untuk mengontrol objek panel depan. Kode Sumber grafis juga dikenal sebagai kode G atau kode blok diagram. Diagram blok berisi kode ini. Dalam beberapa hal, diagram blok menyerupai diagram alur [34].

LabVIEW LINX adalah software dimana untuk memudahkan interaksi antara platform umum yang tertanam seperti chipKIT, Arduino, dan NI serta sensor umum termasuk accelerometers, sensor suhu, dan sensor jarak ultrasonik [35].

program yang terdapat didalam LabVIEW, dengan cara mengembangkan algoritma untuk mengontrol perangkat keras yang didukung [35].