BAB II
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)
Perkebunan Besar Perkebunan Rakyat
2009 4888,0 3061,40
2010 5161,6 3387,30
2011 5349,8 3752,50
2012 5995,7 4137,60
2013 6170,7 4415,80
Salah satu hasil olahan kelapa sawit adalah Minyak Sawit Mentah (MSM) seperti Crude Palm Oil (CPO) dan Crude Palm Kernel Oil (CPKO) [13]. Minyak kelapa sawit merupakan salah satu minyak nabati yang paling populer di dunia dan konsumsinya terus meningkat [14]. Peningkatan permintaan untuk minyak sawit didorong oleh meningkatnya konsumsi minyak nabati karena perkembangan populasi manusia [15]. Tabel 2.2 berikut merupakan produksi minyak kelapa sawit dunia.
Tabel 2.2 Produksi Minyak Kelapa Sawit Dunia, dalam Jutaan Ton [16] 2010/11 2011/12 2012/13 2014/15 Nov 2014/15 Des 2014/15 Indonesia 23,600 26,200 28,500 30,500 33,500 33,000 Malaysia 18,211 18,202 19,321 20,161 21,250 21,250 Thailand 1,832 1,892 2,135 2,150 2,250 2,250 Colombia 753 945 974 1,042 1,070 1,070 Nigeria 850 850 910 930 930 930 Lainnya 3,590 4,022 4,129 4,276 4,293 4,293 Total 48,836 52,111 55,969 59,059 63,293 62,793
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) [2] atau limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS). Gambar 2.1 berikut merupakan diagram alir proses ekstraksi minyak sawit pada industri kelapa sawit, dilengkapi dengan limbah yang dihasilkan beserta sumber limbahnya.
Gambar 2.1 Diagram Alir Proses Ekstraksi Minyak Sawit dan Limbah yang Dihasilkan [17]
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 [18,19]. 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 kelapa sawit (TKKS) dan 650.000 ton limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) sebagai residu [16].
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 21m3/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 [20]
No. Nama Sampel Satuan Keluaran Cooling Tower
1. pH - 4,15 2. TS Mg/L 41.000 3. VS Mg/L 35.000 4. BOD mg/L 40.000 5. CODcr Mg/L 43.000 6. NH4-N Mg/L 21 7. VFA Mg/L 4.510 8. Asam Asetat Mg/L 3.570 9. Asam Proponiat Mg/L 200 10. n-Hex Mg/L 4.300 11. C % 37,3 12. H % 5,04 13. N % 1,99 14. S % 0,31 15. P % 0,17 16. COD:N:P - 350:7:1,5
2.2.3 Pemanfaatan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) sebagai Biogas
Limbah cair yang dihasilkan dari proses produksi diolah di instalasi pengolahan air limbah. Untuk penanganannya perlu dibangun kolam limbah dengan kapasitas yang dapat menampung limbah cair dengan kapasitas olah pabrik
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 [21]
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% [22]. 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 [23]. Tetapi secara umum rentang komposisi biogas adalah dapat dilihat dalam tabel 2.4
Tabel 2.4 Karakteristik Biogas
Parameter Komposisi Referensi
Metana (CH4) 50 – 60% [24]
Karbon dioksida (CO2) 38 – 48% [24]
Nitrogen (N2) 0,4 – 1,2% [24]
Oksigen (O2) 0 – 0,4% [24]
Hidrogen Sulfida (H2S) 0,02 – 0,4% [24]
2.3 MEKANISME PEMBENTUKAN BIOGAS
Proses pembentukan biogas melalui pencernaan anaerobik merupakan proses bertahap, dengan empat tahap utama, yakni hidrolisis, asidogenesis, asetogenesis dan metanogenesis [20].
2.3.1 Hidrolisis
Pada tahap ini protein umumnya akan dihidrolisa menjadi asam amino dengan bantuan enzim protase, yang akan diproduksi oleh Bacteroides, Butyrivibrio,
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 [25].
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 [20].
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 [26].
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 [22].
Contoh-contoh bakteri yang bekerja pada asetogenesis yaitu Syntrophomonas, Syntrophus, Clostridium, dan Syntrobacter merupakan genus dari mikroorganisme yang dapat melakukan oksidasi anaerobik yang bersintrofik dengan mikroorganisme untuk menguraikan gas hidrogen. Banyak organisme ini
dikenal sebagai asetogens, yaitu selain gas hidrogen dan karbon dioksida mereka juga membentuk asetat sebagai produk utama [27].
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 [25,27]
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 [26]. 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 [28].
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 [28].
Tingkat pH optimal untuk kelompok fungsional biokimia pada proses anaerob yaitu [29]:
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) [28].
2.4.4 Temperatur Operasi
Proses anaerob biasanya dijalankan pada temperatur 30-38⁰C atau pada 49-57⁰C (termofilik) dan harus sangat diperhatikan mengingat organisme yang berkembang pada temperatur yang berbeda tidaklah sama. Inkubasi laboratorium biasanya dioperasikan pada suhu 37⁰C atau 55⁰C [30].
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 [30].
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 kecepatan pertumbuhan mikroorganisme:
Gambar 2.2 Hubungan Temperatur dengan Kecepatan Pertumbuhan Mikroorganisme [30]
2.5 MIKROKONTROLER
2.5.1 Perangkat Keras (Hardware)
Dalam penelitian ini digunakan beberapa perangkat keras (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 [31].
Saat ini ada beberapa alat pengembangan prototype berbasis microcontroller yang cukup populer, misalnya [31]:
Arduino I-CubeX
Arieh Robotics Project Junior Dwengo
EmbeddedLab
GP3
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 [31]. Tipe-tipe platform Arduino dapat dilihat pada tabel 2.5 berikut:
Tabel 2.5 Tipe-Tipe Platform Arduino [31]
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 BT Mengandung modul bluetooth untuk komunikasi nirkabel
Arduino Nano dan Arduino
Mini
Papan berbentuk kompak dan
digunakan bersama
breadboard
Arduino berkembang dengan pesat dan dinamis di berbagai belahan dunia. Bermacam-macam projek-projek Arduino bermunculan dimana-mana, termasuk di Indonesia. Yang membuat Arduino dengan cepat diterima oleh orang-orang adalah karena [31]:
Murah, dibandingkan platform yang lain. Harga sebuah papan Arduino Mega 2560 adalah $9.90/buah.
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.
Arduino mega 2560 adalah papan mikrokontroler sesuai dengan ATmega2560 (datasheet). Ini memiliki 54 digital pin input / output (yang 15 dapat digunakan sebagai output PWM), 16 input analog, 4 UART (hardware port serial), osilator kristal 16 MHz, koneksi USB, jack listrik, header ICSP, dan tombol reset. Ini berisi semua yang diperlukan untuk mendukung mikrokontroler; cara kerjanya hanya menghubungkannya ke komputer dengan kabel USB atau memakai tenaga dengan bantuan dari adaptor AC-DC atau baterai untuk memulai pengoperasian [31]. Pada gambar 2.3 terlihat tampilan perangkat keras Arduino Mega 2560.
Gambar 2.3 Perangkat Keras 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 Temperatur
Perangkat yang digunakan dalam penelitian ini yaitu, sensor temperatur dengan jenis TC do DC. Perangkat ini dapat membaca termokopel yang dalam bentuk suhu menjadi digital input antara 4 – 20 mA (dapat membaca suhu antara
-0,25°C – 1024°C, dengan termokopel yang dipakai. Pada gambar 2.4 terlihat tampilan perangkat sensor temperatur [32].
Gambar 2.4 Perangkat Sensor Temperatur
2.5.1.3 Termokopel
Bahan konduktor dalam termokopel logam dasar terbuat dari logam biasa dan murah seperti Nikel, Tembaga dan besi. Termokopel yang paling umum digunakan adalah termokopel dengan tipe B, E, J, K, N, R, S dan T [32]. Tabel 2.7 berikut merupakan tipe-tipe termokopel.
Tabel 2.7 Tipe-Tipe Termokopel [32]
No Tipe Termokopel Kutub Positif Kutub Negatif Range Suhu (oC) 1. Termokopel Tipe B (Platinum / Rhodium) 14% Kromium 1,4% Silicon 84,6% Nikel 4,4% Silicon 95,6% Nikel 95 oC - 900oC 2. Termokopel Tipe E (Chromel/Constantan) 90% Nikel 10% Kromium 95% Nikel 2% Aluminium 2% Mangan 1% Silikon 95oC - 760oC 3. Termokopel Tipe J (Iron/Constantan) Besi 45% Nikel 55% Tembaga 95 oC - 760oC 4. Termokopel Tipe K (Chromel/Constantan) 90% Nikel 10% Kromium 95% Nikel 2% Aluminium 2% Mangan 1% Silikon 95oC - 1260oC 5. Termokopel Tipe N (Nicrosil/Nisil) 84,6% Nikel 14,2% Kromium 1,4% Silikon 95,5% Nikel 4,4% Silikon 0,1% Magnesium 95oC - 1260oC 6. Termokopel Tipe R (Platinum / Rhodium) 70% Platinum 30% Rhodium 94% Platinum 6% Rhodium 870 oC - 1450oC 7. Termokopel Tipe S (Platinum / Rhodium) 70% Platinum 30% Rhodium 94% Platinum 6% Rhodium 980 oC - 1450oC 8. Termokopel Tipe T (Platinum / Rhodium) 90% Nikel 10% Kromium 95% Nikel 2% Aluminium 2% Mangan 1% Silikon 0oC - 350oC
2.5.2 Perangkat Lunak
Perangkat lunak (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, di mana aliran data melalui node pada diagram blok menentukan urutan pelaksanaan VI (virtual instrument) [33]
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 [33].
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 [33]
Dengan toolkit ini dan perangkat lunak LabVIEW NI, Anda dapat mengontrol atau memperoleh data dari platform yang tertanam. Setelah informasi tersebut muncul di LabVIEW, Anda dapat menganalisis dengan menggunakan ratusan program yang terdapat didalam LabVIEW, dengan cara mengembangkan algoritma untuk mengontrol perangkat keras yang didukung [33].
LabVIEW menyediakan firmware untuk platform yang tertanam bertindak sebagai Input/Output dan interface dengan LabVIEW VI melalui serial port, USB, nirkabel, atau koneksi Ethernet (Bluetooth, Wifi, dan LAN). Dengan cepat memindahkan informasi dari perangkat embedded seperti chipKIT untuk LabVIEW tanpa menyesuaikan komunikasi, sinkronisasi, atau bahkan satu baris kode C [33].