Universitas Sumatera Utara

PENGARUH PENGHENTIAN NATRIUM BIKARBONAT TERHADAP UNJUK KERJA FERMENTOR DENGAN

DAN TANPA RECYCLE PADA PROSES FERMENTASI LIMBAH CAIR

PABRIK KELAPA SAWIT

TESIS

Oleh

FRISTYANA SOSANTY LUBIS 107022001/TK

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2013

Judul Tesis : PENGARUH PENGHENTIAN NATRIUM BIKARBONAT TERHADAP UNJUK KERJA FERMENTOR DENGAN DAN TANPA

RECYCLE PADA PROSES FERMENTASI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT Nama Mahasiswa : FRISTYANA SOSANTY LUBIS

Nomor Induk Mahasiswa : 107022001

Program Studi : MAGISTER TEKNIK KIMIA

Menyetujui Komisi Pembimbing

Komisi Pembimbing 1 Komisi Pembimbing II

(Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hsb, M.T) (Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si) NIP. 196808081994032003 NIP.196808201995011001

Ketua Program Studi Dekan FT-USU

(Dr. Ir. Taslim, M. Si) (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) NIP. 196501151990031002 NIP 19571001198501005

Telah diuji pada Tanggal 26 Juni 2013

PENGARUH PENGHENTIAN NATRIUM BIKARBONAT TERHADAP UNJUK KERJA FERMENTOR DENGAN

DAN TANPA RECYCLE PADA PROSES FERMENTASI LIMBAH CAIR

PABRIK KELAPA SAWIT

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Pada Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

OLEH

FRISTYANA SOSANTY LUBIS 107022001/TK

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2013

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hsb, M. T Anggota : - Dr. Eng. Ir. Irvan, M. Si

- Dr. Ir. Taslim, M. Si

- Dr. Ir. Fatimah, M. T

- Dr. Ir. Iriany, M. Si

ABSTRAK

Berdasarkan penelitian-penelitian yang telah ada, diketahui dengan adanya sistem recycle sludge dapat meningkatkan laju dekomposisi COD, serta dapat meningkatkan nilai Volatil Solid (VS), sehingga meningkatkan produksi biogas. Diketahui bahwa penggunaan NaHCO3

dalam proses anaerobik dapat mempengaruhi proses fermentasi. Penambahan NaHCO3juga sangat dibutuhkan sebagai penetral pH, dan meningkatkan alkalinitas. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui seberapa besar pengaruh jika dilakukan penghentian NaHCO3

terhadap produksi biogas, pH dan alkalinitas baik menggunakan sistem recycle maupun tanpa recycle. Penelitian dilakukan dengan menggunakan reaktor berpengaduk kontinu Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) bervolume 2 liter. Bahan yang digunakan sebagai umpan fermentor adalah limbah cair dari PKS ADOLINA PTPN IV, dengan bahan tambahan berupa natrium bikarbonat (NaHCO3), larutan logam (trace metals) FeCl2, NiCl.6H2O dan CoCl2.6H2O. Variabel-variabel yang diamati antara lain M-Alkalinitas, Total Solid (TS), VS, dan produksi biogas pada Hydraulic Retention Time (HRT) 6 hari. Dari hasil penelitian ini diperoleh produksi biogas sistem recycle dengan dihentikan penambahan NaHCO3rata-rata 5,5-6,5 L/hari, menggunakan NaHCO3 7-8,5 L/hari, pH yang diperoleh stabil, alkalinitas yang dihasilkan rata-rata 1500 mg/L , laju dekomposisi VS fermentasi recycle dihentikan penambahan NaHCO3 rata-rata 60%, menggunakan NaHCO3 80%. Sedangkan untuk non- recycle produksi biogas dihentikan penambahan NaHCO3 rata-rata 5-6 L/hari, menggunakan NaHCO3 6-8 L/hari, pH yang dihasilkan juga stabil, laju dekomposisi yang dihasilkan dihentikan penambahan NaHCO3rata-rata 45%, menggunakan NaHCO355%.

Kata kunci : Biogas, limbah cair pabrik kelapa sawit, natrium bikarbonat, thermofilik.

ABSTRACT

Based on the preliminary research, it was found that recycle sludge system can increase the rate of COD decomposition and the value of Volatile Solid (VS) so that biogas production can be increased. It was also found that the use of NaHCO3, in the anaerobic process can influence fermentation process. The increase of NaHCO3can also be needed to neutralize pH and increase alkalinity. The objective of the research was to find out the amount of influence if NaHCO3 was stopped on biogas production, pH, and alkalinity with or without recycle.

The research was conducted by using two liters of Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR).

The material used as ferment feedback was liquid waste from PKS ADOLINA PTPN IV with supplements such as sodium bicarbonate (NaHCO3), trace metals FeCl2, NiCl.6H2O, and CoCl.6H2O. The observed variables were M-Alkalinity, Total Solid (TS), VS, and biogas production in Hydraulic Retention Time (HRT) in six days. The result of the research showed that biogas production of recycle system and the elimination of the average of 5,5-6,5 L/day of NaHCO3, using NaHCO3, 7-8,5 L/day, pH was stable, alkalinity was on the average of 1500 mg/L, decomposition rate of VS fermentation recycle which was produced if the additional NaHCO3 was stopped on the average of 60%, using 80% of NaHCO3 on the average of 5-6 L/day, using NaHCO36-8 L/day, ph was stable, decomposition rate of which was produced if the additional NaHCO3was stopped on the average of 45%, using 55% of NaHCO3.

Keywords: Biogas, Liquid Waste of Oil Palm Plant, Sodium Bicarbonate, Thermophylic

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang selalu melimpahkan karunia dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan Laporan Hasil Penelitian untuk penyusunan tesis Magister Teknik Kimia.

Dalam penyusunan penelitian ini, penulis mendapatkan bimbingan serta bantuan dari berbagai pihak. Dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Ibu Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hsb, MT selaku Ketua Komisi Pembimbing dan Bapak Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si selaku Anggota Komisi Pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan arahan dalam penyusunan Laporan Hasil Penelitian ini.

Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. Taslim, M.si selaku ketua Program Studi Magister Teknik Kimia yang memberikan masukan dan bantuan pada penulis dalam mengajukan Penelitian ini, Bapak Ir. Bambang Trisakti dan Mr. Tomiuchi Yoshimassa yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyusunan Laporan Hasil Penelitian ini, rekan-rekan di LPPM USU yang telah membantu dan memberi dukungan serta seluruh pihak yang telah membantu dalam penulisan Laporan Hasil Penelitian ini.

Penulis mengharapkan masukan, saran maupun kritik yang membantu sehingga Laporan Hasil Penelitian ini lebih sempurna lagi. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih.

Medan, 2013

Penulis

RIWAYAT HIDUP

Penulis lahir di Sosa pada tanggal 21 Agustus 1985 yang merupakan anak pertama dari tiga bersaudara dari pasangan Bapak Dahrial Efendy Lubis dan Ibu Rohana Sinaga, S.E.

Pendidikan TK di tempuh di TK SISALANA Laras pada tahun 1989-1991, kemudian melanjutkan ke pendidikan sekolah dasar di SDN IV Laras pada tahun 1991-1997, kemudian melanjutkan ke MTs Ponpes Modern Muhammadiyah Langkat-Binjai pada tahun 1997-2000, dan MA Ponpes Modern Muhammadiyah Langkat-Binjai pada tahun 2000-2003.

Pada tahun 2003 Penulis melanjutkan pendidikan di LPP Yogyakarta (D3) Teknik Kimia dan lulus Ahli Madya (AMD) pada tahun 2006. Kemudian pada tahun 2006 Penulis melanjutkan pendidikan di IST AKPRIND Yogyakarta (S1) Teknik Kimia dan lulus Sarjana Teknik pada tahun 2010. Setelah itu Penulis mengambil program

Magister Teknik Kimia di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ...i

ABSTRACT...ii

KATA PENGANTAR ...iii

RIWAYAT HIDUP...v

DAFTAR ISI...vi

DAFTAR GAMBAR ...x

DAFTAR TABEL...xii

DAFTAR SINGKATAN ...xiv

BAB I PENDAHULUAN ...1

1.1. Latar Belakang ...1

1.2. Perumusan Masalah ...7

1.3. Tujuan Penelitian ...8

1.4. Lingkup Penelitian ...8

1.5. Manfaat Penelitian ...9

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...10

2.1. Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit...10

2.2. Pengolahan Limbah Cair Secara Anaerobik ...12

2.3. Biogas...19

2.4. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Produksi Biogas ...22

2.5. Komponen-Komponen dalam Biogas ...23

2.6. Natrium Bikarbonat (NaHCO₃) ...24

2.7. Pengaruh Sistem Recycle Terhadap Proses Pengolahan POME ...25

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...27

1.1. Lokasi Penelitian...27

1.2. Bahan dan Peralatan ...27

1.3. Tahap Penelitian...30

1.4. Prosedur Penelitian...30

1.4.1. Loading Up...30

1.4.2. Pembuatan Umpan ...31

1.4.3. Prosedur Recycle ...31

1.4.4. Pengujian Sampel ...32

1.4.5. Prosedur Analisa ...33

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ...35

1.1. Karakteristik LCPKS sebagai Bahan Baku...35

1.2. Produksi Biogas Selama Proses Fermentasi Anaerobik ...35

1.3. Pengaruh Penghentian NaHCO₃Terhadap M-Alkalinitas...38

1.4. Pengaruh Penghentian NaHCO3Terhadap pH ...41

1.5. Pengaruh Penghentian NaHCO₃Terhadap Laju Dekomposisi TS (%) ...43

1.6. Pengaruh Penghentian NaHCO3Terhadap Laju Dekomposisi VS (%)...45

1.7. Profil Pengaruh Sistm Recycle dan Non-Recycle Terhadap

Laju Dekomposisi COD...47

1.8. Pengaruh Dihentikan Penambahan NaHCO3Terhadap Biaya Produksi ...48

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...52

1.1. Kesimpulan ...52

1.2. Saran...54

DAFTAR PUSTAKA ...55

LAMPIRAN A PROSEDUR PENELITIAN...59

LA.1 Tahap Penelitian Fermentasi Dihentikan NaHCO3...59

LA.2 Prosedur Loading Up ...60

LA.3 Pembuatan Umpan...61

LA.4 Prosedur Recycle...62

LA.5 Pengujian Sampel ...63

LA.6 Prosedur Analisa ...64

LA.7 Pembuatan Starter untuk Fermentasi Menggunakan NaHCO3...66

LA.8 Loading Up dan Operasi Target ...66

LA.9 Prosedur Pembuatan Umpan...67

LA.10 Prosedur Recycle...67

LA.11 Pengujian Sampel ...68

LAMPIRAN B KARAKTERISTIK SAMPEL ...73

LB.1 Karakteristik LCPKS Adolina dan Keluaran Fermentasi ...73

LB.2 Data Biogas Fermentasi dengan Recycle Dihentikan NaHCO3...74

LAMPIRAN C CONTOH PERHITUNGAN ...85

LC.1 Perhitungan Produksi Biogas/VS ...85

LC.2 Perhitungan Laju TS dan VS yang Terdegradasi ...85

LC.3 Perhitungan Kestabilan 3 × HRT 6...86

LC.4 Perhitungan Penggunaan NaHCO3...88

LAMPIRAN D DOKUMENTASI...92

DAFTAR GAMBAR

Nomor Halaman

2.1 Konversi Bahan Organik Menjadi Metana Secara Anaerobik ...13

2.2 (A) Pembentukan Metana dari Asetat dan (B) dari Karbon Dioksida...16

3.1 Skematik Rangkaian Peralatan Konversi LCPKS Menjadi Biogas...29

4.1 Produksi Biogas vs Waktu Fermentasi dengan Sistem Recycle ...36

4.2 Produksi Biogas vs Waktu Fermentasi dengan Sistem Non-Recycle ...36

4.3 M-Alkalinity vs Waktu Fermentasi dengan Sistem Recycle ...39

4.4 M-Alkalinity vs Waktu Fermentasi dengan Sistem Non-Recycle ...39

4.5 pH vs Waktu Fermentasi dengan Sistem Recycle...41

4.6 pH vs Waktu Fermentasi dengan Sistem Non-Recycle...42

4.7 Laju Dekomposisi TS vs Waktu Fermentasi dengan Sistem Recycle ...43

4.8 Laju Dekomposisi TS vs Waktu Fermentasi dengan Sistem Non-Recycle ...44

4.9 Laju Dekomposisi Vs vs Waktu Fermentasi dengan Sistem Recycle...46

4.10 Laju Dekomposisi Vs vs Waktu Fermentasi dengan Sistem Non-Recycle...46

A.1 Flowchart Tahap Penelitian Fermentasi Dihentikan Penambahan NaHCO₃...59

A.2 Flowchart Prosedur Loading Up ...60

A.3 Flowchart Pembuatan Umpan ...61

A.4 Flowchart Prosedur Recycle ...62

A.5 Flowchart Analisa M-Alkalinity ...64

D.1 Tangki Umpan ...92

D.2 Fermentor...92

D.3 Gas Meter...93

D.4 Botol Keluaran Fermentor (Discharge)...93

D.5 Botol Biogas (Gas Collector) ...94

D.6 Rangkaian Peralatan ...94

D.7 Peralatan Analisa ...95

D.8 Furnace ...95

D.9 Oven...96

DAFTAR TABEL

Nomor Halaman

1.1. Berbagai Penelitian Pembuatan Biogas yang Menggunakan NaHCO3

sebagai Sumber Alkali...5

2.1 Sifat dan Komposisi LCPKS ...10

2.2 Baku Mutu Limbah Cair Industri Minyak Kelapa Sawit...11

2.3 Keuntungan dan Kerugian Fermentasi Anaerobik ...18

2.4 Komposisi Biogas Secara Umum ...20

2.5 Komponen-Komponen dalam Biogas dan Pengaruhnya ...23

4.1 Pengaruh Recycle dan Non-Recycle Terhadap Laju Dekomposisi COD...48

B.1 Karakteristik LCPKS Adolina dan Keluaran Fermentasi ...73

B.2.1 Data Biogas untuk Fermentasi dengan Recycle Dihentikan NaHCO₃...74

B.2.2 Data Alkalinitas dan pH Dihentikan NaHCO3dengan Recycle ...76

B.2.3 Data TS dan VS dengan Recycle Dihentikan NaHCO₃...77

B.2.4 Data Biogas Fermentasi dengan Non-Recycle Dihentikan NaHCO3...78

B.2.5 Data Alkalinity dan pH dengan Non-Recycle Dihentikan NaHCO3...80

B.2.6 Data TS dan VS dengan Non-Recycle Dihentikan NaHCO₃...81

B.2.7 Data Biogas Fermentasi Menggunakan NaHCO3...82

B.2.8 Data Alkalinitas, Kandungan CH₄dan CO₂Menggunakan NaHCO₃...83

B.2.9 Data Kadar Fe, Laju Degradasi Total Solid dan Volatil Solid Menggunakan NaHCO3...84

L.C.1 Persen Penggantian Isi Digester ...87

DAFTAR SINGKATAN

COD : Chemical Oxygen Demand CSTR : Continuous Stirred Tank Reactor CDM : Clean Development Mechanism HRT : Hydraulic Retention Time

LCPKS : Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit PKS : Pabrik Kelapa Sawit

POME : Palm Oil Mill Effluent

PTPN : Perseroan Terbatas Perkebunan Nusantara

TS : Total Solid

VS : Volatile Solid

SRT : Sludge Retention Time

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Industri kelapa sawit di Indonesia saat ini tumbuh dengan pesat. Hal ini diperlihatkan dari luas areal perkebunan kelapa sawit di Indonesia yang terus bertambah, demikian pula produksi dan ekspor minyak sawitnya. Pada tahun 2009 luas areal perkebunan kelapa sawit di Indonesia diperkirakan mencapai 7,5 juta hektar dengan produksi Crude Palm Oil (CPO) berkisar 23 juta ton. Besarnya produksi CPO tersebut diikuti dengan produksi limbah pabrik kelapa sawit (PKS) yang cukup besar juga, baik limbah padat seperti tandan kosong, cangkang, dan serat (fiber) yang berkisar 15,2 juta ton/tahun, maupun limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) yang berkisar 28,7 juta ton/tahun. Jumlah ini akan terus meningkat dengan meningkatnya produksi tandan buah segar (TBS) Indonesia (Dinas Pertanian, 2010).

Dalam pengoperasian pabrik kelapa sawit, disamping akan menghasilkan produk utama (main product) berupa CPO dan PKO, juga akan menghasilkan produk samping (by-product), baik berupa limbah padat maupun limbah cair dan juga polutan ke udara bebas (Henry Loekito, 2002). LCPKS merupakan salah satu produk samping terbesar dari pabrik pengolahan kelapa sawit yang berasal dari air kondensat pada proses sterilisasi, air dari proses klarifikasi, air hydrocyclone (claybath), dan air pencucian. LCPKS ini tidak dapat langsung dibuang ke perairan karena memiliki

Chemical Oxygen Demand (COD) dengan konsentrasi tinggi hingga mencapai 100.000 mg/l, kandungan lemaknya mencapai 4000 mg/l dan total solid (TS) 40.500 mg/l (Ngan, M.A, 2000). Parameter LCPKS tersebut berada di atas ambang batas baku mutu limbah. Jika tidak dilakukan pencegahan dan pengolahan terhadap LCPKS, maka akan berdampak negatif terhadap lingkungan seperti pencemaran air, menimbulkan bau, dan menghasilkan gas metana serta CO2 yang merupakan emisi gas penyebab efek rumah kaca. Sehingga perlu dilakukan pengolahan terhadap LCPKS tersebut sebelum dibuang ke perairan.

Secara konvensional pengolahan limbah cair kelapa sawit LCPKS yang banyak digunakan oleh PKS adalah dengan sistem kolam yang terdiri dari kolam anaerobik dan aerobik dengan total waktu retensi sekitar 90-120 hari. Pengolahan LCPKS secara konvensional banyak dilakukan oleh pabrik kelapa sawit karena cukup sederhana dengan biaya investasi yang lebih murah dan energi yang dibutuhkan rendah. Tetapi bila ditelaah lebih lanjut, sistem kolam memiliki beberapa kelemahan diantaranya yaitu kebutuhan areal untuk kolam yang cukup luas (sekitar 5 ha untuk PKS dengan kapasitas 30 ton/jam), kemudian perlu biaya pemeliharaan untuk pembuangan dan penanganan lumpur dari kolam dan juga terjadi emisi gas metana ke udara bebas. Selain itu ketika limbah yang telah diolah dibuang ke sungai, dan semua nutrisi yang berasal dari limbah (N, P, K, Mg, Ca) akan hilang, selain itu juga akan menyebabkan pencemaran sungai (Dinas Pertanian, 2010).

Saat ini berbagai jenis penelitian telah dilakukan untuk menekan dampak negatif limbah terhadap manusia dan lingkungan, juga agar limbah tersebut dapat

dimanfaatkan secara maksimal sehingga memberikan nilai tambah. Diantara upaya tersebut adalah pemanfaatan LCPKS dengan proses fermentasi anaerobik untuk menghasilkan biogas. Beberapa institusi telah mengembangkan beberapa metode untuk mengolah LCPKS menjadi biogas, antara lain proses pengolahan anaerobik mesofilik dan anaerobik termofilik dengan waktu tinggal yang bervariasi, diantaranya adalah Novaviro Technology Sdn Bhd, Malaysia yang telah mengembangkan proses pengolahan LCPKS menggunakan tangki reaktor anaerobik mesofilik. Pada proses ini, gas metana yang terbentuk digunakan sebagai sumber energi bagi pabrik kelapa sawit, proses yang dikembangkan merupakan proses kontiniu menggunakan Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) dengan waktu tinggal (Hydraulic Retention Time, HRT) selama 18 hari dan menggunakan sistem pengembalian sludge dengan waktu tinggal 2 hari dalam tangki sedimentasi (Novaviro, 2008). Selain itu, telah dikembangkan juga proses pembentukan biogas dari LCPKS secara anaerobik termofilik dengan HRT 8, 6 dan 4 hari oleh peneliti dari USU dan Metawater Jepang, biogas yang diperoleh pada HRT 8 hari adalah sebanyak 6,05-9,82 liter/hari, pada HRT 6 dan 4 diperoleh 6,93-8,94 dan 13,95-16,14 liter/hari (Irvan dkk, 2012).

Saat ini metode-metode yang dikembangkan dalam pengolahan dan pemanfaatan LCPKS menjadi biogas ini tidak hanya sebatas teknologi untuk mengkonversi LCPKS menjadi biogas, tetapi juga bagaimana memperoleh produksi biogas yang optimum. Salah satunya adalah fermentasi POME dengan sistem pengembalian lumpur (recycle sludge).

Dalam proses anaerobik, untuk memproduksi biogas diperlukan suatu kondisi yang memungkinkan mikroorganisme pembentuk metana untuk dapat hidup dan berkembang biak dengan baik. Salah satu kondisi yang harus dijaga adalah pH dari sistem pengolahan anaerobik tersebut. Kondisi pH yang dibutuhkan oleh bakteri metanogen adalah pada rentang nilai 6,5 hingga 7,2. Untuk mempertahankan kondisi pH pada rentang yang dibutuhkan oleh mikroorganisme agar dapat hidup, maka alkalinitas perlu dijaga dengan menambahkan NaHCO₃ (Appels, L., dkk, 2008).

Alkalinitas adalah salah satu parameter yang paling penting dalam proses pengolahan limbah cair karena alkalinitas berfungsi sebagai pengontrol pH (Morel, F. M, 1983).

Untuk meningkatkan alkalinitas ada beberapa jenis bikarbonat yang biasa digunakan, yaitu: natrium bikarbonat, natrium karbonat, natrium hidroksida, magnesium oksida atau kapur. Dari keseluruhan yang disebutkan, diketahui natrium bikarbonat memiliki kelarutan yang tinggi dan kemampuan yang tinggi untuk menetralisasi karbon dioksida sehingga menjadikannya mudah digunakan dan aman bagi lingkungan (Speece, 1996). Disamping itu harganya relatif lebih murah dibandingkan bikarbonat yang lain.

Beberapa penelitian yang berkenaan dengan penggunaan NaHCO₃ diperlihatkan pada Tabel 1.1.

Tabel 1.1 Berbagai Penelitian Pembuatan Biogas yang Menggunakan NaHCO3

sebagai Sumber Alkali

Peneliti Judul Jenis Limbah Metode Hasil Penelitian

B. I Abdulkarim dan A. M Evuti, 2010

Ratusznei dkk, 2003

Damasceno, dkk, 2007

Irvan, dkk, 2012

Effect of Buffer (NaHCO₃) and Waste Type in High Solid Thermophilic Anaerobic Digestion

Effect of Bicarbonate Alkalinity on Gravimetric Solids Analysis in Anaerobic Wastewater Treatment

Interaction Analysis of Feeding Time and Organic Loading in a Sequential Batch Biofilm Reactor (ASBBR) Treating Whey

Methane from Digestion of Palm Oil Mill Effluent (POME) in a Thermophilic Anaerobic Reactor.

Limbah Makanan

Limbah keju

Limbah industri keju

LCPKS

Digestion Anaerobik, suhu 55^oC, metode analisis berdasarkan standard method.

Metode analisis

gravimetri menggunakan NaHCO₃

Reaktor anaerobik ASBBR

CSTR, Anerobik, suhu 55^oC, NaHCO₃, Trace Metal, HRT 4, 6, 8, penstabil pH NaHCO₃

Dengan penambahan NaHCO₃pH yang dihasilkan stabil, produksi biogas meningkat, dan persen dekomposisi volatile solid meningkat.

Semakin besar penambahan NaHCO₃ persen nilai VS dan TS yang didapat semakin tinggi

Penambahan NaHCO₃

berpengaruh terhadap nilai Total Solid dan Volatile Solid.

Dengan penambahan 2,5 g/l NaHCO₃ pada HRT 8 diperoleh biogas sebanyak 6,05-9,82 liter/hari, pada HRT 6 dan 4 diperoleh 6,93-8,94 dan 13,95-16,14 liter/hari.

Saat ini Lembaga Penelitian USU bekerja sama dengan perusahaan Metawater Jepang yang sedang mengembangkan metode pemanfaatan dan pengolahan LCPKS.

Metode yang dikembangkan adalah pengolahan LCPKS dengan proses anaerobik secara termofilik untuk memperoleh biogas yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi. Penelitian ini menggunakan digester berpengaduk dengan HRT 6 hari dan temperatur operasional 55^oC. Dalam proses pengolahannya dilakukan penambahan NaHCO₃ sebanyak 2,5 g/L LCPKS untuk menstabilkan alkalinitas dan penambahan larutan FeCl2 25 mg/L, NiCl2 0,49 mg/L dan CoCl2 0,42 mg/L LCPKS untuk meningkatkan produksi biogas. Penelitian USU ini berupa pilot plant dengan menggunakan digester yang dapat menampung 3 ton LCPKS untuk diolah secara anaerobik dan dapat menghasilkan biogas (Irvan, 2009).

Jika diaplikasikan dalam industri kelapa sawit untuk skala penuh (full scale) dengan kapasitas produksi 40 ton per jam maka kebutuhan NaHCO3yang digunakan untuk pengolahan limbah cairnya akan cukup besar. Bila suatu PKS mengolah 40 ton tandan buah segar per jam dengan konversi TBS 60% (Novaviro, 2008) maka akan diperoleh sekitar 24 ton LCPKS per jam. Jika diasumsikan waktu produksi selama 20 jam per hari maka jumlah LCPKS yang harus diolah sekitar 144.000 ton per tahun.

Sehingga berdasarkan metode yang dikembangkan oleh LP3M USU dan Metawater, untuk mengolah LCPKS tersebut dibutuhkan kurang lebih 1.200 NaHCO₃gr per hari, atau sekitar Rp. 2.760.000,- per harinya, sekitar Rp. 1.007.400.000,- M per tahun.

Jika dihentikan penambahan NaHCO3 dibutuhkan sekitar Rp. 30.360.000,- juta per tahun. Selisih diantaranya adalah Rp. 977.040.000,- juta per tahun.

Diketahui bahwa dengan adanya sistem recycle sludge, dapat meningkatkan produksi biogas, berdasarkan penelitian-penelitian yang telah ada penggunaan NaHCO3 dalam proses anaerobik dapat mempengaruhi proses fermentasi.

Penambahan NaHCO₃ juga sangat dibutuhkan sebagai penetral pH. Tetapi bila diaplikasikan dalam skala penuh maka dana yang dibutuhkan akan sangat besar, berdasarkan hal tersebut, dan mengambil referensi dari penelitian yang ada, disini peneliti ingin melakukan serangkaian penelitian awal yaitu dengan dihentikan penambahan NaHCO3sehingga diketahui pengaruhnya terhadap produksi biogas, pH serta nilai alkalinitas yang dihasilkan dari pengolahan tersebut.

1.2. Perumusan Masalah

NaHCO3 sangat dibutuhkan dalam fermentasi LCPKS. Keberadaannya sangat dibutuhkan untuk meningkatkan pH. Jika pH di dalam fermentor turun dibawah 6,5 maka populasi bakteri secara keseluruhan akan tidak seimbang dan tidak dapat memproduksi biogas maka untuk menjaga alkalinitas perlu penambahan bikarbonat.

Jika diaplikasikan kedalam skala industri penggunaan bikarbonat sangatlah besar, maka penelitian ini dilakukan dengan melakukan penghentian terhadap bikarbonat, agar dapat menghemat biaya perusahaan dan ingin diketahui kondisi pH, produksi biogas serta alkalinitasnya.

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

Mengetahui seberapa besar pengaruh yang terjadi di dalam fermentor jika dilakukan penghentian NaHCO₃ terhadap perubahan produksi biogas, pH dan alkalinity yang dihasilkan pada proses fermentasi LCPKS, baik itu dengan sistem recycle sludge maupun non-recycle.

1.4. Lingkup Penelitian

Bahan baku yang digunakan adalah limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) yang berasal dari pabrik kelapa sawit Adolina PTPN IV. Penelitian dilakukan dengan proses fermentasi anaerobik termofilik menggunakan fermentor jenis Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR).

Kondisi operasional pada penelitian ini adalah:

1. Temperatur : 55^oC

2. Volume substrat : 2 liter

3. HRT : 6 hari

4. Konsentrasi NaHCO3awal : 2,5 g/L

5. Kecepatan pengadukan : 150 rpm – 200 rpm Parameter yang diukur adalah:

1. Dihentikan penambahan NaHCO₃ dengan dan tanpa recycle terhadap produksi biogas.

2. Terhadap TS.

3. Terhadap VS.

4. Terhadap Alkalinity.

5. Terhadap pH.

Variasi bebas:

1. Dihentikan Penambahan NaHCO3dengan recycle.

2. Dihentikan Penambahan NaHCO₃tanpa recycle.

3. Tanpa Dihentikan Penambahan NaHCO3dengan recycle.

4. Tanpa Dihentikan Penambahan NaHCO₃tanpa recycle.

1.5. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini bagi industri dan masyarakat adalah:

1. Menyediakan informasi tentang penggunaan natrium bikarbonat menggunakan fermentasi LCPKS anaerobik termofilik.

2. Dapat menghemat biaya perusahaan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit

Limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) adalah salah satu produk samping dari pabrik minyak kelapa sawit yang berasal dari kondensat pada proses sterilisasi, air dari proses klarifikasi, air hydrocyclone (claybath), dan air pencucian pabrik.

LCPKS mengandung berbagai senyawa terlarut, termasuk serat-serat pendek, hemiselulosa dan turunannya, protein, asam organik bebas dan campuran mineral- mineral. Tabel 2.1 menyajikan sifat dan komponen LCPKS.

Tabel 2.1 Sifat dan Komposisi LCPKS (Ngan, 2000)

Parameter Rata-rata*

pH Minyak BOD COD Total Solid Suspended Solid Total Volatile Solid Total Nitrogen

4,7 4000 25000 50000 40500 18000 34000 750

Mineral Rata-rata

Fosfor Kalium Magnesium Kalsium Boron Besi Mangan Tembaga

180 2270

615 439 7,6 46,5

2,0 0,89

*Semua dalam mg/l, kecuali pH

Limbah cair dari pabrik minyak kelapa sawit ini umumnya 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. Jika limbah tersebut langsung dibuang ke perairan, maka sebagian akan mengendap, terurai secara perlahan, mengkonsumsi oksigen terlarut, menimbulkan kekeruhan, mengeluarkan bau yang tajam dan dapat merusak ekosistem perairan. Sebelum limbah cair ini dapat dibuang ke lingkungan terlebih dahulu harus diolah agar sesuai dengan baku mutu limbah yang telah ditetapkan. Tabel 2.2 berikut ini adalah baku mutu untuk limbah cair industri minyak kelapa sawit berdasarkan Keputusan Menteri Lingkungan Hidup No. 51 Tahun 1995.

Tabel 2.2 Baku Mutu Limbah Cair Industri Minyak Kelapa Sawit

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 m³per ton produk minyak sawit (CPO) (Kep Men LH No.51, 1995)

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 (Deublein dan Steinhauster, 2008). 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.

2.2. Pengolahan Limbah Cair Secara Anaerobik

Pengolahan limbah cair secara anaerobik merupakan proses yang dapat terjadi secara alami yang melibatkan beberapa jenis mikroorganisme yang berperan dalam proses tersebut. Proses yang terjadi pada pengolahan secara anaerobik ini adalah fermentasi, asidogenik dan metanogenesis. Beberapa jenis bakteri bersama-sama secara bertahap mendegradasi bahan-bahan organik dari limbah cair (Deublein dan Steinhauster, 2008). Tahapan yang terjadi dalam proses perombakan senyawa organik menjadi gas metana ditunjukkan pada Gambar 2.1.

Pada pengolahan secara anaerobik, bakteri yang berperan adalah bakteri fermentasi, bakteri asetogenik dan bakteri metanogenik yang memiliki peran masing- masing dalam mendegradasi senyawa organik menjadi produk akhir berupa gas metana. Tiap fase dari proses fermentasi metana melibatkan mikroorganisme yang spesifik dan memerlukan kondisi hidup yang berbeda-beda. Bakteri pembentuk gas metana merupakan bakteri yang tidak memerlukan oksigen bebas dalam

metabolismenya, bahkan dengan adanya oksigen bebas dapat menjadi racun atau mempengaruhi metabolisme bakteri tersebut (Deublein D. dan Steinhauster, A. 2008).

Gambar 2.1 Konversi Bahan Organik Menjadi Metan Secara Anaerobik (Jiang, 2006)

Gas metana yang diperoleh dari proses pengolahan limbah cair secara anaerobik ini dapat digunakan sebagai bahan bakar dan merupakan bahan bakar yang sangat baik. Gas metana memiliki nilai bakar yang tinggi dan lebih ramah terhadap lingkungan jika dibandingkan dengan bahan bakar petroleum ataupun batu bara.

Senyawa Organik

Karbohidrat Protein Lemak

Metanogenesis

Asetogenesis

1. Bakteri Fermentasi

2. Bakteri Asetogenik penghasil hidrogen 3. Bakteri Asetogenik pengguna hidrogen

4. Bakteri Metanogenik pereduksi karbon dioksida 5. Bakteri Metanogenik asetoclastic

CO2/ H2

CH3COO^-

As. Lemak alkohol Gula Asam Amino

Hidrolisis

Asidogenesis Volatile Fatty Acids Etanol

CH₄

1 1 1

1 1

2 3 5 4

Proses anaerobik melibatkan penguraian senyawa organik dan anorganik oleh mikroorganisme tanpa adanya molekul oksigen bebas.

1. Hidrolisis

Hidrolisis merupakan langkah awal untuk hampir semua proses penguraian dimana bahan organik akan dipecah menjadi bentuk yang lebih sederhana sehingga dapat diurai oleh bakteri pada proses fermentasi. Bakteri mendekomposisi rantai panjang karbohidrat, protein dan lemak menjadi bagian yang lebih pendek.

Solubilisasi melibatkan proses hidrolisis dimana senyawa-senyawa organik kompleks dihidrolisis menjadi monomer-monomer. Sebagai contoh, polisakarida diubah menjadi monosakarida. Protein dibagi menjadi peptida dan asam amino. Lemak dihidrolisis menjadi asam-asam lemak atau gliserol (Deublein dan Steinhauster, 2008).

Laju hidrolisis merupakan fungsi dari faktor seperti pH, suhu, komposisi dan ukuran partikel substrat.

2. Asidogenesis

Pada tahap ini produk yang telah dihidrolisa, dikonversikan menjadi asam lemak volatil, alkohol, aldehid, keton, amonia, karbondioksida, air dan hidrogen oleh bakteri pembentuk asam. Asam-asam organik yang terbentuk adalah asam asetat, asam propionat, asam butirat dan asam valerat. Reaksi asidogenesis dapat dilihat di bawah ini:

C⁶H¹²O⁶ CH³CH²CH²COOH + 2 CO² + 2 H² glukosa asam butirat

C6H12O6 2 H2CH3CH2COOH + 2 H2O glukosa asam propionat

3. Metanogenesis

Produksi metana dan karbon dioksida dilakukan oleh bakteri methanogenic.

Sebanyak 70% dari metana yang terbentuk berasal dari asetat, sedangkan sisanya 30% dihasilkan dari konversi hidrogen (H) dan karbon dioksida (CO2), menurut persamaan berikut:

Asam asetat bakteri methanogenic

metana + karbon dioksida Hidrogen + karbon dioksida bakteri methanogenic

metana + air

Metanogenesis merupakan langkah penting dalam proses pengolahan anaerobik secara keseluruhan, karena proses ini adalah yang paling lambat pada proses reaksi biokimia. Metanogenesis sangat dipengaruhi oleh kondisi operasi. Komposisi bahan baku, laju pengumpanan, suhu, dan pH adalah faktor yang mempengaruhi proses metanogenesis. Overloading pada digester, perubahan suhu atau masuknya oksigen dalam jumlah besar dapat mengakibatkan penghentian produksi metana (Seadi et al, 2008). Jalur untuk pembentukan metana dari asetat dan CO2 oleh mikroorganisme dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Rantai hidrokarbon panjang terlibat dalam proses ini seperti methanofuran (misalnya R – C24H26N4O8) dan H4TMP (tetrahydromethanopterin) sebagai Co- faktor. Corrinoid adalah molekul yang memiliki empat cincin pirol dalam cincin yang

besar dengan rumus empiris C19H22N4. Ketika pembentukan metana bekerja, fase asetogenesis juga bekerja tanpa masalah. Masalah dapat terjadi ketika bakteri asetogenic hidup bersimbiosis bukan dengan spesies methanogenic tetapi dengan organisme lain dan menggunakan H₂O.

(A) (B)

CoA = Koenzim A, CoM = Koenzim M)

Gambar 2.2. (A) Pembentukan Metana Dari Asetat dan (B) Dari Karbon Dioksida (Jiang, 2006)

Terdapat dua kelompok organisme metanogenik yang terlibat dalam pembentukan metana. Kelompok pertama merupakan aceticlastic methanogens yang memecah asetat menjadi metana dan karbon dioksida. Kelompok kedua antara lain

Methanobacterium yang menggunakan hidrogen dan karbon dioksida untuk membentuk metana.

Metanogen dan asidogen membentuk suatu hubungan yang saling menguntungkan dimana metanogen mengubah hasil dari proses asidogen seperti hidrogen, asam format dan asetat menjadi metana dan karbon dioksida.

Mikroorganisme yang membentuk metana diklasifikasikan sebagai archaea yang bekerja tanpa adanya oksigen. Mikroorganisme non metanogenik yang berperan dalam hidrolisis dan fermentasi merupakan bakteri fakultatif (Deublein dan Steinhauster, 2008).

Pengolahan secara anaerobik dengan reaktor dapat diaplikasikan untuk mengolah limbah cair dalam jumlah yang besar karena menggunakan reaktor tertutup dan waktu tinggal cairan limbah saat ini bisa lebih singkat, maka kebutuhan lahan yang luas untuk mengolah limbah cair dapat dikurangi. Selain itu pengolahan limbah cair secara anaerobik juga dapat memberikan sumber energi berupa gas metana yang merupakan produk akhir dari proses anaerobik ini. Gas metana yang dihasilkan dapat digunakan sebagai bahan bakar yang relatif terhadap ramah lingkungan.

Pengolahan anaerobik untuk menghasilkan biogas ini sangat bermanfaat dalam mengurangi limbah biomassa organik namun tahap awal pembangunan reaktornya membutuhkan biaya yang lebih besar jika dibandingkan dengan pengolahan secara aerobik. Beberapa kelebihan dan kekurangan proses anaerobik di tunjukkan pada Tabel 2.3.

Tabel 2.3 Keuntungan dan Kerugian Fermentasi Anaerobik

Keuntungan Kerugian

- Energi yang dibutuhkan sedikit - Produk samping yang dihasilkan

sedikit

- Menghasilkan senyawa metana yang merupakan sumber energi yang potensial

- Baik untuk operasi skala besar karena menggunakan reaktor

- Sludge hasil buangannya dapat digunakan sebagai pupuk

- Biaya konstruksi yang mahal - Membutuhkan penambahan

senyawa alkaliniti

- Sangat sensitif terhadap perubahan temperatur

- Menghasilkan senyawa yang beracun seperti H₂S

- Penyimpanan pupuknya sulit

(Metcalf & Eddy, 2003)

Pengolahan secara anerobik adalah metode yang paling sesuai untuk mengolah buangan industri yang mengandung karbon atau senyawa organik yang tinggi.

Pengolahan LCPKS dengan menggunakan reaktor anaerobik dilakukan dengan mensubtitusi proses yang terjadi di kolam anaerobik pada sistem konvensional kedalam tangki digester.

Selain menghasilkan biogas, pengolahan limbah cair dengan proses anaerobik dapat dilakukan pada lahan yang sempit dan memberi keuntungan berupa penurunan jumlah padatan organik, jumlah mikroba pembusuk yang tidak diinginkan, serta kandungan racun dalam limbah. Disamping itu juga membantu peningkatan kualitas pupuk dari sludge yang dihasilkan (Speece, 1996).

2.3. Biogas

Biogas merupakan produk akhir dari degradasi anaerobik bahan organik oleh bakteri-bakteri anaerobik dalam lingkungan dengan sedikit oksigen. Komponen terbesar yang terkandung dalam biogas adalah metana 55 – 70 % dan karbon dioksida 30 – 45 % serta sejumlah kecil, nitrogen dan hidrogen sulfida (Deublein D dan Steinhauster, A 2008).

Pengembangan biogas mulai mendapat perhatian baik dari pemerintah maupun masyarakat setelah dikeluarkannya kebijakan pemerintah dalam mengurangi subsidi Bahan Bakar Minyak (BBM). Kenaikan harga BBM sampai 100 %, bahkan untuk minyak tanah sampai 125 % per 1 Oktober 2005. Mahalnya BBM dapat memicu kerusakan lingkungan (kebun, hutan, atmosfir). Oleh karena itu pengembangan biogas merupakan salah satu alternatif pemecahan dalam rangka mencari sumber energi alternatif sekaligus sebagai upaya konservasi. Disamping itu pengembangan biogas secara tidak langsung mendukung program internasional yaitu mengurangi dampak negatif dari efek gas rumah kaca. Gas metana termasuk gas rumah kaca (greenhouse gas), bersama dengan gas karbon dioksida (CO2) memberikan efek rumah kaca yang menyebabkan terjadinya fenomena pemanasan global. Pengurangan gas metana secara lokal dengan mengembangkan biogas dapat berperan positif dalam upaya penyelesaian permasalahan global efek rumah kaca. Pemanfaatan biogas dalam mengurangi efek rumah kaca melalui tiga cara, pertama biogas memberikan substitusi dari bahan bakar fosil untuk memasak dan penerangan. Kedua melalui proses

fermentasi, metana dirubah menjadi CO2, sehingga mengurangi jumlah metan yang ada di udara. Ketiga penerapan biogas akan berdampak pada lestarinya hutan, karena penebangan dapat dikurangi. CO2 yang ada di udara akan diserap oleh hutan dan diproses melalui fotosintesis menghasilkan oksigen yang berperan melawan efek rumah kaca. Tapi hanya metana (CH4) yang dimanfaatkan sebagai bahan bakar.

Tabel 2.4 menunjukan komposisi biogas secara umum.

Tabel 2.4 Komposisi Biogas Secara Umum (Deublein dan Steinhauster, 2008)

Biogas yang bebas pengotor (seperti H₂O, H₂S, CO₂, dan partikulat lainnya) dan telah mencapai kualitas pipeline adalah setara dengan gas alam. Dalam bentuk ini, gas dapat digunakan sama seperti penggunaan gas alam. Pemanfaatannya pun telah layak sebagai bahan baku pembangkit listrik, pemanas ruangan, dan pemanas air. Jika dikompresi, biogas dapat menggantikan gas alam terkompresi yang digunakan pada kendaraan. Di Indonesia nilai potensial pemanfaatan biogas ini akan terus meningkat karena adanya jumlah bahan baku biogas yang melimpah dan rasio antara energi biogas dan energi minyak bumi. Nilai 1 m³biogas setara dengan 0,46 kg elpiji atau 0,8 liter bensin dan 0,52 liter solar (Dept. Pertanian, 2007).

Komposisi Biogas Jumlah

Metana (CH₄)

Karbon dioksida (CO2) Nitrogen (N2)

Hidrogen Sulfida (H₂S)

55 – 70 % 30 – 45 % 0 – 0,3 % 1 – 5 %

Biogas yang kandungan metannya lebih dari 45 % bersifat mudah terbakar dan merupakan bahan bakar yang cukup baik karena memiliki nilai kalor bakar yang tinggi. Tetapi jika kandungan CO2dalam biogas 25 – 50 % maka dapat mengurangi nilai kalor bakar dari biogas tersebut. Sedangkan kandungan H₂S dalam biogas dapat menyebabkan korosi pada peralatan dan perpipaan dan nitrogen dalam biogas juga dapat mengurangi nilai kalor bakar biogas tersebut. Selain itu juga terdapat uap air yang juga dapat menyebabkan kerusakan pada pembangkit yang digunakan (Deublein dan Steinhauster, 2008).

Gas metana terbentuk karena proses fermentasi oleh bakteri anaerobik yaitu bakteri metanogenik. Fermentasi pembentukan metana merupakan proses biologi yang mampu mengkonversi bahan-bahan organik menjadi metana dan karbon dioksida melalui tiga tahap reaksi yaitu proses hidrolisis dimana bahan-bahan organik yang ada akan didegradasi menjadi bentuk yang lebih sederhana. Kemudian proses asidifikasi yaitu proses fermentasi dan pembentukan asam dari hasil hidrolisis senyawa organik, lalu proses pembentukan metana yang melibatkan mikroorganisme untuk merubah asam-asam hasil fermentasi menjadi metana. Pada proses pembentukan metana ini mikroorganisme yang berperan adalah jenis metanogen pereduksi karbon dioksida atau metanogen acetoclastic yang mengubah asam-asam dari hasil fermentasi menjadi metana (Jiang, 2006).

2.4. Faktor–Faktor yang Mempengaruhi Produksi Biogas

Untuk mendapatkan produksi biogas yang optimum, perlu diperhatikan beberapa faktor yang mempengaruhi perkembangan mikroorganisme di dalam fermentor. Beberapa faktor yang harus diperhatikan dan dijaga agar proses produksi biogas berjalan dengan stabil adalah pH, alkalinitas, organic loading rate, total solid, volatile solid dan hydraulic retention time.

a. pH

Kondisi pH harus disesuaikan dengan kebutuhan mikroorganisme untuk dapat hidup dan berkembang. Kondisi pH yang dibutuhkan oleh bakteri metanogen adalah 6,5 – 7,2 (Appels, dkk. 2008).

b. Alkalinitas

Alkalinitas merupakan ukuran dari jumlah karbonat dalam suatu larutan. Untuk dapat mempertahankan kondisi pH pada range yang dibutuhkan oleh mikroorganisme agar dapat hidup, maka alkalinitas perlu dijaga dengan menambahkan bikarbonat (Appels, dkk. 2008).

c. Organic Loading Rate (OLR)

OLR adalah jumlah bahan organik yang masuk dan tersedia dalam fermentor.

Apabila OLR terlalu rendah maka proses fermentasi akan berjalan lambat sedangkan jika terlalu tinggi maka terjadi overlaod dan substrat yang ada dapat menjadi penghambat pertumbuhan mikroorganisme (Speece, 1996).

d. Total Solid (TS), dan Volatile Solid (VS)

Total solid (TS) adalah jumlah padatan yang terdapat dalam substrat baik padatan yang terlarut maupun yang tidak terlarut. Sedangkan volatile solid (VS) adalah padatan-padatan organik yang terdapat dalam substrat. Dari TS dan VS inilah dapat diketahui berapa banyak produksi gas yang akan dihasilkan (U.S Environmental Protection, 2001).

e. Hydraulic Retention Time (HRT)

HRT atau waktu tinggal merupakan waktu rata-rata yang dibutuhkan oleh limbah cair untuk tinggal di dalam reaktor. Nilai HRT merupakan perbandingan antara volume reaktor dengan laju alir umpan yang masuk (Speece 1996).

2.5. Komponen-Komponen dalam Biogas

Komponen kecil yang paling penting dalam biogas adalah H₂S, dimana kuantitasnya dapat berfluktuasi dan sangat tergantung pada substrat input. Kisaran fluktuasi untuk H₂S dapat diperkirakan dari 200 sampai 10.000 ppm dalam produksi biogas selama periode waktu tertentu (Gerhard, 2008).

Tabel 2.5 Komponen-Komponen dalam Biogas dan Pengaruhnya

Komponen Kandungan Pengaruh

CH₄ 50-75 (%volume) Komponen yang mudah terbakar pada biogas 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 menyebabkan kerusakan instrumen dan agregat; dapat menyebabkan pipa dan ventilasi membeku pada suhu beku

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 (Gerhard, 2008)

2.6. Natrium Bikarbonat (NaHCO₃)

Natrium bikarbonat atau hidrogen karbonat atau asam karbonat dengan rumus kimia NaHCO3, adalah bahan kimia berbentuk kristal putih yang larut dalam air, yang banyak dipergunakan di dalam industri makanan/biskuit (sebagai baking powder), pengolahan kulit, farmasi, tekstil, kosmetika, pembuatan pasta gigi, pembuatan permen (candy) dan industri pembuatan batik. NaHCO3 sangat banyak digunakan dalam skala industri, disamping murah, NaHCO₃ ramah lingkungan, sehingga

industri kelapa sawit juga bisa menggunakan NaHCO3 untuk meningkatkan alkalinitas. Pada skala industri, natrium bikarbonat dapat diproduksi melalui reaksi antara natrium karbonat, air dan gas karbon dioksida:

Na₂CO₃+ H₂O + CO₂ 2NaHCO₃

Selain itu, natrium bikarbonat dapat pula dihasilkan dari reaksi antara natrium klorida (NaCl), ammonia (NH3) dan karbon dioksida (CO2). Seperti halnya syarat ketiadaan oksigen dan jangkauan temperatur yang sempit, bakteri metanogen juga hanya dapat berkembang dengan baik pada jangkauan pH yang sempit, antara 6,5 hingga 8. Setelah bakteri pembentuk asam menghasilkan asam, metanogen akan menggunakan asam tersebut dan mempertahankan pH pada tingkat netral. Akan tetapi perlu diingat bahwa laju reaksi yang melibatkan bakteri pembentuk asam lebih tinggi dibandingkan dengan laju reaksi yang melibatkan bakteri metanogen. Untuk itu, populasi metanogen harus diusahakan dan dipertahankan lebih besar. Selain itu, peningkatan pH dengan penambahan baking soda (NaHCO3) juga dapat dilakukan untuk meningkatkan alkalinitas atau kapasitas buffering dari larutan fermentasi (Direktori Artikel Aneka Ilmu Pengetahuan, 2008).

2.7. Pengaruh Sistem Recycle Terhadap Proses Pengolahan POME

Laju dekomposisi COD yang tinggi dapat menghasilkan biogas yang lebih banyak. Dari penelitian yang pernah dilakukan diketahui bahwa untuk meningkatkan laju dekomposisi COD dapat dilakukan dengan meningkatkan Sludge Retention Time

(SRT) dengan mengembalikan lumpur dari digester ke reaktor. Oleh karena itu pengaruh dari fermentasi POME dengan sistem recycle sludge diharapkan dapat meningkatkan laju dekomposisi COD di atas 80%. Konversi Volatile Solid menjadi gas adalah fungsi dari SRT. Pada fermentasi POME dengan digester anaerobik berpengaduk HRT sama dengan SRT tetapi pada kondisi fermentasi dengan recycle HRT tidak sama dengan SRT. SRT yang lama akan meningkatkan laju dekomposisi VS pula (Burke, 2001). Selain parameter-parameter yang mengukur efisiensi suatu proses anaerob dari segi kualitas dan kuantitas biogas yang dihasilkan, parameter yang menjadi indikator kualitas cairan fermentasi yang dikeluarkan atau discharged sluury juga sangat penting dan harus memperhatikan baku mutu limbah buangan industri yang berlaku. Parameter yang paling sering digunakan dalam hal ini adalah COD (chemical oxygen demand), yakni ukuran tak langsung dari jumlah senyawa organik, baik yang dapat terbiodegradasi maupun yang tidak dapat terbiodegradasi.

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Lokasi Penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Ekologi Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3.2. Bahan dan Peralatan

Dalam penelitian ini bahan utama yang digunakan adalah limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) yang berasal dari Pabrik Kelapa Sawit Adolina PTPN IV.

Sedangkan sebagai bahan pendukung antara lain Natrium bikarbonat (NaHCO3), NiCl₂6H₂O, CoCl₂6H₂O, Asam Klorida (HCl) 0,1 M dan akuades.

Peralatan yang digunakan adalah:

1. Peralatan utama

Adapun peralatan utama yang digunakan adalah:

a. Fermentor jenis Continuous Stirred Tank (CSTR) (EYELA model No.: MBF 300 ME) bervolume 2 liter yang dilengkapi pengaduk dan sensor temperatur.

b. Pompa sludge/slurry pump (HEISHIN, model No.: 3 NY06F).

c. Gas meter (SHINAGAWA, model No.: W-NK-0,5B).

d. Tangki umpan (service tank).

e. Pengaduk.

f. Sensor temperatur.

g. pH elektroda.

h. Timer (OMRON, model No.:H5F).

i. Botol penampungan keluaran fermentor.

j. Gas collector.

k. Recycle injector.

2. Peralatan analisa

Adapun peralatan analisa yang digunakan adalah:

a. Oven.

b. Desikator.

c. Timbangan elektrik (3 angka desimal).

d. Pipet volumetrik.

e. Karet penghisap.

f. Pengaduk magnetik.

g. Furnace.

Percobaan dilaksanakan pada suatu rangkaian peralatan yang secara skematik disajikan pada Gambar 3.1. Dimana LCPKS segar dimasukkan ke dalam tangki umpan (2) sebanyak 1 liter, kemudian ditambahkan NaHCO₃sebanyak 2,5 g/L dan larutan Ni 0,49 mg/L, Co 0,42 mg/L, dengan kecepatan pengaduk di dalam tangki umpan 100-110 rpm. Dimasukkan juga LCPKS segar ke dalam fermentor sebanyak 1

liter, dengan kecepatan pengaduk 150-200 rpm dengan suhu 55^oC. Lalu umpan akan dipompakan dengan laju alir 333,333 ml/hari (3) masuk ke dalam fermentor (4) untuk difermentasi kemudian gas yang terbentuk akan dibaca oleh gas meter (10). Dan sludge dari fermentor dipompakan (3) menuju wadah keluaran fermentor (9). Sludge yang keluar di dalam wadah keluaran fermentor diambil setiap hari dan dimasukkan ke dalam jerigen dan disimpan di dalam kulkas, setelah tiga hari sludge dikeluarkan dituang ke dalam gelas beker, kemudian didiamkan selama 6 jam, setelah 6 jam terjadi pengendapan dan terbentuk lapisan atas dan bawah, kemudian diambil sampel dari bagian atas dan bawah sebanyak 10 ml untuk uji TS, VS, ash, sisa dari sludge diambil sebanyak 34% dari LCPKS yang diumpankan.

Gambar 3.1 Skematik Rangkaian Peralatan Konversi LCPKS Menjadi Biogas

3.3. Tahap Penelitian

Adapun tahap penelitian yang dilakukan adalah:

a. Pertama dilakukan prosedur loading up hingga mencapai target HRT 6 hari dan selama proses loading up, penambahan NaHCO₃ 2,5 gr/L per LCPKS, Ni dan Co ke dalam tangki umpan.

b. Kemudian setelah dicapai HRT 6 hari, penambahan NaHCO3 dihentikan, tetapi Ni dan Co tetap ditambahkan.

3.4. Prosedur Penelitian

3.4.1.Loading Up

Adapun prosedur loading up adalah:

a. LCPKS yang telah difermentasikan dimasukkan ke dalam fermentor suhu dalam fermentor diatur 55^oC.

b. HRT awal dimulai dengan HRT 20 hari untuk adaptasi bakteri metanogen dengan umpan dimasukkan secara bertahap yaitu 4 kali sehari.

c. Kecepatan di dalam fermentor diatur hingga kecepatan antara 150 - 200 rpm.

d. Apabila pada hari berikutnya pH pada fermentor sudah stabil dan nilai M- Alkalinity tidak turun maka HRT dinaikkan 0,2 kali dari HRT awal hingga mencapai target HRT 6 hari.

3.4.2. Pembuatan Umpan

Adapun prosedur pembuatan umpan yang dilakukan adalah:

a. 1 liter LCPKS segar dimasukkan ke dalam tangki umpan.

b. Timbang NaHCO₃sebanyak 2,5 g/L dan masukkan ke dalam pome segar.

c. Larutan Co dan Ni diambil dengan menggunakan micrometer sebanyak 300 μL, dan dicampurkan ke dalam pome segar.

d. Campuran diaduk hingga homogen dengan kecepatan pengaduk di dalam tangki umpan mencapai 100 – 110 rpm sehingga larutan tercampur dengan baik.

e. Umpan ini yang nantinya akan dipompakan ke dalam tangki fermentor.

3.4.3. Prosedur Recycle

Adapun prosedur recycle yang dilakukan adalah:

a. Pindahkan keluaran fermentor (discharge) ke dalam gelas ukur 1000 ml.

b. Biarkan keluaran fermentor (discharge) selama 6 jam hingga terjadi sedimentasi.

c. Pisahkan bagian yang jernih dengan bagian yang mengendap.

d. Ambil lumpur bagian bawah sebanyak 34% dari LCPKS yang akan diumpankan.

3.4.4. Pengujian Sampel

Pengujian yang akan dilakukan adalah:

a. Analisa Alkalinity

Analisa alkalinitas ini dilakukan untuk mengetahui seberapa banyak karbonat yang diperlukan untuk menetralkan asam yang terbentuk selama proses fermentasi.

Karena selama proses fermentasi pH dalam fermentor harus dijaga agar tetap netral sehingga bakteri dapat bekerja dengan baik.

b. Analisa Total Solid (TS)

Total Solid merupakan gabungan antara padatan tersuspensi (suspended solid)

dan padatan yang terlarut (dissolved solid). Analisa ini perlu dilakukan agar dapat diketahui parameter yang dibutuhkan dalam proses fermentasi sehingga diperoleh efisiensi proses.

c. Analisa Abu dan Volatile Solid (VS)

Volatile solid (VS) merupakan materi organik atau padatan organik yang menguap pada proses pembakaran diatas 500^oC. Analisa VS ini perlu dilakukan untuk mengetahui banyaknya materi organik dalam limbah. Materi organik inilah yang akan dikonversikan menjadi biogas oleh metano bakteri.

...(3.1) 3.4.5. Prosedur analisa:

a. Analisa M-alkalinity

Adapun analisa M-alkalinity yang dilakukan adalah:

1. Dimasukkan 5 ml sampel ke dalam gelas Beaker kemudian diencerkan dengan aquadest hingga volume larutan menjadi 80 ml dan diaduk rata.

2. pH elektroda dicelupkan ke dalam larutan sampel dan ditambahkan HCl 0,1 N setetes demi setetes sambil terus diaduk hingga homogen. Larutan HCl 0,1 N ditambahkan hingga pH mencapai 4,8 ± 0,02.

3. Analisa M-Alkalinity dilakukan untuk LCPKS dan cairan pada fermentor.

M-Alkalinity =

Sampel Vol

M terpakai yang

HCl

Vol.  _HCl10005

b. Prosedur Analisa TS

Adapun prosedur TS yang dilakukan adalah:

1. Cawan penguap dipanaskan selama 2 jam pada suhu 130^oC, kemudian dinginkan di dalam desikator, setelah dingin cawan kosong ditimbang.

2. Sebanyak 10 ml sampel dimasukkan ke dalam cawan yang telah ditimbang sebelumnya kemudian ditimbang kembali.

3. Cawan berisi sampel dimasukkan ke dalam oven kemudian dipanaskan selama 4 jam pada suhu 130^oC untuk menghilangkan kadar airnya.

4. Setelah cawan didinginkan, kemudian ditimbang kembali.

5. Analisa TS dilakukan untuk LCPKS dan cairan di dalam jar fermentor.

Total Solid = a × (1000/v) ...(3.2) a = Selisih berat cawan setelah dipanaskan dengan sebelum dimasukkan

sampel.

v = volume sampel.

c. Prosedur analisa abu dan VS

Adapun prosedur analisa abu dan VS yang dilakukan adalaah:

1. Cawan berisi sampel yang telah ditimbang TS-nya kemudian dipanaskan kembali di dalam muffle furnace pada suhu 700^oC selama 3 jam.

2. Setelah itu cawan penguap didinginkan hingga mencapai suhu kamar dan ditimbang kembali beratnya.

3. Analisa VS dilakukan untuk LCPKS dan cairan di dalam jar fermentor.

Ash [mg/l] = a × (1000/v) ...(3.3) a = perbedaan berat dari cawan penguap setelah dipanaskan pada suhu

700^oC dengan berat cawan kosong.

v = volume sampel.

VS [mg/l] = TS [mg/l] - Ash [mg/l] ...(3.4)

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Karakteristik LCPKS sebagai Bahan Baku

LCPKS yang digunakan berasal dari Pabrik Kelapa Sawit Adolina PTPN IV, Sumatera Utara. PKS Adolina mengolah 30 ton tandan buah segar (TBS)/ jam yang berasal dari perkebunan sendiri yang berada di Kabupaten Serdang Bedagai, Sumatera Utara.

Lemak dan minyak yang terdapat dalam LCPKS dapat terhidrolisis oleh mikroorganisme menjadi asam lemak dan sebagian besar dari asam lemak yang terbentuk merupakan substrat yang potensial sebagai penghasil metan (Angelidaki et al. 1990). Secara teori, mikroba akan terus berkembang biak dan berproduksi jika makanan dan kondisi lingkungan tetap dijaga sehingga mikroba akan tetap hidup dan akan terus pada fase stasionernya (Vawda, 2008).

4.2. Produksi Biogas Selama Proses Fermentasi Anaerobik

Dari data yang didapat, hasil produksi biogas selama masa fermentasi menunjukkan perbedaan nilai signifikan, baik menggunakan NaHCO3 maupun dengan dihentikan NaHCO3dengan sistem recycle dan non-recycle.

Gambar 4.1 Produksi Biogas dengan Sistem Recycle

Gambar 4.2 Produksi Biogas dengan Sistem Non-recycle Ket: DNa = Dihentikan NaHCO3

MNa = Menggunakan NaHCO₃

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

0 10 20 30 40 50 60

Produksi BIogas (L/hari)

Waktu Fermentasi (hari)

DNa MNa

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

0 10 20 30 40 50 60

Produksi BIogas (L/hari)

Waktu Fermentasi (hari)

DNa MNa

HRT 6 hari

HRT 6 hari

Gambar 4.1 memperlihatkan produksi biogas dengan dihentikan penggunaan NaHCO₃. Pada saat HRT 6 hari terjadi yaitu di hari kesebelas, produksi biogas menurun drastis. Hal ini disebabkan karena pada saat HRT 6 hari tercapai penggunaan NaHCO₃ dihentikan, diprediksi mikroba di dalam fermentor, sebagian tidak dapat menyesuaikan diri dengan perubahan yang terjadi, sehingga produksi biogas menurun. Tetapi pada hari ke 18 produksi biogas kembali meningkat, ini terjadi karena mikroba di dalam fermentor sudah dapat menyesuaikan diri dan beradaptasi dengan lingkungannya, disamping adanya sistem recycle sehingga masih terdapat kandungan Na di dalam limbah cair. Sedangkan untuk produksi biogas menggunakan NaHCO3, pada saat hari pertama jumlah biogas yang dihasilkan masih rendah, setelah HRT 6 hari tercapai produksi biogas semakin meningkat, pada hari ke 24 terjadi peningkatan produksi biogas secara drastis. Dari hasil yang didapat diketahui, bahwa jumlah produksi biogas yang dihasilkan pada saat dihentikan NaHCO₃ tidak begitu mengalami penurunan yang sangat drastis. Hal ini membuktikan bahwa mikroba di dalam fermentor tidak sepenuhnya mati.

Pada Gambar 4.2 untuk produksi biogas sistem non-recycle, dengan dihentikan penggunaan NaHCO₃, selang hari ke 20 dan 30 terjadi fluktuasi, yaitu penurunan produksi biogas, dan pada saat hari ke 35 produksi biogas kembali stabil, hal ini disebabkan terjadi akibat tidak dilakukannya sistem recycle. Untuk sistem yang menggunakan NaHCO3, kondisi stabil diperoleh pada hari ke 35. Seiring meningkatnya waktu, produksi gas semakin meningkat. Penambahan NaHCO3 dapat meningkatkan produksi biogas, sebaliknya dengan dihentikan NaHCO , masih bisa