Asidogenesis Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Pada Kondisi Ambient : Pengaruh Variasi pH Terhadap Pembentukan Volatile Fatty Acid (VFA) Menggunakan Reaktor Batch Berpengaduk

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Perkembangan Kelapa Sawit di Indonesia

Indonesia merupakan salah satu negara produsen minyak sawit terbesar dunia, dimana produksi terbesar berasal dari dua Negara produsen minyak sawit terbesar seperti Indonesia (33 juta ton) dan Malaysia (20,5 juta ton) pada tahun 2014/ 2015. Persentase produksi minyak kelapa sawit terus mengalami kenaikan kurang lebih 39,83% dari tahun 2010/2011 hingga tahun 2014/ 2015 [1].

Dengan bertambahnya produksi minyak kelapa sawit setiap tahunnya maka permasalahan lingkungan juga mengalami peningkatan yang diakibatkan oleh limbah yang dihasilkan dari proses produksi minyak kelapa sawit. Pabrik pengolahan kelapa sawit menggunakan sejumlah besar air dan energi dalam proses produksi. Di sisi output, proses manufaktur menghasilkan sejumlah besar limbah padat, limbah cair dan polusi udara. Limbah cair dihasilkan dari ekstraksi minyak sawit pada proses di dekanter, dikombinasikan dengan limbah dari air pendingin dan sterilizer yang disebut LCPKS [15].

2.2 Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS)

dihasilkan dan dikeluarkan dari operasi pengolahan utama, seperti yang terlihat pada Gambar 2.1 [20] :

 Sterilisasi Tandan Buah Segar - sterilizer condensate sekitar 36% dari total LCPKS;

 Klarifikasi dari CPO diekstraksi - air limbah klarifikasi adalah sekitar 60% dari total LCPKS;

 ClaybathSeparation (Hydrocyclone) pemisahan campuran kernel dan shell- air limbah hidrosiklon adalah sekitar 4% dari total LCPKS pabrik kelapa sawit.

Tabel 2.1 Karakteristik LCPKS sebelum dilakukan pengolahan [39]

Parameter LCPKS

pH 4,5

Biological Oxygen Demand (BOD) 31.500 mg / L

Chemical Oxygen Demand (COD) 65.000 mg / L

Total Solid (TS) 39.000 mg / L

Suspended Solid (SS) 18.900 mg / L

Oil & Grease 3970 mg / L

Tabel 2.2 Baku Mutu Limbah Cair Pabrik Minyak Kelapa Sawit Menurut Keputusan

Menteri Negara Lingkungan Hidup [40]

Debit Limbah Maksimum 4,5 m3 per ton CPO

biodegradable dengan rasio BOD / COD sebesar 0,5 dan ini berarti bahwa LCPKS dapat diolah dengan mudah menggunakan cara biologis [42].

2.3 Potensi Produksi Biogas Dari LCPKS

Bahan yang ditambahkan ke proses biogas adalah substrat (makanan) untuk mikroba dan sifat-sifatnya memiliki pengaruh besar pada stabilitas dan efisiensi proses. Komposisi substrat sangat penting baik untuk jumlah gas yang terbentuk dan kualitas gas. Komposisi akhirnya juga mempengaruhi kualitas residu digestasi, baik dari segi kandungan gizi tanaman dan potensi kontaminasi (logam, senyawa organik, organisme penyebab penyakit, dan lain-lain). Memilih bahan yang tepat mempengaruhi hasil dari proses, memaksimalkan output energi dan menghasilkan

pupuk hayati berkualitas baik [22]. Bahan baku yang berbeda akan menghasilkan jumlah biogas dan metana yang berbeda tergantung pada kandungan karbohidrat,

lemak dan protein. Secara teori, semua bahan biodegradable dengan kadar lignin yang wajar (bukan kayu) adalah bahan baku yang cocok untuk proses biogas [23].

Tabel 2.3 Produksi Biogas dan Metana Teoritis dari Karbohidrat, Lemak dan Protein [24]

Digestasi anaerobik adalah sebuah proses yang kompleks yang melibatkan penguraian senyawa organik tanpa adanya molekul oksigen untuk menghasilkan gas metana (CH4) dan gas karbon dioksida (CO2). Proses degradasi terjadi oleh aksi dari

berbagai jenis bakteri anaerobik. Proses degradasi ini meliputi hidrolisis, asidogenesis (termasuk asetogenesis) dan metanogenesis. Gas metana merupakan salah satu komponen yang diproduksi Melalui proses degradasi methanogenesis anaerobik [24].

Effluent dari digestasi anaerobik akan menjadi pupuk yang baik karena mengandung hampir semua zat makro dan mikro yang dibutuhkan untuk pertumbuhan tanaman [43].

Mikrobiologi anaerob dari zat-zat buangan organik yang melibatkan proses yang berbeda-beda seperti pada proses hidrolisis, asidogenesis, asetogenesis dan pada

proses metanogenesis.

Gambar 2.2 Skema Proses Pengolahan Digestasi Anerobik [25]

Pada tahap pertama (hidrolisis), senyawa yang tidak terlarut seperti selulosa, protein dan lemak dipecah menjadi monomer-monomer (fragmen larut dalam air) oleh exoenzymes (hydrolase) dari bakteri anaerobik fakultatif dan obligat. Kondisi operasional proses mempengaruhi hidrolisis, misalnya suhu yang lebih tinggi meningkatkan hidrolisis. pH optimal adalah sekitar 6,0, meskipun hidrolisis terjadi juga pada pH yang lebih tinggi. Laju beban organik (OLR) yang terlalu tinggi dapat menghambat hidrolisis melalui akumulasi degradasi intermediet [22].

Proses hidrolisis dari karbohidrat membutuhkan waktu beberapa jam, hidrolisis protein dan lemak membutuhkan waktu beberapa hari. Lignoselulosa dan lignin didegradasi sangat lambat dan tidak sempurna [27].

Tabel 2.4 Beberapa Kelompok Enzim Hidrolisis dan Fungsinya [25]

Enzim Substrat Produk pemecahan

Proteinase Protein Asam amino

Cellulase Selulosa Cellobiose and glucose

Hemicellulase Hemicellulose Gula, seperti glukosa, xylose, mannose dan arabinose

Amylase Pati Glukosa

Lipase Lemak Asam lemak dan gliserol

Pectinase Pektin Gula seperti galaktosa, arabinose, dan

polygalacticuronicacid

2.4.2 Tahap Asidogenesis

Pada langkah kedua adalah asidogenesis (juga disebut sebagai fermentasi), Setelah bahan baku terdegradasi menjadi molekul yang lebih kecil, yaitu asam lemak rantai panjang (Long Chain Fatty Acids), alkohol, gula sederhana dan asam amino dari tahap hidrolisis , bakteri Acidogenic mampu menyerap molekul tersebut dan mendegradasi lebih lanjut menjadi asam lemak volatil (VFA) [23].

mempengaruhi jenis produk fermentasi. Tekanan parsial hidrogen yang tinggi menyebabkan senyawa yang sedikit tereduksi, seperti asetat, terbentuk [27].

Asam lemak volatil dengan rantai lebih dari empat-karbon tidak dapat digunakan langsung oleh metanogen. Asam organik ini selanjutnya dioksidasi menjadi asam asetat dan hidrogen oleh bakteri acetogenic obligat hidrogen melalui proses yang disebut asetogenesis. Asetogenesis juga mencakup produksi asetat dari hidrogen dan karbon dioksida oleh acetogens dan homoacetogens. Kadang-kadang asidogenesis dan asetogenesis tahap digabungkan bersama sebagai satu tahap [28].

2.4.3 Tahap Asetogenesis

Selama proses asidogenesis, tidak hanya asetat, H2 dan CO2 yang dihasilkan,

namun produk intermediet kompleks seperti propionat, butirat, laktat dan etanol akan diproduksi secara bersamaan. Produk intermediet tersebut akan dikonversi menjadi

asam organik sederhana CO2 dan H2 oleh bakteri acetogenic [25].

Pada tahap asetogenesis, mikroorganisme homoacetogenic secara konstan terus mengurangi eksergonik H2 dan CO2 menjadi asam asetat.

2CO2 + 4H2→ CH3COOH + 2H2O [27]

2.4.4 Tahap Metanogenesis

Metanogenesis merupakan tahap akhir dari proses biogas. Pada tahap ini, metana

dan karbon dioksida (biogas) yang dibentuk oleh berbagai mikroorganisme yang memproduksi metana disebut metanogen. Substrat yang paling penting bagi organisme ini adalah gas hidrogen, karbon dioksida, dan asetat, yang terbentuk selama oksidasi anaerobik. Namun substrat lain seperti metil amina, beberapa alkohol, dan format juga dapat digunakan untuk produksi metana [27]. Bakteri metanogens sangat sensitif terhadap oksigen. oksigen merupakan racun mematikan yang membunuh semua metanogens bahkan pada konsentrasi rendah [25].

methanothermobacter, methanobrevibacter, methanosarcina dan methanosaeta (sebelumnya methanothrix) [10]. Reaksi metanogenesis dapat dinyatakan sebagai berikut :

CH3COOH → CH4 + CO2

CO2 + 4H2→ CH4 + 2H2O [28]

Produsen metana umumnya tumbuh sangat lambat, hal ini membatasi proses pembentukan biogas. Waktu generasi, yaitu waktu yang dibutuhkan untuk mikroorganisme untuk membagi dirinya dalam dua, adalah antara 1 hingga 12 hari

bagi produsen metana. Waktu retensi yang terlalu pendek (kurang dari 12 hari) meningkatkan risiko bahwa organisme ini akan tercuci keluar dari proses, karena mereka tidak memiliki waktu yang cukup untuk meningkatkan jumlah pada tingkat yang sama dengan bahan yang dipompa kedalam dan keluar dari tangki pencernaan [28].

2.5 Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Performa Digestasi Anaerob

2.5.1 pH

Kebanyakan mikroorganisme lebih memilih rentang pH netral, yaitu sekitar pH 7,0-7,5. Namun, beberapa organisme aktif pada nilai pH lebih rendah dan lebih tinggi. Ada beberapa organisme yang berbeda dalam proses biogas, dan persyaratan pH mereka untuk pertumbuhan yang optimal sangat bervariasi. Pada fermentasi, mikroorganisme penghasil asam berhasil hidup dalam kondisi yang relatif asam, pH dibawah 5.0, sebagian besar produsen metana umumnya memerlukan nilai pH netral untuk menjadi aktif [22].

Nilai pH pada proses anaerobik akan mengalami penurunan dengan

diproduksinya asam volatil dan akan meningkat dengan dikonsumsinya asam volatil oleh bakteri pembentuk metana [29]. Berbagai jenis mikroba dalam digester anaerobik

pH tersebut bakteri perombak asam asetat tumbuh dan berkembang secara optimum, hal ini meningkatkan produksi biogas [17].

Mikroorganisme asidogenik dapat tumbuh dan terus menghasilkan asam pada pH rendah (5-6) [75]. Tingkat pH optimal untuk kelompok fungsional biokimia pada proses anaerob yaitu [59]:

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.

2.5.2 Suhu

Suhu optimum, yaitu suhu dimana organisme tumbuh tercepat dan bekerja

paling efisien, memiliki nilai bervariasi untuk setiap spesies. Mikroorganisme dapat dibagi menjadi kelompok-kelompok yang berbeda tergantung pada suhu di mana mereka terbaik berkembang dan tumbuh : psychrophilic, mesofilik, termofilik, dan extremophilic/hyperthermophilic. Biasanya, Suhu optimum untuk organisme tertentu sangat terkait dengan lingkungan dari mana ia berasal [22].

Gambar 2.3 Klasifikasi Mikroorganisme Berdasarkan Suhu [22]

Secara umum, suhu terendah di mana mikroorganisme tumbuh, adalah -11 °C. Dibawah -25 °C, aktivitas enzim berhenti. Metanogens sensitif terhadap perubahan

suhu yang cepat. Metanogen suhu termofilik lebih sensitif dibandingkan mesofilik. Bahkan variasi kecil suhu menyebabkan penurunan substansial dalam aktivitas. Oleh

karena itu, suhu harus dijaga dengan tepat dalam jarak kurang lebih 2 °C, Jika tidak, terjadi kehilangan gas hingga 30%. Terutama penting untuk mesofilik adalah suhu di kisaran 40-45 °C, karena dalam rentang tersebut mereka kehilangan aktivitas ireversibel [27].

2.5.3 Laju Pengadukan

Pencampuran yang memadai sangat penting untuk mencapai keberhasilan pengolahan anaerobik limbah cair organik. Dengan kata lain, pencampuran meningkatkan proses anaerobik dengan mencegah stratifikasi substrat, mencegah pembentukan permukaan kerak, memastikan sisa partikel padat dalam suspensi, perpindahan panas seluruh digester, mengurangi ukuran partikel selama proses pencernaan dan melepaskan biogas dari isi digester [30]. Pencampuran juga meningkatkan produksi gas dibandingkan dengan digester tidak mengalami pengadukan. Hal ini terjadi karena dengan pengadukan, substrat akan homogen, inokulum kontak langsung dengan substrat dan merata, sehingga proses perombakan lebih efektif dan menghindari padatan terbang atau mengendap, yang akan mengurangi

2.5.4 Hydraulic Retention Time (HRT)

Hydraulic Retention Time (HRT) adalah periode waktu untuk volume tertentu cairan untuk dipertahankan dalam volume kerja reaktor [44]. HRT sama dengan volume tangki (V) dibagi dengan aliran harian (Q) (HRT = V / Q). Waktu retensi hidrolik penting karena menetapkan jumlah waktu yang tersedia untuk pertumbuhan bakteri terutama untuk pertumbuhan bakteri Acidogenic hidrolitik dan konversi berikutnya dari bahan organik ke gas [32].

Dari persamaan di atas, peningkatan beban organik akan mengurangi HRT. Waktu retensi harus cukup panjang untuk memastikan bahwa jumlah mikroorganisme yang mati pada proses pengolahan limbah cair tidak lebih tinggi dari jumlah mikroorganisme direproduksi. Tingkat duplikasi bakteri anaerob biasanya 10 hari atau

lebih. HRT yang singkat memberikan laju aliran substrat yang baik, tapi hasil gas yang lebih rendah. Hal ini sangat penting untuk menyesuaikan HRT dengan tingkat

degradasi spesifik dari substrat yang digunakan [44].

HRT juga memberlakukan peran penting untuk meningkatkan retensi sel pada HRT tinggi atau rendah. Karena sistem dapat mempertahankan kandungan biomassa yang tinggi dalam HRT yang berbeda [33].

Semakin lama HRT, semakin banyak bahan organik yang terdegradasi. Namun, bahan organik yang paling rentan terhadap degradasi anaerobik biasanya terdegradasi dalam waktu 14-50 hari (dalam reaktor biogas saja), tergantung pada bahan baku, dan HRT yang tinggi memerlukan volume reaktor yang lebih besar dengan manfaat yang dihasilkan sedikit [23].

2.5.5 Solid Retention Time (SRT)

  

Cd= Konsentrasi padatan dalam digester Cw=Konsentrasi padatan yang dibuang Qw = volume limbah yang dibuang setiap hari

Waktu retensi padatan (SRT) digunakan untuk mengendalikan laju pertumbuhan mikroba dalam reaktor dan waktu rata-rata partikel padat, seperti

mikroba, dalam reaktor. Hal ini dihitung dengan membagi massa padatan dalam reaktor dengan massa padatan yang dihilangkan dari sistem setiap hari [34].

Pada SRT yang rendah waktu yang tersedia tidak bagi bakteri untuk tumbuh dan menggantikan bakteri yang hilang dalam limbah. Jika laju kehilangan bakteri melebihi laju pertumbuhan bakteri,maka akan terjadi "wash-out". SRT di mana mulai terjadi "wash-out" adalah "critical SRT" [32].

2.5.6 Organic Loading Rate (OLR)

Organic loading rate (OLR) merupakan salah satu parameter yang paling penting dipelajari secara ekstensif untuk menyelidiki efek dari berbagai beban substrat ketika salah satu limbah organik atau sintetis digunakan sebagai substrat [44]. Semakin tinggi OLR tidak selalu mengarah pada hasil yang lebih tinggi hidrogen. Oleh karena itu, optimasi variabel operasional sangat penting untuk mendapatkan efisiensi produksi yang lebih tinggi. Namun demikian, optimalisasi OLR hanya dapat dilaksanakan bila mikroba menyesuaikan diri dengan baik terhadap OLR yang diterapkan terhadap substrat [44].

2.5.7 Ukuran Partikel