BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Pengaruh Hydraulic Retention Time (HRT) dan pH pada Proses Asidogenesis Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) pada Temperatur 45oC

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS)

Kelapa sawit merupakan salah satu sumber minyak nabati yang paling banyak diproduksi di dunia saat ini, pertumbuhan produksinya ini di dorong dengan perluasan penggunaannya dalam pembuatan biodiesel. Tetapi, produksi ini juga menjadi ancaman karena sejumlah besar residu biomassa dari pengolahannya menjadi ancaman bagi lingkungan. Secara khusus limbah cair pabrik kelapa sawit

memberikan dampak yang lebih besar [24]. Indonesia pada tahun 2014 memproduksi 29,35 juta ton minyak sawit kasar [1], tiap ton sawit akan menghasilkan 2,5 m3 limbah cair[2].

Tabel 2.1 Pertumbuhan Produksi Kelapa Sawit Indonesia [1]

Tahun Luas Areal (Ha) Produksi Minyak Sawit

(Ton)

2005 5.453.817 10.375.792

2006 6594.914 10471.915

2007 6.66.836 11.875.418

2008 7.363.847 14.290.687

2009 7.873.294 16.829.205

2010 8.385.394 16.291.856

2011 8.992.824 16.436.202

2012 9.572.715 18.850.836

2013 10.465.020 20.577.976

2014 10.956.231 29.340.000

sumber polusi terhadap biota air dengan mengurangi kandungan oksigen terlarut

dalam air ketika dibuang langsung tanpa pengolahan [27]. Lemak adalah polutan organik terbesar dalam POME. Lemak berupa senyawa gliserol, alkohol, dan beberapa jenis lain dengan ikatan ester . Komposisi limbah cair pabrik kelapa sawit ditunjukkan pada Tabel 2.1

Tabel 2.2 Komposisi Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit [6]

Komponen Komposisi (%)

Protein

Minyak dan Lemak

12,5 10,2

Abu 14,6

Karbohidrat 29,5

Nitrogen 26,3

Karoten 0,019

Air 6,9

Potensi biogas yang dihasilkan oleh beberapa substrat ditunjukkan pada table 2.3 Tabel 2.3 Potensi Biogas Yang Dihasilkan Oleh Beberapa Substrat [4]

Komponen Reaksi Metanogenik Biogas (lg-1) CH4 (%)

Lemak C50H90O6 + 24,5 H2O 34,75 CH4 + 15,25 CO2

1,425 69,5

Karbohidrat C6H10O5 + H2O 3 CH4 + 3 CO2 0,830 50,0

Protein C16H24O5N4 + 14,5 H2O 8,25 CH4 + 3,75 CO2 + 4NH4+ + 4HCO3

-0,921 68,8

Tabel 2.4 Baku Mutu Limbah Pengolahan Kelapa Sawit [28]

No Parameter Kadar Maksimum

(Mg/L)

Beban Pencemaran Maksimum (Kg/Ton)

1 BOD 100 1,5

2 COD 350 3,0

3 TSS 300 1,8

4 Minyak dan lemak 30 0,18

5 Ammonia total 20 0,12

6 Ph 6,0-9,0 6,0-9,0

Adapun karakteristik limbah cair pabrik kelapa sawit mentah diperlihatkan pada table 2.5

Tabel 2.5 Karakteristik Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit [6]

No. Parameter Satuan Nilai

1. Suhu 0C 80-90

2. pH - 4,7

3. BOD mg/L 25.000

4. COD mg/L 50.000

5. TS mg/L 40.000

6. TSS mg/L 18.000

7. TVS mg/L 34.000

8. Minyak Dan Lemak mg/L 4.000

9. Amonia-Nitrogen mg/L 35

10. Total Nitogen mg/L 750

Ada beberapa inovasi metode yang telah dikembangkan dan diaplikasikan pada pengolahan limbah cair kelapa sawit . Digestasi anaerobik dianggap menjadi proses yang efektif untuk pengolahan limbah cair kelapa sawit (POME). Proses ini melibatkan mikroorganisme yang menguraikan bahan organik menjadi metana dan karbondioksida .

2.2 Digestasi anaerobik

Digestasi anaerobik adalah serangkaian proses dimana mikroorganisme memecah bahan biodegradable tanpa oksigen. Proses digestasi anaerobik mengubahnya dari bentuk tersuspensi menjadi terlarut dan biogas [29]. Proses ini menghasilkan campuran metana dan karbondioksida sebagai sumber energi terbarukan. Digestasi anaerobik telah menjadi salah satu teknologi pilihan untuk mengurangi gas rumah kaca. Digestasi anaerobik pada umumnya dilakukan pada dua kondisi suhu yaitu mesofilik (30-37) 0C dan temofilik (50-60) 0C [10]. Proses digestasi anaerobik dapat dgunakan untuk mengolah berbagai limbah organik dan mengubahnya menjadi bioenergi dalam bentuk biogas [30]. Digestasi anaerobik dapat digunakan untuk limbah dengan kandungan organik tinggi yang lebih efisisen disbanding proses lain. Selain itu produk dari proses ini dapat digunakan. Jumlah gas yang diproduksi bevariasi sesuai dengan jumlah bahan organik yang diumpankan ke digester dan temperatur mempengaruhi laju penguraian dan produksi gas. Digestasi anaerobik sangat menguntungkan karna merupakan proses yang alami dimana teknologinya menggunakan mikroorganisme, dengan kebutuhan energi yang kecil dan polusi yang di sebabkannya terhadap atmosfer lebih sedikit dibandingkan

dengan teknologi lain seperti insenerasi dan pirolisis. Sumber bahan bakunya yang dapat diperbaharui dan dapat mengurangi emisi gas karbon [8].

Digestasi anaerobik telah dilakukan di beberapa jeis rektor untuk menghasilkan biogas seperti flow anaerobik sludge blanket (UASB) reaktor,

up-flow anaerobik sludge fixed-film (UASFF) reaktor, modified anaerobik baffled

reaktor (MABR), continuous stirred tank reaktor (CSTR), anaerobik pond, anaerobik

reaktor yag sama. Sedangkan pada proses dua tahap hidrolisis dan asidognesis

dilakukan pada reaktor pertama dan asam dimanfaatkan pada tahap metanognesis didalam reaktor lain. Berdasarkan hasil yang telah ditemukan bahwa kinerja digestasi anaerobik dengan dua tahap lebih efisien daripada satu tahap [12]. Digestasi anaerobik dua tahap memungkinkan pertumbuhan dari bakteri yang berbeda dalam reaktor yang berbeda yang akan meningkatkan kestabilan proses diikuti peningkatan organic loading rate dan hydraulic retention time yang semakin singkat. Beberapa penelitian menunjukkan penggunaan digestasi anaerob dua tahap dapat meningkatkan yield CH4 sampai 23%. [16].

Proses anaerobik sangat kompleks dengan melalui tahapan proses hidrolisis, asidogenesis, asetogenesis dan metanognesis. Proses penguraian ini terjadi dengan bantuan bakteri anaerobik. Tahapan ini ditunjukkan pada gambar 2.1

2.2.1 Hidrolisis

Pada tahap hidrolisis molekul besar seperti protein, polisakarida, dan lemak dikonversi oleh mikroorganisme menjadi molekul yang lebih kecil yang terlarut dalam air seperti peptida, sakarida dan asam lemak [12]. Pada umumnya lemak dihidrolisis lebih cepat daripada protein atau karbohidrat [2]. Proses hidolisis pada umumnya berjalan lambat dan menjadi laju pembatas pada keseluruhan proses digestasi anaerobik. Polimer diubah menjadi monomer terlarut melalui mikroorganisme hidrolisis. Proses ini ditunjukkan oleh gambar 2.2

nC6H10O5 + nH2O Hidrolisis nC6H12O6

Gambar 2.2 Reaksi Hidrolisis [12]

Kelompok terbesar dari bakteri yang mendegradasi selulosa dalam proses hidrolisis termasuk Bacterioides succinogenes,Clostridium lochhadii, Clostridium cellobioporus, Ruminococcus flavefaciens, Ruminococcus albus, Butyrivibrio

fibrosolvens, Clostridium thermocellum, Clostridium stercorarium dan

Micromonospora bispora [12].

2.2.2 Asidogenesis

Proses asidognesis mengkonversi produk hidrolisis menjadi molekul kecil dengan berat molekul rendah seperti asam lemak volatil, alkohol, aldehid dan gas seperti CO2, H2, dan NH3 dan poduk samping lain [32]. Bakteri asidognesis dapat

menurunkan pH bahan organik menjadi sangat rendah sekitar 4 [12], penurunan ini disebabkan karna banyaknya senyawa asam yang dihasilkan dan sangat berbahaya

jika terakumulasi terlalu banyak sehingga harus dilanjutkan langsung oleh proses berikutnya [8]. Monomer dari reaksi ini akan menjadi substrat pada reaksi asetognesis [12]. Reaksi asidogenesis ditunjukkan pada gambar 2.3

C6H12O6 CH3CH2CH2COOH + 2 CO2 + 2 H2

(glukosa) (asam butirat) C6H12O6 + 2 H2 CH3CH2COOH + 2 H2O

(glukosa) (asam propionat) Gambar 2.3 Reaksi asidogenesis [15]

gula produksi hidrogen akan bertambah lebih banyak sehingga memungkinkan bisa

digunakan sebagai pengganti energi [8]. Pada proses digestasi anaerobik, tahap asidognesis pome terlebih dahulu diubah menjadi VFA kemudian diubah menjadi metana dan karbondiosida. VFA merupakan senyawa intermediet yang sangat penting dalam kelangsungan proses pembentukan metana [20] Konsentrasi VFA yang terlalu banyak dapat menurunkan pH sehingga bisa menghambat proses metanognesis [33]. VFA menentukan kestabilan proses digestasi anaerobik. VFA yang terlalu bayak pada dasarnya tidak menghambat proses digestasi anaerobik [34]

2.2.3 Asetognesis

Pada proses ini produk asidognesis di konversi menjadi asam asetat, hidrogen, dan CO2 oleh bakteri asetognesis [12]. Reaksi asetogenesis ditunjukkan

pada gambar 2.4

CH3CH2COOH CH3COOH + CO2 + 3 H2

(asam propionat) (asam asetat)

CH3CH2CH2COOH 2CH3COOH + 2 H2

(asam butirat) (asam asetat)

Gambar 2.4 Reaksi asetogenesis [15]

2.2.4 Metanognesis

Pada proses metanognesis , asam asetat dari proses asetognesis dikenversi menjadi CO2 dan CH4. Pada proses ini produksi CH4 dapat diagi menjadi dua cara.

Pertama asam asetat dikonversi menjadi CO2 dan CH4 oleh bakteri acetoclastik.

Kedua menggunakan CO2 sebagai sumber karbon dan hidrogen sebagai agen

pereduksi oleh bakteri hydrognetropic atau dihasilkan bentuk lain oleh bakteri jenis lain. Genus bakteri paling besar dalam proses metanognesis adalah

Methanobacterium, Methanothermobacter (formerly Methanobacterium),

Methanobrevibacter, Methanosarcina, and Methanosaeta. Reaksinya ditunjukkan pada gambar 2.5

CH3COOH Metanognesis CH4 + CO2

CO2 + 4H2 Reduksi CH4 + 3H2O

Atau CO2 dapat di hidrolisis menjadi asam karbonik dan metana ditunjukkan pada

gambar 2.6

CO2 + H2O Hidrolisis H3CO3

4H2 + H2CO3Reduksi CH4 + 3H2O

Gambar 2.6 Reaksi Metanognesis Dari Karbondioksida [12]

Kehadiran gas CO2 tidak diinginkan. Gas ini harus dihilangkan untuk

memaksimalkan kualitas biogas sebagai bahan bakar [12].

2.3 Faktor Yang Mempengaruhi Digestasi Anaerob

Proses digestasi anaerobik berhubungan satu sama lain. Jika aktivitas dari

salah satu grup mikroorganisme terhambat maka akan mempengaruhi laju dari mikroorganisme lain, mengubah kesetimbangan populasinya dan menurunkan efektifitas proses [8]. Faktor yang mempengaruhi aktifitas tersebut antara lain :

2.3.1 Temperatur

Proses anaerobik sensitif terhadap suhu, pengubahan asam asetat menjadi metana sangat dipengaruhi temperatur. Suhu yang biasa digunakan dalam proses anaerobik yaitu suhu psychrophilic (10-20) 0C [17] suhu mesofilik (35-40 ) 0C dan suhu termofilik (50-65) 0C [12] . Temperatur mesofilik yang biasa digunakan adalah 35 0C dan termofilik adalah 55 0C [17]. Pada temperatur antara 40-50 0C mikroba mesofilik tidak aktif lagi, temperatur ini disebut dengan temperatur intermediet [13]. Suhu menjadi salah satu faktor penting yang mempengaruhi efisiensi penggurangan COD pada percobaan anaerobik. Pada umumnya, diketahui bahwa digester

termofilik menghasilkan biogas lebih banyak daripada digester mesofilik [19]

Penelitian yang dilakukan oleh Choorit et al , 2007 [10] pada limbah cair pabrik kelapa sawit untuk mengetahui pengaruh temperatur terhadap produksi biogas. Dalam penelitian ini diperoleh, pada suhu mesofilik (37 0C) dihasilkan biogas 3,73 L/L reaktor/hari dengan 71,04 % metana. Pada temperatur thermofilik (55 0C) diperoleh biogas 4,66 L/L reaktor/hari dengan 69,53 % metana. Jeong et al,

2.3.2 pH

pH menunjukkan konsentrasi asam dalam larutan. pH dari reaktor anaerobik mempengaruhi efisiensi proses penguraian. Proses Hidrolisis, asidognesis dan metanognesis memiliki pH optimum masing masing [17]. Metanogenesis bekerja efektif pada pH 6,5 – 8,2 [12]. pH untuk proses hidrolisis dan asidognesis masing masing adalah 5,5 dan 6,5 [17]. pH mempengaruhi fungsi dari enzim extraselular dan laju proses hidrolisis. Pada beberapa kasus digestasi anaerobik lebih efektif pada pH yang netral. Karna beberapa mikroorganisme mengalami pertumbuhan yang lamban dalam pH yang tinggi atau rendah [8]. pH akan sangat berpengaruh terhadap produksi biogas jika mencapai 5. Hal ini disebabkan karna pada pH yang rendah aktivitas dari bakteri metanognesis akan menurun. Menjaga pH yang konstan sangat penting untuk mengontrol hubungan antara VFA dan konsentrasi bikarbonat. Untuk mengontrol pH, NaHCO3 ditambahkan kedalam saat mulai dijalankan [12]. Nilai pH

dari substrat mempengaruhi pertumbuhan dari mikroorganisme dan mempengaruhui penguraian beberapa komponen yang sangat penting dalam proses digestasi anaerobik [34].

2.3.3 Rasio Karbon – Nitrogen (C/N)

Nitrogen adalah nutrisi terbesar dalam pertumbuhan mikroba. Karbon digunakan sebagai sumber energi dan Nitrogen digunakan sebagai pembangun struktur sel [40]. Untuk penguraian yang baik rasio dari karbon dan nitrogen sekitar 25-30 pada substrat. Jika kandungan nitrogen rendah populasi mikroba yang tersisa

kan menurun dan waktu yang diperlukan untuk mencerna kabon yang tersedia akan semakin lama. Kelebihan nitrogen juga menyebabkan masalah pada pembentukan ammonia dimana mempengaruhi proses anaerobik. Konsentrasi karbon dan nitrogen menunjukkan kinerja proses digestasi anaerobik [12].

2.3.4 Pengadukan

Pengadukan dilakukan menghomogenkan padatan terlarut dalam digester dengan mikroba yang aktif [46]. Pengadukan selama proses dekomposisi untuk mencegah terjadinya benda-benda mengapung pada permukaan cairan dan berfungsi mencampur metanogen dengan substrat. Tujuan dari proses pengadukan adalah agar seluruh mikroorganisme menerima asupan nutrisi yang menyeluruh dan seimbang dan produk hasil metabolismenya dapat dipisahkan secara maksimal. Pencampuran Substrat yang segar dengan substrat yang telah tergradasi diperlukan agar substrat segarnya berinokulasi dengan mikroorganisme yang aktif [7]

2.3.5 Hydraulic Retention Time (HRT)

Parameter yang penting untuk ukuran dari digester biogas adalah waktu tinggal (HRT). HRT adalah interval waktu rata-rata selama substrat tinggal di dalam tangki digester. HRT adalah korelasi dari volume digester dan volume umpan substrat per unti waktu yang dituliskan dalam persamaan berikut :

HRT = VR/V [37]

Dimana :

HRT = Waktu tinggal hidraulik ( hari) VR = Volume digester (m3)

V = Volume substrat umpan per unit waktu (m3/ hari)

HRT untuk digestasi anaerobik dipengaruhi oleh temperatur dan komposis dari limbah yang digunakan. Pada keadaan mesofilik HRT berkisar antara 10 sampai 40

hari. HRT untuk thermofilik biasanya lebih rendah [17].

2.4 Biogas

Biogas adalah campuran gas yang terdiri dari 40 – 60 % CH4, 30-50 % CO2,

dan mengandung sebagian kecil SO2 dan NH3. Biogas telah digunakan sebagai bahan

bakar sejak 100 tahun yang lalu. Karna komponen yang bermanfaat pada biogas adalah metana, dibeberapa daerah biogas telah ditingkatkan menjadi biometana dimana mengandung metana lebih dari 97 %. Biogas dapat diproduksi dari berbagai limbah tumbuhan, limbah makanan dan limbah perkotaan [40]. Biogas merupakan alternatif sebagai energi terbarukan untk menggantikan energi fosil [41]. Biogas merupakan energi alternatif yang dapat digunakan untuk bahan bakar pembangkit listrik, bahan bakar kendaraan dan lain lain. Biogas memberikan dampak buruk yang lebih sedikit dibandingkan dengan bahan bakar fosil. Bahan baku biogas juga dari limbah sehingga mengurangi volume limbah yang dibuang ke tanah dan air [6].

2.1 ANALISA EKONOMI

Pada penelitian ini dilakukan analisa ekonomi yang sederhana terhadap proses asidogenesis LCPKS pada temperatur 45 0C dengan produk yang diharapkan berupa VFA yang pada tahapan berikutnya dapat dikonversi menjadi biogas. Kondisi

yang digunakan tidak memerlukan pemanas dalam penelitian ini. Maka pada penelitian ini yang dikaji adalah jumlah VFA yang akan dikonversi menjadi biogas pada proses digestasi anaerobik dua tahap. Beberapa penelitian yang berhasil menghitung volume pembentukan biogas dari VFA ditunjukkan pada Tabel 2.9.

Tabel 2.9 Volume Pembentukan Biogas dari Jumlah VFA yang Terbentuk

Pada penelitian ini, total pembentukan VFA tertinggi diperoleh pada variasi pH 5,5 dengan jumlah 20.298 mg/L. Menurut A.K. Kivaisi, et al konversi VFA menjadi biogas adalah 100%. Melalui Tabel 2.9 dapat digambarkan grafik linear

seperti ditunjukkan pada Gambar 2.8 berikut.

Peneliti Total VFA (mg/L) Volume Biogas (L/L·hari)

Kivaisi dan Mtila 2.058,85 1,70

Li et al. 4.020,00 3,97

Gambar 2.7 Konversi Total VFA menjadi Biogas

Gambar 2.9 menunjukkan grafik linearisasi pembentukkan biogas dari VFA dengan persamaan garis lurus: y = 0,062 x + 907 dengan y merupakan produksi biogas dan x merupakan VFA yang terbentuk. Berdasarkan persamaan tersebut maka

jumlah biogas yang dapat dihasilkan dari total VFA tertinggi pada penelitian ini adalah: y = 0,0009 x+ 0,1043

= 0,0009 x 20.298 + 0,1043 = 18,3725 L/ L LCPKS

Produksi Biogas tertinggi = 18,3725 L biogas/L LCPKS

= 18,3725 m3 biogas /m3 LCPKS Perbandingan 1m3 biogas terhadap solar adalah 0,52 liter solar

Sehingga 18,3725 m3 biogas / m3 LCPKS hari setara dengan 9,5537 Liter Solar /

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000