PENGARUH SUHU TERHADAP PRODUKSI BIOGAS PADA PROSES METANOGENESIS BERBAHAN BAKU LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT SKRIPSI

(1)

PENGARUH SUHU TERHADAP PRODUKSI BIOGAS

PADA PROSES METANOGENESIS BERBAHAN BAKU

LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT

SKRIPSI

Oleh :

MAHDALENA

090405008

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(2)

PENGARUH SUHU TERHADAP PRODUKSI BIOGAS

PADA PROSES METANOGENESIS BERBAHAN BAKU

LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT

SKRIPSI

Oleh :

MAHDALENA

090405008

SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN

PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(3)

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul:

PENGARUH SUHU TERHADAP PRODUKSI BIOGAS PADA

PROSES METANOGENESIS BERBAHAN BAKU LIMBAH CAIR

PABRIK KELAPA SAWIT

dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya. Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila dikemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku.

Medan, 16 Juli 2014

(4)

PENGESAHAN

Skripsi dengan judul:

PENGARUH SUHU TERHADAP PRODUKSI BIOGAS PADA

PROSES METANOGENESIS BERBAHAN BAKU LIMBAH CAIR

PABRIK KELAPA SAWIT

dibuat untuk melengkapi persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini telah diujikan pada sidang ujian skripsi pada 16 Juli 2014 dan dinyatakan memenuhi syarat/sah sebagai skripsi pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Mengetahui, Medan, 16 Juli 2014

Koordinator Skripsi Dosen Pembimbing

Ir. Renita Manurung, MT Ir. Bambang Trisakti, M.Si NIP. 19681214 199702 2 002 NIP. 19660925 199103 1 003

Dosen Penguji I Dosen Penguji II

(5)

PRAKATA

Puji dan Syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan Skripsi dengan judul “Pengaruh Suhu Terhadap Produksi Biogas Pada Proses Metanogenesis Berbahan Baku Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit”, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik.

Hasil penelitian ini:

 Penelitian ini merupakan salah satu metode pengolahan limbah yang ramah lingkungan karen mampu mendegradasi semua jenis limbah organik menjadi energi yaitu metana dengan waktu yang singkat.

 Penelitian ini memberikan sumbangan ilmu pengetahuan tentang sumber energi alternatif yaitu biogas dengan tahap metanogenesis.

 Penelitian ini dipublikasikan dalam jurnal Teknik Kimia dengan judul “Pengaruh Suhu Terhadap Produksi Biogas Pada Proses Metanogenesis Berbahan Baku Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit”,

Selama melakukan penelitian sampai penulisan skripsi ini penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada:

1. Ir. Bambang Trisakti, M.Si, selaku Dosen Pembimbing 2. Intan Zahara selaku partner penelitian

3. Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si, selaku Dosen dan Ketua Departemen 4. Dr. Ir. Fatimah, MT selaku Dosen Penguji

5. Dr. Eng. Rondang Tambun, ST. MT selaku Dosen Penguji

6. Staf Pengajar dan Staf Administrasi Fakultas Teknik Departemen Teknik Kimia Universitas Sumatera Utara Medan

(6)

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Medan, 16 Juli 2014 Penulis

(7)

DEDIKASI

Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada:

Yang paling Teristimewa Orang tua penulis, Ayahanda Alm. Mahrizal Sinambela dan Ibunda Asmidar. Yang paling tersayang adinda Mahyuni

Sinambela, Eva Rizda Sinambela dan Rahmat Kondang Sinambela.

Sahabat tercinta Titin, Samha, Nining, Zwida, Nita, agus dan keluarga kedua penulis picauly 29 Mbak Ummi, Mbak Yuli, Mbak Devi, Irna, Rohani, Irma

(8)

RIWAYAT HIDUP PENULIS

Nama : Mahdalena

NIM : 090405008

Tempat,Tanggal Lahir : Tanjungbalai, 08 Februari 1991 Nama Orang Tua : Alm. Mahrizal Sinambela (Ayah)

Asmidar (Ibu)

Alamat Orang Tua : Jl. Mujair Kapias Pulau Buaya

Kec. Teluk Nibung Kota Tanjungbalai

Asal Sekolah

 SD Negeri 130012 Tanjungbalai Tahun 1997 – 2003

 MTsN Tanjungbalai Tahun 2003 – 2006

 SMA Negeri 1 Tanjungbalai Tahun 2006 – 2009 Beasiswa yang pernah diperoleh

 Bantuan Belajar Mahasiswa (BBM) Tahun 2010

 Prestasi Peningkatan Akademik (PPA) Tahun 2011

 Otorita Asahan Kota Tanjungbalai Tahun 2012 Pengalaman Organisasi /Kerja

 Anggota PTKP HMI FT USU Periode 2009 – 2010

 Wasekum PP HMI FT USU Periode 2010 – 2011

 Bendahara Umum CSG FT USU Periode 2010 – 2011

 Anggota HUMAS HIMATEK FT USU Periode 2011 – 2012

 Anggota Administrasi dan Kesekratariatan PEMA FT USU Periode 2012 – 2013

 Kerja Praktek Lapangan di PTPN IV PKS Adolina Tahun 2011

 Asisten Laboratorium Proses Industri Kimia FT USU Periode 2012 – 2014 modul Transesterifikasi dan Proses Pembuatan Pulp

 Konsultan Oriflame Tahun 2010 – 2011

(9)

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh profil proses metanogenesis serta pengaruh suhu terhadap degradasi (penguraian) zat organik dan padatan organik meliputi VS, TS, COD, TSS dan VSS serta produksi dan komposisi biogas dari proses metanogenesis berbahan baku limbah cair pabrik kelapa sawit. Bahan yang digunakan antara lain asam limbah cair kelapa sawit dari effluent reaktor asidogenesis yang berbahan baku POME dari PKS Adolina, asam klorida, natrium bikarbonat, Kertas Saring Whattman No. 41 Ashless, Gastec detecting tube No. 4HM, Gastec detecting tube No. 2HT. Penelitian ini dilakukan secara kontinu dengan reaktor CSTR 2 L, effluent dari reaktor asidogenesis sebagai substrat yang didegradasi pada tahap metanogenesis untuk produksi biogas dengan HRT 4, kecepatan pengadukan 100 rpm dengan pH di jaga konstan 6,7 - 7,5 dengan menggunakan larutan penyangga yaitu natrium bikarbonat ≥ 2500 mg/L CaCo3. Sebelum HRT 4 tercapai, dilakukan loading up yaitu HRT 40, 10, 6 hari, setelah kondisi kehidupan bakteri stabil yaitu dengan pH dan alkalinitas konstan, dan HRT 4 tercapai dilakukan variasi suhu mesofilik (30 – 42 oC) dan termofilik (43 – 55 oC). Variabel yang diamati yaitu volume biogas yang dihasilkan dan analisa pH, alkalinitas, VS, TS, VSS, TSS dan COD untuk slurry dan analisa H2S dan CO2 untuk

biogas. Hasil penelitian memperlihatkan bahwa suhu sangat mempengaruhi terhadap degradasi bahan organik, produksi dan komposisi biogas. Produksi biogas semakin meningkat dengan meningkatnya suhu, pada kondisi mesofilik volume biogas maksimum diperoleh pada suhu 35oC sebesar 37,74 m3/kg ∆VS dan mengandung metana sebesar 75% dan pada kondisi termofilik yaitu pada suhu 55oC sebesar 43,95 m3/kg ∆VS mengandung metana sebesar 69%. Degradasi kandungan organik yaitu VS dan COD semakin meningkat seiring meningkatnya suhu. Pada kondisi mesofilik laju degradasi VS dan COD secara berurut diperoleh maksimum sebesar 80%; 76% dan pada kondisi termofilik sebesar 80%; 81%.

(10)

ABSTRACT

This study aimed to obtain profiles of methanogenesis process and the effect of temperature on the degradation (decomposition) of organic matter and organic solids include VS, TS, COD, TSS and VSS and biogas production and composition process methanogenesis of the raw material palm oil mill effluent. Materials used include palm acid effluent from the reactor effluent asidogenesis are made from raw POME from Palm Oil Mill Adolina, hydrochloric acid, sodium bicarbonate, Filter Paper Whattman No. 41 ashless, Gastec detecting Tube No. 4HM, Gastec detecting Tube No. 2HT. This research was carried out continuously with 2 L CSTR reactor, the effluent from the reactor asidogenesis as substrate degraded at this stage of methanogenesis for biogas production with HRT 4, stirring speed of 100 rpm with a constant pH in the case from 6.7 to 7.5 by using a buffer solution that is sodium bicarbonate ≥ 2500 mg/ L CaCO3. Before HRT 4 is reached, was carried out loading up to HRT 40, 10, 6 days, after which stable bacterial life conditions with a constant pH and alkalinity, and HRT 4 is reached to vary condition mesophilic temperature (30-42 oC) and thermophilic (43-55 °C ). Variables observed that the volume of biogas produced and analysis include pH, alkalinity, VS, TS, VSS, TSS and COD to slurry and analysis H2S and CO2 to biogas. The results showed that temperature greatly affects the degradation of organic material, biogas production and composition. Biogas production increased with increasing temperature, the volume of biogas at mesophilic conditions was obtained at a temperature maximum of 35oC of 37.74 m3/kg ΔVS and methane by 75% and thermophilic conditions at a temperature maximum of 55oC is 43.95 m3/kg ΔVS of methane by 69%. Degradation of the organic content is VS and COD increased with increasing temperature. At mesophilic conditions VS and COD degradation rate obtained sequentially to a maximum of 80%; 76% and thermophilic conditions by 80%; 81%.

(11)

DAFTAR ISI

Halaman

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i

PENGESAHAN ii

PRAKATA iii

DEDIKASI v

RIWAYAT HIDUP PENULIS vi

ABSTRAK vii

1.2 RUMUSAN PERMASALAHAN 4

1.3 TUJUAN PENELITIAN 4

1.4 MANFAAT PENELITIAN 4

1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 6

2.1 LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT ATAU PALM OIL

MILL EFFLUENT (POME) 6

2.2 DIGESTASI ANAEROBIK 7

2.3 TAHAPAN DIGESTASI ANAEROBIK 7

2.3.1 Hidrolisis 8

2.3.2 Asidogenesis 9

2.3.3 Asetogenesis 10

(12)

2.4 BIOGAS 13 2.5 PARAMETER PENTING DALAM DIGESTASI ANAEROBIK 16

2.5.1 Temperatur 16

2.5.2 Ph 19

2.5.3 Alkalinitas 20

2.5.4 Hydraulic Retention Time (HRT) 21

2.5.5 Organic Loading Rate (OLR) 22

2.5.6 Pengadukan 23

2.5.7 Zat Racun (Toxic) 23

2.6 POTENSI EKONOMI 24

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 25

3.1 LOKASI PENELITIAN 25

3.2 BAHAN DAN PERALATAN 25

3.2.1 Bahan Penelitian 25

3.2.1.1 Bahan Utama 25

3.2.1.2 Bahan Analisa 25

3.2.2 Peralatan 25

3.2.2.1 Peralatan Utama 25

3.2.2.2 Peralatan Analisa 26

3.2.3 Rangkaian Peralatan 27

3.3 PROSEDUR PENELITIAN 28

3.3.1 Prosedur Utama 28

3.3.1.1 Blok Diagram Proses Metanogenesis Dari Asam

Limbah Cair Kelapa Sawit Menjadi Biogas 29

3.3.2 Prosedur Analisa Sampel 30

3.3.2.1 Analisa Konsentrasi Chemical Oxygen Demand

(COD) 30

3.3.2.2 Analisia Ph 30

3.3.2.3 Analisa Alkalinitas 31

3.3.2.4 Analisa Total Solids (TS) 32

(13)

3.3.2.7 Analisa Volatile Suspended Solid (VSS) 38

3.3.3 Analisa Gas 39

3.3.3.1 Analisa Gas H2S 39

3.3.3.2 Analisa Kandungan CO2 40

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 42

4.1 KARAKTERISTIK LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT 42 4.2 PERUBAHAN NILAI DERAJAT KEASAMAN (pH) DAN

ALKALINITAS 43

4.3 PERUBAHAN NILAI TOTAL SOLID (TS) DAN VOLATILE

SOLID (VS) 46

4.4 PERUBAHAN NILAI TOTAL SUSPENDEED SOLID (TSS)

DAN VOLATILE SUSPENDED SOLID (VSS) 50

4.5 PERUBAHAN NILAI CHEMICAL OXYGEN DEMAND (COD) 53

4.6 DEGRADASI KANDUNGAN ORGANIK 54

4.7 PRODUKSI BIOGAS 56

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 60

5.1 KESIMPULAN 60

5.2 SARAN 60

(14)

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1 Konversi Bahan Organik Menjadi Metan Secara

Anaerobik

8

Gambar 2.2 Reaksi Asidogenesis 9

Gambar 2.3 Reaksi Asetogenesis 10

Gambar 2.4 Reaksi Metanogenesis 11

Gambar 2.5 Hubungan Antara Nilai Biogas Relatif Yang Bergantung Pada Temperatur Dan HRT

18

Gambar 2.6 Laju Peningkatan Metana 19

Gambar 3.1 Rangkaian Peralatan 27

Gambar 3.2 Blok Diagram Proses Metanogenesis Dari Asam Limbah Cair Kelapa Sawit Menjadi Biogas

29

Gambar 3.3 Flowchart Analisa pH 30

Gambar 3.4 Flowchart Prosedur Analisa Alkalinitas 32 Gambar 3.5 Flowchart Prosedur Analisa Total Solid 34 Gambar 3.6 Flowchart Prosedur Analisa Volatile Solid 35 Gambar 3.7 Flowchart Prosedur Analisa Total Suspended Solid 38 Gambar 3.8 Flowchart Prosedur Analisa Volatile Suspended Solid 39 Gambar 3.9 Flowchart Prosedur Analisa Gas H2S 40 Gambar 3.10 Flowchart Prosedur Analisa Gas CO2 41 Gambar 4.1 Profil Perubahan Nilai pH dan Alkalinitas Selama

Proses Metanogenesis

43

Gambar 4.2 Pengaruh Suhu Terhadap Perubahan Derajat Keasaman (pH)

44

Gambar 4.3 Pengaruh Suhu terhadap Perubahan Nilai Alkalinitas 45 Gambar 4.4 Profil Perubahan Nilai Total Solid (TS) Selama

Proses Metanogenesis

46

(15)

Gambar 4.6 Profil Perubahan Nilai Degradasi TS Dan VS Selama Proses Metanogenesis

48

Gambar 4.7 Pengaruh Suhu Terhadap Perubahan Nilai Degradasi Total Solid (TS)

48

Gambar 4.8 Pengaruh Suhu Terhadap Perubahan Nilai Degradasi Volatile Solid (VS)

49

Gambar 4.9 Profil Perubahan Nilai TSS dan VSS Selama Proses Metanogenesis

50

Gambar 4.10 Pengaruh Suhu Terhadap Perubahan Nilai TSS 51 Gambar 4.11 Pengaruh Suhu Terhadap Perubahan Nilai VSS 52 Gambar 4.12 Profil Perubahan Nilai COD Selama Proses

Metanogenesis

53 Gambar 4.13 Profil Perubahan Degradasi Kandungan Organik

Selama Proses Metanogenesis

54

Gambar 4.14 Pengaruh Suhu Terhadap Degradasi Kandungan Organik

55

Gambar 4.15 Produksi Biogas Selama Proses Metanogenesis 56 Gambar 4.16 Pengaruh Suhu Terhadap Produksi Biogas (m3/kg

VS)

57

Gambar 4.17 Komposisi Produksi Biogas 58 Gambar 4.17 Pengaruh Suhu Terhadap Produksi Metana 58

Gambar C.1 Foto Sampel L.C-1

Gambar C.2 Foto Penimbangan Sampel L.C-1

Gambar C.3 Foto Analisa pH dan Alkalinitas L.C-1 Gambar C.4 Foto Analisa Total Solid (TS) dan Volatile Solid (VS) L.C-2

Gambar C.5 Foto Analisa TSS dan VSS L.C-2

(16)

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 1.1 Potensi Biogas Yang Dihasilkan Oleh Beberapa

Substrat

1

Tabel 1.2 Berbagai Penelitian Produksi Biogas 2

Tabel 2.1 Karekteristik POME 6

Tabel 2.2 Klasifikasi Bakteri Hidrolisis Berdasarkan Substrat Yang Diolah

9

Tabel 2.3 Klasifikasi Bakteri Metanogen 12

Tabel 2.4 Pengaruh Komponen-Komponen dalam Biogas dan Pengaruhnya

14

Tabel 2.5 Biogas Yang Dihasilkan Dari Berbagai Substrat Dan Kondisi Operasi Yang Berbeda

15

Tabel 2.6 Hubungan antara Temperatur Operasi dan Hydraulic Retention Time

16

Tabel 4.1 Karakteristik Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Adolina

(17)

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

LAMPIRAN A DATA PENELITIAN L.A-1

LAMPIRAN B CONTOH PERHITUNGAN L.B-1

B.1 PERHITUNGAN NILAI ALKALINITAS L.B-1 B.2 PERHITUNGAN NILAI TOTAL SOLID (TS) L.B-1

B.3 PERHITUNGAN NILAI VOLATILE SOLID

(VS) L.B-1

B.4 PERHITUNGAN NILAI TOTAL

SUSPENDED SOLID (TSS) L.B-2

B.5 PERHITUNGAN NILAI VOLATILE

SUSPENDED SOLID (VSS) L.B-2

B.6 PERHITUNGAN PRODUKSI BIOGAS m3/

kg ∆VS L.B-2

B.7 PERHITUNGAN PERSENTASI VS YANG

TERDEGRADASI L.B-3

B.8 PERHITUNGAN PERSENTASI COD

YANG TERDEGRADASI L.B-3

B.9 PERHITUNGAN YIELD METANA L.B-3

LAMPIRAN C DOKUMENTASI PENELITIAN L.C-1

C.1 FOTO SAMPEL L.C-1

C.2 FOTO PENIMBANGAN SAMPEL L.C-1

C.3 FOTO ANALISA pH dan ALKALINITAS L.C-1 C.4 FOTO ANALISA TOTAL SOLID (TS) DAN

VOLATILE SOLID (VS) L.C-2

C.5 FOTO ANALISA TOTAL SUSPENDED

SOLID (TSS) DAN VOLATILE

SUSPENDED SOLID (VSS)

L.C-2

C.6 FOTO ANALISA KANDUNGAN GAS H2S dan GAS CO2

(18)

DAFTAR SINGKATAN

BOD Biology Oxygend Demand

COD Chemical Oxygen Demand

CO2 Carbondioksida

CSTR Continous Stirrer Tank Reaktor

H2 Hidrogen

H2S Hidrogen sulfida HCl Asam klorida

HRT Hydraulic Retention Time

OLR Organic Loading Rate

pH Power of Hydrogen

POME Palm Oil Mill Effluent rpm Radius per menit

SNI Standar Nasional Indonesia

TKN Total Kjeldan Nitrogen

TS Total Solid

TSS Total Suspended

VFA Volatile Fatty Acid

VS Volatile Solid

(19)

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Dimensi

°C Derajat Celsius

CH3COOH Asam Asetat CH3CH2COOH Asam Propionat CH3CH2CH2COOH Asam Butirat

CH4 Metana

C2H5OH Etanol C6H10O5 Glukosa C16H24O5N4 Protein

C50H90O6 Lemak

H2O Air

N2 Nitrogen

NH3 Amoniak

VR Volume digester m3