BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT ATAU PALM OIL MILL EFFLUENT (POME) Limbah adalah suatu bahan yang terbuang atau dibuang dari suatu sumber hasil aktivitas manusia, maupun proses alam dan tidak atau belum mempunyai nilai ekonomi [20]. Palm oil mill effluent (POME) atau limbah cair pabrik kelapa sawit merupakan salah satu limbah agroindustri yang paling sering menyebabkan polusi dan merupakan limbah terbesar dari proses pengolahan kelapa sawit [3]. Limbah cair yang dihasilkan oleh pabrik minyak kelapa sawit berasal dari air kondensat pada proses sterilisasi, air dari proses klarifikasi, air hydrocyclone (claybath) dan air pencucian pabrik [1, 21, 22], yang terdiri dari suspensi koloid yang mengandung 95-96% air, minyak 0,6-0,7% dan 4-5% total padatan termasuk 2-4% padatan tersuspensi [14, 23, 24]. POME merupakan cairan kental berwarna kecoklatan, bersuhu tinggi, bersifat asam dan padatan terlarut dan tersuspensi berupa koloid dan residu minyak dengan kandungan COD yang tinggi [6, 24, 25]. Berikut karakteristik POME disajikan pada tabel 2.1 di bawah ini. Tabel 2.1 Karakteristik POME [9] Parameter Konsentarasi Rata-rata* Temperatur ph 3,8-4,8 Minyak 6000 BOD COD Total Solid Suspended Solid Total Volatile Solid Total Kjeldan Nitrogen (TKN) 750 Amonia Nitrate 35 *Seluruh Parameter dalam mg/l kecuali Temperatur dan ph Minyak dan lemak adalah satu dari polutan organik utama yang terdapat dalam POME [3, 26]. Tinggi nya komposisi dan konsentrasi dari protein, karbohidrat 6

2 dan senyawa nitrogen, lemak, dan mineral ditemukan dalam Palm Mill Oil Effluent (POME) yang dapat di konversi menjadi bahan yang bermanfaat melibatkan proses mikroba [1]. Oleh sebab itu penelitian ini dilakukan karena adanya potensi dari POME untuk diubah menjadi salah satu energi alternatif yaitu biogas [6]. 2.2 DIGESTASI ANAEROB Proses anaerob merupakan proses yang kompleks dengan melibatkan berbagai kelompok bakteri. Keterlibatan antara kelompok ini saling menguntungkan satu sama lainnya karena tidak terjadi saling kompetisi antara kelompok dalam rangka pemanfaatan nutrien atau substrat [21]. Proses digestasi anaerobik merupakan proses fermentasi bahan organik oleh aktivitas bakteri anaerob pada kondisi tanpa oksigen bebas dan merubahnya dari bentuk tersuspensi menjadi terlarut dan biogas [10, 27, 28]. Digestasi anaerobik dianggap efektif untuk proses pengolahan limbah pabrik kelapa sawit (POME) karena melibatkan mikroorganisme dengan serangkaian reaksi biokimia kompleks dari bahan organik menghasilkan metana dan karbondioksida [9]. Secara umum digestasi anaerobik memiliki 4 tahapan yaitu : hidrolisis, asidogenesis, asetogenesis dan metanogenesis [10-15] dan dilakukan pada kondisi mesofilik (30 37 o C ) dan termofilik (50-60 o C) [9, 17, 19] dan terjadi dalam berbagai variasi reaktor seperti reaktor terus menerus tangki berpengaduk (CSTR), reaktor batch, semi-kontinyu, sequencing batch reaktor [3, 13]. Dalam rangka meningkatkan kinerja digestasi anaerobik, metode baru seperti metode dua tahap yang melekat dengan tingginya tingkat pertumbuhan [13]. 2.3 TAHAPAN DIGESTASI ANAEROBIK Secara umum digestasi anaerobik memiliki 4 tahapan yaitu : hidrolisis, asidogenesis, asetogenesis dan metanogenesis [10-15]. Tahapan yang terjadi dalam proses digestasi senyawa organik menjadi gas metana ditunjukkan pada gambar 2.1 7

3 Senyawa Organik Karbohidrat Protein Lemak Hidrolisis Gula Asam As. Lemak Asidogenesis 1 Volatile Fatty Acids Etanol 2 1 Asetogenesis CH 3 COO - 3 CO 2 / H 2 Metanogenesis 5 4 Gambar 2.1 Konversi Bahan Organik Menjadi Metan Secara Anaerobik [29] Keterangan gambar : CH 4 1. Bakteri Fermentasi 2. Bakteri Asetogenik penghasil hidrogen 3. Bakteri Asetogenik pengguna hidrogen 4. Bakteri Metanogenik pereduksi karbon dioksida 5. Bakteri Metanogenik asetoclastic 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 [4]. Dalam proses hidrolisis, molekul-molekul kompleks seperti karbohidrat, lemak, dan protein dihidrolisis menjadi gula, asam lemak dan asam amino oleh enzim ekstraselular dari bakteri fermentatif [3]. Pada tahap hidrolisis, bahan organik padat maupun yang mudah larut berupa molekul besar dihancurkan menjadi molekul kecil agar molekul-molekul tersebut larut dalam air. Bakteri yang berperan dalam tahap hidrolisis ini adalah sekelompok bakteri anaerobik, adapun jenis bakteri pada hidrolisis dapat dilihat pada tabel 2.2 berikut: 8

4 Tabel 2.2 Klasifikasi Bakteri Hidrolisis Berdasarkan Substrat Yang Diolah [17] Bakteri Substrat yang dihidrolisis Acetivibrio Karbohidrat /polisakarida Peptostreptococcus, dan Bifidbacterium Protein Clostridium Lemak Tahap pertama ini sangat penting karena molekul organik besar yang terlalu besar untuk langsung diserap dan digunakan oleh mikroorganisme sebagai sumber substrat / makanan [17] untuk menghasilkan waktu pencernaan yang lebih pendek dan memberikan hasil metana yang lebih tinggi [30] Asidogenesis Pada tahap ini produk yang telah dihidrolisa dikonversikan menjadi asam lemak volatil (VFA), alkohol, aldehid, keton, amonia, karbondioksida, air dan hidrogen oleh bakteri pembentuk asam. Asam organik yang terbentuk adalah asam asetat, asam propionat, asam butirat dan asam valeric. Asam lemak volatile dengan rantai lebih dari empat-karbon tidak dapat digunakan langsung oleh metanogen [13]. Reaksi asidogenesis dapat di lihat di bawah ini: C 6 H 12 O 6 CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2 CO H 2 (glukosa) (asam butirat) C 6 H 12 O H 2 CH 3 CH 2 COOH + 2 H 2 O (glukosa) (asam propionat) Gambar 2.2 Reaksi Asidogenesis [14, 17] Asidifikasi sangat dipengaruhi oleh suhu sesuai dengan hukum Arrhenius, namun suhu termofilik yang mengakibatkan kematian sel dan biaya energi yang lebih tinggi dapat mengakibatkan suhu sub-optimal yang lebih baik [31]. 9

5 2.3.3 Asetogenesis Produk yang terbentuk selama asetogenesis disebabkan oleh sejumlah mikroba yang berbeda, misalnya, Syntrophobacter wolinii dekomposer propionat dan Wolfei sytrophomonos dekomposer butirat dan pembentuk asam lainnya adalah Clostridium spp, Peptococcus anerobus, Lactobacillus, dan Actinomyces [30]. Asam lemak volatil dengan empat atau lebih rantai karbon tidak dapat digunakan secara langsung oleh metanogen. Asam-asam organik ini dioksidasi terlebih dahulu menjadi asam asetat dan hidrogen oleh bakteri asetogenik penghasil hidrogen melalui proses yang disebut asetogenesis. Asetogenesis juga temasuk pada produksi asetat dari hidrogen dan karbon dioksida oleh asetogen dan homoasetogen. Kadang-kadang proses asidogenesis dan asetogenesis dikombinasikan sebagai satu tahapan saja [19]. Reaksi asetogenesis dapat dilihat di bawah ini: CH 3 CH 2 COOH CH 3 COOH + CO H 2 (asam propionat) (asam asetat) CH 3 CH 2 CH 2 COOH 2CH 3 COOH + 2 H 2 (asam butirat) (asam asetat) Gambar 2.3 Reaksi Asetogenesis [13, 29] Pada tahap asetogenesis, sebagian besar hasil fermentasi asam harus dioksidasi di bawah kondisi anaerobik menjadi asam asetat, CO 2, dan hidrogen yang akan menjadi substrat bakteri metanogen. Bakteri pembentuk oksidasi ini adalah bakteri syntrofik atau bakteri asetogen atau mikroba obligat pereduksi proton. Salah satunya adalah asam propionat akan dioksidasi oleh bakteri Syntrophobacter wolinii menjadi produk yang digunakan oleh bakteri metanogen dalam pembentukan gas metana. Saat bakteri asetogen memproduksi asetat, hidrogen akan ikut terbentuk. Jika terjadi akumulasi pembentukan hidrogen dan tekanan hidrogen, hal ini akan mengganggu aktivitas bakteri asetogen dan kehilangan produksi asetat dalam jumlah besar. Oleh karena itu, bakteri asetogen mempunyai hubungan simbiosis dengan bakteri pembentuk metana yang menggunakan hidrogen untuk memproduksi metana. Hubungan simbiosis ini akan mempertahankan konsentrasi hidrogen pada tahap ini tetap rendah, sehingga bakteri asetogen dapat bertahan [31]. 10

6 2.3.4 Metanogenesis Metanogenesis merupakan langkah penting dalam seluruh proses digestasi anaerobik, karena proses reaksi biokimia yang paling lambat. Metanogenesis ini sangat dipengaruhi oleh kondisi operasi. Komposisi bahan baku, laju umpan, temperatur, dan ph adalah contoh faktor yang mempengaruhi proses pembentukan gas metan. Digester over loading, perubahan suhu atau masuknya besar oksigen dapat mengakibatkan penghentian produksi metana [19]. Pada akhirnya gas metana diproduksi dengan dua cara. Pertama adalah mengkonversikan asetat menjadi karbon dioksida dan metana oleh organisme asetropik dan cara lainnya adalah dengan mereduksi karbon dioksida dengan hidrogen oleh organisme hidrogenotropik. Berikut ini adalah reaksi utama (reaksi metanogenesis) yang terlibat dalam konversi substrat menjadi metana dapat dilihat pada gambar 2.4. CH 3 COOH CH 4 + CO 2 2C 2 H 5 OH + CO 2 CH 4 + 2CH 3 COOH CO 2 + 4H 2 CH 4 +2H 2 O Gambar 2.4 Reaksi Metanogenesis [11, 13, 30, 31] Ada tiga jenis dari bakteri metanogen dalam pembentukan metan meliputi: 1. Genus Methanosarcina (berbentuk bola) 2. Methanothrix Bacteria (panjang dan turbular) 3. Bakteri yang mengkatabolisme furfural dan sulfat (pendek dan berbentuk batang yang berliku) [11]. Bakteri metanogen sangat sensitif terhadap perubahan ph, temperatur, organic loading rate (OLR), dan HRT [18]. Adapun klasifikasi bakteri pada metanogenesis sesuai range ph dapat dilihat pada tabel 2.3 berikut. Tabel 2.3 Klasifikasi Bakteri Metanogen [40] Genus range ph Methanosphaera 6,8 Methanothermus 6,5 Methanogenium 7,0 11

7 Methanolacinia 6,6-7,2 Methanomicrobium 7,0-7,5 Methanosprillium 7,0-7,5 Methanococcoides 6,5-7,5 Methanohalobium 6,5-6,8 Methanolobus 6,5-6,8 Methanothrix 7,1-7,8 Methanosaeta 7,6 Metanogen yang dominan pada proses ini adalah Methanobacterium, Methanothermobacter, Methanobrevibacter, Methanosarcina dan Methanosaeta [13, 30, 32]. Substrat metanogen termasuk asetat, metanol, hidrogen, karbon dioksida, format, metanol, karbon monoksida, methylamines, metil merkaptan, dan logam berkurang. Dalam kebanyakan ekosistem non-gastrointestinal 70% atau lebih dari metana yang terbentuk berasal dari asetat, tergantung dari jenis organik [31] dan 30% oleh mengkonsumsi hidrogen [29]. Hanya ada dua kelompok yang dikenal metanogen yang memecah asetat: Methanosaeta dan Methanosarcina, sementara ada banyak kelompok yang berbeda dari metanogen yang menggunakan gas hidrogen, termasuk Methanobacterium, Methanococcus, Methanogenium dan Methanobrevibacter. Methanosaeta dan Methanosarcina memiliki tingkat pertumbuhan yang berbeda dan juga berbeda mengenai kemampuan mereka untuk memanfaatkan asetat. Methanosarcina tumbuh lebih cepat, tetapi menemukan kesulitan untuk menggunakan asetat pada konsentrasi rendah, dibanding Methanosaeta. Namun, kehadiran organisme ini dipengaruhi tidak hanya oleh konsentrasi asetat, tetapi juga oleh faktor-faktor seperti beban frekuensi dan pencampuran. Karena produsen metana umumnya tumbuh sangat lambat, hal ini sering tahap membatasi laju dari proses biogas [17]. 2.4 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 % dan karbon 12

8 dioksida % serta sejumlah kecil, nitrogen dan hidrogen sulfide [4, 11, 33]. Jenis bahan organik yang diproses sangat mempengaruhi produktivitas sistem biogas disamping parameter - parameter lain seperti temperatur digester, ph (tingkat keasaman), tekanan, dan kelembaban udara [34]. Gas metan termasuk gas rumah kaca (greenhouse gas), bersama dengan gas karbon dioksida (CO 2 ) memberikan efek rumah kaca yang menyebabkan terjadinya fenomena pemanasan global [5]. Gas bio atau metana dapat digunakan untuk berbagai keperluan seperti halnya gas alam. Biogas tidak berbau dan berwarna yang apabila dibakar akan menghasilkan nyala api biru cerah seperti gas LPG. Nilai kalor gas metana adalah 20 MJ/m 3 dengan efisiensi pembakaran 60 persen pada konvesional kompor biogas. Tujuan utama pembuatan gas bio adalah untuk mengisi kekurangan atau mensubtitusi sumber energi di daerah pedesaan sebagai bahan bakar keperluan rumah tangga, terutama untuk memasak dan lampu penerangan. Selain itu dapat digunakan untuk menjalankan generator untuk menghasilkan listrik. Gas bio merupakan sumber energi ramah lingkungan, karena sumber bahannya memiliki rantai karbon yang lebih pendek bila dibandingkan dengan minyak tanah, sehingga gas CO yang dihasilkan relatif lebih sedikit [5]. Adapun pengaruh komponenkomponen dalam biogas dapat dilihat pada tabel 2.4 berikut : Tabel 2.4 Pengaruh Komponen-Komponen dalam Biogas dan Pengaruhnya [35] Kompenen Kandungan Pengaruh CH Komponen yang mudah terbakar pada biogas (%volume) CO (%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 H 2 S 0,005 0,5 mgs/m 3 Korosif pada agregat dan pipa (korosi); timbul emisi SO 2 setelah pembakaran H 2 S jika pembakaran tidak sempurna; keracunan katalis NH (%volume) Emisi NOx setelah pembakaran; berbahaya 13

9 untuk sel bahan bakar; meningkatkan antiketuk sifat motor Uap air 1-5 (%volume) Berkontribusi terhadap korosi dalam agregat dan pipa; kondensat akan menyebabkan kerusakan instrumen dan agregat; dapat menyebabkan dan ventilasi membeku pada suhu beku pipa Debu >5 mikrometer Ventilasi tersumbat dan kerusakan sel bahan bakar N (%volume) Mengurangi nilai bahan bakar dan meningkatkan sifat anti ketuk motor Siloxane 0-50 mg/m 3 Hanya dalam bentuk limbah dan gas TPA dari kosmetik, cuci bubuk, tinta cetak dll, bertindak sebagai media grinding kuarsa dan kerusakan motor Tabel 2.5 berikut merupakan beberapa hasil biogas yang telah dilakukan dari berbagai jenis substrat dan kondisi operasi yang berbeda. 14

10 Tabel 2.5 Biogas Yang Dihasilkan Dari Berbagai Substrat Dan Kondisi Operasi Yang Berbeda No Sumber Type Reaktor Substrat Temperatur ( o C) HRT Efisiensi % VS Biogas (m 3 /kg VS) % CH4 % COD 1 Fernandez et all (2005) [36] Semi continus 14L Limbah sampah kota + kotoran kuda 2 Hartmann and Ahring (2005) [37] CSTR (4,5 L) Limbah sampah kota + kotoran kuda 3 Hassib Bouallagai (2009) [38] ASBR (2L) Limbah sayur dan buah 4 Alvarez and liden (2008) [39] Semi continus 2L Limbah sayur dan buah + limbah rumah tangga + kotoran sapi , , , Angelidaki (2006) [40] CSTR (4,5 L) Limbah sampah ,71 64 kota 6 David bolzonella (2006) [41] Full scale (2200 m 3 ) Limbah sampah kota 7 Sorawit wanitukul (2013) [6] Anaerobic Hybrid POME Reaktor (AHR) 6 L 8 Wanna choorit (2007) [9] CSTR POME ,73 L/day 71,10% ,66 L/day 70,32 % 9 G. D Najafpour (2006) [42] UpFlow Anaerobic POME 38 1,5 97 % Sludge Fixed Film (UASFF) 10 David bolzonella (2008) [43] Digestasi anaerobic Limbah Aktif , ,

11 2.5 PARAMETER PENTING DALAM DIGESTASI ANAEROBIK Tingkat di mana mikroorganisme tumbuh adalah sangat penting dalam proses digestasi Anaerobik. Parameter operasi digester harus dikendalikan sehingga dapat meningkatkan aktivitas mikroba dan dengan demikian meningkatkan efisiensi sistem degradasi anaerobik sistem [30]. Beberapa parameter ini dibahas dalam bagian berikut Temperatur Proses digestasi anaerobik dapat dioperasikan pada temperatur yang berbeda. Temperatur dapat dibagi dalam 3 range yaitu psycrophilic (dibawah 25 o C), mesophilic (25 o C - 45 o C), thermophilic (45 o C-70 o C) [19, 44]. Ada dua rentang suhu yang memberikan kondisi pencernaan yang optimal untuk produksi metana - rentang mesofilik dan termofilik. Rentang mesofilik optimum untuk produksi metana dianggap 30 C - 35 C dan suhu termofilik antara 50 C - 65 C. Telah diamati bahwa suhu yang lebih tinggi dalam rentang termofilik mengurangi waktu retensi yang diperlukan [17, 30]. Berikut adalah tabel hubungan langsung antara temperatur operasi dan Hydraulic Retention Time (HRT) : Tabel 2.6 Hubungan antara Temperatur Operasi dan Hydraulic Retention Time (HRT) [19] Tahapan termal Temperatur proses HRT minimum Psychrophilic < 20 0 C hari Mesophilic 30 sampai 42 0 C hari Thermophilic 43 sampai 55 0 C hari Rentang mesofilik terletak di antara sekitar 25 C dan 40 C, tetapi produksi biogas hanya dapat dipertahankan jika suhu tidak turun di bawah sekitar 32 C. Hal ini terutama produsen metana yang tumbuh lebih lamban pada suhu yang lebih rendah. Suhu optimal untuk produsen metana mesofilik adalah sekitar 35 C - 37 C. Jika suhu turun di bawah suhu optimum, organisme fermentasi yang kurang sensitif terhadap fluktuasi suhu terus menghasilkan berbagai asam lemak dan alkohol. Karena produsen metana tidak lagi aktif, mereka tidak dapat mencerna semua produk 16

12 fermentasi yang terbentuk. Oleh karena itu, ini terakumulasi dengan cepat dengan hasil bahwa ph turun dan proses berhenti [17]. Rentang termofilik terletak pada suhu antara 40 C dan 50 C, produsen metana sangat aktif dan pada sekitar 42 C bakteri pada mesofilik mati, meskipun mikroorganisme tahan panas dapat bertahan hidup. Sekitar 10% dari flora mikroba dalam proses mesofilik dapat terdiri dari spesies termofilik. Rentang termofilik untuk proses biogas adalah antara 50 C dan 60 C, dan suhu yang bekerja untuk menghasilkan biogas pada suhu termofilik biasanya antara 50 C dan 55 C. Panas menyebabkan mikroorganisme menjadi 25% -50% lebih aktif daripada di mesofilik. Umumnya, proses untuk menghasilkan biogas ini lebih cepat pada suhu tinggi. Panas membuat mikroorganisme bekerja lebih cepat. Suhu yang lebih tinggi juga dapat meningkatkan ketersediaan senyawa organik tertentu karena kelarutan umumnya meningkat dengan meningkatnya suhu. Sebagai akibat dari peningkatan kelarutan, viskositas bahan tertentu mungkin lebih rendah dalam kondisi termofilik, yang memfasilitasi pencampuran. Keuntungan lain dari termofilik adalah bahwa suhu tinggi menyediakan sanitasi alami bahan; mikroorganisme patogen yang tidak diinginkan seperti Salmonella dimusnahkan dengan lebih efisien pada suhu yang lebih tinggi. Kondisi termofilik juga dapat membuat proses lebih sensitif terhadap gangguan. Hal ini sebagian disebabkan oleh suhu optimal mikroorganisme yang yang dekat dengan suhu maksimum di mana banyak mikroorganisme mati atau menjadi tidak aktif. Meningkatkan suhu beberapa derajat dapat menyebabkan gangguan proses. Menurunkan suhu beberapa derajat mungkin tidak mengganggu proses sebanyak meningkatkan suhu, tetapi bahkan mungkin ini menyebabkan ketidakseimbangan antara fermentasi dan pembentukan metana [17]. Secara umum, spesies mikroorganisme yang hadir lebih sedikit dan aktif dalam termofilik, dibandingkan dengan mesofilik. Dengan demikian, proses mesofilik sering melibatkan lebih besar keanekaragaman organisme dan karena itu dapat lebih stabil dan lebih siap untuk beradaptasi dengan perubahan. Jumlah total mikroorganisme aktif dapat sebagai besar dalam termofilik seperti dalam proses mesofilik. Biomassa mikroba terbentuk per jumlah substrat sedikit lebih rendah untuk termofilik dibandingkan dengan mikroorganisme mesofilik yang dapat mengakibatkan jumlah yang lebih kecil dari kelebihan lumpur yang dihasilkan oleh 17

13 proses termofilik. Substrat dan jenis proses juga dapat berdampak pada bagaimana proses menangani temperatur meningkat dari mesofilik ke lingkungan termofilik. Spesies mikroorganisme pada suhu termofilik dapat bertahan jika suhu menurun, tetapi mereka kemudian akan bekerja lebih lambat, karena kondisi yang tidak optimal [17]. Kestabilan temperatur menentukan proses digestasi anaerobik. Dalam prakteknya, temperatur operasi dipilih dengan pertimbangan umpan yang digunakan dan kebutuhan temperatur proses selalu disediakan dengan lantai atau dinding yang menggunakan sistem pemanas [19]. Gambar berikut menunjukkan hubungan antara nilai biogas relatif yang bergantung pada temperatur dan HRT: Gambar 2.5 Hubungan Antara Nilai Biogas Relatif Yang Bergantung Pada Temperatur Dan HRT [19] Penambahan suhu juga meningkatkan laju produksi metana berikut gambar 2.6 yang menunjukkan laju pertumbuhan metana 18

14 Gambar 2.6 Laju Peningkatan Metana [18, 20] Aturan umum untuk suhu digestasi anaerobik pada rentang mesofilik dan termofilik setelah suhu diatur, seharusnya dijaga konstan dan tidak bervariasi lebih dari + / - 0,5 C untuk mencapai hasil terbaik. Fluktuasi suhu yang kecil (maks +/- 2-3 C) dapat ditoleransi, terutama jika proses ini dinyatakan stabil sehubungan dengan hal-hal seperti alkalinitas. Produksi metana umumnya lebih sensitif terhadap fluktuasi suhu dari mikroorganisme lain dalam proses digestasi. Sebuah suhu yang stabil dalam tangki digestasi paling mudah dicapai dengan menggunakan beberapa bentuk agitasi [19]. Terutama penting untuk mesofilik pada kisaran suhu C, karena dalam rentang bahwa mereka kehilangan aktivitas mereka [4] Derajat Keasaman / power of Hydrogen (ph) Derajat keasaman (ph) merupakan salah satu faktor lingkungan yang berpengaruh terhadap pertumbuhan dan aktivitas bakteri [45]. ph optimum dari mikroorganisme membentuk metana adalah pada ph = 6,7-7,5. Oleh karena itu, penting untuk mengatur ph. Hanya Methanosarcina mampu menahan nilai ph lebih rendah (ph = <6,5). Dibanding bakteri lain, metabolisme yang sangat tertekan pada ph <6,7. Jika nilai ph di bawah 6,5, maka produksi asam organik menyebabkan penurunan lebih lanjut oleh bakteri hidrolitik dan mungkin untuk penghentian fermentasi. Pada kenyataannya, nilai ph diadakan dalam kisaran netral dengan prosedur alami dalam fermentor. Dua sistem penyangga memastikan hal ini. Sebuah asidifi kation terlalu kuat dihindari oleh karbon dioksida / hidrogen karbonat / sistem 19

15 penyangga karbonat. Selama fermentasi, CO 2 secara terus-menerus berkembang dan lolos ke udara. Dengan turunnya nilai ph, CO 2 lebih dilarutkan dalam substrat sebagai molekul bermuatan. Dengan meningkatnya nilai ph, CO 2 terlarut membentuk asam karbonat, yang mengionisasi. Dengan demikian, ion hidrogen dibebaskan [4, 44]. Sebagian besar mikroorganisme lebih memilih kisaran ph netral, yaitu sekitar ph 7,0-7,5. Namun, beberapa organisme aktif pada ph baik lebih rendah maupun lebih tinggi. Ada beberapa organisme yang berbeda dalam proses biogas, dan persyaratan ph mereka untuk pertumbuhan optimal sangat bervariasi. Sementara fermentasi, mikroorganisme produksi asam berhasil hidup dalam kondisi yang relatif asam, turun ke ph 5,0, sebagian besar produsen metana umumnya memerlukan nilai ph netral untuk menjadi aktif. Meskipun sebagian besar metana produsen berkembang terbaik pada ph netral, mereka tetap aktif di luar ph -range ini. Ada contoh yang dikenal produsen metana acidophilic yang tumbuh ke ph 4,7 dan produsen metana alkaliphilic yang tumbuh pada ph hingga 10. Pertumbuhan mikroorganisme pada berbagai rentang ph sering mengikuti pola yang sama seperti pertumbuhan pada berbagai suhu. Artinya, sama sekali interval pertumbuhan, nilai ph yang umumnya menghasilkan tingkat terbesar adalah yang paling dekat dengan nilai ph yang menyebabkan kematian sel [17] Alkalinitas Alkalinitas adalah ukuran kapasitas untuk menetralisir asam dan terutama disebabkan oleh garam-garam dari asam lemah. Alkalinitas merupakan salah satu konsep yang paling sentral karena mengontrol ph. Alkalinitas harus diakui sebagai salah satu faktor utama dalam semua perlakukan anaerobik terdiri dari spesies yang berbeda dari garam asam lemah, sehingga sangat nyaman dan konvensional untuk mengungkapkan semua alkalinitas sebagai CaCO 3 dalam satuan mg/ L. Karena CO 2 sering melebihi asam lemah lainnya dalam sistem anaerobik dengan aktivitas mikroba, alkalinitas bikarbonat yang cukup harus hadir untuk menetralkan dan karena itu sangat penting. Dalam sistem anaerobik garam asam volatil juga berkontribusi terhadap alkalinitas pada ph netral, tetapi tidak tersedia untuk netralisasi penambahan asam volatil meskipun mereka mungkin merupakan 20

16 sebagian besar dari total alkalinitas. Sistem anaerob beroperasi dalam rentang ph netral di mana bikarbonat adalah spesies yang dominan, sehingga alkalinitas bikarbonat minat utama. Yang mendekati kondisi netral dikaresteristik kan dengan kondisi ph anaerobik yang optimal. Kondisi ph rendah mungkin disebabkan oleh dua sumber keasaman, H 2 CO 3 dan asam lemak volatil (VFA), yang dihasilkan dalam reaksi mikroba. Asam ini memerlukan alkalinitas untuk netralisasi sehingga aktivitas mikroba tidak terhalang oleh depresi ph. namun persyaratan utama untuk alkalinitas dalam proses baik operasi pada proses anaerobik adalah netralisasi H 2 CO 3 tinggi yang hasil dari tekanan parsial CO 2 yang tinggi dalam reaktor (konsentrasi asam Volatile umumnya rendah). Jika konsentrasi asam (H 2 CO 3 dan VFA) melebihi alkalinitas yang tersedia, reaktor akan "asam" (penurunan ph), aktivitas mikroba sangat menghambat, terutama metanogen. Ketika produksi metana menjadi "terjebak" (berhenti) VFA dapat terus menumpuk, memperburuk situasi lebih lanjut [32] 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 = V R /V Dimana : HRT = Waktu tinggal hidraulik ( hari) V R = Volume digester (m 3 ) V = Volume substrat umpan per unit waktu (m 3 / hari) Sesuai dengan persamaan diatas, penambahan bahan organik (Organic Load) dapat mengurangi waktu tinggal (HRT). Waktu tinggal harus cukup lama untuk memastikan jumlah mikroorganisme yang dihilangkan dengan digestasi tidak lebih tinggi dari jumlah mikroorganisme yang diproduksi. Laju perbanyakan dari bakteri anaerobik selalu 10 hari atau lebih. Waktu tinggal yang rendah memberikan laju substrat yang baik, tetapi nilai (yield) gas yang rendah. Oleh karena itu, perlu 21

17 untuk menyesuaikan HRT untuk laju dekomposisi spesifik dari penggunaan substrat. Perlu diketahui target waktu tinggal dari umpan yang masuk setiap hari, laju dekomposisi substrat, itu mungkin untuk menghitung volume digester yang sesuai [19] Organic Loading Rate (OLR) Untuk memperoleh nilai biogas maksimum, dengan digestasi lengkap dari substrat akan membutuhkan waktu tinggal yang lama dari substrat yang berada di dalam digester dan sebuah ukuran digester yang cocok. Di dalam prakteknya, pemilihan rancangan sistem (ukuran dan tipe digester) atau dari waktu tinggal yang dipakai selalu didasari pada persetujuan untuk memperoleh nilai tertinggi dari biogas dan mempunyai nilai ekonomi yang sesuai. Organic load merupakan parameter operasional yang penting dan mengindikasikan berapa banyak bahan organik yang dapat diumpankan ke dalam digester per volume dan unit waktu. Dapat dinyatakan dalam persamaan berikut : BR = m * c / VR Dimana : Br = Organic Load (kg/hari m 3 ) m = Massa umpan substrat per unit waktu (kg/hari) c = Konsentrasi bahan organik (%) V R = Volume digester (m 3 ) [46] Komposisi substrat sangat penting bagi mikroorganisme dalam proses biogas dan dengan demikian juga untuk stabilitas proses dan produksi gas. Substrat harus memenuhi persyaratan gizi mikroorganisme, dalam hal sumber energi dan berbagai komponen yang diperlukan untuk membangun sel-sel baru. Dalam hal ini penting untuk mengetahui padatan kering atau dissolved solid (DS) dan bahan organik volatil solid (VS) konten dalam substrat untuk memberikan proses loading rate menjadi biogas. Padatan kering adalah bahan yang tersisa ketika semua air dikeringkan sementara VS menunjukkan bagian organik dari padatan kering [17]. 22

18 2.5.6 Pengadukan Pengadukan (agitasi) dilakukan untuk mendapatkan campuran substrat yang homogen dengan ukuran partikel yang kecil. Pengadukan selama proses dekomposisi untuk mencegah terjadinya benda-benda mengapung pada permukaan cairan dan berfungsi mencampur metanogen dengan substrat. Pengadukan juga memberikan kondisi temperatur yang seragam dalam biodigester, juga berpengaruh terhadap produksi biogas, agitasi dapat meningkatkan intensitas kontak antara organisme dan substrat, dibandingkan tanpa agitasi. Pengadukan dimaksudkan agar kontak antara limbah segar dan bakteri perombak lebih baik, dan menghindari padatan terbang atau mengendap, yang akan mengurangi keefektifan digester dan menimbulkan plugging gas dan lumpur. Pemberian agitasi berpengaruh lebih baik dibandingkan tanpa agitasi dalam peningkatan laju produksi gas. Agitasi pada 100 rpm dapat meningkatkan produksi biogas [20] Zat Racun (Toxic) Faktor lain yang berpengaruh terhadap aktivitas mikroorganisme anaerobik adalah kehadiran dari komponen senyawa toxic. Mereka dapat terbawa ke dalam sistem digestasi anaerobik bersamaan dengan umpan atau dihasilkan selama proses berlangsung. Aplikasi dari permulaan nilai komponen toxic sangat sulit. Di satu sisi karena banyak komponen material yang terikat dengan proses kimia, dan disisi lain karena kapasitas dari mikroorganisme anaerobik untuk beradaptasi, dengan beberapa batas untuk menghubungkan kondisi untuk kehadiran komponen toksik [19]. 2.6 POTENSI EKONOMI Penelitian ini memanfaatkan limbah cair pabrik kelapa sawit, merupakan salah satu limbah agroindustri yang paling sering menyebabkan polusi dan merupakan limbah terbesar dari proses pengolahan kelapa sawit [3], minyak kelapa sawit adalah sumber penting untuk produksi biogas yang merupakan energi terbarukan, yang tersedia ton atau 27% dari total produksi minyak dan lemak nabati didunia, diikuti oleh minyak kedelai [6]. Laju produksi kelapa sawit perbulan cenderung fluktuasi, artinya limbah yang dihasilkan juga mengalami fluktusi sedangkan energi yang dibutuhkan semakin meningkat. Untuk itu, penelitian 23

19 ini dilakukan untuk mengatasi ketidakseimbangan tersebut yang sangat berpotensi menguntungkan dikarenakan kandungan metana yang sangat tinggi yang dihasilkan pada penelitian ini sesuai gambar 4.17 yaitu mencapai 69% per hari. Dari hasil penelitian, produk yang dihasilkan, pada HRT 4, dengan kandungan metana maksimum 69% produksi biogas dihasilkan 0,78L/hari. Volume metana yang terbentuk = 69% x 0,78L/hari = 0,5382 L/hari = 5,382 x 10-4 m 3 /hari Diketahui, ρ CH 4 = 0,68 kg/m 3 [47] Massa metana (CH 4 ) = ρ CH 4 x Volume CH 4 = 0,68 kg/m 3 x 5,382 x 10-4 m 3 / hari = 3,65976 x 10-4 kg/hari Harga biogas adalah 1200/kg [56], sehingga total penjualan 3,65976 x 10-4 kg/hari biogas adalah = Rp. 0,44/hari. Meskipun dari nilai harga tidak begitu menjanjikan namun potensi ekonomi dari energi sangat begitu menguntungkan yaitu : 1. Tingginya kandungan metana yang dihasilkan, yang dapat diubah menjadi energi panas dan listrik [48] 2. Sangat sedikitnya H 2 S yang terbentuk bahkan hampir tidak terdeteksi. 3. Dan merupakan pengolahan yang ramah lingkungan karena mampunya mendegradasikan limbah organik menjadi metana. 4. Proses dua tahap ini ini mengurangi resiko akumulasi intermediet beracun seperti asam lemak volatil yang dapat menghambat metanogen [49] 24