Metodologi Penelitian

Transkripsi

1 Bab III Metodologi Penelitian Dalam bagian ini akan disampaikan hal-hal yang berkaitan dengan penyelenggaraan penelitian, yaitu bahan dan peralatan, cara pengambilan data, dan cara analisa data. III.1 Bahan Penggunaan bahan terbagi menjadi dua, yaitu bahan yang dipakai dalam proses anaerobik serta bahan yang dipakai untuk menganalisa karakteristik stillage ubi kayu serta contoh hasil pengolahan anaerobik. III.1.1 Bahan proses anaerobik 1. stillage bioetanol ubi kayu 2. Aquadest pengencer stillage ubi kayu 3. K 2 CO 3 dan H 3 PO 4 pekat 4. Larutan K 2 CO 3 4M dan H 3 PO 4 2M sebagai larutan pengendali ph media pengolahan anaerobik 5. Kultur campuran berupa kotoran sapi yang sudah diaklimatisasi III.1.2 Bahan analisa 1. reagensia dalam penentuan konsentrasi COD awal dan akhir stillage ubi kayu 2. reagensia dalam penentuan konsentrasi BOD 5 awal dan akhir stillage ubi kayu 3. reagensia dalam penentuan Asam Organik Volatil Total (Total Volatile Organic Acid) awal dan akhir stillage ubi kayu 4. reagensia dalam penentuan nitrogen organik awal stillage ubi kayu III.2 Peralatan Dalam penelitian ini, digunakan dua jenis bioreaktor untuk dua tujuan. Yang pertama berupa labu erlenmeyer yang dimodifikasi digunakan untuk mempelajari pengaruh ph yang terkendali secara manual dalam produksi asam organik volatil pada suhu 35 C. Erlenmeyer ini memiliki volume kerja 1,5 L. Untuk menjaga homogenitas proses maka digunakan longitudinal shaker yang dilengkapi 30

2 pemanas. Yang kedua berupa bioreaktor skala laboratorium (Biostat) yang dilengkapi peralatan pengendali suhu dan ph untuk mempelajari pengaruh ph dalam produksi asam organik volatil. III.2.1 Erlenmeyer yang dimodifikasi Seperti sudah dijelaskan, pada gambar. III.1 disajikan bioreaktor berupa erlenmeyer yang dimodifikasi bervolume kerja 1,5 L. Dilengkapi dengan pipa kaca (1) tempat mengambil contoh dan masuknya gas nitrogen. Pipa ini harus dijaga agar tidak berhubungan dengan udara luar dengan memasang penjepit selang. 1. pipa kaca 2. leher angsa 3. selang sirkulasi nitrogen keluar 4. selang sirkulasi N 2 masuk 5. sparger 6. pompa peristaltik Gambar III.1 Skema erlenmeyer yang dimodifikasi Gambar III.2 Erlenmeyer yang dimodifikasi lengkap 31

3 Selain itu terdapat juga pipa leher angsa (2) berisi air untuk mengamati keberadaan gas, pipa gas nitrogen keluar (3), pipa gas nitrogen masuk untuk stripping gas hidrogen (4), sparger (5) dan pompa peristaltik (6). Sistem dijaga pada kondisi anaerobik dengan memasang tutup dari karet dan menyemburkan gas nitrogen di awal proses. Pada gambar III.2 diperlihatkan foto rangkaian erlenmeyer dengan sistem pengaduk dan pemanasnya. Untuk memvariasikan suhu, peralatan direndam dalam penangas air (waterbath) yang dilengkapi longitudinal shaker. Sebagai pengendali ph ditambahkan K 2 CO 3 setiap kali selesai mengambil contoh karena pengendaliannya secara manual. III.2.2 Bioreaktor skala laboratorium (Biostat) Biostat yang memiliki volume kerja 7,5 L berupa bejana dari gelas yang dilengkapi peralatan pengendali. Di dalamnya terdapat pengaduk mekanik yang dilengkapi dengan baffle dan kesemuanya berbahan stainless steel. Biostat ini juga dilengkapi tutup stainlessteel yang rapat. Selain itu di bagian tutupnya terdapat beberapa lubang tempat masuk gas nitrogen, larutan pengendali ph yang bersifat basa, asam, ataupun penyangga, pengambilan contoh, elektroda ph, dan termokopel pengukur suhu. Biostat dirancang memiliki seal yang kuat di semua bagian termasuk yang ada mekanisme bergeraknya seperti pengaduk mekanik. Gambar III.3. adalah skema Biostat, sedangkan gambar III.4. adalah Biostat dalam keadaan terangkai lengkap. Gambar III.3 Skema Biostat 1. pengunci tutup 2. larutan asam masuk 3. larutan basa masuk 4. air pemanas masuk 5. air pemanas keluar 6. umpan masuk 7. gas sirkulasi 8. probe ph 9. pengaduk 32

4 Gambar III.4 Biostat terangkai lengkap Gambar III.5 Tampak atas Biostat dan pengendali Sebagai bagian dari Biostat adalah sistem pengendali ph (Bio Controller ADI 1030) seperti yang terlihat di gambar III.5. Sistem pengendalian suhu menggunakan sirkulasi air panas yang dikendalikan oleh penangas air ke dalam Biostat. III.3 Metodologi penelitian Penelitian ini bertujuan memproduksi asam organik volatil dari stillage ubi kayu pada kondisi anaerobik. Kondisi anaerobik didapat dengan menutup rapat 33

5 bioreaktor, memasang plastik hitam penutup wadah serta menyemburkan gas nitrogen di awal proses. Langkah-langkah penelitian disajikan pada gambar III.6. Penyaringan stillage Analisa awal stillage Pengenceran stillage Aklimatisasi dan pembibitan Stillage siap pakai Fermentasi anaerobik pada bioreaktor (erlenmeyer yang dimodifikasi), ph bervariasi Fermentasi anaerobik pada biostat, ph tetap ( hasil terbaik dari erlenmeyer) Analisa stillage Analisa stillage ph terbaik Gambar III.6 Skema alur penelitian Seperti dapat dilihat pada gambar tersebut, mula-mula stillage ubi kayu disaring sebelum dapat dipakai.untuk mengetahui karakteristik stillage ubi kayu perlu 34

6 dilakukan analisa terhadap stillage ubi kayu sebelum proses anaerobik dilangsungkan. Analisa tersebut meliputi analisa ph, COD, BOD5, nitrogen organik, fosfor, kalium, natrium, padatan total, padatan tersuspensi. Selanjutnya mempersiapkan bibit agar dapat bekerja pada media baru berupa stillage ubi kayu pada ph 5,6 dan suhu ruang. Bibit yang dipakai berasal dari kotoran sapi. Tahap ini dinamakan tahap aklimatisasi. Setelah bibit dan stillage ubi kayu siap untuk dipakai, dilanjutkan dengan penanaman bibit ke dalam stillage ubi kayu pada erlenmeyer yang dimodifikasi dan proses anaerobik dilangsungkan pada variasi ph 5, 6 dan 7. Untuk mengetahui perubahan yang terjadi pada stillage ubi kayu maka perlu dilakukan analisa terhadap stillage ubi kayu hasil proses anaerobik yang meliputi ph, COD, asam organik volatil total serta komponen asam organik volatil. Selain itu dilakukan juga analisa padatan tersuspensi untuk mengetahui pertumbuhan bibit selama proses anaerobik. III.3.1 Persiapan stillage ubi kayu Stillage bioetanol ubi kayu yang dipakai berasal dari industri kecil di Cicurug Sukabumi. Stillage bioetanol ubi kayu ini memiliki kandungan COD cukup tinggi, 70,2 g/l. Berdasar penelitian sebelumnya oleh Nugroho dan Yustendi (2007), kandungan COD umpan sebesar 20 g/l memberikan hasil yang terbaik dalam hal produksi asam organik volatil total. Sehingga dalam penelitian ini dipakai kandungan COD sebesar ± 20 g/l. Sebelumnya stillage ubi kayu harus disaring untuk menghilangkan padatan yang ada. Karena padatan ini dapat menimbulkan gangguan yang tidak diinginkan dalam pengolahan anaerobik. Seperti penggunaan waktu yang lebih lama untuk menghidrolisa padatan tersebut, efek pengadukan akan berkurang karena dalam penelitian yang menggunakan erlenmeyer yang dimodifikasi tidak digunakan pengaduk mekanik melainkan longitudinal shaker. III.3.2 Analisa awal Analisa awal diperlukan untuk dapat mengetahui karakteristik stillage ubi kayu. Setelah mengetahui karakteristiknya, maka akan dapat dipastikan perlakuan awal 35

7 yang sesuai bagi stillage ubi kayu. Analisa awal stillage ubi kayu meliputi penentuan ph, COD, BOD 5, nitrogen organik, fosfor, kalium, natrium, padatan total, padatan tersuspensi. Untuk mengetahui kandungan bahan organik dalam stillage ubi kayu, maka harus ditentukan COD dan BOD 5. Karena COD sekitar 20 g/l merupakan titik awal, maka dengan sendirinya COD awal sudah ditentukan. Analisa COD menggunakan cara dikromat, yang merupakan cara baku dan prosedur terdapat di lampiran. Selain COD juga ditentukan nilai BOD 5 yang dilakukan sesuai dengan cara baku. Prosedur terdapat di lampiran. BOD 5 diukur dengan menggunakan bibit yang ditumbuhkan dalam stillage yang dipakai. Agar hasil yang didapat mencerminkan sifat stillage ubi kayu yang dipakai. Untuk mengukur suhu dipakai termometer air raksa, dan sebagai pengendali suhu saat pengolahan anaerobik dalam bioreaktor model dipakai penangas air (waterbath) yang suhunya bisa diatur tetap. Tersedia dua jenis penangas air, yaitu yang dilengkapi dengan longitudinal shaker dan yang tidak dilengkapi longitudinal shaker. Untuk mengukur ph dipakai ph meter HANNA karena lebih akurat untuk bahan yang bersifat kompleks. ph meter yang dipakai sebaiknya selalu dikalibrasi pada ph 4 dan 7 untuk menjaga keakuratan pembacaan. Padatan tersuspensi dan padatan total awal merupakan parameter klasik limbah. Untuk menganalisa jumlah padatan tersuspensi dan padatan total awal pada stillage ubi kayu, dilakukan analisa padatan yang prinsipnya adalah gravimetri pada 103 o C 105 o C. Kandungan nitrogen organik, fosfor, kalium, dan natrium perlu diketahui untuk memperkirakan perlu tidaknya tambahan nutrisi selama proses. Untuk menganalisa nitrogen organik dilakukan analisa Kjehldahl semi mikro, karena cara ini tidak membutuhkan ukuran contoh yang banyak. Untuk menganalisa 36

8 kalium, dan natrium digunakan peralatan AAS (Atomic Absorption Spectrophotometer). Sedangkan untuk menganalisa fosfor digunakan cara spektrofotometer untuk penentuan P sebagai P 2 O 5. Semua prosedur lengkap terdapat di lampiran. III.3.3 Aklimatisasi dan Pembibitan Bibit yang akan dipakai sebelumnya harus diaklimatisasi. Tujuan aklimatisasi adalah mempersiapkan mikroba pada lingkungan kerja yang baru agar dapat hidup dan bekerja menghasilkan produk sesuai yang diinginkan. Bibit yang dipakai berasal dari kotoran sapi. Lingkungan asal mikroba ini berbeda dengan lingkungan kerja baru hingga membutuhkan aklimatisasi. Pembibitan adalah penanaman mikroba ke dalam media kerja dalam rangka menghasikan produk yang diinginkan. Kedua proses ini berlangsung dalam botol kaca gelap bervolume 2,5 L. Botol ini dilengkapi dengan leher angsa dan pipa kaca tempat masuk keluarnya stillage ubi kayu dan gas nitrogen. Aklimatisasi dimulai dengan mencampur filtrat kotoran sapi dengan stillage ubi kayu sebanyak 2 : 1. Selanjutnya bertambah secara bertahap hingga mencapai volume 2,5 L. Untuk mengetahui keberhasilan aklimatisasi maka diperiksa MLSS bibit setiap tujuh hari dimulai pada hari ke 20. Sedangkan untuk menjaga kondisi anaerob, maka ditambahkan gas nitrogen di awal dan tiap kali selesai menambahkan stillage ubi kayu segar. Agar bibit hanya memproduksi asam organik volatil maka ph aklimatisasi diatur tetap 5,6. Untuk mengatur ph ditambahkan K 2 CO 3 tiap kali menukar tambah stillage ubi kayu segar. Aklimatisasi juga dilakukan pada suhu yang sesuai bagi mikroba mesofilik, karena penelitian juga dilangsungkan pada suhu kerja mikroba mesofilik yaitu 35 C. III.3.4 Analisa akhir Pada tahap ini dilakukan analisa terhadap contoh yang diambil sebanyak delapan kali dalam waktu 72 jam pengolahan anaerobik. Analisa tersebut meliputi analisa terhadap ph, COD, asam organik volatil total, komponen asam organik volatil, serta MLSS. Untuk mengetahui kandungan total asam organik volatil yang terbentuk, dilakukan distilasi terhadap kaldu pengolahan. Kemudian asam 37

9 organik volatil akan didapat sebagai distilatnya dan dititrasi. Setelah diketahui jumlah total asam organik volatil yang terbentuk, selanjutnya dilakukan analisa terhadap jenis asam organik volatil yang terbentuk. Cara penentuannya adalah dengan menggunakan Ion Chromatography DIONEX ICS Semua prosedur lengkapnya terdapat di lampiran. III.4 Percobaan Percobaan di dalam erlenmeyer dengan volume kerja 1,5 L dan Biostat bervolume kerja 7,5 L. Bibit hasil aklimatisasi yang dipakai sebanyak 20 % volume. Setiap akan memulai percobaan, ke dalam bioreaktor dimasukkan gas nitrogen untuk menjamin tercapainya kondisi anaerob. Pada erlenmeyer dimasukkan gas nitrogen selama lima menit sedangkan pada Biostat 15 menit. Selain itu bioreaktor ditutup dengan plastik hitam agar tidak ada sinar matahari menembus ke dalam. Pada Biostat kecepatan pengadukan diatur pada 100 rpm, untuk menjamin homogenitas suspensi sistem. Sedangkan pada saat menggunakan erlenmeyer diatur kecepatan shaker pada skala 2, cukup untuk menggoyang suspensi sistem. Pada erlenmeyer yang dimodifikasi, dilangsungkan percobaan menggunakan 3 variasi ph yaitu 5, 6, dan 7 pada suhu tetap 35 C. Sedangkan pada Biostat, dilangsungkan percobaan menggunakan ph tetap 6,5, berdasar hasil yang didapat dari percobaan dalam erlenmeyer yang dimodifikasi. Setiap variasi percobaan dikerjakan dalam dua kali pengulangan. Pengambilan contoh dilakukan sebanyak delapan kali selama 72 jam waktu proses. Pada erlenmeyer pengambilan contoh sebanyak 70 ml sedangkan pada Biostat sebanyak 75 ml. Pengambilan contoh untuk pengukuran MLSS dilakukan sebanyak tiga kali, yaitu di awal, di jam ke - 48 dan ke Untuk mengatur ph di erlenmeyer yang dimodifikasi ditambahkan K 2 CO 3 bila ph turun dan H 3 PO 4 pekat bila ph naik. Pemeriksaan ph dilakukan tiap kali mengambil contoh, untuk memastikan ph tetap selama proses. Penambahan ini berlangsung secara manual dan pembacaan ph menggunakan ph meter HANNA. Pada saat menggunakan Biostat, pengaturan ph secara otomatis dilakukan oleh 38

10 pengendali Bio Controller ADI Sebagai pengatur asam dipakai larutan H 3 PO 4 2 M dan pengatur basa dipakai larutan K 2 CO 3 4 M. Untuk mengusir gas H 2 yang terbentuk maka tiap kali selesai mengambil contoh dialirkan gas nitrogen selama ± 5 menit. Selain itu dipasang sistem sirkulasi nitrogen untuk mengusir gas H 2 yang terbentuk dengan bantuan pompa peristaltik. Kecepatan pompa peristaltik diatur pada skala