POTENSI PEMBENTUKAN ASAM ASETAT SEBAGAI SENYAWA ANTARA PADA PROSES ASIDOGENESIS LIMBAH PULP KAKAO UNTUK DIMANFAATKAN KEMBALI TESIS

Transkripsi

1 No. Urut: 392/S2-TL/TML/2008 POTENSI PEMBENTUKAN ASAM ASETAT SEBAGAI SENYAWA ANTARA PADA PROSES ASIDOGENESIS LIMBAH PULP KAKAO UNTUK DIMANFAATKAN KEMBALI TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh MAHENSA BILLQYS N. P. NIM: Program Studi Teknik Lingkungan INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 POTENSI PEMBENTUKAN ASAM ASETAT SEBAGAI SENYAWA ANTARA PADA PROSES ASIDOGENESIS LIMBAH PULP KAKAO UNTUK DIMANFAATKAN KEMBALI Oleh Mahensa Billqys N. P. NIM : Program Studi Teknik Lingkungan Institut Teknologi Bandung Menyetujui Tim Pembimbing Tanggal... Ketua, (Dr. Ir. Mindriany Syafila, MS.) Anggota, (Dr.-Ing. Marisa Handajani, ST., MT.)

3 Segala puji bagi Allah SWT tempatku mengadu dan memohon Rencana-Mu selalu indah dan pasti terbaik untukku... Kupersembahkan untuk orang-orang yang sangat kukasihi dan berarti dalam hidupku Mamah, Papap, Adis, Uqys, Nini dan Mamah Enin serta suamiku tercinta M. Oky Surya Gumilar

4 ABSTRAK POTENSI PEMBENTUKAN ASAM ASETAT SEBAGAI SENYAWA ANTARA PADA PROSES ASIDOGENESIS LIMBAH PULP KAKAO UNTUK DIMANFAATKAN KEMBALI Oleh Mahensa Billqys N.P. NIM : Proses pengolahan buah kakao menjadi biji kakao kering akan menghasilkan limbah pulp kakao yang sampai saat ini masih kurang termanfaatkan. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji kemungkinan pengolahan limbah cair pulp kakao melalui daur ulang limbah menjadi asam asetat secara anaerob dengan kultur curah (batch) menggunakan Circulating Bed Reactor yang terbuat dari flexyglass berkapasitas 6 L. Seeding dan aklimatisasi dilakukan sampai tercapai kondisi steady state, kemudian dilakukan pengoperasian dua buah reaktor CBR anaerob di dalam suhu ruang selama 20 hari. Flushing gas nitrogen dengan kemurnian 99,95% dilakukan terhadap salah satu reaktor (reaktor B-I) selama 10 menit di awal periode operasi untuk melihat pengaruh kehadiran O 2 di dalam reaktor. Pengambilan sampel harian dilakukan untuk analisis COD, VSS, alkohol, asam asetat, ph dan komposisi gas dengan periode waktu tertentu. Pengukuran asam asetat dengan konsentrasi tertinggi sebesar ,7 mg/l diperlihatkan oleh reaktor A-I dengan kehadiran O 2 sedangkan reaktor B-I tanpa kehadiran O 2 menghasilkan asam asetat dengan konsentrasi sebesar ,5 mg/l. Percobaan II dilakukan menggunakan dua reaktor selama 20 hari. Salah satu reaktor diberikan flushing gas nitrogen secara terus menerus untuk melihat pengaruh kehadiran H 2 di dalam reaktor. Konsentrasi asam asetat yang diperoleh reaktor B-II (tanpa kehadiran H 2 ) sebesar ,35 mg/l sedangkan reaktor A-I dengan kehadiran H 2 menghasilkan asam asetat sebesar ,52 mg/l. Keberadaan gas O 2 akan menyebabkan alur pembentukan asam asetat berlangsung sacara aerob dan terjadi lebih cepat (reaktor A-I). Pada reaktor tanpa O 2 alur pembentukan asam asetat mulai bergeser ke arah anaerob sehingga berlangsung lebih lambat (reaktor B-I). Sedangkan pada reaktor dengan flushing terusmenerus (Reaktor B-II), mengakibatkan H 2 terusir dari reaktor sehingga pembentukan asam asetat berlangsung relatif lebih cepat dibandingkan dengan dengan reaktor yang hanya diflushing di awal. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa kehadiran O 2 di dalam reaktor mempengaruhi alur pembentukan asam asetat dan H 2 di dalam reaktor akan menghambat pembentukan asam asetat. Kata kunci : pulp kakao, asidogenesis, asam asetat,oksigen, hidrogen i

5 ABSTRACT FORMATION POTENCIAL OF ACETIC ACID AS INTERMEDIATE COMPOUND FROM ACIDOGENESIS PROCESS OF COCOA SWEATINGS FOR RECOVERY PURPOSE By Mahensa Billqys N.P. NIM : The conversion of cocoa fruit to dried cocoa beans generates cocoa pulp waste which has not been well utilized. This research objective is to study the possibility of cocoa sweatings treatment to produce intermediate compound i.e. acetic acid. It is run on anaerobic Circulating Bed Reactor which is made from flexyglass that have 6 L capacities and operated in batch system. Seeding and aclimatization is conducted until steady state. The operation of Circulating Bed Reactor (CBR) running I is carried out for 20 days at room temperature. Nitrogen flushing of 99,95 % purity is established in the beginning of operation at one of two reactor used to see influence of O 2 presence in the forming potencial of acetic acid. Checking of COD, VSS, alcohol, acetic acid, ph is done during the operation in 24 hours-basis. Gas analysis performed on certain time period. Result of acetic acid analysis indicates that reactor with attendance of O 2 (reactor A-I) produce the highest concentration of acetic acid of ,7 mg/l while the reactor without existence of O 2 produced acetic acid concentration of around ,5 mg/l. Then operation CBR running II is conducted by offer continous nitrogen flushing for one of two reactor to observe effect of H 2 presence in the reactor. Reactor without H 2 presence in the reactor (reactor B-II) was produce concentration of acetic acid approximately ,35 mg/l. While reactor with attendance of H 2 in the reactor (reactor A-II) generous concentration of acetic acid just about ,52 mg/l. Existence of certain amount of O 2 in reactor, hence the acetic acid formation follows the aerobic pathway (reactor A-I). Nitrogen flushing in the early periode caused concentration of O 2 is relatively low so that is concluded that acetic acid formation reach the anaerobic pathway and run slowly (reactor B-I). Reactor among continous nitrogen flushing, concluded that acetic acid formation stay on anaerobic pathway from beginning of reaction (reactor B-II) because H 2 has not established in the reactor and operate faster than reactor B-I. This research shows that the O 2 presence in the reactor affect acetic acid formation pathway and existence of H 2 in the reactor would block acetic acid formation. Key words : cocoa sweatings, acidogenesa, acetic acid,oxygen, hydrogen ii

6 PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung. iii

7 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah memberikan segala rahmat dan karunia yang tiada hentinya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Penulisan tesis ini merupakan salah satu syarat kelulusan program pasca sarjana di Departemen Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Teknologi Bandung. Judul penulisan tugas akhir ini adalah Potensi Pembentukan Asam Asetat sebagai Senyawa Antara pada Proses Asidogenesis Limbah Pulp Kakao untuk Dimanfaatkan Kembali yang disusun setelah melakukan penelitian pada Laboratorium Penelitian Kualitas Air Departemen Teknik Lingkungan Institut Teknologi Bandung. Penulisan Laporan Tesis ini merupakan suatu proses pendewasaan diri yang telah memberikan banyak hikmah dan manfaat bagi penulis, karena membutuhkan waktu yang cukup panjang dan penuh perjuangan di dalamnya. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah memberikan dukungan dan bantuan, berupa ilmu, hasil pertukaran pikiran, saran, bimbingan, dan nasehat selama proses penyelesaian tesis ini. Terima kasih yang sebesar-besarnya penulis sampaikan kepada Dr. Ir. Mindriany Syafila MS. dan Dr.-Ing. Marisa Handayani, ST. MT. selaku dosen pembimbing dan co pembimbing atas segala arahan, panduan dan bimbingan dalam penelitian dan penyusunan tesis. Terima kasih atas kesempatannya untuk menimba ilmu dan pengalaman berharga yang selama ini belum penulis dapatkan. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Prof. Dr. Enri Damanhuri, sebagai dosen wali yang banyak memberikan bekal, nasehat dan perhatian yang sangat besar kepada penulis. iv

8 Terima kasih penulis sampaikan kepada Dr. Barti Setiani Muntalif selaku dosen penguji dan koordinator seminar dan tesis serta Dr. Dwina Roosmini selaku dosen penguji atas segala saran dan masukan yang sangat berarti dalam penulisan tesis ini. Juga kepada Dr. Ir. Agus Jatnika Effendi selaku ketua jurusan dan Dr. Ir. Indah Rahmatiah, selaku sekretaris jurusan Program Studi Teknik Lingkungan Institut Teknologi Bandung yang selalu memberikan kemudahan dan perhatian yang sangat besar bagi mahasiswanya, serta seluruh dosen pengajar di jajaran Departemen Teknik Lingkungan ITB yang telah membekali ilmu pengetahuan yang berarti selama penulis melaksanakan studi Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada seluruh karyawan Departemen Teknik Lingkungan ITB yang turut serta membantu kelancaran penulis selama berada di ITB baik dalam proses administrasi maupun akademik khususnya kepada Ibu Mimin serta Pak Nana atas segala bantuannya selama penulis mengerjakan tesis, juga kepada Laboratorium Kualitas Air tempat penulis mengerjakan tesis. Terima kasih kepada Ibu Ilen beserta staff, Andri, Asri juga kepada Ibu Djuju dan Didit terima kasih atas segala bantuannya selama penulis melaksanakan tesis. Tak lupa pula penulis ucapakan terimakasih atas kemudahan yang diberikan oleh Pak Denden, Staff Perkebunan Kakao di updelling Cipatat dalam pengambilan limbah pulp kakao yang digunakan sebagai objek penelitian. Kepada rekan-rekan Magister TL-05 terima kasih atas persahabatan yang terjalin selama penulis melaksanakan kuliah, khususnya kepada geng foodcourt Ira, Teh Ai, Yanti, Kania, Indri, dan Mila yang senantiasa memberikan pencerahan dengan kunjungan wisata kulinernya. Ucapan terima kasih yang khusus kepada Mbak Siwi, terima kasih telah menjadi partner yang selalu memotivasi penulis, memberikan saran, masukan dan tambahan ilmu pengetahuan yang amat berharga. Terima kasih atas kebersamaannya dalam menghadapi hari-hari yang penuh perjuangan, keberadaan dan support-nya membuat pengerjaan tesis ini terasa lebih ringan. Pada kesempatan ini penulis juga ingin menyampaikan rasa terima kasih kepada rekan-rekan dari Satker (05) Dinas Perkebunan dan Rekan-rekan PPTSP. Terima v

9 kasih atas support, pengertian dan bantuannya untuk mengambil alih beberapa pekerjaan penulis selama pengerjaan tesis ini Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada seluruh pihak yang telah membantu penyelesaian tesis magister ini dan tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Akhir kata, semoga penulisan tesis ini dapat memberikan manfaat bagi semua pihak. Saran dan kritik mengenai tesis ini sangat penulis harapkan. Bandung, Februari 2008 Penulis vi

10 DAFTAR ISI ABSTRAK... i ABSTRACT... ii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS iii KATA PENGANTAR... iv DAFTAR ISI... vii DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR LAMPIRAN... xii DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG xiii BAB I PENDAHULUAN... 1 I.1. Latar Belakang... 1 I.2. Maksud dan Tujuan Penelitian... 4 I.3. Waktu dan Tempat Penelitian... 5 I.4. Ruang Lingkup Penelitian... 5 I.5. Sistematika Penulisan... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 7 II.1. Tanaman Kakao (Theobroma cacao L.)... 7 II.1.1. Botani Tanaman Kakao... 8 II.1.2. Karakteristik Buah dan Biji Kakao II.1.3. Pengolahan Biji Kakao II.1.4. Limbah Cair Pulp Kakao II.2. Pengolahan Limbah Secara Biologi II.2.1. Mikroorganisme Mix Culture (Kultur Campuran) 23 II.2.2. Circulating Bed Reactor (CBR) II.2.3. Pengolahan Limbah secara Anaerob II.2.4. Mikroorganisme yang Berperan dalam Proses Anaerob II.2.5. Alur Degradasi Komponen Organik secara Anaerob vii

11 II.2.6. Recovery Limbah Pulp Kakao II.2.7. Asam Asetat II.2.8. Vinegar BAB III BAHAN, ALAT DAN METODE KERJA III.1. Bahan Penelitian III.2. Alat Penelitian III.3. Metode Kerja III.3.1. Persiapan Awal III.3.2. Seeding dan Aklimatisasi III.3.3. Pengoperasian Circulating Bed Reaktor (CBR)- Anaerob III.3.4. Parameter yang dianalisa III.3.5. Analisis Data III.3.6. Penyusunan Laporan BAB IV DATA HASIL DAN PEMBAHASAN IV.1. Seeding dan Aklimatisasi IV.2. Pengoperasian Reaktor CBR Anaerob IV.2.1 Pengaruh Kehadiran O 2 Terhadap Pembentukan Asam Asetat IV.2.2 Pengaruh Kehadiran H 2 Terhadap Pembentukan Asam Asetat IV.3. Neraca Massa BAB V KESIMPULAN DAN SARAN V.1. Kesimpulan V.2. Saran DAFTAR PUSTAKA viii

12 DAFTAR TABEL Tabel I.1. Perkembangan Luas Areal, Produksi dan produktivitas Kakao di Indonesia... 1 Tabel II.1. Komposisi Kimia Lendir Biji Kakao Tabel III.1. Karakteristik Limbah Cair Pulp Kakao Tabel III.2. Parameter Pengujian pada Percobaan CBR Anaerob Tabel IV.1. Data Hasil Pengamatan selama Seeding dan Aklimatisasi Tabel IV.2. Penyisihan Konsentrasi COD Tabel IV.3. Laju Penyisihan Etanol Tabel IV.4. Laju Pembentukan TAV.. 61 Tabel IV.5. Laju Pembentukan Asam Asetat Tabel IV.7. Perbandingan Nilai VSS Reaktor 72 Tabel IV.8. Faktor Konversi pada 25 C dan 1 atm ix

13 DAFTAR GAMBAR Gambar II.1. Tanaman kakao (Theobroma cacao L.)... 9 Gambar II.2. Penampang Melintang dan Memanjang Buah Kakao Gambar II.3. Kotak-Kotak Fermentasi Biji Kakao Gambar II.4. Pengeringan Biji Kakao dengan Penjemuran Gambar II.5. Tungku untuk Mengeringkan Biji Kakao Gambar II.6. Biji Buah Kakao Kering Gambar II.7. Skema Proses Anaerob (hidrolisis,asidogenesis, dan metanogenesis) Gambar II.8. Rangkaian Hasil Metabolisme dalam Proses Anaerob Gambar II.9. Produk Akhir Fermentasi Pemecahan Glukosa Gambar III.1. Tahapan Penelitian Gambar III.2. Circulating Bed Reaktor Gambar IV.1. Penyisihan COD pada Aklimatisasi Reaktor dengan Perbandingan Volume Larutan Gula:Limbah (100:0) Gambar IV.2. Biofilm Mikroorganisme yang Terbentuk pada Reaktor Selama Percobaan Gambar IV.3. Fluktuasi Jumlah VSS pada Aklimatisasi Reaktor dengan perbandingan Volume Larutan Gula:Limbah (100:0) Gambar IV.4 Penyisihan COD pada Aklimatisasi Reaktor dengan perbandingan Volume Larutan Gula:Limbah (70:30) Gambar IV.5. Fluktuasi Jumlah VSS pada Aklimatisasi Reaktor dengan perbandingan Volume Larutan Gula:Limbah (70:30) Gambar IV.6 Penyisihan COD pada Aklimatisasi Reaktor dengan perbandingan Volume Larutan Gula:Limbah (50:50) Gambar IV.7. Fluktuasi Jumlah VSS pada Aklimatisasi Reaktor dengan perbandingan Volume Larutan Gula:Limbah (50:50) Gambar IV.8 Penyisihan COD pada Aklimatisasi Reaktor dengan perbandingan Volume Larutan Gula:Limbah (0:100) Gambar IV.9. Fluktuasi Jumlah VSS pada Aklimatisasi Reaktor dengan perbandingan Volume Larutan Gula:Limbah (0:100) Gambar IV.10 Reaktor CBR pada Percobaan I Gambar IV.11. Penyisihan COD Limbah Cair Kakao pada Percobaan I selama 20 Hari Gambar IV.12. Fluktuasi Jumlah VSS Limbah Cair Kakao pada Percobaan I x

14 selama 20 Hari Gambar IV.13. Penyisihan Persentase Turbiditas Limbah Cair Kakao pada Percobaan I selama 20 Hari Gambar IV.14. Perubahan Konsentrasi Etanol Limbah Cair Kakao pada Percobaan I selama 20 Hari Gambar IV.15. Pembentukan TAV Limbah Cair Kakao pada Percobaan I selama 20 Hari Gambar IV.16. Pembentukan Asam Asetat Limbah Cair Kakao pada Percobaan I selama 20 Hari Gambar IV.17. Penurunan ph Limbah Cair Kakao pada Percobaan I selama 20 Hari Gambar IV.18. Komposisi Gas Reaktor A pada Percobaan I selama 20 Hari 68 Gambar IV.19. Komposisi Gas Reaktor A pada Percobaan I selama 20 Hari 69 Gambar IV.20. Reaktor CBR pada Percobaan II Gambar IV.21. Penyisihan COD Limbah Cair Kakao pada Percobaan II selama 20 Hari Gambar IV.22. Fluktuasi Jumlah VSS Limbah Cair Kakao pada Percobaan II selama 20 Hari Gambar IV.23. Penyisihan Persentase Turbiditas Limbah Cair Kakao pada Percobaan II selama 20 Hari Gambar IV.24. Perubahan Konsentrasi Etanol Limbah Cair Kakao pada Percobaan II selama 20 Hari Gambar IV.25. Pembentukan TAV Limbah Cair Kakao pada Percobaan II selama 20 Hari Gambar IV.26. Pembentukan Asam Asetat Limbah Cair Kakao pada Percobaan II selama 20 Hari Gambar IV.27. Penurunan ph Limbah Cair Kakao pada Percobaan II selama 20 Hari Gambar IV.28. Komposisi Gas Reaktor A pada Percobaan II selama 20 Hari Gambar IV.29. Komposisi Gas Reaktor B pada Percobaan II selama 20 Hari Gambar IV.30. Neraca Massa Reaktor A pada Percobaan I selama 20 Hari Gambar IV.31. Neraca Massa Reaktor B pada Percobaan I selama 20 Hari Gambar IV.32. Neraca Massa Reaktor A pada Percobaan II selama 20 Hari.. 80 Gambar IV.33. Neraca Massa Reaktor B pada Percobaan II selama 20 Hari.. 80 xi

15 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Data Hasil Penelitian Percobaan I Lampiran B Data Hasil Penelitian Percobaan II Lampiran C Pemeriksaan Chemical Oxygen Demand (COD) Lampiran D Pemeriksaan Volatile Suspended Solid (VSS) Lampiran E Pemeriksaan Kadar Alkohol Lampiran F Pemeriksaan Total Asam Volatil (TAV) Lampiran G Pemeriksaan Kadar Asam Asetat Lampiran H Skema Pengolahan Buah Kakao Menjadi Biji Kakao 98 Kering... Lampiran I Dokumentasi Peralatan yang Digunakan Lampiran J Metabolisme Mikroorganisme Lampiran K Hasil Pengukuran Gas dengan Gas Chromatography xii

16 DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG SINGKATAN Nama Pemakaian pertama kali pada halaman CBR Circulating Bed Reactor i COD Chemical Oxygen Demand i VSS Volatile Suspended Solid i TAV Total Asam Volatil 5 KTI Kawasan Timur Indonesia 8 DR Djati Runggo 10 UAH Upper Amazon Hybrid 10 kwh kilo watt hours 26 BTU British Thermal Units 26 TSS Total Suspended Solid 45 BOD Biological Oxygen Demand 45 DO Disolve Oxygen 45 FAS Ferro Amonium Sulfat 49 TCD Thermal Conductivity Detector 50 LAMBANG O 2 Rumus kimia gas oksigen i Hg + Rumus kimia ion merkuri 3 Mn 2+ Rumus kimia ion mangan 3 Cu Rumus kimia tembaga (cuprum) 3 CO 2 Rumus kimia karbon dioksida 3 ph Derajat keasaman 5 C 12 H 22 O 11 Rumus kimia amilum/pati 12 H 2 O Rumus kimia air 12 C 6 H 12 O 6 Rumus kimia glukosa 12 C 2 H 5 OH/ CH 3 CH 2 OH Rumus kimia etil alkohol/ etanol 12 xiii

17 Fe Rumus kimia besi (ferrum) 22 K Rumus kimia kalium 22 Na Rumus kimia natrium 22 Ca Rumus kimia kalsium 22 Mg Rumus kimia magnesium 22 H 2 Rumus kimia gas hidrogen 27 CH 3 COOH Rumus kimia asam asetat 27 CH 3 CH 2 CH 2 COOH Rumus kimia asam butirat 27 CH 3 CH 2 COOH Rumus kimia asam propionat 27 CH 4 Rumus kimia metana 28 CH 3 COCOOH Rumus kimia piruvat 32 CH 3 CHO Rumus kimia asetaldehid 32 K 2 Cr 2 O 7 Rumus kimia kalium dikromat 49 H 2 SO 4 Rumus kimia asam sulfat 80 Ag 2 SO 4 Rumus kimia perak sulfat 80 xiv