JUS TEKNO Jurnal Sains & Teknologi ISSN 2580-2801 PERANCANGAN BIOREAKTOR DAN MEMBRAN DENGAN PROSES ANAEROB DALAM PENGOLAHAN LIMBAH CAIR INDUSTRI MINYAK KELAPA SAWIT Rudi Rusdiyanto Jurusan Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Duta Bangsa Email : rudirusdiyanto95@gmail.com Abstrak Permintaan akan minyak sawit Indonesia di pasar internasional semakin meningkat setiap tahunnya. Laju permintaan konsumsi dan ekspor kelapa sawit untuk menghasilkan minyak sawit serta naik tingginya kebutuhan minyak sawit Indonesia mendorong pihak produsen untuk meningkatkan produksi industri minyak sawit seoptimal mungkin. Pengembangan industri minyak kelapa sawit ini menyerap banyak tenaga kerja, namun disisi lain menimbulkan limbah cair yang berbahaya bagi lingkungan Pengolahan limbah tersebut di harapkan mendapatkan kualitas dari limbah cair pabrik kelapa sawit agar tidak berbahaya bagi lingkungan, limbah cair kelapa sawit ini dapat di manfaatkan sebagai sumber energi alternatif dan limbah yang di hasilkan dari kegiatan industri kelapa sawit ini dapat mempunyai nilai ekonomis. Pengolahan limbah juga menghasilkan biogas yang dapat diaplikasikan sebagai bahan bakar boiler, biogas ini memiliki keunggulan dimana laju alir biogas ini dapat di atur dengan mudah sehingga tekanan steam boiler Pendahuluan Dampak pencemaran limbah cair sangat ditentukan oleh kandungan senyawa kimia yang terkandung dalam limbah cair, seperti mikroba patogen, senyawa organik terurai, senyawa organik sulit terurai, senyawa nutrien, padatan tersuspensi sedimen, padatan tersuspensi koloid, senyawa terapung, senyawa logam berat, senyawa anorganik terlarut, dan senyawa asam/basa. Ada beberapa parameter yang menjadi indikator dalam pengolahan limbah, yang dapat digunakan untuk menentukan apakah limbah tersebut memenuhi spesifikasi yang ditetapkan oleh pemerintah atau tidak, sebelum dibuang ke lingkungan. Parameterparameter tersebut antara lain ph, COD, BOD, kandungan logam, dan lain-lain. Sistem pengolahan limbah yang telah dilakukan selama ini dengan menggunakan sistem pengolahan limbah secara fakultatif. Dalam pengoperasiannya proses pengolahan limbah secara fakultatif sangat mahal dan diperlukan luas area pengolahan yang cukup besar, Vol. 01 No. 01 Mei 2017 124
lebih terkendali selain itu pemanfaatan biogas sebagai bahan bakar boiler dapat mengurangi pemakaian batubara dan solar sehingga dapat memberikan nilai tambah bagi perusahaan Kata Kunci : Limbah Cair, Proses Anaerob, Bioreaktor, Biogas, Nilai Ekonomis maka perlu diadakan suatu penelitian tentang uji teknologi lain pada pengolahan limbah minyak kelapa sawit. Proses yang akan dilakukan adalah proses pengolahan limbah menggunakan teknologi bioreaktor membran anaerob. Dasar Teori 2.1 Prinsip Dasar Proses 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. Masing-masing kelompok bakteri yang terlibat mempunyai substrat tertentu antara lain kelompok bakteri hidrolitik hanya memanfaatkan substrat berupa senyawa organik dengan molekul besar seperti karbohidrat, protein dan minyak-lemak, sedangkan kelompok bakteri asidogen hanya dapat memanfaatkan substrat yang lebih sederhana dengan molekul organik yang dihasilkan dari penguraian kelompok bakteri hidrolitik (misal glukosa, asam amino dan asam lemak bebas). Sementara itu, kelompok bakteri asetogen hanya memanfaatkan asam organik rantai sedang seperti asam propionat, 2.2 Pemilihan bioreaktor Pemilihan bioreaktor sangat ditentukan oleh jenis makhluk hidup yang digunakan, sifat media tumbuh makhluk hidup tersebut, parameter bioproses yang akan dicapai, dan faktor-faktor produksi. Optimasi bioproses dalam bioreaktor dapat dicapai dengan memasok: Sumber energi Nutrisi Inokulum sel atau makhluk hidup yang unggul Kondisi fisikokimiawi yang optimal Fungsi utama bioreaktor adalah dapat memberi kondisi lingkungan optimal dan terkendali dengan baik bagi biokatalis. Dengan demikian ada beberapa hal yang dipertimbangkan dalam perancangan bioreaktor, yaitu: Bentuk bioreaktor mudah untuk dioperasikan dan mudah pula dalam pemeliharaan. Aerasi dan agitasi harus dapat diatur sesuai dengan Vol. 01 No. 01 Mei 2017 125
butirat, laktat dan etanol. Selanjutnya produk akhir dari kelompok bakteri pembentuk asam berupa asam asetat akan dimanfaatkan oleh kelompok bakteri metanogen asetotrof untuk membentuk gas metan, sedangkan gas yang dihasilkan berupa gas CO2 dan H2 akan dimanfaatkan oleh kelompok bakteri metanogen hidrogenotrof untuk membentuk gas metan kebutuhan biokatalis untuk melakukan metabolisme secara optimal. Pengendalian suhu, ph, dan faktor fisika kimia lain merupakan bagian perlengkapan bioreaktor. Fasilitas pengambilan contoh sangat diperlukan untuk pengukuran parameter yang berguna dalam pemantauan kinerja bioreaktor. Bentuk geometri serupa pada penggandaan skala, karena umumnya bioreaktor diuji terlebih dahulu dalam skala kecil. Gambar 1. Proses penguraian limbah secara anaerob 2.3 Membran Membran secara umum adalah sebuah penghalang selektif antara dua fasa. Definisi ini merupakan definisi makroskopik, bukan pada tingkat mikroskopik. Definisi ini tidak menceritakan sama sekali tentang struktur maupun fungsi membran. Membran memiliki ketebalan yang berbeda-beda, ada yang tebal dan ada juga yang tipis. Strukturnya juga ada yang homogen maupun heterogen. Perpindahan molekul yang melewati membran dapat aktif maupun pasif. Perpindahan pasif terjadi karena perbedaan konsentrasi, tekanan maupun suhu. yang meliputi struktur organisasi, tanggung jawab, prosedur, proses, serta sumber daya dalam upaya mewujudkan kebijakan lingkungan yang telah digariskan oleh perusahaan. Sistem manajemen lingkungan memberikan mekanisme untuk mencapai dan menunjukkan performasi lingkungan yang baik, melalui upaya pengendalian dampak lingkungan dari kegiatan, produk dan jasa. Sistem tersebut juga dapat digunakan untuk mengantisipasi perkembangan tuntutan dan peningkatan performasi lingkungan dari konsumen, serta untuk memenuhi persyaratan peraturan lingkungan hidup dari pemerintah.tujuan secara menyeluruh dari penerapan sistem Vol. 01 No. 01 Mei 2017 126
Gambar 2 Membran berbentuk Hollow Fiber 2.3.1 Kelebihan Teknologi Membran Jika dibandingkan dengan teknologi pemisahan lainnya, keunggulan dari teknologi membran antara lain adalah : - Proses pemisahan dapat dilaksanakan secara berkesinambungan (continuous) - Konsumsi energi umumnya rendah - Dapat dengan mudah dipadukan dengan teknologi pemisahan lainnya (hybrid) - Umumnya dioperasikan dalam kondisi sedang (bukan pada tekanan dan temperatur tinggi) dan sifat membran mudah untuk dimodifikasi - Mudah untuk melakukan up-scaling - Tidak memerlukan aditif 2.4 Sistem Manajemen Lingkungan ISO 14001:2004 Sistem Manajemen Lingkungan merupakan bagian integral dari sistem manajemen perusahaan secara keseluruhan yang terdiri dari satu set pengaturan-pengaturan secara sistematis Metodologi Penelitian manajemen lingkungan (SML) ISO 14001 sebagai standar internasional yaitu untuk mendukung perlindungan lingkungan dan pencegahan pencemaran yang seimbang dengan kebutuhan sosial ekonomi. Manajemen lingkungan mencakup suatu rentang isu yang lengkap meliputi hal-hal yang berkaitan dengan strategi dan kompetisi. Penerapan ISO 14001 juga memberikan banyak manfaat bagi perusahaan. beberapa manfaat yang penting yaitu meningkatkan kinerja lingkungan, mengurangi biaya dan meningkatkan akses pasar. ISO 14001:2004 memiliki banyak manfaat diantaranya: menurunkan potensi dampak terhadap lingkungan meningkatkan kinerja lingkungan memperbaiki tingkat pemenuhan (compliance) peraturan mengurangi dan mengatasi resiko lingkungan yang mungkin timbul. dapat menekan biaya produksi dapat mengurangi kecelakaan kerja dapat memelihara hubungan baik dengan masyarakat, pemerintah dan pihak-pihak yang peduli terhadap lingkungan. dengan pola aliran cross-flow yaitu cairan merembes melewati pori membran sedangkan padatan biomassa tertahan dipermukaan Vol. 01 No. 01 Mei 2017 127
3.1 Rangkaian Alat Penelitian Peralatan utama penelitian ini terdiri dari bioreaktor dan membran. Membran Hollow Fiber ini mempunyai diameter modul 5 cm, lebar modul 35 cm, ukuran pori 0,01-0,1 mikron dan ph optimum membran ini yaitu: 7-7,5 Limbah Cair Tangki Equalisasi Bioreaktor Anaerob Gas Holder Sedimentasi Boiler Membran Gambar 3 Konfigurasi proses bioreaktor membran anaerob Air Hasil Olahan 3.2 Prosedur Percobaan Limbah cair dialirkan ketangki equalisasi untuk menetralisir temperatur dan kandungan kimia sebelum di masukkan ke bioreaktor anaerob. Untuk mencegah pengendapan, tangki equalisasi dilengkapi pengaduk. Selanjutnya, cairan dari bioreaktor anaerob yang berupa campuran lumpur biomassa atau limbah cair industri minyak sawit dialirkan menuju unit pemisah yaitu sedimentasi melalui pompa sentrifugal.sedangkan hasil pengolahan pada bioraktor anaerob berupa gas di alirkan ke gas holder sebelum di gunakan pada boiler atau pembangkit listrik. pada unit sedimentasi limbah cair dipisahkan setelah itu limbah cair ini di saring dengan menggunakan membran membran dan akan terbawa aliran kembali kedalam bioreaktor anaerob. Cairan yang menembus pori membran disebut permeat dan padatan biomassa yang tertahan dan selanjutnya terbawa aliran ke bioreaktor disebut retentat. 3.3 Kondisi Optimum Bioreaktor Anaerob Tahap penentuan kondisi optimum bioreaktor anaerob bertujuan untuk menentukan kondisi operasi bioreaktor anaerob dalam mengolah limbah cair industri minyak sawit dan sekaligus menentukan kondisi optimum bioreaktor fasa asidogenesis. Tahap penentuan kondisi optimum bioreaktor anaerob dilakukan dengan variabel WTC 24, 48 dan 72 jam pada suhu 35 o C. Selama operasional, data-data yang selalu diamati nilai COD (chemical oxygen demand), ph, BOD (biochemical oxygen demand) dan persen effisiensi penyisihan limbah sebelum dan setelah di lewatkan membran Hasil dan Pembahasan 4.1 Spesifikasi Bioreaktor Anaerob Bioreaktor anaerob terbuat dari bahan Stainless steel dan dilengkapi dengan lubang inlet untuk memasukkan substrat, valve untuk membuka dan menutup lubang inlet, lubang untuk memeriksa suhu dan ph, dua kran outlet yang digunakan untuk saluran pembuangan pada bagian dasar dan bagian atas. Vol. 01 No. 01 Mei 2017 128
Tekanan di membran terbaca pada alat pengukur tekanan sebelum dan sesudah membran. Cairan akan melewati membran Tabel spesifikasi bioreaktor anaerob Tabel spesifikasi membran Gambar 5 Foto Scanning Electron Microscope (SEM) luas penampang membran hollow fiber 4.2 Biogas Sebagai Alternatif Energi Biomassa Biogas merupakan bahan bakar gas dan bahan bakar yang dapat Vol. 01 No. 01 Mei 2017 129
diperbaharui (rewenable fuel) yang dihasilkan secara anaerobic digestion Kandungan utama biogas adalah gas metana (CH4) dengan konsentrasi sebesar 50-80% kandungan lain dalam biogas yaiu gas karbon monoksida (CO), gas hidrogen (H2), gas karbon dioksida (CO2), gas nitrogen (N2) dan gas hidrogen sulfida (H2S) Gambar 4 Spesifikasi bioreaktor anaerob Berdasarkan analisis terhadap parameter ph dapat dilihat bahwa nilai ph mendekati konstan dan tidak dipengaruhi oleh peningkatan pembebanan organik. di dalam bioreaktor anaerob terjadi proses metanogenik yaitu penguraian asam asetat menjadi metan oleh bakteri metanogen. substrat utama untuk bakteri pembentuk metan adalah asam asetat yang berasal dari proses degradasi limbah indusrti kelapa sawit. bila penurunan nilai ph ini tidak dikontrol maka akan menyebabkan kegagalan proses. Gambar 6 Grafik Perbandingan Waktu Tinggal Cairan Vs Effisiensi Penyisihan COD Berdasarkan analisis terhadap parameter COD dapat dilihat bahwa semakin lama waktu tinggal cairan atau limbah industri kelapa sawit pada bioreaktor maka semakin tinggi juga effisiensinya hal ini di sebabkan karena mikroorganisme dalam reaktor Gambar 8 Grafik Perbandingan Waktu Tinggal Cairan Vs Effisiensi Penyisihan BOD Vol. 01 No. 01 Mei 2017 130
mempunyai waktu kontak yang lebih lama dalam mendegradasi senyawa organik yang ada di air limbah sehingga COD removal besar. Untuk waktu tinggal (Rt) 24 jam efisiensi pengurangan COD sebesar 78,66 % dan untuk waktu tinggal (Rt) 48 jam efisiensi pengurangan COD sebesar 82,88 % waktu tinggal (Rt) 72 jam efisiensi pengurangan COD sebesar 86,20 % Gambar 7 Grafik Perbandingan Waktu Tinggal Cairan Vs Keasaman (ph) Fluks (L/ m2.jam) 350 300 250 200 150 100 50 0 5 15 30 50 70 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 Waktu (menit) Membran 0,05 mm Membran 0,10 mm Membran 0,15 mm Gambar 9 Grafik Perbandingan Waktu Vs Fluks membran selama proses Berdasarkan hasil analisis terhadap parameter BOD dapat dilihat bahwa semakin lama waktu tinggal cairan atau limbah industri kelapa sawit pada bioreaktor maka semakin tinggi juga effisiensinya hal ini di sebabkan karena mikroorganisme dalam reaktor mempunyai waktu kontak yang lebih lama dalam mendegradasi senyawa organik yang ada di air limbah, sehingga BOD removal besar. Untuk waktu tinggal (Rt) 24 jam efisiensi pengurangan BOD sebesar 45,11 % dan untuk waktu tinggal (Rt) 48 jam efisiensi pengurangan BOD sebesar 48,69 % waktu tinggal (Rt) 72 jam efisiensi pengurangan BOD sebesar 64,74 % Kesimpulan 1. Proses anaerob mempunyai banyak keunggulan bila di bandingkan dengan proses konvensional antara lain dapat mengolah bahan organik yang lebih tinggi dan lahan yang digunakan lebih sempit serta dapat menghasilkan biogas yang dapat di gunakan sebagai bahan bakar 2. Pengolahan air limbah menggunakan kombinasi proses anaerob-membran menghasilkan effluent yang memenuhi persyaratan air minum, tidak berwarna, sehingga dapat di recycle lagi untuk proses produksi Saran Perusahaan harus lebih efektif dalam mengolah limbah cairnya dan memantau limbah cair sebelum di di lepaskan ke perairan dan melakukan Vol. 01 No. 01 Mei 2017 131
pengolahan Berdasarkan hasil analisa fluks membran dengan ketebalan 0,05 mm pada tekanan 0,7 bar di mulai pada 318 L/m 2.jam kemudian dengan menaikkan tekanan 1,4 bar fluks cairan mencapai 222 L/m 2.jam dan pada saat tekanan di naikkan lagi menjadi 2,1 bar fluks cairan menjadi 171 L/m 2.jam. penurunan nilai ini disebabkan oleh adanya peristiwa fouling yang menyebabkan penurunan seiring dengan waktu penyaringan. Peristiwa fouling ini disebabkan oleh kotoran kotoran yang masih terkandung dalam feed dan terdorong oleh tekanan sehingga dapat menyebabkan tertutupnya pori pada membran dan menyebabkan penurunan fluks.peristiwa fouling yang terjadi pada membran dengan ketebalan 0,05 mm juga terjadi pada penyaringan membran dengan ketebalan 0,10 mm dan membran dengan ketebalan 0,15 mm. hasil analisa keragaman menunjukkan bahwa ketebalan membran tidak memberikan pengaruh nyata pada fluks cairan inovasi pengolahan limbah cair bekerja sama dengan instansi terkait dan perguruan tinggi. Daftar Pustaka 1. Ahmad, A. dan Wenten, I. G. 1999. Membran Bioreaktor anaerob Untuk Pengolahan Limbah Cair Industri Minyak Kelapa sawit, Proceding Seminar Tekonologi Proses Kimia I. FT. Universitas Indonesia. Jakarta. 2. ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII Division -1 edition 2010, Rules for Construction of Pressure Vessels July 1,2010 3. John W.Dufour, William E.Nelson, Centrifugal Pump Sourcebook, Mc Graw-Hill, Inc, 1992 4. Peter, M.S and Timmerhaus, K.D 1968. Plant Design and Economic for Chemical Engineers 2 ed. Mc Graw Hill Bok Company, inc. New York Vol. 01 No. 01 Mei 2017 132