TUGAS DESAIN TEKNIK LINGKUNGAN (DTL) II

TL-4102

APLIKASI TEKNOLOGI ANAEROBIC DIGESTER TERHADAP LIMBAH

KELAPA SAWIT

KELOMPOK 1

Indah Alvernia (15312002)

Sri Wahyuni (15312004)

Luthfia Armanda (15312006)

Tammya Ayu Purnomo (15312010)

Diga Dwayanuarza Dely (15312012)

Yoanne Maretha Siswaya (15312014)

Noviani Ima Wantoputri (15312016)

Ni Made Dwi Sastriani (15312018)

Zuha'a Millatika (15312020)

Sarasmita Arsita Sutiyanta (15312022)

Dea Amelia (15312024)

Sumayya (15312026)

Kiki Kumala Putri (15312028)

Tania Alpiani (15312030)

PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN

FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2015

i

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI ..................................................................................................................... i

DAFTAR GAMBAR........................................................................................................ii

DAFTAR TABEL ............................................................................................................ii

1. Jumlah Limbah Yang Akan Diolah........................................................................... 1

2. Rumus Kimia Limbah Kelapa Sawit......................................................................... 3

3. Proses Yang Terjadi Pada Proses Biogas Dari Limbah Kelapa Sawit ...................... 3

4. Faktor Yang Mempengaruhi Produksi Biogas Dari Limbah .................................... 6

4.1. Faktor Yang Mempengaruhi Pembentukan Biogas ........................................... 6

4.2. Gas Yang Diproduksi......................................................................................... 9

4.3. Penangkapan Gas ............................................................................................. 10

4.4. Waktu yang Dibutuhkan untuk Proses............................................................. 11

5. Perhitungan ............................................................................................................. 12

5.1. Perhitungan jumlah gas yang dihasilkan ......................................................... 12

5.2. Perhitungan Volume Reaktor........................................................................... 14

6. Gambaran Reaktor Yang Akan Digunakan ............................................................. 17

7. Kegunaan Hasil Proses Anaerobic Digester ........................................................... 20

8. Kelebihan dan Kekurangan Anaerobic Digester ..................................................... 21

8.1. Kelebihan ......................................................................................................... 21

8.2. Kekurangan ...................................................................................................... 22

DAFTAR ISI .................................................................................................................. 23

ii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1 Proses yang terjadi pada beo digester .............................................................. 6

Gambar 2 Alat pengaduk stainless ................................................................................. 19

Gambar 3 Gas Analyzer ................................................................................................. 20

DAFTAR TABEL

Tabel 1 Jumlah Limbah Padat Kelapa Sawit .................................................................... 1

Tabel 2 Tabel Rata- rata berat Limbah Padat Kelapa Sawit dalam Setahun .................... 1

Tabel 3 Karakteristik Limbah Padat Kelapa Sawit .......................................................... 2

Tabel 4 Kandungan hara limbah kelapa sawit .................................................................. 2

Tabel 5 Kandungan Tandan Kosong, Serat dan Cangkang .............................................. 2

Tabel 6 Komposisi kimiawi tandan kosong kelapa sawit ................................................ 3

Tabel 7 Produksi gas ...................................................................................................... 10

1

1. Jumlah Limbah Yang Akan Diolah

Limbah padat yang keluar dari PKS (Pabrik Kelapa Sawit) meliputi tandan

kosong (tankos) dengan persentase sekitar 23% terhadap TBS, abu boiler (sekitar 0.5%

terhadap TBS), serat (sekitar 13.5% terhadap TBS) dan cangkang (sekitar 5.5% terhadap

TBS).

Tabel 1 Jumlah Limbah Padat Kelapa Sawit

Jenis Potensi/Ton

TBS (%)

Tandan Kosong 23,0

Wet Decanter Solid 4,0

Cangkang 6,5

Serabut (Fiber) 13,0

Limbah Cair 50,0

Air Kondensat

sumber : Tim PT.SP (2000)

Sebuah PKS dibangun dengan kapasitas 60 ton/ jam maka untuk operasional 20

jam akan menghasilkan 1200 ton x 67% = 804 ton limbah cair dan 1200 ton x 25 % =

300 ton Limbah Padat. Dalam waktu 1 tahun rata- rata PKS dengan kapasitas olah 60 ton

TBS/jam menghasilkan LCPKS 804 ton x 25 x 12= 241.200 ton dan Limbah Padat 300

ton x 25 x 12 = 90.000 ton.

Tabel 2 Tabel Rata- rata berat Limbah Padat Kelapa Sawit dalam Setahun

Sumber : Ma et. al (2004)

Rata-rata caloric value (kJ/kg) Kisaran (kJ/kg)

TKKS 18795 18000-19920

Serat 19055 18800-19580

Cangkang 20093 19500-20750

Batang 17471 17000-17800

Pelepah 15719 15400-15680

2

1 ton Tandan Buah Segar (TBS)= 250 kg TKKS (kadar air 65% dalam buah

segar).

Tabel 3 Karakteristik Limbah Padat Kelapa Sawit

No Karakteristik Persetase

1 Kadar air, % 30

2 Kadar abu, % 17.15

3 Kadar zat terbang, % (volatile matter) 29.03

4 Kadar karbon terikat, % (fixed carbon) 53.82

5 Keteguhan tekan, kg/cm2 2.10

6 Nilai kalor, kal/g 2278.00

Kadar Organik pada limbah padat kelapa sawit adalah 45%.

Tabel 4 Kandungan hara limbah kelapa sawit

No Limbah Kelapa Sawit Kandungan atas dasar % berat kering

N P K Mg Ca

1 Batang pohon 0,488 0,047 0,699 0,117 0,194

2 -Pelepah

-Daun

2,38

0,373

0,157

0,066

1,116

0,873

0,287

0,161

0,568

0,295

3 Tandan Kosong 0,350 0,028 2,285 0,175 0,149

4 Serat buah 0,320 0,080 0,470 0,020 0,110

5 Cangkang 0,330 0,010 0,090 0,020 0,020

Sedangkan kandungan hara dalam abu hasil pembakaran tandan kosong dan serat

serta cangkang dapat dilihat pada Tabel 5. berikut ini:

Tabel 5 Kandungan Tandan Kosong, Serat dan Cangkang

Abu hasil pembakaran Kandungan hara (%)

P K Ca

3

Tandan kosong 1,25-2,18 24,9-32,3 5,4

Serat dan cangkang 1,74-2,61 16,6-24,9 7,1

2. Rumus Kimia Limbah Kelapa Sawit

Rumus kimia tandan kosong kelapa sawit : C6H10O5N0,3 (kandungan selulosa)

Tabel 6 Komposisi kimiawi tandan kosong kelapa sawit

Parameter Nilai

(%)

Lignin 17-20

Alfa-selulosa 43-44

Pentosan 27

Hemiselulosa 34

Abu 0.7- 4.0

Silika 0.2

Lignin 17-20

Sumber: Dian Anggraini & Han Roliadi, 2011

3. Proses Yang Terjadi Pada Proses Biogas Dari Limbah Kelapa Sawit

Biogas merupakan bahan bakar gas (biofuel) dan bahan bakar yang dapat

diperbaharui (renewable fuel) yang dihasilkan secara anaerobic digestion atau fermentasi

anaerob dari bahan organik dengan bantuan bakteri metana seperti Methanobacterium sp

Proses pembuatan biogas dilakukan secara fermentasi yaitu proses terbentuknya

gas metana dalam kondisi anaerob dengan bantuan bakteri anaerob di dalam suatu

digester sehingga akan dihasilkan gas metana (CH4) dan gas karbon dioksida (CO2) yang

volumenya lebih besar dari gas hidrogen (H2), gas nitrogen (N2) dan gas hydrogen sulfida

(H2S). Proses fermentasi memerlukan waktu 7 sampai 10 hari untuk menghasilkan biogas

dengan suhu optimum 35oC dan pH optimum pada rentang 6,4 – 7,9. Bakteri pembentuk

biogas dibagi menjad 3 kelompok, yaitu :

1. Kelompok bakteri fermentatif : Steptococci, bacteriodes dan Enterobactericeae.

2. Kelompok bakteri asetogenik : Desulfovibrio. 3.

4

3. Kelompok bakteri metana : Methanobacterium, Methanobacellus dan

Methanococcus.

Biogas yang dibuat dari kotoran ternak sapi mengandung gas CH4 sebesar 55 –

65%, gas CO2 sebesar 30 – 35% dan sedikit gas hidrogen (H2), gas nitrogen (N2) dan gas

– gas lain. Panas yang dihasilkan sebesar 600 BTU/cuft. Sedangkan, biogas yang dibuat

dari gas alam mengandung gas CH4 sebesar 80 % dengan panas sebesar 1000 BTU/cuft.

Kandungan gas CH4 dari biogas dapat ditingkatkan dengan memisahkan gas CO2 dan gas

H2S yang bersifat korosif.

Reaksi pembentukan metana (Price and Paul, 1981) dari bahan – bahan organik

yang dapat terdegradasi dengan bantuan enzim maupun bakteri dapat dilihat sebagai

berikut:

Sebagai contoh, pada pembuatan biogas dari bahan baku kotoran sapi atau kerbau

yang banyak mengandung selulosa. Bahan baku dalam bentuk selulosa akan lebih mudah

dicerna oleh bakteri anaerob. Reaksi pembentukan CH4 adalah :

Kondisi operasi pada pembuatan biogas (http://digilib.petra.ac.id, 2003), antara

lain :

Temperatur = 20 – 40 oC (paling optimum pada T = 35oC)

Tekanan gas = 20 - 25 cmH2O atau 0,02 – 0,024 atm

Rasio C/N = 30

pH = 6,8 – 8,0

Rasio bahan baku/air = 2 : 3

5

Reaksi kimia pembuatan biogas (gas metana) ada 3 tahap, yaitu :

1. Reaksi Hidrolisa / Tahap pelarutan

Pada tahap ini bahan yang tidak larut seperti selulosa, polisakarida dan lemak

diubah menjadi bahan yang larut dalam air seperti karbohidrat dan asam lemak.

Tahap pelarutan berlangsung pada suhu 25o C di digester

(http://digilib.petra.ac.id, 2003). Reaksi:

2. Reaksi Asidogenik dan Asetogenesis

Pada tahap ini, bakteri asam menghasilkan asam asetat dalam suasana anaerob.

Tahap ini berlangsung pada suhu 25o C di digester (http://digilib.petra.ac.id,

2003). Reaksi:

3. Reaksi Metanogenik / Tahap pasifikasi

Pada tahap ini, bakteri metana membentuk gas metana secara perlahan secara

anaerob. Proses ini berlangsung selama 14 hari dengan suhu 25o C di dalam

digester. Pada proses ini akan dihasilkan 70% CH4, 30 % CO2, sedikit H2 dan

H2S (http://digilib.petra.ac.id, 2003). Reaksi:

Secara keseluruhan proses yang terjadi pada bio-digester digambarkan pada

Gambar 1.

6

Gambar 1 Proses yang terjadi pada beo digester

Sehingga, reaksi keseluruhan

𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑥 + (𝑥 +1

4𝑦−

1

2𝑧) 𝐻2𝑂(

1

2𝑥−

1

8𝑦+

1

4𝑧)𝐶𝑂2 + (

1

2𝑥−

1

8𝑦+

1

4𝑧)𝐶𝐻4

Senyawa Kompleks CH4 + CO2

Metana dan karbon dioksida merupakan produk utama dari proses anaerobik.

Gas-gas ini berjumlah 75-80% dari gas yang dihasilkan sedangkan sisanya adalah

hidrogen sulfida, nitrogen, dan hidrogen.

4. Faktor Yang Mempengaruhi Produksi Biogas Dari Limbah

4.1. Faktor Yang Mempengaruhi Pembentukan Biogas

Dalam operasi biologis dengan Anaerobic Digester, terdapat banyak faktor yang

akan memperngaruhi pembentukkan biogas dari limbah yang diproses, diantaranya

adalah Hydraulic Retention Time (HRT), Solid Retention Time (SRT) atau dikenal juga

dengan waktu tinggal sel, organic loading rate, pencampuran, pH, alkalinitas,

temperatur, dan konfigurasi reaktor.

1. Hydraulic Retention Time (HRT)

7

HRT, 𝜃 (hari) merupakan waktu rata-rata dari suatu reaktor untuk memproses

sludge di dalam reaktor. HRT merupakan rasio dari volume reaktor dengan debit

influen. Nilai HRT penting untuk desain dan operasi reaktor karena merupakan

lamanya substrat dan senyawa yang ingin disisihkan untuk berkontak dengan

biomassa di dalam reaktor. Dalam mendesain reaktor penting untuk

menyesuaikan waktu retensi agar destruksi volatile solids dapat berjalan.

2. Solids Retention Time (SRT)

SRT atau waktu tinggal sel didefinisikan sebagai jumlah organisme di dalam

reaktor dibagi dengan jumlah organisme yang dikeluarkan dari sistem setiap

harinya. SRT dinotasikan sebagai 𝜃𝑐. Penentuan SRT penting karena apabila SRT

terlalu rendah, maka organisme yang bekerja akan tersisihkan. Sebaliknya,

apabila SRT terlalu tinggi maka akan terjadi keterbatasan nutrien dalam sistem.

SRT mempengaruhi kondisi pertumbuhan optimal dari organisme dalam reaktor,

dan akan mengubah ekologi mikroba. SRT sama dengan HRT pada kondisi tidak

ada daur ulang solid. SRT yang lebih panjang akan menstabilkan proses,

menurunkan jumlah sludge yang diproduksi, dan meningkatkan biogas yang

terbentuk. Menurut Rittmann & McCarty (2001), minimum SRT untuk anaerobic

CSTR pada 35oC adalah 10 hari.

3. Organic Loading Rate

Organic Loading Rate (OLR) diartikan sebagai jumlah volatile solids yang

ditambahkan setiap harinya per volume reaktor (Vesiling, 1998) atau jumlah

BOD atau COD yang dikondisikan pada setiap volume reaktor per hari

(Tchobanoglous et al.,2003). OLR berkaitan dengan HRT dengan persamaan

berikut:

𝑂𝐿𝑅 =(𝑄)(𝐶𝑉𝑆)

𝑉𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟=

𝐶𝑉𝑆

𝐻𝑅𝑇

Dimana:

OLR = Organic Loading Rate (Beban laju organik) (m3/hari)

CVS = Konsentrasi volatile solids (kg VS/m3)

Vreactor = Volume reaktor (m3)

HRT = Hydraulic Retention Time

Apabila tidak dilakukan daur ulang, maka HRT=SRT, maka:

8

𝑂𝐿𝑅 =𝐶𝑉𝑆

𝑆𝑅𝑇

Volatile Solids (VS) terdiri dari biomassa aktif dengan konsentrasi X, sel yang

meluruh, dan VS yang non-biodegradable (Tchobanoglous et al., 2003). Menurut

Rittmann & McCarty (2001), OLR yang direkomendasikan untuk Anaerobic

Digestion dengan debit besar adalah 1,6-4,8 kg VSS/(m3.hari), dan untuk debit

yang kecil (tanpa panas dan pencampuran) adalah 0,5-1.6 kg VSS/(m3.hari).

Apabila laju beban pada anaerobic digestion terlalu tinggi untuk kondisi sistem,

dua perjalanan metanogenesis akan terhambat, dimana akan menghasilkan

akumulasi dari asam lemak volatil dalam reaktor. Kehadiran asam lemak volatil

dalam reaktor dapat menurunkan pH dan membuat kondisi reaktor asam, atau

gagal.

4. Pengadukan (Mixing)

Pengadukan adalah parameter lainnya yang penting untuk dipertimbangkan

dalam desain anaerobic digester. Pengadukan meningkatkan laju kinetis dari

proses anaerobic digestion, mempercepat proses konversi biologis.Selain itu,

pengadukan membuat pemanasan yang seragam pada reaktor (Tchobanoglous,

2003). Pengadukan dapat dilakukan dengan cara mekanis menggunakan impeller

atau turbin yang digerakkan atau dengan injeksi gas menggunakan sparger.

5. pH

pH dalam proses anaerobic digestion harus dijaga antara 6,6-7,6 (Rittmann &

McCarty, 2001). Selama penjalanan digester, overloading, atau instabilitas, asam

organik adalah produk intermediate yang diproduksi mikroorganisme. Kehadiran

asam organik menurunkan pH, menurunkan produksi metana, dan menyebabkan

kegagalan reaktor.

6. Alkalinitas

Alkalinitas adalah kapasitas air dapat menetralkan asam. Pada anaerobic

digestion, persentase normal dari CO2 pada fase gas adalah 25 – 45%. Alkalinitas

antara 500-900 mg/L CaCO3 diperlukan untuk pH lebih dari 6,5. Penambahan

kapur, NaOH, dan ammonia dapat dipilih untuk meningkatkan alkalinitas.

Hubungan pH dengan alkalinitas dapat dilihat pada persamaan berikut

𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝑎1 + log (𝑎𝑙𝑘.

𝑏𝑖𝑘𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑎𝑡50000

([𝐶𝑂2(𝑔)]

𝐾𝐻 ))

9

7. Temperatur

Pertumbuhan bakteri dipengaruhi reaksi kimia yang kompleks dan laju reaksi dari

seluruh reaksi kimia sangat tergantung pada temperatur. Umumnya, laju bakteri

baertambah dua kali setiap kenaikan 10oC, dan beragam untuk setiap spesiesnya.

Diatas temperatur normal, untuk beberapa jenis bakteri akan mengalami

denaturasi enzim sehingga kehilangan fungsi dan strukturnya dan

mikroorganisme akan mati. Untuk anaerob digestion mesofilik, rentang

temperaturnya adalah 10 – 300C. Diatas 400C, akan terjadi denaturasi enzim. Pad

termofilik, temepratur berentang pada 55 – 650C. Laju produksi metana akan 50-

100% lebih tinggi pada termofilik daripada mesofilik.

8. Rasio C:N

Hubungan jumlah karbon dan nitrogen yang hadir dalam material organik

direpresentasikan sebagai rasio C:N. Rasio C:N yang optimal untuk anaerobic

digester adalah antara 20 – 30. Tingginya rasio C:N adalah indikasi dari cepatnya

konsumsi nitrogen oleh metanogen dan menghasilkan rendahnya gas yang

diproduksi. Di sisi lain, rasio C:N yang rendah menyebabkan akumulasi ammonia

dan nilai pH dapat melebihi 8,5, dan menjadi toksik bagi bakteri metanogen.

Untuk membuat rasio C:N optimal, dapat dilakukan dengan mencampurkan

limbah yang rendah dan tinggi akan rasio C:N nya, seperti limbah padat organik

yang dicampur dengan kotoran hewan.

9. Produksi Gas

Aklaku et al. (2006) menggunakan portable gas analyzer untuk menganalisa

komposisi gas dari anaerobic digester. Setelah dianalisa, diketahui bahwa

ammonia tidak ada dalam gas dan H2S 0,002% berat. Apabila H2S diabaikan,

perhitungan CO2 dan CH4 dapat menggunakan persamaan : CH4 = 100 – CO2

4.2. Gas Yang Diproduksi

Komposisi biogas berbeda dari gas alami, namun cukup mirip dengan gas landfill.

Gas landfill memiliki jumlah senyawa halogen yang signifikan dan terkadang kandungan

oksigen tinggi saat ada oksigen yang terserap ketika pengumpulan landfill. Nilai kalor

gas alami adalah 36,14 MJ/m3 sementara 21,48 MJ/m3 untuk biogas. Komposisi biogas

akan bervariasi tergantung komposisi limbahnya.

10

Biogas yang dihasilkan dari proses anaerobic digestion umumnya terdiri dari

metana, karbon dioksida, dengan hidrogen sulfida dalam jumlah sedikit dan ammonia.

Selain itu terdapat juga jejak dari hidrogen, nitrogen, karbon monoksida, dan oksigen

terkadang muncul dalam biogas, seperti pada tabel berikut

Tabel 7 Produksi gas

Senyawa gas Unit Jumlah

Metana CH4 %Volume 55-70

Etana C2H6 %Volume 0

Propana C3H8 %Volume 0

Butana C4H10 %Volume 0

Pentana %Volume 0

CO2 %Volume 30-45

Nitrogen (N2) %Volume 0-2

VOC %Volume 0

Hidrogen (H2) %Volume 0

Hidrogen Sulfida (H2S) Ppm ~500

Ammonia (NH3) Ppm ~100

Karbon monoksida (CO) ppm 0

http://uk.dgc.dk/pdf/Sevilla2000.pdf

Menurut Saleh et al. (2010) tipikal biogas yang dihasilkan dari proses anaerobic

digestion mengandung metana 60%, karbon dioksida 35%, hidrogen sulfida 3%,

hidrogen 1%, dan ammonia beserta gas lainnya 5%. Sisa yang lainnya disebut digestate

yang kaya akan nutrien yang baik untuk memperbaiki struktur tanag atau pupuk cair.

4.3. Penangkapan Gas

Gas yang dihasilkan dari proses dekomposisi dalam anaerobic digester umumnya

adalah gas metan yang mudah meledak. Gas ini relatif tidak berbau sehingga sulit untuk

mendeteksi jika terjadi kebocoran. Oleh karena itu, penangkapan dan penyimpanan gas

hasil anaerobic digester ditampung dalam wadah penyimpanan khusus yang disimpan

pada area yang tertutup dan selanjutnya gas dapat dialirkan menuju alat yang akan

menggunakan gas tersebut. Wadah penyimpanan juga berfungsi sebagai penjaga tekanan

11

gas sehingga dapat menyediakan tekanan yang cukup untuk pemakaian gas selanjutnya.

Wadah harus terbuat dari material yang bersifat innert dan tahan korosi. Gas selanjutnya

dapat dipakai untuk memproduksi listrik ataupun sebagai bahan bakar.

Sebelum menuju wadah penyimpanan, dipasang juga saluran gas yang berfungsi

mengalirkan gas menuju wadah. Saluran harus terbuat dari bahan yang anti karat, seperti

polimer. Selanjutnya, gas dialirkan menuju wadah penyimpanan. Terdapat dua jenis

wadah penyimpan gas, yaitu :

1. Floating dome

Wadah menyatu dengan komponen utama anaerobic digester

2. Fixed dome

Wadah terpisah dengan komponen utama anaerobic digester

Volume wadah penyimpanan untuk gas sebaiknya sebesar 1/5 dari volume padatan dan

cairan dari reaktor.

4.4. Waktu yang Dibutuhkan untuk Proses

Waktu yang diperlukan selama proses anerobik dapat disebut juga Hydraulic

Retention Time (HRT), 𝜃 (hari), didefinisikan sebagai rata-rata jumlah waktu yang

diperlukan suatu reaktor untuk mendigesti sejumlah volume lumpur organik yang berada

di dalamnya secara aktif. Dapat dihitung dengan formula:

𝜃 =𝑣

𝑞

dimana,

𝜃 = HRT (hari)

𝑉 = Volume Reaktor (m3)

𝑄 = Influent Flow Rate (m3/hari) (Rittmann & McCarty, 2001)

Waktu retensi hidrolik sangat penting untuk operasi dan desain reaktor karena

factor ini menentukan berapa lama substrat dan zat target yang ingin dihilangkan akan

berkontak dengan biomassa di dalam reaktor. Reaksi kinetic dari proses metanogenesis

dan fermentasi adalah rate pembatas dalam digesti anaerobic (Khanal, 2009).

Metanogenesis merupakan yang paling sering menjadi langkah rate-limiting. Garfi et al.

(2011) meneliti bahwa untuk digesti anaerobik psychrophilic pada temperature 10oC

untuk polyethylene pada digester anaerobic berbentuk tabung tanpa proses mixing

direkomendasikan Solid Retention Time (SRT) selama 70 hari. Pada temperature 30oC

12

direkomendasikan SRT selama 20 sampai 30 hari. Sangat penting untuk mendesain

waktu retensi yang cukup untuk membiarkan pendestruksian zat padat tervolatilisasi

(Vesilind, 1998).

Solid Retention Time atau waktu tinggal sel dapat didefinisikan sebagai “massa

organisme di dalam reaktor dibagi dengan massa organisme yang dihilangkan dari sistem

setiap harinya” (Rittmann&McCarty, 2001). Dapat dihitung dengan:

𝜃𝑐 =𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑎𝑘𝑡𝑖𝑓 𝑑𝑖 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚

𝑙𝑎𝑗𝑢 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘𝑠𝑖 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑎𝑘𝑡𝑖𝑓=

𝑉 × 𝑋

𝑄𝑤 × 𝑋𝑤

Dimana,

𝜃𝑐 = Solid Retention Time (hari)

𝑉 = Volume Reaktor (m3)

𝑋 = Konsentrasi Sel dalam Reaktor

𝑄𝑤 = Laju Aliran yang keluar dari reaktor

𝑋𝑤 = Konsentrasi sel yangterdapat pada aliran yang keluar dari reaktor

Penentuan SRT sangat penting karena jika tidak cukup maka akan ada washout

organisme. Jika SRT terlalu lama maka sistem akan kekurangan nutrient. SRT

mempengaruhi organisme manna yang memiliki kondisi pertumbuhan optimal di dalam

reaktor dan mengubah ekologi mikroba dalam sistem. SRT akan sama dengan HRT jika

tidak ada pemakaian ulang padatan (Vesilind, 1998). Peningkatan SRT akan

meningkatkan luasnya reaksi yang terlibat dalam proses lengkap digesti anaerobik

(Vesilind, 1998) SRT yang lebih panjang akan menstabilkan proses, menurunkan

produksi lumpur dan meningkatkan produksi biogas (Rittmann&McCarty, 2001)

Menurut Rittmann&McCarty (2001), SRT minimum untuk CSTR anaerobik pada suhu

35oC adalah 10 hari. Sedangkan menurut Polprasert (1989) untuk temperature 25-40oC

diperlukan SRT 10-60 hari.

Waktu retensi juga dipengaruhi oleh komposisi limbah. Untuk rasio COD:N:P

sebesar 100:5:1, rasio C/N sebesar 20-30 dan total solid 5-10% dibutuhkan HRT sebesar

30-40 hari (Polprasert, 1989).

5. Perhitungan

5.1. Perhitungan jumlah gas yang dihasilkan

Data Perencenaan

13

Jumlah limbah padat yang diolah : 300 ton = 300000 kg per 20 jam

Rumus kimia tandan kosong kelapa sawit : C6H10O5N0,3 (kandungan selulosa)

Kadar air sampah : 30%

Jumlah materi organik : 45% dari berat kering

Berat jenis CO2 : 1,981 kg/m3

Berat jenis CH4 : 0,719 kg/m3

Reaksi kimia

CaHbOcNd + (4𝑎−𝑏−2𝑐+3𝑑

4)H2O (

4𝑎+ 𝑏−2𝑐−3𝑑

8) 𝐶𝐻4 + (

4𝑎−𝑏+2𝑐+3𝑑

8) 𝐶𝑂2 +

dNH3 + ΔE

Dengan rumus kimia C6H10O5N0,3, maka :

a = 6 ; b = 10 ; c = 5 ; d = 0,3

Sehingga diperoleh reaksi kimia sebagai berikut.

C6H10O5N0,3 + ((4𝑥6)−10−(2𝑥5)+(3𝑥0,3)

4)H2O (

(4𝑥6)+ 10−(2𝑥5)+(3𝑥0,3)

8) 𝐶𝐻4 +

((4𝑥6)−10+(2𝑥5)+(3𝑥0,3)

8) 𝐶𝑂2 + dNH3 + ΔE

C6H10O5N0,3 + 1,225 H2O 2,8875 𝐶𝐻4 + 3,1125 𝐶𝑂2 + 0,3 NH3 + ΔE

Perhitungan

Berat kering sampah = kadar kering sampah x jumlah sampah

= 0,7 x 300.000 = 210.000 kg

Jumlah materi organik = 0,45 x berat kering sampah = 0,45 x 210.000 = 94.500 kg

1 mol C6H10O5N0,3 = 166,2 gr

Nilai 166,2 gr diperoleh dari nilai Mr C6H10O5N0,3 = (12x6) + 10 + (16x5) + (14x0,3)

= 166,2 gr

Dari persamaan reaksi :

CH4 = 2,8875 mol 𝑥 94.500 kg

166,2 gr x 16 gr/mol = 9097,473 kg

CO2 = 3,1125 mol 𝑥 94.500 kg

166,2 gr x 44 gr/mol = 25018,05 kg

14

Volume CH4 = 𝐵𝑒𝑟𝑎𝑡

𝐵𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑗𝑒𝑛𝑖𝑠 =

9097,473𝑘𝑔

0,719 𝑘𝑔/𝑚3 = 12.652,95 m3

atau setara dengan 12.652,95

12.652,95+12.629𝑥 100% = 51%

Volume CO2 = 𝐵𝑒𝑟𝑎𝑡

𝐵𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑗𝑒𝑛𝑖𝑠 =

25018,05 𝑘𝑔

1,981 𝑘𝑔/𝑚3 = 12.629 m3 atau setara dengan

atau setara dengan 12.629

12.652,95+12.629𝑥 100% = 49%

Total gas yang terbentuk = Volume total gas

𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑎ℎ =

12.652,95 +12.6295𝑚3

300.000 𝑘𝑔 = 0,0845 m3/kg

5.2. Perhitungan Volume Reaktor

Rumus-Rumus yang Digunakan :

Jumlah bakan baku (Q) = Jumlah sampah organik + air

Vc = volume ruangan penampung gas

Vgs = volume ruangan penyimpanan gas

Vf = volume ruangan fermentasi

Vh = volume ruangan hidrolik

Vs = volume lapisan penampungan lumpur

Total volume digester (V) = Vc + Vgs + Vf + Vs

Berdasarkan jumlah volume bahan baku (Q), maka dapat ditentukan volume kerja

digerster yang merupakan volume ruangan penyimpanan (Vgs) dan volume ruangan

fermentasi (Vs).

Volume kerja digester = Vgs + Vf

Dimana :

Vgs + Vf = Q x HRT (waktu digestifikasi)

Kriteria desain dari ruangan-ruangan digester adalah sebagai berikut:

Vgs + Vf = 80%V

D = 1.3078 x V 1/3

V1 = Vc + Vgs = 0.0827 D3

V2 = Vs = 0.05011 D3

15

V3 = Vf = 0.3142 D3

R1 = 0.725 D

R2 = 1.0625 D

F1 = D/5

F2 = D/8

Perhitungan

Berdasarkan literatur, total limbah yang dihasilkan oleh pabrik kelapa sawit

(PKS) adalah sebesar 60 ton/jam. Apabila diasumsikan PKS ini beroperasi selama 20 jam

dalam setiap harinya (Development Alternatives Inc, 2009), maka:

Jumlah Total Limbah = 60 ton

jamx20

jam

hari= 1200

ton

hari

Berdasarkan literatur yang sama, diketahui pula bahwa persentase limbah padat

yang dihasilkan PKS adalah 25% dari limbah total. Sehingga:

Jumlah Limbah Padat = 25% x 1200 ton

hari= 300

ton

hari

Berdasarkan karakteristik limbah padat kelapa sawit sebelumnya, ditemukan

bahwa tandan kosong kelapa sawit berkontribusi terbesar dalam timbulan limbah padat

kelapa sawit. Menurut Wirjosentono et al (2004), tandan kosong kelapa sawit tersebut

berpotensi untuk menghasilkan 73% serat. Dan rata-rata densitas serat dari kelapa sawit

menurut Manohar (2012) adalah 797,27 kg/m3 (24oC). Sehingga, volume limbah padat

yang ditimbulkan adalah

Volume Limbah Padat = 300 ton

hari: 797,27

kg

m3x 1000

kg

ton= 376,28

m3

hari

Menurut Prasetyo, 2010, produksi biogas dalam digester yang terbentuk

umumnya terjadi pada 30-35 hari, kemudian produksinya akan menurun jika digester

tidak diisi kembali. Sedangkan yang dimaksud dengan HRT (hydraulic retention time)

adalah lama waktu penguraian yang mencakup 70%-80% dari keseluruhan waktu proses

pembentukan biogas. Menurut literatur, kriteria desain untuk waktu retensi adalah 30 –

40 hari, sehingga diasumsikan pada perhitungan ini HRT adalah 35 hari.

16

Berdasarkan kriteria untuk biogas, jumlah air yang perlu ditambahkan kedalam tangki

adalah 2:1 dari jumlah limbah padat. Sehingga, jumlah air yang perlu ditambahkan

adalah:

Jumlah Air yang Ditambahkan = 300ton

harix 2 = 600

ton

hari

Densitas air pada suhu 24oC adalah 997,6 kg/m3, sehingga:

Volume Air yang Ditambahkan = 600 ton

hari: 997,6

kg

m3x1000

kg

ton= 601,44

m3

hari

Sehingga, total jumlah bahan baku dalam biodigester adalah:

Q= 376,28 m3/hari + 601,44 m3/hari

Q= 977,72 m3/hari

Vgs + Vf = 977,72 x 35 = 34.220,2 m3

Dimana Vgs + Vf = 80%V, sehingga:

V = 100/80 x 34.220,2 m3 = 42.775,25 m3

Diameter silinder reaktor:

D = 1,3078 x V1/3

D = 45,56 m

Menurut literatur (extension.psu.edu), kriteria desain untuk diameter tangki

adalah 30 feet atau sekitar 9 meter. Berdasarkan diameter hasil perhitungan, agar kriteria

desain dapat terpenuhi maka anaerobic digester yang dibutuhkan adalah 6 buah, sehingga

diameter untuk masing-masing tangki adalah 7,6 m.

V1 = 0,0827 x D3= 0,0827 x 7,63 = 36,3 m3

V2 = 0,05011 x D3= 0,05011 x 7,63 = 21,99 m3

V3 = 0,3142 x D3= 0,3142 x 7,63 = 137,93 m3

R1 = 0,725D = 0,725 x 7,6 = 5,51 m

17

R2 = 1,0625D = 1,0625 x 7,6 = 7,84 m

F1 = D/5 = 7,6/5 = 1,52 m

F2 = D/8 = 7,6/8 = 0,95 m

𝐻 =𝑉3

𝜋(𝑅1 + 𝑅2

2 )2=

137,93

𝜋(5,51 + 7,84

2 )2= 0,98 𝑚

6. Gambaran Reaktor Yang Akan Digunakan

Sistem anaerobik digester yang digunakan adalah sebagai berikut :

A. Tabung Penampung (Reaktor)

Tabung reaktor merupakan tempat terjadinya proses pencernaan bahan baku

secara anaerob. Dimana dalam pembuatan skala laboratorium menggunakan

beberapa kriteria, yaitu :

18

Bagian atas datar dan ditutup dengan menggunakan pencekam yang

dikunci dengan baut.

Kapasitasnya sesuai dengan kapasitas bahan baku dengan prosentase 20%

volume gas dan 80% volume bahan baku.

Tidak bersifat korosif dan dapat menyimpan kalor, sehingga

menggunakan drum plastik.

Bagian luar diisolasi untuk menghindari perpindahan kalor dari dalam

tabung ke luar lingkungan.

B. Masukan dan keluarkan slurry

Inlet adalah tempat untuk memasukan bahan baku. Konstruksi inlet pada alat ini

adalah sangat sederhana yaitu langsung melalui mulut drum plastik, tutup dibuka

lalu kita masukkan bubur ke dalam reaktor. Outlet berfungsi untuk mengeluarkan

bahan baku yang sudah tidak terpakai lagi. Outlet ini terletak di bawah tabung

reaktor.

C. Pengaduk

Sedangkan sistem agitation (pengaduk) terdiri dari motor DC, As stainless, dan

plat pengaduk. Pengadukan ini bertujuan untuk mengaduk bubur yang ada dalam

tabung reaktor sehingga terjadi homogenitas pada bubur dan terjadi sirkulasi gas

dalam tabung reaktor.

Motor listrik berfungsi sebagai penggerak As dan plat pengaduk stainless yang

terdapat pada tabung penampung (Reaktor). As dan plat pengaduk stainless

berfungsi sebagai alat untuk mensirkulasikan gas yang dihasilkan dan juga

sebagai pencampur bubur dalam tabung reaktor agar kondisi homogen dapat

tercapai.

19

Gambar 2 Alat pengaduk stainless

D. Sistem Pemanas

Sistem pemanas sendiri terdiri dari beberapa komponen diantaranya perpipaan,

heater. Sistem pemanas ini memanfaatkan perpindahan kalor dari air panas

melalui koil pemanas yang ada dalam tabung reaktor. Material yang digunakan

dalam sistem perpipaan air panas harus mempunyai daya konduksi yang tinggi

dan tidak bersifat korosif. Tujuan dari pemanasan ini yaitu menjaga temperatur

dalam tabung reaktor sehingga dapat mengoptimalkan kerja dari bakteri. Heater

berfungsi untuk memanaskan air yang terdapat pada bak penampung .

E. Termokontrol

Termokontrol merupakan alat kontrol temperatur dalam proses anaerobik

digester dengan menggunakan sumber daya listrik DC 20 A, selain itu

diperlengkapi dengan termokopel untuk pengukur suhu didalam digester.

Termokopel berfungsi sebagai sensor suhu yang dipasang dalam tabung reaktor

untuk mengetahui suhu bubur dalam tabung reaktor. Termokopel inilah yang

akan mengatur sistem kontrol. Pada anaerobik digester. Pompa dan heater akan

bekerja pada temperatur yang telah disetting.

F. Penutup atas tabung reaktor dan mur baut

Fungsi penutup tabung reaktor adalah untuk:

Dapat menutupi tabung reaktor secara sempurna

Dapat meminimalisir kebocoran

Mudah dalam pemasangan dan pembongkaran

20

Selanjutnya mur-baut berfungsi sebagai pengencang dan penyambung antara

beberapa komponen yang akan diasembling sehingga dapat dibongkar pasang

dengan mudah.

G. pH meter

Sebelum masuk dan keluar, pH dari slurry sebaiknya diukur menggunakan pH

meter. Ini dimaksudkan karena proses pembentukan methana dipengaruhi oleh

harga pH.

H. Gas Analizer

Alat yang digunakan untuk menganalisa kandungan gas dari proses anaerobik

digester pada digester sistem (Gambar 4).

Gambar 3 Gas Analyzer

7. Kegunaan Hasil Proses Anaerobic Digester

Salah satu produk yang dihasilkan dalam proses pengolahan limbah padat dengan

metode anaerobic digester yaitu biogas. Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh

aktivitas anaerobik atau fermentasi dari bahan-bahan organik termasuk diantaranya

limbah organik biodegradable seperti limbah padat tandan kosong kelapa sawit.

Kandungan utama dalam biogas yaitu gas metana (CH4) dan karbondiokasida (CO2),

sedangkan sebagian kecil diantaranya hidrogen sulfida (H2S), ammonia (NH3),

hydrogen (H2), dan nitrogen. Beberapa manfaat atau kegunaan dari biogas ini yaitu

21

1. merupakan energi yang dapat berfungsi sebagai energi pengganti bahan bakar

fosil sehingga dapat menurunkan konsentrasi gas rumah kaca di atmosfer dan

emisi lainnya.

2. meningkatkan nilai manfaat limbah dari sampah padat tandan kosong kelapa

sawit dan juga mengurangi jumlah limbah hasil kegiatan kelapa sawit.

3. dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar kendaraan berbasis gas.

4. dapat dimanfaatkan sebagai pengganti kayu bakar dan gas LPG.

5. dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik dimana kira-kira 1 meter kubik

biogas dapat menghasilkan 6000 watt listrik per jam nya.

6. Dapat meningkatkan kualitas udara karena komposisi karbon dan asap yang dapat

merusak kualitas udara dapat dikurangi secara signifikan, sehingga akan sangat

berpengaruh bagi kualitas udara yang kita hirup sehari – harinya.

7. Merupakan bahan bakar yang dapat diperbarui sehingga dapat dimanfaatkan

untuk mencegah kehabisan cadangan energi.

Produk samping yang dihasilkan dari proses pengolahan limbah padat

menggunakan anaerobic digester yaitu lumpur (sludge). Lumpur ini dapat dimanfaatkan

sebagai pupuk organik yang memiliki lebih banyak kelebihan karena tidak mengandung

bahan kimia berbahaya yang kemungkinan akan menempel pada hasil produksi pertanian

nantinya. Hasil pertanian yang menggunakan pupuk organik biasanya memiliki rasa dan

penampilan yang lebih baik dan segar, memiliki kandungan gizi yang lebih baik dan tidak

meninggalkan residu kimiawi yang dapat membahayakan tubuh.

8. Kelebihan dan Kekurangan Anaerobic Digester

8.1. Kelebihan

Kelebihan dari anaerobic digester antara lain :

1. Proses pengolahan limbah padat kelapa sawit menggunakan anaerobic digester

akan menghasilkan produk berupa biogas. Metana dalam biogas dapat dibakar

untuk menghasilkan listrik.

2. Gas yang dihasilkan pada proses pengolahan tidak akan langsung dibuang ke

atmosfer sehingga dapat mengurangi emisi gas rumah kaca karena tidak

memberikan kontribusi untuk meningkatkan konsentrasi metana dan

karbondioksida di atmosfer.

3. Mengurangi limbah padat organik yang dihasilkan oleh pabrik kelapa sawit

22

4. Reaktor yang digunakan menggunakan sitem tertutup sehingga akan mengurangi

dampak pencemaran lingkungan.

5. Biaya investasi untuk reaktor anaerobic digester tergolong rendah apabila

dibandingkan dengan keuntungan yang akan diperoleh dari produk biogas yang

dihasilkan .

6. Anaerobic digester juga menghasilkan digestate yang merupakan residu padat

dan cair. Masing-masing dapat digunakan sebagai pupuk cair dan pupuk padat

sebagai vitamin tanah.

7. Dapat memberikan kontribusi pada limbah yang bisa didaur ulang dengan tujuan

pemulihan. Mengolah limbah padat menggunakan anaerobic digester akan

meningkatkan nilai manfaat dari limbah.

8.2. Kekurangan

Kekurangan dari anaerobic digester antara lain :

1. Anaerobic Digester dari pengolahan limbah padat memerlukan pre-treatment

terlebih dahulu, seperti pemisahan plastik dari sumber limbah. Karena adanya

plastik akan mengganggu pada saat sistem beroperasi.

2. Timbulnya bau selama proses pengolahan

Selama proses pengolahan limbah menggunakan anaerobic digester, bahan

organik yang terdegradasi secara anaerobik akan menjadi gas metana,

karbondioksida dan sedikit mengandung hidrogen sulfida sehingga akan

menimbulkan bau yang tidak sedap.

3. Biaya operasional penggunaan anaerobic digester lebih tinggi daibandingkan

melakukan proses pengolahan dengan menggunakan kompos. Perlu biaya

pemeliharaan untuk penanganan gas buang dari proses pengolahan serta biaya

pembersihan maupun perawatan alat.

4. Proses pengolahan menggunakan anaerobic digester masih akan menghaillkan

limbah cair. Limbah cair tersebut dihasilkan selama reaksi mikroba dalam sistem

digester. Limbah cair yang dihasilkan masih mengandung BOD dan COD yang

tinggi sehingga memerlukan pengolahan lebih lanjut sebelum dibuang ke

lingkungan.

23

DAFTAR ISI

Khanal, S. (2009). Anaerobic biotechnology for bioenergy production. Published online:

March 27, 2009. DOI: 10.1002/9780813804545.

Polprasert, C.1989. Organic Waste Recycling. John Wiley& Son, Chichester, Inggris

Rittmann, B. E., & McCarty, P. L. (2001). Environmental biotechnology: Principles and

applications (International ed.). Singapore: McGraw Hill.

Vesilind, P. A. (Ed.). (1998). Wastewater treatment plant design (4th ed.). London, UK and

Alexandria, VA, USA: IWA Publishing and the Water Environment Federation

Rittmann, B. E., & McCarty, P. L. (2001). Environmental biotechnology: Principles and

applications (International ed.). Singapore: McGraw Hill.

Saleh, A. F. Et al, 2010, Optimazion of biomethane production by anaerobic digestion of Palm

Oil Mill Effluent Using Surface Methodology, Malaysia

Tchobanoglous, G., Burton, F. L., & Stensel, H. D. (Eds.). (2003). Wastewater engineering:

Treatment and reuse. New York, NY: McGraw Hill.

https://www.academia.edu/7540942/PENERAPAN_DAN_PENGUJIAN_MODEL_TEKNO

LOGI_ANAEROB_DIGESTER_UNTUK_PENGOLAHAN_SAMPAH_BUAH-

BUAHAN_DARI_PASAR_TRADISIONAL (diakses pada tanggal 13 September 2015,

pukul 11.15 WIB)

http://majalahenergi.com/forum/energi-baru-dan-terbarukan/bioenergy/biogas (diakses pada

tanggal 13 September 2015, pukul 11.15 WIB)

http://digilib.unimed.ac.id/public/UNIMED-Undergraduate-22531-5.%20BAB%20II.pdf

(diakses pada Sabtu, 12 September 2015 pukul 15.49)

http://digilib.unimed.ac.id/public/UNIMED-Undergraduate-22531-5.%20BAB%20II.pdf

(diakses pada Sabtu, 12 September 2015 pukul 15.49)

http://www.academia.edu/8312484/Biodigester (diakses pada Minggu, 13 September 2015

pukul 23.50)

24

http://c.ymcdn.com/sites/members.echocommunity.org/resource/collection/B7F86DC3-

439D-4486-A7B4-1057664DB7E0/Methane_Digesters.pdf (diakses 13 September 2015

pukul 8.12 WIB)

http://www.epa.gov/outreach/agstar/anaerobic/ad101/ (diakses 13 September 8.21 WIB)

http://www.biogasmax.co.uk/media/introanaerobicdigestion__073323000_1011_24042007.p

df (diakses 12 September 2015 19.00)

http://uk.dgc.dk/pdf/Sevilla2000.pdf (diakses pada 12 September 2015 20.00)