perancangan bioreaktor upflow anaerobic sludge …

PERANCANGAN BIOREAKTOR UPFLOW

ANAEROBIC SLUDGE BLANKET-HOLLOW

CENTERED PACKED BED (UASB-HCPB) UNTUK

MENGOLAH LIMBAH CAIR MENJADI BIOGAS

SKRIPSI

Oleh

DEWI NOVITA SARI BR. SIHOMBING

140405060

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

OKTOBER 2018

Universitas Sumatera Utara

PERANCANGAN BIOREAKTOR UPFLOW

ANAEROBIC SLUDGE BLANKET-HOLLOW

CENTERED PACKED BED (UASB-HCPB) UNTUK


SKRIPSI

Oleh

DEWI NOVITA SARI BR. SIHOMBING

140405060

SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN

PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

OKTOBER 2018


ii

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul:

PERANCANGAN BIOREAKTOR UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE

BLANKET-HOLLOW CENTERED PACKED BED (UASB-HCPB) UNTUK


Dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada

Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini

adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan

sumbernya.

Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila dikemudian hari terbukti bahwa karya

ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima

sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku.

Medan, 26 Oktober 2018

Dewi Novita Sari Br. Sihombing

NIM 140405060


iii

PENGESAHAN SKRIPSI

Skripsi dengan judul:

PERANCANGAN BIOREAKTOR UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE

BLANKET-HOLLOW CENTERED PACKED BED (UASB-HCPB) UNTUK


dibuat untuk melengkapi persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen

Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini telah

diujikan pada siding ujian skripsi pada 24 Oktober 2018 dan dinyatakan memenuhi

syarat/sah sebagai skripsi pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik

Universitas Sumatera Utara.

Medan, 26 Oktober 2018

Ketua Departemen Teknik Kimia Koordinator Skripsi

Maya Sarah, ST, MT, Ph.D, IPM Ir. Bambang Trisakti, M.T.

NIP. 19700501 200012 2 001 NIP. 19660925 199103 1 003


iv

LEMBAR PERSETUJUAN

Tim Penguji menyetujui perbaikan skripsi:

Nama : Dewi Novita Sari Br. Sihombing

NIM : 140405060

Judul : Perancangan Bioreaktor Upflow Anaerobic Sludge Blanket-Hollow

Centered Packed Bed (UASB-HCPB) Untuk Mengolah Limbah

Cair Menjadi Biogas

yang telah diperbaiki sesuai saran dari Tim Penguji.

Pembimbing

Prof. Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si. ………………………………………

NIP. 19680820 199501 1 001

Dosen Penguji I

Ir. Bambang Trisakti, M.T. ………………………………………

NIP. 19660925 199103 1 003

Dosen Penguji II

Maya Sarah, ST, MT, Ph.D, IPM ………………………………………

NIP. 19700501 200012 2 001


v

PRAKATA

Puji dan syukur kepada Tuhan Yesus Kristus karena atas berkat dan rahmat-

Nya skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan skripsi dengan judul

“Perancangan Bioreaktor Upflow Anaerobic Sludge Blanket-Hollow Centered

Packed Bed (UASB-HCPB) untuk Mengolah Limbah Cair Kelapa Sawit

Menjadi Biogas”, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di

Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini

merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik.

Hasil penelitian ini merupakan inovasi bioreaktor yang dapat mengolah

limbah cair kelapa sawit untuk menghasilkan biogas yang berguna sebagai sumber

energi terbarukan. Bioreaktor ini juga dapat digunakan untuk penelitian mengenai

pengolahan limbah cair kelapa sawit dengan berbagai variasi.

Selama melakukan penelitian hingga penulisan skripsi ini, penulis banyak

mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih

kepada:

1. Prof. Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si. selaku Dosen Pembimbing dan Penyandang

Dana Penelitian.

2. Ir. Bambang Trisakti, M.T. selaku Dosen Penguji I dan Koordinator Penelitian

Departemen Teknik Kimia

3. Maya Sarah, S.T., M.T., Ph.D., IPM selaku Dosen Penguji II dan Ketua

Departemen Teknik Kimia

4. Rekan-rekan peneliti di Laboratorium Ekologi yaitu Haikel, Eka, Anshori,

Agung, Surya, Tama, Bang Arbie, Immanuel, Andry, dan Irvan.

5. Seluruh mahasiswa angkatan 2014, 2015, 2016, dan 2017 yang mendukung

dan membantu selama perkuliahan.

6. Seluruh dosen dan staf yang memberikan ilmu dan membantu dalam urusan

birokrasi selama di kampus.

7. Abangda Sintong Raja Henri Butarbutar, S.T., rekan tercinta dalam berbagi

ilmu, saran, semangat, dan doa.


vi

8. Mama Nurmaya Sirait dan Papa Edison Sihombing serta adik-adik yaitu

Gracesia Yovanka, Ester Mulyani, dan Dian Dinda, untuk semangat, doa, dan

pengertiannya.

9. Adik-adik kelompok kecil yang dikasihi di UKM KMK USU UP FT, Gabriella,

Suwanty, Frinsinger, Majesti, Pratiwi, Rahel, dan Robby, yang menjadi teman

berbagi dan berdoa.

10. Teman-teman dan kakak-kakak kelompok kecil di kampus yang dikasihi yaitu

Lina, Febri, Monica, Boy, Kak Ami, dan Kak Elfrida yang mendukung selama

proses perkuliahan dengan nasihat dan doa.

11. Teman-teman di dalam organisasi (SIMETRIKAL, HIMATEK, IMKR, dan

Asisten Laboratorium OTK) dan pelayanan (Panitia PMB USU 2016, Panitia

Natal Teknik Kimia, dan Panitia PMB USU 2018, dan UMK KMK USU) yang

membangun karakter dan mendoakan proses perkuliahan.

12. Teman-teman Aspuri Squad yang mendukung dalam proses perkuliahan di

rumah.

13. Keluarga besar Sirait dan Sihombing khususnya yang ada di Medan, Tante

Lesti dan Uda Humala, Tante Marta, Opung, keluarga Tulang dan Bapauda,

yang selalu membantu dalam urusan selama perkuliahan.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini belum sempurna sehingga penulis

membutuhkan saran yang membangun untuk kesempurnaan skripsi ini. Semoga

skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Medan, Oktober 2018

Penulis

Dewi Novita Sari Br. Sihombing


vii

Skripsi ini saya persembahkan untuk:

Mama Nurmaya Sirait dan Papa Edison Ojahan Sihombing

Orang tua yang disayangi dan telah mendidik anak pertamanya dengan baik.

Adik-adik yang disayangi

Gracesia Yovanka Sihombing, Ester Mulyani Sihombing, dan Dian Dinda Sihombing

Adik-adik tersayang yang mendukung dan menjadi penyemangat

Para guru dan dosen yang mengajari penulis

mulai dari TK, SD, SMP, SMA, dan Universitas.

Bangsa dan negara Indonesia

demi kemajuan pengetahuan dan pendidikan.


viii

RIWAYAT HIDUP PENULIS

Nama: Dewi Novita Sari Br. Sihombing

NIM: 140405060

Tempat/tanggal lahir: Batam/29 November 1996

Nama orang tua: Edison Ojahan Sihombing

Alamat orang tua:

Perumahan Oma Batam Centre Blok A4 Nomor 20

Batam, Kepulauan Riau

Asal sekolah

TK Kristen Kalam Kudus Batam tahun 2001 – 2002

SD Kristen Kalam Kudus Batam tahun 2002 – 2008

SMP Negeri 6 Batam tahun 2008 – 2011

SMA Negeri 1 Batam tahun 2011 – 2014

Pengalaman organisasi/kerja:

1. Pengurus IMKR-Medan periode 2016-2017 sebagai Ketua Divisi

Kerohanian

2. Pengurus HIMATEK FT USU periode 2017-2018 sebagai Bendahara

Umum

3. Panitia Kebaktian PMB UKM KMK USU tahun 2018 sebagai Ketua

4. Asisten Laboratorium OTK tahun 2017-2018

Prestasi akademik/non akademik yang pernah dicapai:

1. Peserta Student Exchange Program BKKMTKI tahun 2016


ix

PERANCANGAN BIOREAKTOR UPFLOW ANAEROBIC

SLUDGE BLANKET-HOLLOW CENTERED PACKED BED

(UASB-HCPB) UNTUK MENGOLAH LIMBAH CAIR

MENJADI BIOGAS

ABSTRAK

Pengolahan anaerobik adalah salah satu pengolahan biologis limbah cair dalam

memproduksi biogas sebagai sumber energi terbarukan. Pembentukan lumpur

granular adalah karakteristik utama yang membedakan reaktor UASB (Upflow

Anaerobic Sludge Blanket) dibandingkan dengan teknologi anaerobik lainnya

dalam memproduksi biogas. Rancangan baru reaktor UASB-HCPB (Upflow

Anaerobic Sludge Blanket – Hollow Centered Packed Bed) digunakan untuk

mengatasi masalah operasional pada reaktor UASB. Penelitian ini bertujuan untuk

merancang, pabrikasi, dan instalasi bioreaktor UASB-HCPB dengan sistem

pemanasnya, dan mendapatkan unjuk kerja peralatan utama. Bioreaktor UASB-

HCPB telah dirancang dan dipabrikasi menggunakan akrilik. Packing pada HCPB

yang digunakan adalah kaldnes. Bioreaktor diisi dengan air untuk menghitung

volume kerja bioreaktor. Pompa peristaltik sebagai pompa proses dikalibrasi

dengan menghitung volume cairan selama selang waktu tertentu. Sistem jaket

pemanas pada rangkaian dikendalikan oleh suatu pengendali untuk mendapatkan

temperatur bioreaktor yang telah ditentukan. Volume kerja bioreaktor adalah 5,49

liter. Pengumpanan efektif diperoleh dengan cara intermittent pada speed di titik

10. Pada HRT 45, 25, 10, dan 4 hari masing-masing membutuhkan pengaturan

timer 2; 3,6; 9; dan 23 detik untuk satu kali pengumpanan. Temperatur bioreaktor

30, 40, dan 45 ℃ dicapai ketika temperatur pada reservoir air panas sebesar 38,8;

70,9; dan 83,5 ℃.

Kata kunci : anaerobik, biogas, kaldnes, limbah cair, UASB-HCPB


x

BIOREACTOR UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BLANKET-

HOLLOW CENTERED PACKED BED (UASB-HCPB) DESIGN

FOR WASTEWATER TREATMENT TO PRODUCE BIOGAS

ABSTRACT

Anaerobic process is one of biological wastewater treatment to produce biogas as

renewable energy. Granular form of sludge as the main characteristic of UASB

(Upflow Anaerobic Sludge Blanket) that make difference with another anaerobic

technology to produce biogas. New design of UASB-HCPB (Upflow Anaerobic

Sludge Blanket – Hollow Centered Packed Bed) used to solve operational problem

in UASB. This research have design, produced, and installed bioreactor UASB-

HCPB with heating system, and have known the performance of main equipment.

Bioreactor UASB-HCPB have designed and fabricated with acrilyc. Packing

kaldnes used for HCPB. Bioreactor filled with water to know the working volume

of bioreactor. Peristaltic pump as process pump calibrated; liquid volume measured

for certain range time. Jacket heating system in concatenation controlled with a

controller to get the temperatur of bioreactor termperature. Working volume of the

bioreactor is 5.49 litre. Efective feeding selected with intermettent on 10 point at

the pump. In HRT 45, 25, 10, dan 4 days need timer setting 2, 3.6, 9, dan 23 seconds

for once feeding, respectively. Temperatur of bioreactor 30, 40, dan 45 ℃ reached

when the temperature of hot water reservoir is 38.8, 70.9, dan 83.5 ℃, respectively.

Keywords : anaerobic, biogas, kaldnes, UASB-HCPB, wastewater


xi

DAFTAR ISI

Halaman

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ii

PENGESAHAN SKRIPSI iii

LEMBAR PERSETUJUAN iv

PRAKATA v

DEDIKASI vii

RIWAYAT HIDUP PENULIS viii

ABSTRAK ix

ABSTRACT x

DAFTAR ISI xi

DAFTAR GAMBAR xiv

DAFTAR TABEL xvi

DAFTAR LAMPIRAN xvii

DAFTAR SINGKATAN xviii

DAFTAR SIMBOL xix

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1 LATAR BELAKANG 1

1.2 PERUMUSAN MASALAH 6

1.3 TUJUAN PENELITIAN 7

1.4 MANFAAT PENELITIAN 7

1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN 7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 8

2.1 LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) 8

2.2 DIGETASI ANAEROB 9

2.3 BIOGAS 10

2.4 BIOREAKTOR PENGOLAHAN LCPKS MENJADI

BIOGAS 10

2.5 UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BLANKET (UASB) 12

2.6 UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BLANKET – HOLLOW

CENTERED PACKED BED (UASB-HCPB) 13


xii

2.7 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUH

PERFORMA BIOEAKTOR 14

2.7.1 pH 14

2.7.2 Temperatur 15

2.7.3 Hydraulic Retention Time (HRT) 15

2.7.4 Organic Loading Rate (OLR) 16

2.7.5 Packed Bed 16

2.8 PACKING KALDNES 17

2.9 SISTEM PEMANAS PADA BIOREAKTOR 17

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 19

3.1 LOKASI PENELITIAN 19

3.2 BAHAN DAN PERALATAN 19

3.2.1 Bahan-bahan 19

3.2.1.1 Bahan Pabrikasi 19

3.2.1.2 Bahan Pengujian 19

3.2.2 Peralatan 20

3.2.2.1 Peralatan Utama 20

3.2.2.2 Peralatan Aksesoris 21

3.3 PROSEDUR PENELITIAN 22

3.3.1 Kalibrasi Pompa Proses 24

3.3.2 Kalibrasi Sistem Pemanas 24

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 25

4.1 RANGKAIAN PERALATAN BIOREAKTOR

UASB-HCPB 25

4.2 KOMPONEN DALAM RANGKAIAN PERALATAN

BIOREAKTOR UASB-HCPB 27

4.2.1 Bioreaktor UASB-HCPB dengan Jaket Pemanas 27

4.2.2 Tangki Umpan 31

4.2.3 Reservoir Air Panas 30

4.2.4 Reservoir Air Dingin dan Tangki Air Dingin 33

4.2.5 Peralatan Aksesoris 35


xiii

4.3 KALIBRASI POMPA PROSES 37

4.3.1 Kalibrasi Speed Pompa di Titik 1 38





4.4 KALIBRASI SISTEM PEMANAS 44

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 48

5.1 KESIMPULAN 48

5.2 SARAN 48

DAFTAR PUSTAKA 49


xiv

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Bioreaktor UASB-HCPB dengan Pompa Resirkulasi 14

Gambar 2.2 Packing Kaldnes 17

Gambar 2.3 Pengendalian Sistem Pemanas Bioreaktor 18

Gambar 3.1 Pompa Peristaltik 20

Gambar 3.2 Flowchart penelitian 23

Gambar 4.1 Sketsa Rangkaian Peralatan Bioreaktor UASB-HCPB 25

Gambar 4.2 Rangkaian Peralatan Bioreaktor UASB-HCPB 26

Gambar 4.3 Sketsa Bioreaktor UASB-HCPB 27

Gambar 4.4 Sketsa Hollow Centered Packed Bed (HCPB) 28

Gambar 4.5 Hollow Centered Packed Bed (HCPB) 28

Gambar 4.6 Sekat pada Bioreaktor UASB-HCPB 29

Gambar 4.7 Bioreaktor UASB-HCPB 30

Gambar 4.8 Sketsa Tangki Umpan 31

Gambar 4.9 Tangki Umpan 31

Gambar 4.10 Sketsa Reservoir Air Panas 32

Gambar 4.11 Reservoir Air Panas 32

Gambar 4.12 Sketsa Reservoir Air Dingin 33

Gambar 4.13 Reservoir Air Dingin 33

Gambar 4.14 Sketsa Tangki Air Dingin 34

Gambar 4.15 Tangki Air Dingin 34

Gambar 4.16 Panel Kontrol 36

Gambar 4.17 Gas Trap 36

Gambar 4.18 Grafik Perbandingan Kalibrasi Pompa Sebelum Dirangkai

dan Sesudah Dirangkai 37

Gambar 4.19 Grafik Waktu Pengumpanan untuk Masing-masing HRT

pada Speed Pompa di Titik 1 39




xv







Gambar 4.24 Aliran Air pada Sistem Pemanas 44

Gambar 4.25 Skema Pengendalian Sistem Feedback Control 45

Gambar 4.26 Pengaruh Suhu Reservoir Air Panas Terhadap Suhu

Bioreaktor 46

Gambar 4.27 Skema Perpindahan Panas 46


xvi

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1.1 Berbagai Penelitian Pengolahan Limbah Cair Pabrik

Kelapa Sawit dengan Menggunakan Reaktor UASB 3

Tabel 2.1 Karakteristik Limbah Cair Kelapa Sawit 9

Tabel 4.1 Karakterisasi Packing Kaldnes 29

Tabel 4.2 Spesifikasi bioreaktor UASB-HCPB dengan Jaket Pemanas 30


xvii

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

LAMPIRAN A DATA PENELITIAN 53

LA.1 Karakterisasi Packing Kaldnes 53

LA.2 Kalibrasi Pompa Peristaltik 53

LA.3 Kalibrasi Pompa Air 57

LA.4 Kalibrasi Suhu Reservoir Air Panas 57

LAMPIRAN B PERHITUNGAN 58

LB.1 Perhitungan Desain Bioreaktor UASB-HCPB 58

LB.1.1 Perhitungan Ketinggian Bioreaktor 58

LB.1.2 Perhitungan Tinggi Dan Diameter Hollow

Centre Paked Bed 58

LB.2 Perhitungan Ukuran Packing Kaldnes 59

LB.2.1 Ukuran Tinggi Dan Diameter Rata-Rata

Packing Kaldnes 59

LB.2.2 Densitas Packing Kaldnes 60

LB.2.3 Bulk Density Packing Kaldnes 60

LB.2.4 Porositas Packing Kaldnes 60

LB.3 Perhitungan Kalibrasi Pompa Persitaltik 61

LB.3.1 Laju Alir Pompa Di Berbagai Speed Sebelum

Dirangkai 61

LB.3.2 Laju Alir Pompa Di Berbagai Speed Setelah

Dirangkai 63

LB.4 Perhitungan Kalibrasi Pompa Air 64

LAMPIRAN C DOKUMENTASI PENELITIAN

LC.1 Pabrikasi Peralatan 65

LC.2 Kalibrasi Peralatan 66


xviii

DAFTAR SINGKATAN

LCPKS Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit

UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket

USR Upflow Solid Reactor

MABR Modified Anaerobic Baffled Bioreactor

UASFF Upflow Anaerobic Sludge Fixed Film

EGSB Expanded Granular Sludge Bed

HRT Hydraulic Retention Time

OLR Organic Loading Rate

HCPB Hollow Centered Packed Bed

COD Chemical Oxygen Demand

BOD Biological Oxygen Demand

UFAF Up Flow Anaerobic Film

POME Palm Oil Mill Effluent

MLVSS Mixed Liquor Volatile Suspended Solids

TSS Total Suspended Solid

TVS Total Volatile Solid

TN Total nitrogen

ADMI American Dye Manufacturers’ Institute

ID Inside Diameter

OD Outside Diameter


xix

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Dimensi

T Waktu Detik

P Tekanan Pascal

H Ketinggian Meter

ρ

Massa jenis kg/m3


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Indonesia memiliki 608 pabrik kelapa sawit dengan total keseluruhan

produksi 34.280 ton tandan buah segar/jam (Afriando, 2011). Dalam proses

memproduksi minyak kelapa sawit dibutuhkan sejumlah besar air dan ini

menyebabkan jumlah limbah cair yang besar yang dikenal sebagai limbah cair

pabrik kelapa sawit (LCPKS). LCPKS mengandung materi-materi seperti CH4,

SO2, NH3, halogen, atau cairan yang terlarut yang konsentrasinya lebih dari yang

seharusnya dapat dilepas ke lingkungan. Oleh karena itu, diperlukan pengolahan

LCPKS sebelum limbah dilepas ke lingkungan.

Pengolahan LCPKS yang umum diterapkan adalah sistem pengolahan

kolam anaerobik, fakultatif, dan aerobik. Namun, pengolahan ini memiliki beberapa

kelemahan yakni: kebutuhan area yang besar untuk pembuatan kolam dan biaya

yang besar untuk menangani sludge yang terbentuk di dasar kolam. Effluent hasil

pengolahan dilepas ke sungai atau lahan. Hal ini juga menyebabkan campuran

biogas (65% CH4, 35% CO2, dan sejumlah kecil H2S) tidak terkontrol terlepas ke

udara. Berdasarkan penelitian sebelumnya, 1 ton LCPKS kira-kira memproduksi 28

m3 biogas (Irvan, dkk., 2012).

Operasi anaerobik pengolahan LCPKS membutuhkan energi yang lebih

sedikit dibandingkan pengolahan lainnya karena tidak membutuhkan energi untuk

aerasi. Proses anaerobik terdiri dari hidrolisis, asidogenesis, dan metanogenesis

untuk mengkonversi molekul kompleks menjadi produk yang lebih sederhana, dan

memproduksi biogas. Penggunaan gas metana sebagai energi terbarukan dari proses

anaerobik memperoleh pengurangan emisi tersertifikasi oleh mekanisme

pengembangan lingkungan bersih di Kyoto (Wong, dkk., 2011).

Pengolahan anaerobik adalah salah satu pengolahan biologis untuk LCPKS

yang sering digunakan bukan hanya karena dapat mengolah limbah yang memiliki

kandungan organik tinggi namun juga memproduksi biogas. Berbagai konfigurasi

jenis reaktor seperti anaerobik tangki tertutup, tangki terbuka, atau kolam sering


2

digunakan. Di antara itu yang paling sering digunakan adalah kolam fakultatif

konvensional untuk mengolah LCPKS. Continuous stirred-tank reactor (CSTR),

up-flow anaerobic sludge blanket (UASB), dan up-flow solid reactor (USR) adalah

proses yang stabil untuk mengolah limbah dengan kandungan organik tinggi seperti

LCPKS. Beberapa bioreaktor yang dimodifikasi seperti modified anaerobic baffled

bioreactor (MABR), the up-flow anaerobic sludge fixed-film (UASFF), dan

anaerobic expanded granular sludge bed (EGSB) telah diuji untuk pengolahan

LCPKS dan memberikan hasil yang lebih baik dari pengolahan konvensional

(Wang, dkk., 2015).

Reaktor UASB menunjukkan fitur positif, seperti memungkinkan beban

organik tinggi, hydraulic retention time (HRT) rendah, dan memiliki konsumsi

energi rendah. Pembentukan lumpur granular adalah karakteristik yang

membedakan utama reaktor UASB dibandingkan dengan teknologi anaerobik

lainnya (Chaisri, dkk., 2007). Bakteri yang hidup di lumpur dalam reaktor UASB,

memecah bahan organik menjadi biogas. Gelembung naik mengaduk lumpur tanpa

bantuan mekanis (Kaviyarasan, 2014).

Padatan tersuspensi, kandungan minyak dan lemak yang tinggi pada LCPKS

menimbulkan masalah operasional pada sebagian besar sistem reaktor UASB

(yaitu: penyumbatan, pembusaan dan pembentukan sampah), yang menyebabkan

adanya perubahan terhadap kondisi operasi tertentu (misalnya: OLR, HRT) yang

mengakibatkan penurunan kemampuan reaktor. Oleh karena itu, sebuah rancangan

baru reaktor Upflow Anaerobic Sludge Blanket – Hollow Centered Packed Bed

(UASB-HCPB) digunakan untuk mengatasi masalah operasional ini, sehingga

dapat menjadi pilihan yang lebih tepat untuk pengolahan LCPKS. Reaktor UASB-

HCPB mampu mengkonsumsi COD dan BOD lebih dari 90% (Poh dan Chong,

2014).

Beberapa penelitian mengenai UASB, modifikasi UASB, atau UASB hybrid

mulai dari 1996 -2014 dapat mengolah LCPKS dengan baik ditampilkan pada Tabel

1.1.


3

Tabel 1.1 Berbagai Penelitian Pengolahan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit dengan Menggunakan Reaktor UASB

Peneliti Judul Metode Hasil

Rafael Borja, Charles J.

Banks, dan Enrique

Sanchez

(Borja, dkk., 1996)

Anaerobic Treatment of Palm

Oil Mill Effluent in A Two-

stage Up-flow Anaerobic

Sludge Blanket (UASB)

System

Produksi biogas dengan reaksi asidogenesis

dan metagonesis dengan reaktor UASB dua

tahap dengan volume masing-masing 12 liter

(diameter dalam 13 cm) dan 5 liter (diameter

dalam 9 cm). Reaktor dipisahkan dengan

tangki pemisah. Kondisi temperatur konstan

pada 35 ˚C.

Dengan HRT 9 hari, reaktor

dapat menghasilkan yield

metana yang baik dan

penguraian COD keseluruhan

sebesar 90%.

Ronnachai Chaisri,

Piyarat Boonsawang,

Poonsuk Prasertsan, dan

Sumate Chaiprapa

(Chaisri, dkk., 2007)

Effect of Organic Loading

Rate on Methane and Volatile

Fatty Acids Productions from

Anaerobic Treatment of Palm

Oil Mill Effluent in UASB

and UFAF Reactor

Reaktor UASB dan reaktor UFAF digunakan

untuk asidogenesis dan metanogenesis proses

dua tahap. Reaktor UASB dengan volume 10

liter (diameter dalam 9 cm) dan volume

UFAF 5 liter (diameter dalam 9 cm)

Ditentukan temperatur reaktor 28.0±2.0 ˚C.

Pada steady state,

penguraian COD tertinggi

95% dicapai pada OLR 5,00 g

COD/l/hari dan HRT 20 hari.


4


Cheng Fang, Sompong

O-Thong, Kanokwan

Boe, dan Irini Angelidaki

(Fang, dkk., 2011)

Comparison of UASB and

EGSB Reactors Performance,

for Treatment of Raw and

Deloiled Palm Oil Mill

Effluent (POME)

Reaktor UASB 1,5 L dengan volume kerja

1,2 L dioperasikan pada suhu 55 ˚C dengan

resirkulasi laju alir internal 18 ml/jam.

Variasi bahan baku adalah LCPKS segar

dengan temperatur 80-90 ˚C dan LCPKS

deoiled dengan temperatur 4 ˚C.

Pada pengolahan LCPKS

dengan variasi konsentrasi

(substrat dalam air) sebesar

100%, 50%, dan 25% dengan

HRT 5 hari, penguraian COD

sebesar 65%. 92,5%, dan 95,5.

Untuk LCPKS deoiled dengan

komposisi dan HRT yang

sama menyajikan hasil yang

lebih tinggi.

Maneerat Khemkhao,

Boonyarit Nuntakumjorn,

Somkiet

Techkarnjanaruk, dan

Chantaraporn

Phalakornkule

(Khemkhao, dkk., 2011)

UASB Performance and

Microbial Adaptation During

a Transition from Mesophilic

to Thermophilic Treatment of

Palm Oil Mill Effluent

Substrat untuk operasi UASB dengan volume

5,3 liter (diameter dalam 14 cm), LCPKS

disiapkan dalam lima konsentrasi yang

berbeda yakni perbandingan air dengan

LCPKS adalah 1:10, 2:10, 3:10, 4:10, dan

5:10. Reaksi dilakukan pada suhu 37, 42, 47,

52 dan 57 ˚C. UASB silinder digunakan

dengan volume kerja 5,3 liter.

Temperatur termofilik 57 ˚C

lebih cocok untuk

keberagaman bakteri

hidrolisisi, asidogenesis, dan

asetogenesis dibandingkan

temperatur lain dalam studi

ini.


5


P. E. Poh dan M. F.

Chong (Poh dan Chong,

2014)

Upflow Anaerobic Sludge

Blanket-hollow Centered

Packed Bed (UASB-HCPB)

Reactor for Thermophilic

Palm Oil Mill Effluent

(POME) Treatment

Reaktor UASB-HCPB dengan volume 5 liter

(diameter dalam 12 cm) secara konsisten

ditetapkan pada suhu 55 ˚C melalu seluruh

proses dengan pemanas air yang mensirkulasi

air panas pada jaket UASB-HCPB. Reaktor

diisi dengan larutan LCPKS.

Performa terbaik reaktor

dicapai pada OLR 6,66

g/l.hari, HRT 5 dan

konsentrasi MLVSS 14,98 g/l.

Pada OLR 27,65 g/l. hari,

HRT 2 hari dan MLVSS 14,7

g/l adalah kondisi untuk

mengurangi 90% BOD dan

COD dari LCPKS dan

produksi biogas 60% dari

metana.


6

Dari Tabel 1.1 terlihat penguraian COD untuk seluruh bioreaktor mencapai

90 – 95 %. HRT terbaik adalah 5 hari yang dicapai oleh UASB-HCPB dengan

volume 5 liter dengan diameter dalam 12 cm yang didesain oleh P. E. Poh dan M.

F. Chong (2014). Untuk volume yang sama, Rafael Borja, dkk. (1996) dan

Ronnachai Chaisri, dkk. (2006) memiliki desain reaktor dengan diameter dalam 9

cm. Pengolahan berlangsung baik untuk temperatur mesopilik dan termopilik.

Melihat struktur bioreaktor, reaktor dapat digolongkan ke dalam reaktor pipa

(plug flow) dalam keadaan vertikal. Untuk reaktor ideal plug flow, jarak yang lebih

besar meningkatkan konversi. Konversi meningkat seiring dengan pertambahan

jarak dari umpan (Levenspiel, 1999).

Dalam mendesain reaktor perlu memperhatikan keseluruhan performa reaktor.

Beberapa parameter yang harus diperhatikan adalah perpindahan massa dan

perpindahan panas (Najafpour, 2007). Reaktor UASB-HCPB dirancang dengan

volume yang sama dengan rancangan P. E. Poh dan M. F. Chong (2014) dengan

diameter 9 cm dengan HRT 40, 25, 10, dan 4 hari untuk temperatur mesopilik dan

termopilik. Bioreaktor yang didesain dapat mengolah semua jenis limbah cair dua

fasa seperti LCPKS dan limbah cair satu fasa. Perlu penelitian yang berkaitan

dengan perpindahan massa mengenai laju alir / HRT pada bioreaktor dari tangki

dan perpidahan panas pada bioreaktor dari sistem pemanas jaket agar suhu di dalam

reaktor stabil. Hal ini perlu dilakukan agar bioreaktor siap dan stabil untuk dipakai

untuk pengolahan limbah cair yang menghasilkan biogas.

1.2 PERUMUSAN MASALAH

Reaktor UASB-HCPB dengan sistem pemanas jaket dirancang untuk dapat

mengolah limbah menjadi biogas. Perlu diketahui performa dari bioreaktor UASB-

HCPB yang dirancang sebelum digunakan untuk mengolah limbah cair yang

menghasilkan biogas. Dalam penelitian ini, bioreaktor UASB-HCPB beserta sistem

jaket pemanasnya dirancang, dipabrikasi, dan diteliti untuk mencapai kondisi

operasi bioreaktor yaitu: HRT dan temperatur.


7

1.3 TUJUAN PENELITIAN

Adapun tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Merancang dan pabrikasi bioreaktor UASB-HCPB (Upflow Anaerobic Sludge

Blanket – Hollow Centered Packed Bed) dengan sistem pemanasnya.

2. Kalibrasi dan mendapatkan unjuk kerja peralatan utama yaitu kapasitas

bioreaktor, pompa proses, dan sistem pemanas.

1.4 MANFAAT PENELITIAN

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Memberikan informasi dimensi bioreaktor UASB-HCPB untuk pengolahan

limbah cair.

2. Memberikan informasi sistem pengumpanan dan pemanas dalam mencapai

kondisi operasi dengan HRT dan temperatur tertentu.

1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN

Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Ekologi, Departemen Teknik

Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan. Dalam penelitian ini

dirancang UASB-HCPB volume kerja 5 liter dengan faktor kelonggaran 20%.

Packed Bed yang digunakan adalah jenis kaldnes yang mengisi 20% volume kerja

reaktor yang disusun secara acak. Bioreaktor dilengkapi jaket pemanas yang berisi

air dari reservoir air panas. Adapun variabel-variabel berubah dalam penelitian ini

adalah sebagai berikut:

1. Suhu bioreaktor : 30, 40, dan 45 ℃

2. HRT : 40, 25, 10, dan 4 hari.

3. Speed pompa peristaltik : 1, 2, 5, 9, dan 10


8

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS)

Limbah cair didefinisikan sebagai cairan atau campuran yang terdiri dari

materi padat tersuspensi dalam media cair yang terkandung dalam, atau dibuang

dari, salah satu bejana, tangki atau wadah lainnya (Philip, dkk., 2014). Limbah cair

pabrik kelapa sawit (LCPKS) merupakan limbah terbesar dari proses pengolahan

kelapa sawit (Yejian, dkk., 2011).

Limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) merupakan limbah organik yang

berbahaya yang mengandung minyak dan karoten. Limbah dihasilkan sekitar 1,5

ton untuk pengolahan 1 ton buah segar. Limbah dihasilkan dari sterilisasi minyak

segar kelapa sawit, klarifikasi minyak kelapa sawit dan keluaran operasi hydro-

cyclone (Wong, dkk., 2011).

LCPKS berwarna kecoklatan yang dikeluarkan dengan suhu di antara 80–

90 ℃ dan sangat asam dan berbau. Limbah ini termasuk suspensi koloid yang

mengandung 95–96 % air, 0,6–0,7 % minyak, dan 4–5 % padatan [Wong, dkk.,

2011; Azmi, dkk., 2013]. LCPKS mengandung sejumlah besar asam amino,

nutrient anorganik (Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Zn, Cu, Co, dan Cd), serat pendek,

senyawa nitrogen, asam organik bebas, dan karbohidrat. Tetapi, limbah ini tidak

beracun (Ahmedi, dkk., 2015). Limbah ini mengandung materi terlarut seperti CH4,

SO2, NH3, halogen yang memiliki konsentrasi melebihi yang seharusnya dilepas ke

lingkungan (Irvan, dkk., 2012). Karakteristik LCPKS pada umumnya dapat dilihat

pada Tabel 2.1.


9

Tabel 2.1 Karakteristik Limbah Cair Kelapa Sawit

Parameter Rentang Konsentrasi

Chemical oxygen demand (COD) (mg/L) 15.000 – 100.000

Biochemical oxygen demand (BOD3, 30 ℃)

(mg/L)

10.250 – 43.750

Total solid (mg/L) 11.500 – 79.000

Total suspended solid (TSS) (mg/L) 5.000 – 54.000

Total volatile solid (TVS) (mg/L) 9.000 – 72.000

Total nitrogen (TN) (mg/L) 180 – 1.400

Ammoniacal nitrogen (mg/L) 4 – 80

Minyak (mg/L) 130 – 18.000

Warna (ADMI) > 500

Sumber: Ahmedi, dkk., 2015

COD (chemical oxygen demand) mengindikasikan jumlah material organik

yang terkandung dalam limbah. COD menjadi salah satu parameter yang digunakan

untuk memprediksi seberapa besar biogas yang dapat dihasilkan dari LCPKS

dengan pengolahan biologis. Semakin besar nilai COD maka limbah semakin

berpotensial untuk menghasilkan biogas (Kusrini, dkk., 2016).

2.2 DIGESTASI ANAEROBIK

Digestasi anaerobik adalah proses dimana bakteri mendegradasi bahan

organik dan mengubahnya terutama menjadi karbon dioksida dan metana.

Keuntungan utama dari teknologi ini adalah degradasi komponen organik tanpa

penambahan oksigen dan menghasilkan produk samping yang berguna seperti

bahan bakar gas dan residu padat yang bisa dijual sebagai pupuk tanah (Jhon, 2009).

Digestasi anaerobik dapat dipecah menjadi empat langkah berbeda: (i)

hidrolisis, dimana senyawa organik kompleks seperti karbohidrat, protein dan

lemak dipecah menjadi gula, asam lemak dan asam amino; (ii) asidogenesis, di

mana komponen ini dipecah lebih lanjut untuk produk fermentasi misalnya rantai

pendek asam organik, alkohol, hidrogen dan karbon dioksida; (iii) asetogenesis, di

mana asetat, hidrogen dan karbon dioksida yang dihasilkan dari produk-produk dari

asidogenesis; dan (iv) metanogenesis, di mana metana dan karbon dioksida

terbentuk (Rina, dkk., 2011).


10

2.3 BIOGAS

Biogas diproduksi melalui proses anaerobik materi organik yang dapat

diuraikan ataupun suatu biomassa. Kehadiran bakteri pada biomassa memproduksi

biogas tersebut melalui reaksi biokimia tanpa oksigen (Atul, 2016). Berbagai jenis

limbah seperti limbah pertanian, limbah rumah tangga, dan limbah tumbuhan dapat

menghasilkan biogas Jain, dkk., 2017). Produksi biogas terdiri atas empat proses

biokimia yaitu: hidrolisis, asidogenesis, asetogenesis, dan metanogenesis (Kusrini,

dkk., 2016). Biogas dapat mengurangi emisi karbon dioksida dari industri dan

pemakaian bahan bakar fosil. Pemakaian biogas dapat menaikkan pendapatan suau

industri (Poh, dkk., 2016).

Biogas adalah campuran 60% CH4, 40% CO2, dan sejumlah kecil H2S, H2,

dan NH3. Biogas mentah dapat langsung digunakan untuk membangkitkan daya,

namun jumlah CO2 yang besar mengurangi nilai pemanasan. Biogas mentah

memiliki nilai kalor 22.000 – 25.000 kJ/m3, namun setelah pemisahan CO2, nilai

kalor meningkat menjadi 39.000 kJ/m3 (Wu, dkk., 2017). Diperkirakan biogas

dengan standar metana sebesar 50% memiliki nilai pemanasan 21 MJ/Nm3,

densitasnya 1,22 kg/Nm3 dengan massanya yang mirip dengan udara (Seadi, dkk.,

2008). Pemurnian biogas hingga di atas 96% membuat sifat-sifatnya hampir sama

dengan gas alam (Wu, dkk., 2017).

2.4 BIOREAKTOR PENGOLAHAN LCPKS MENJADI BIOGAS

Bioreaktor adalah alat utama segala proses biokimia sehingga enzim,

mikroba, atau sel tumbuhan atau hewan dapat memproduksi sejumlah besar produk

yang berguna. Desain yang dipertimbangkan dan ditetapkan untuk sebuah

bioreaktor memberikan dampak yang signifikan bagi keseluruhan kinerja proses.

Bagian lain dalam rekayasa bioproses adalah neraca massa dan neraca energi,

perpindahan massa dan energi, dan pencampuran.

Kinerja bioreaktor bergantung pada beberapa fungsi berikut yakni

(Najafpour, 2007):

1. Konsentrasi biomassa

2. Ketersediaan nutruen

3. Kondisi steril


11

4. Penguraian produk

5. Keefektifan pengadukan

6. Produk inhibitor

7. Perpindahan panas

8. Aerasi

9. Aktivitas mikroba atau metabolisme

Dalam mendesain bioreaktor mempunyai pertimbangan yang penting dalam

aspek-aspek biologi yaitu (Harahap, 2014):

1. Karakteristik mikrobiologi dan biokimia dari mikroorganisme.

2. Kinetika dari pertumbuhan sel dan pembentukan produk.

3. Pengontrolan terhadap kondisi lingkungan bioreaktor.

Seluruh desain bioreaktor bertujuan untuk memastikan kontak yang cukup

antara substrat dan mikroorganisme dan mencegah mikroorganisme untuk keluar

dari reaktor. Berikut merupakan beberapa jenis pengolahan anaerobik LCPKS

menjadi biogas (Rahayu, dkk., 2015):

1. Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)

CSTR biasanya berupa silinder dengan perbandingan yang rendah antara

tinggi dan diameter. Bioreaktor ini dapat dioperasikan pada keadaan mesopilik atau

termopilik, dengan pencampuran mekanik, hidraulik, atau injeksi gas.

2. Covered Lagoon Anaerobic

Covered lagoon anaerobic adalah kolam yang dilengkapi dengan alat

pengadukan mekanis. Desain ini normalnya untuk mengolah kandungan padatan

kurang dari 2% dan dioperasikan pada temperatur mesopilik.

3. Anaerobic Filters Anaerobic

Filter menggunakan material carrier, yang biasanya terbuat dari plastik

untuk menahan mikroorganisme yang aktif agar tidak keluar (wash out) dari sistem.

Filter anaerobik dapat memproduksi biogas dengan kualitas yang sangat tinggi,

dengan kandungan metana di atas 85%.

4. Fluidized and Expanded Beds

Pada unggu terfluidisasi dan mengembang, mikroorganise menempel pada

partikel kecil. Sistem ini dibuat dengan aliran ke atas yang kuat yang mengandung

partikel, membawa mikroorganisme kontak dengan substrat.


12

5. Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB)

UASB membuat mikroorganisme tumbuh dalalm gumpalan. Oleh karena

itu, mikroorganisme yang tinggal di dalam reaktor meskipun aliran masuk substrat

besar. Dipompakan materi baru ke dalam sistem dengan daya yang cukup sehingga

dapat mencampurnya untuk membuat kontak mikroorganisme dengan substrat.

6. Expanded Granular Sludge Bed (EGSB)

EGSB sama seperti UASB, namun dengan kecepatan yang lebih besar dari

aliran ke atas agar limbah cair melewari sludge bed. Desain ini tepat untuk

konsentrasi COD dibawah 1 sampai 2 g COD/l atau untuk limbah cair dengan

sedikit partikel yang dapat terurai secara biologi.

2.5 UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BLANKET (UASB)

Proses pada UASB adalah mendegradasi materi organik pada limbah cair

dengan proses anaerobik dan selanjutnya dilakukan pemisahan padat-cair-gas

dalam sebuah reaktor. Limbah cair diumpankan dari bawah reaktor dan materi

organik diuraikan oleh granula biomassa ketika limbah cair mengalir ke bagian atas

(Khemkhao, dkk., 2011). Sludge pada bioreaktor mengandung granula

mikroorganisme dan karena beratnya dapat tertahan agar tidak terbawa dalam aliran

keluar. Mikroorganisme yang ada pada sludge mendegradasi dengan proses

aanerobik dan mengubahnya menjadi biogas. Gelembung yang terbentuk

mengaduk sludge tampa bantuan mekanis. Sekat pada again atas menghambat

padatan yang keluar dari atas. Gas naik ke atas permukaan dan dikumpulan pada

kolektor dan dapat digunakan (Kaviyarasan, 2014).

Keuntungan dari penggunaan bioreaktor UASB:

1. Keperluan lahan yang sedikit, dapat dibangun di bawah tanah dengan material

lokal yang tersedia.

2. Tidak memerlukan sistem aerasi.

3. Efisiensi pengolahan tinggi untuk limbah cair yang kandungan berbahayanya

tinggi.

4. Produksi sludge rendah, sludge hasil pengolahan stabil (dapat digunakan untuk

menyuburkan tanah).

5. Effluent kaya dengan nutrisi yang dapat digunakan untuk irigasi pertanian.


13

6. Biogas dapat digunakan untuk energi.

7. Mengurangi emisi CH4 dan CO2.

8. Emisi bau rendah jika operasi optimum.

Kelemahan penggunaan bioreaktor UASB:

1. Membutuhkan staf yang memiliki kemampuan untuk kontruksi, operasi, dan

perawatan.

2. Pengolahan dapat tidak stabil dengan variable hidraulik dan masukan organik.

3. Effluent membutuhkan pengolahan untuk menghilangkan pantogen.

4. Fase start-up yang panjang.

5. Tidak kuat melayan masukan yang tiba-tiba.

6. Membutuhkan sumber elektrik dan aliran air yang tetap.

7. Tidak cocok pada daerah dengan iklim dingin.

Bioreaktor UASB dengan konsisten dapat mereduksi kontaminan dari

limbah cair industri dan mencapai efisiens reduksi COD hingga 97% yang

menghasilkan biogas engan konsentrasi metana hingga 60%. Sistem dapat

terganggu jika dioperasikan dengan OLR (organic loading rate) yang tinggi atau

limbah cair yang mengandung VFA (volatile fatty acid) yang tinggi. Sistem

mengalami foaming, sludge yang mengapung, dan menggumpal (Poh, dkk., 2016).

2.6 UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BLANKET-HOLLOW CENTERED

PACKED BED (UASB-HCPB)

Dengan masalah pembusaan, washout biomassa, produksi volatile fatty acid

(VFA), dan inhibitor pada proses anaerobik sekalogus untuk meningkatkan

penguraian kontaminan dan produksi biogas, peneliti mengembangkan bioreaktor

anaerobik hibrid, multi tahap, dan co-digestion. Salah satu bioreactor yang sesuai

untuk pengolahan LCPKS adalah bioreactor UASB-HCPB yang memiliki

penguraian COD hingga 90%, kapasitas penguraian padatan tersuspensi hingga

80%, dan produksi biogas dengan komposisi 60% metana ketika dioperasikan pada

kondisi termopilik dengan OLR 27,65 gram/L.hari dan HRT 2 hari (Poh, dkk.,

2016). Bioreaktor UASB-HCB tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.1.


14

Gambar 2.1 Bioreaktor UASB-HCPB dengan Pompa Resirkulasi (Poh dan Chong,

2014)

2.7 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PERFORMA

BIOEAKTOR

2.7.1 pH

Mikroorganisme yang terlibat pada hidrolisis adalah mikroorganisme yang

memproduksi asam (asidogenesis) dan mikroorganisme yang memproduksi metana

(metanogenesis). Mikroorganisme yang memproduksi asam biasanya bertahan

pada pH rendah, optimum pada pH 5 -6. Mikroorganisme yang memproduksi

metana baik bekerja pada pH 6,7 – 7,4. Jika reaktor memiliki pH di luar 6 – 8,

aktivitas mikroorganisme yang memproduksi metana berkurang dan menyebabkan

dampak negatif bagi performa reaktor (Kaviyarasan, 2014).

Pada beberapa kasus dengan UASB batas pH untuk keberhasilan operasi

adalah 6,7. Pada operasi pengolahan normal ada dua sistem buffering yang dapat

memastikan pH tetap pada jarak yang diinginkan, yaitu:

1. Sistem buffering karbon dioksida – hydrogen karbonat – karbonat

Selama pengolahan, CO2 terlarut pada cairan di dalam reaktor. Dengan

kenaikan nilai pH, CO2 terlarut menjadi asam karbonik dengan ionisasi dan

melepas ion hydrogen. Pada pH 4 seluruh CO2 berwujud molekul dan pada pH

13 semua CO2 terlarut menjadi karbonat. Titik tengah dari sistem ini adalah pH

1

2

3

4

5

Microbial granules

Biogas

Granule flow

Biogas flow

\

6

7

Arah aliran

umpan

Area UASB

Area HCPB

Sludge bed

Keterangan:

1 = Effluent

2 = Sekat

3 = Packed bed

4 = Hollow channel

5 = Sludge blanket

6 = Pompa resirkulasi

Umpan

Biogas ke

koletor


15

6,5 dengan konsentrasi antara 2.500 dan 5.000 mg/L hydrogen yang

memberikan buffering yang kuat.

2. Sistem buffering amonia – ammonium

Dengan penurunan nilai pH. ion amonium terbentuk dengan melepas ion

hidroksil. Dengan kenaikan nilai pH lebih banyak molekul amonia yang

terbentuk. Titi tengah sistem ini adalah pH 10 (Zupančič dan Viktor, 2012).

2.7.2 Temperatur

Temperatur memainkan peran penting pada proses anaerobik dalam

teknologi UASB, untuk meningkatkan kemampuan mikroorganisme memproduksi

biogas. Temperatur yang sesuai menyediakan viskositas yang rendah dan degadasi

yang baik untuk mikoorganisme. UASB awalnya dioperasikan pada kondisi

mesopilik (25 – 40 ℃) dan termopilik (40 – 60 ℃) (Kaviyarasan, 2014). Pada

rentang temperatur tertentu hanya beberapa kelompok mikroorganisme yang dapat

hidup. Pada semua rentang temperatur di atas, mikroorganisme dapat beroperasi

namun dengan efisiensi yang lebih rendah.

Telah dilakukan observasi bahwa temperatur yang lebih tinggi pada

termopilik dapat mengurangi waktu tinggal. Mikroorgansime termopilik sudah

dapat beroperasi pada temperatur 45°C (Thelemis, 2002).

2.7.3 Hydraulic Retention Time (HRT)

HRT adalah bagian yang penting yang harus dipertimbangkan yang

menentukan performa bioreaktor UASB-HCPB. HRT yang panjang menyebabkan

proses granulasi sludge dalam bioreactor tidak baik dan HRT yng sangat cepat

memiliki kelemahan yakni biomassa keluar bersama effluent (Kaviyarasan, 2014).

Waktu tinggal dengan satuan hari, dipengaruhi oleh volume reaktor yang

berbanding terbalik dengan debit substrat. Kontrol HRT diperlukan untuk

pelipatgandaan mikroorganisme dari hidrolisis dan asidogenesis. Waktu tinggal

harus tinggi untuk memastikan jumlah mikroorganisme mati tidak lebih besar dari

mikroorganisme yang bereproduksi. Pengoperasian pada rentang termopilik

membutuhkan waktu yang singkat (Thelemis, 2002).


16

2.7.4 Organic Loading Rate (OLR)

Parameter penting yang lain untuk mengontrol performa bioreaktor UASB

adalah OLR. Kenaikan OLR menyebabkan masalah operasi. OLR adalah faktor

penting untuk pengurangan COD (Kaviyarasan, 2014)

Organic loading rate adalah ukuran kapasitas konversi biologi oleh proses

anaerobik. OLR adalah suatu parameter yang penting untuk sistem kontinu. Banyak

sistem yang gagal karena overloading (Thelemis, 2002).

2.7.5 Packed Bed

Dalam beberapa tahun terakhir, penggunaan matriks padat untuk katalis

homogen dan heterogen telah dipakai untuk ruang lingkp yang luas karena

memfasilitasi pengendalian kondisi dan parameter reaksi (Saxena, dkk., 1989).

Penggunaan packed bed juga meningkatkan efisiensi pengolahan dan konsisten

terhadap variasi hidrodinamik. Fitur utama lainnya adalah penyaringan partikel

yang tersuspensi dan di dalam packed bed sel-sel yang tidak termobilisasi

menempel pada permukaan packing. Sistem immobilisasi mikroorganisme yang

terjadi secara alamiah menyebabkan pengaruh yang baik untuk keterbatasan

perpindahan massa. Keadaan ini menambah perpindahan massa relatif dengan

pencampuran yang baik (Yadav, 2014). Keuntungan penggunaan packed bed

adalah yield yang tinggi untuk kebanyakan reaksi (Alkema, dkk., 2015).

Pertumbuhan mikroorganisme yang aktif didalam reaktor dipengaruhi oleh

efektifitas media penyangga tetap. Efektifitas tersebut bergantung kepada:

1. Luas permukaan area material penyangga tetap yang dinyatakan dalam m2/m3.

Rasio luas permukaan ini berpengaruh terhadap jumlah mikroorganisme yang

menempel sebagai biofilm per unit volume reaktor. Kekasaran permukaan

media penyangga tetap memegang peranan penting dalam periode inokulasi.

2. Bentuk dan ukuran media penyangga tetap, menentukan dalam pengadukan

dan cara pengaliran di dalam reaktor.

3. Porositas reaktor, yaitu perbandingan total volume kerja reaktor setelah diisi

media penyangga tetap dengan total volume reaktor sebelum diisi material

penyangga tetap, dinyatakan dalam persen (%). Porositas besar semakin baik


17

karena tidak menyebabkan penyumbatan dalam proses, apabila limbah yang

diolah mempunyai konsentrasi partikulat yang tinggi (Indriyati, 2007).

2.8 PACKING KALDNES

Packing kaldnes adalah metode yang dikembangkan dan dipatenkan oleh

seorang Norwegia, Profesor Odegaard, pada tahun 1980-an untuk penyaringan

untuk pengolahan limbah. Produk ini serbaguna, efisien, dan mudah digunakan.

Pada dasarnya penggunaan packing ini adalah proses biofilm dimana

mikroorganisme tumbuh dan menempel pada filter (Hopkins, 2006). Packing

kaldnes dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Packing Kaldnes

2.9 SISTEM PEMANAS PADA BIOREAKTOR

Pengendalian temperatur reaktor penting untuk diperhatikan untuk

menghasilkan produk yang berkualitas, laju produksi, dan biaya operasi. Pada

reaktor kontinu, perlu diperhatikan hal berikut secara objektif:

1. Memperjuangkan temperatur tetap pada set point dengan tidak mengalami

osilasi.

2. Memperkecil pengaruh intervensi operator.

3. Meminimalkan konsumsi utilitas (Coughran, 2008).

Ada berbagai macam pemanas yang biasa dipakai untuk menjaga temperatur

bioreaktor pada kondisi operasi tertentu:

1. Dengan jaket yang dilalui air yang dikendalikan pada variasi temperatur

dengan alat pensirkulasi air (Firyanto, dkk., 2011).

2. Bak termostatik yang dikendalikan atau koil internal (Jagani, dkk., 2010).

3. Kontak langsung gas panas berputar (Kitamura, dkk., 2007).

Sistem pemanas yang sering digunakan adalah jaket pemanas dengan air

bersirkulasi yang dikendalikan. Pengendalian yang umum diperlihatkan Gambar

2.3.


18

Gambar 2.3 Pengendalian Sistem Pemanas Bioreaktor (Coughran, 2008)

Heating/

Cooling

fluid supply

Cooling

OUT

Reactor

temperature

Heating

SP

Limit

SP

TIC

PV


19

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 LOKASI PENELITIAN

Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Ekologi Departemen Teknik

Kimia Fakultas Teknik USU, dan Pusdiklat Lembaga Penelitian dan Pengabdian

Masyarakat (LPPM) USU.

3.2 BAHAN DAN PERALATAN

3.2.1 Bahan-bahan

3.2.1.1 Bahan Pabrikasi

Adapun bahan-bahan utama yang digunakan untuk pabrikasi reaktor UASB-

HCPB adalah sebagai berikut:

1. Arkrilik

2. Pipa akrilik (ID 9 cm, OD 10 cm)

3. Pipa akrilik(ID 15 cm, OD 16 cm)

4. Pipa PVC

5. Packing kaldnes

6. Selang

7. Keran

3.2.1.2 Bahan Pengujian

Adapun bahan-bahan yang digunakan untuk pengujian reaktor UASB-

HCPB adalah air.


20

3.2.2 Peralatan

3.2.2.1 Peralatan Utama

Adapun peralatan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah:

1. Bioreaktor UASB-HCPB

Bioreaktor digunakan untuk terjadinya proses secara anaerobik limbah cair

untuk menghasilkan biogas. Umpan dimasukkan dari dasar reaktor sehingga terjadi

aliran ke atas. Di dalam bioreaktor direncanakan diisi hollow centered paked bed

(HCPB) yang terletak tepat di tengah bioreaktor. HCPB diisi dengan packing jenis

kaldnes. Pada bagian atas bioreaktor terdapat sekat yang berfungsi untung

menghambat padatan yang terikut bersama effluent. Keluaran effluent dan keluaran

gas dibuat di atas sekat. Bioreaktor dilengkapi dengan jaket pemanas berupa

silinder yang sejajar dan sepusat dengan badan utama bioreaktor.

2. Pompa Peristaltik

Pompa peristaltik berfungsi sebagai pompa proses; pompa ini digunakan

untuk memasukkan umpan ke dalam bioreaktor dari tangki umpan. Pompa

peristaltik yang digunakan adalah Masterflex L/S Pump Cole-Parmer model 7519-

05 seperti ditunjukkan pada Gambar 3.1

Gambar 3.1 Pompa Peristaltik

3. Reservoir Air Panas

Reservoir air panas berfungsi sebagai suplai air panas ke jaket pemanas.

Air di reservoir air panas dipanaskan dengan elemen pemanas.


21

4. Reservoir Air Dingin

Reservoir air dingin berfungsi sebagai suplai air dingin untuk menurunkaan

suhu keluaran air dari jaket pemanas. Air dingin dipompakan ke tangki air dingin.

5. Tangki Air Dingin

Tangki air dingin berfungsi sebagai suplai air bagi reservoir air panas.

3.2.2.2 Peralatan Aksesoris

1. Pompa Air

Pompa air yang digunakan berfungsi sebagai: (i) mengalirkan air dari

reservoir air dingin ke tangki air dingin, (ii) mengalirkan air dari tangki air dingin

ke reservoir air panas.

2. Perpipaan

Pemasangan pompa membuat perlunya pemasangan pipa. Pipa yang

digunakan adalah pipa PVC dengan ukuran ½” dan ¾” yang disambungkan dengan

fitting elbow.

3. Termokopel

Termokopel diinstal pada bagian tengah bioreaktor. Termokopel berfungsi

sebagai sensor suhu untuk umpan balik bagi pengendali agar sistem pemanas dapat

mempertahankan suhu bioreaktor.

4. Panel kontrol

Panel kontrol adalah alat pengendali semua peralatan yakni: mematikan

daya listrik, menjalankan pompa peristaltik, pengatur timer pompa peristaltik,

menjalankan pompa air, pengatur laju pompa tangki air dingin, mengatur suhu pada

termokopel, membaca suhu pada bioreaktor dan reservoir air panas.

5. Gas Trap

Gas trap digunakan untuk menangkap gas metana yang diproduksi.

Pengukuran gas yang dihasilkan pada gas trap menggunakan metode gelas ukur

terbalik.


22

3.3 PROSEDUR PENELITIAN

Adapun prosedur penelitian yang dilakukan adalah sebagai berikut:

1. Studi literatur mengenai desain bioreaktor UASB-HCPB.

2. Merancang bioreaktor UASB-HCPB dan sistem pemanasan.

3. Karakterisasi packing kaldnes, kalibrasi pompa air dan pompa peristaltik.

4. Pabrikasi dan instalasi peralatan UASB-HCPB dengan sistem pemanasnya.

5. Menghitung kapasitas total bioreaktor, tes kebocoran, dan tes run seluruh

peralatan.

6. Kalibrasi pompa peristaltik untuk memasukkan umpan ke dalam bioreaktor

UASB-HCPB untuk menentukan waktu pengumpanan.

7. Kalibrasi sistem pemanas dengan sistem pengendali di panel kontrol.


23

Adapun flowchart penelitian terlihat pada Gambar 3.2

Gambar 3.2 Flowchart Penelitian

Mulai

Selesai

Studi literatur mengenai perancangan

Merancang rangkaian peralatan bioreaktor UASB-HCPB

Karakterisasi packing kaldnes, kalibrasi pompa

peristaltik dan pompa air

Pabrikasi dan instalasi rangkaian peralatan bioreaktor

UASB-HCPB

Kalibrasi pompa persitaltik untuk waktu pengumpanan

Sudah sesuai

HRT yang

diharapkan?

Kalibrasi sistem pemanas untuk mencapai suhu bioreaktor

Tidak

Ya

Sudah sesuai

temperatur

diharapkan?

Tidak

Ya


24

Adapun tahapan studi literatur, merancang, pabrikasi, dan instalasi

dilanjutkan dengan kalibrasi peralatan. Dengan tahapan sebagai berikut:

3.3.1 Kalibrasi Pompa Proses

Adapun kalibrasi pompa proses adalah sebagai berikut:

1. Diisi bioreaktor UASB-HCPB dengan air sampai penuh.

2. Dibuka keran di dasar bioreaktor untuk mengalirkan air dan ditampung di

dalam gelas ukur untuk menghitung volume total air.

3. Diatur pompa peristaltik dengan speed tertentu dan pompa dijalankan.

4. Dihitung waktu yang diperlukan oleh pompa untuk mengisi bioreaktor hingga

penuh dengan tanda ada cairan keluar dari lubang overflow.

5. Dihitung volume cairan untuk satu kali pengumpanan dengan sistem

intermittent dan waktu yang dibutuhkan untuk volume tersebut.

6. Diatur timer pada panel kontrol.

7. Ditampung cairan keluar dari overflow dengan gelas ukur.

3.3.2 Kalibrasi Sistem Pemanas

Adapun kalibrasi untuk sistem pemanas adalah sebagai berikut:

1. Diisi bioreaktor UASB-HCPB, reservoir air panas, reservoir air dingin, dan

tangki air dingin dengan air sampai penuh.

2. Dibuka keran reservoir air panas sampai penuh.

3. Dibuka keran keluaran jaket pemanas dengan sudut putaran tertentu.

4. Diatur suhu bioreaktor yang diharapkan.

5. Heater hidup hingga suhu bioreaktor yang diharapkan .

6. Dicatat suhu yang terbaca pada reservoir air panas, laju alir keluaran jaket

pemanas, dan laju alir pompa tangki air dingin.


25

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 RANGKAIAN PERALATAN BIOREAKTOR UASB-HCPB

Merujuk desain bioreaktor pada penelitian P. E. Poh dan M. F. Chong (2014)

dirancang bioreaktor dengan jaket pemanas sepusat. Di dalam bioreaktor dipasang

hollow-centered packed bed. Bioreaktor menampung gas di gas trap. Umpan

dipompakan dari tangki dengan pompa peristaltik. Sistem pemanas adalah sirkulasi

air pada jaket pemanas dengan reservoir air dingin, tangki air antara, dan reservoir

air panas yang dilengkapi heater listrik. Sketsa rangkaian peralatan dapat dilihat

pada Gambar 4.1 sedangkan rangkaian peralatan dapat dilihat pada Gambar 4.2

Gambar 4.1 Sketsa Rangkaian Peralatan Bioreaktor UASB-HCPB

1

2

3

4

5 6

7

Keterangan:

1 = Reservoir Air Panas

2 = Gas Trap

3 = Tangki Air Dingin

4 = UASB-HCPB

5 = Reservoir Air Dingin

6 = Pompa Peristaltik

7 = Tangki Umpan


26

Keterangan:

1 = Reservoir air panas

2 = Gas trap

3 = Tangki air dingin

4 = UASB-HCPB

5 = Reservoir air dingin

6 = Pompa proses

7 = Tangki umpan

8 = Panel kontrol

Gambar 4.2 Rangkaian Peralatan Bioreaktor UASB-HCPB

1

2

3

4

5

6

7

8


27

4.2 KOMPONEN DALAM RANGKAIAN PERALATAN BIOREAKTOR

UASB-HCPB

4.2.1 Bioreaktor UASB-HCPB dengan Jaket Pemanas

Bioreaktor UASB-HCPB dengan jaket pemanasnya terbuat dari akrilik.

Pemilihan material akrilik didasarkan karena warna bening, harga terjangkau, tahan

panas, dan konduktivitas tinggi. Warna yang bening memungkinkan untuk melihat

bagaimana perilaku padatan dalam bioreaktor. Akrilik dapat digunakan pada suhu

-40 - 90 ℃ (Klein, 2011) sehingga bisa digunakan untuk kondisi mesopilik dan

termopilik.

Bioreaktor memiliki tinggi 96 cm dengan lubang keluaran effluent 1,5 cm

dari tutup bioreaktor dan diameter dalam 9 cm, diameter luar 10 cm. Bila di dalam

bioreaktor tidak berisi packing, volume cairan yang dapat terisi adalah 6 liter.

Bioreaktor memiliki perbandingan tinggi dengan diameter (D/H) sebesar 0,09.

Rancangan ini mempertimbangkan 20% faktor kelonggaran dikarenakan bioreaktor

diisi oleh hollow centered packed bed dengan volume 20% dari volume cairan yang

direncanakan sebanyak 5 liter. Sketsa bioreaktor dapat dilihat pada Gambar 4.3.

Gambar 4.3 Sketsa Bioreaktor UASB-HCPB

96 cm 21 cm

6 cm

3 cm

18,75 cm

48 cm

77,25 cm

1,5 cm

9 cm

15 cm


28

Dimensi hollow centered packed bed dengan volume 1 liter mengikuti

perbandingan rancangan P. E. Poh dan M. F. Chong (2014), diameter lubang

silinder sepusat packed bed sebesar 0,5 kali diameter reaktor, maka diameter lubang

lubang silinder sepusat adalah 4,5 cm dan tinggi packed bed sebesar 21 cm.

Untuk pemakaian UASB-HCPB dalam mengolah limbah cair menjadi

biogas diberikan tiga titik sampling pada ketinggian 18,75; 48; 77,25 cm dari dasar

tangki. Titik-titik tersebut adalah area di bawah HCPB, area HCPB, dan area di atas

HCPB. Sketsa HCPB dapat dilihat pada Gambar 4.4 dan HCPB yang telah

diproduksi dapat dilihat pada Gambar 4.5.

Gambar 4.4 Sketsa Hollow Centered Packed Bed (HCPB)

Gambar 4.5 Hollow Centered Packed Bed (HCPB)

4,5 cm

21 cm


29

Hollow centered packed bed diisi dengan packing kaldnes secara acak. Hasil

karakterisai packing kaldnes dapat dilihat pada Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Karakteristik Packing Kaldnes

Karakteristik Ukuran

Tinggi rata-rata (t) 0,748 cm

Diamter dalam rata-rata (ID) 0,869 cm

Diameter luar rata-rata (OD) 1,085 cm

Densitas (ρ) 0,77 g/ml

Densitas curah 0,13 g/ml

Porositas 83.48%

Di dalam bioreaktor juga dipasang sekat padat berbentuk bidang miring

yang melingkari diameter dalam bioreaktor dengan tinggi 3 cm dan lebar 2 cm yang

terbuat dari PVC di bawah lubang keluaran effluent. Sekat berguna untuk menahan

padatan yang ikut pada cairan. Lubang keluaran gas berbentuk kerucut terpotong

dengan diameter bawah 6 cm dan diameter atas 4 cm, memiliki tinggi 3 cm dari

bagian atas bioreaktor yang dapat dilihat pada Gambar 4.6

Gambar 4.6 Sekat pada Bioreaktor UASB-HCPB

Setelah dilakukan pengujian volume, UASB-HCPB yang didesain dapat

terisi cairan sebanyak 5,49 liter. Desain yang dirancangkan untuk 5 liter cairan

limbah cair memiliki keloggaran aktual sebesar 9,8%. Jaket pemanas merupakan

silinder sepusat dengan badan utama UASB-HCPB dengan diameter dalam 15 cm

dan diameter luar 16 cm. Maka, volume air panas pada jaket tersebut adalah sebesar

9,42 liter. Bioreaktor dapat dilihat pada Gambar 4.7.


30

Gambar 4.7 Bioreaktor UASB-HCPB

Spesifikasi bioreaktor UASB HCPB dengan jaket pemanas dapat dilihat pada Tabel

4.2.

Tabel 4.2 Spesifikasi Bioreaktor UASB HCPB dengan Jaket Pemanas

Bagian Ukuran (cm)

Bioreaktor

Diameter dalam 9

Diameter luar 10

Tinggi total 96

Sekat

Lebar 2

Tinggi 3

Packed Bed

Diameter luar 9

Diameter dalam 4,5

Tinggi 21

Jaket Pemanas

Diameter dalam 16

Diameter luar 15

Tinggi 96


31

4.2.2 Tangki Umpan

Tangki umpan berfungsi untuk menyimpan limbah cair yang diolah di

dalam bioreaktor UASB-HCPB. Tangki umpan terbuat dari plastik berukuran

sebagai berikut:

- Diameter bawah : 24 cm

- Diameter atas : 32 cm

- Ketinggian tangki : 30 cm

- Volume : 25 liter

Pada dasar tangki dibuat lubang keluaran umpan yang disambungkan

kepada selang silikon pompa peristaltik berdiameter 0,6 cm dengan panjang selang

untuk mencapai dasar reaktor sebesar 30 cm. Tangki umpan dapat menampung 4,6

kali volume bioreaktor UASB-HCPB. Sketsa tangki umpan dan tangki umpan

berturut-turut dapat dilihat pada Gambar 4.8 dan Gambar 4.9.

Gambar 4.8 Sketsa Tangki Umpan

Gambar 4.9 Tangki Umpan

30 cm

32 cm

24 cm


32

4.2.3 Reservoir Air Panas

Reservoir air panas adalah wadah cadangan air pemanas untuk jaket

pemanas di bioreaktor UASB-HCPB. Reservoir air panas terbuat dari logam dengan

ukuran sebagai berikut:

- Diameter : 35 cm

- Tinggi : 68 cm

Ketinggian titik overflow sebesar 9 cm dari bagian atas reservoir air panas.

Sehingga air yang dapat ditampung oleh reservoir air panas adalah 6,02 kali volume

jaket pemanas yaitu sebanyak 56,74 liter. Sketsa reservoir air panas dan reservoir

air panas berturut-turut pada Gambar 4.10 dan Gambar 4.11.

Gambar 4.10 Sketsa Reservoir Air Panas

Gambar 4.11 Reservoir Air Panas

68 cm

9 cm

35 cm


33

4.2.4 Reservoir Air Dingin dan Tangki Air Dingin

Pada reservoir air dingin dipasang sebuah pompa air yang berguna untuk

mengirimkan air dari reservoir air dingin ke tangki air dingin. Ketinggian titik

overflow sebesar 10 cm dari bagian atas reservoir air dingin. Sehingga air yang

dapat ditampung oleh reservoir air dingin adalah 49,77 liter. Reservoir air dingin

terbuat dari plastik dengan ukuran sebagai berikut:




Sketasa reservoir air dingin dan reservoir air dingin berturut-turut dapat

dilihat pada Gambar 4.12 dan Gambar 4.13.

Gambar 4.12 Sketsa Reservoir Air Dingin

Gambar 4.13 Reservoir Air Dingin

54 cm

10 cm

34 cm

30 cm


34

Reservoir mengalirkan air ke tangki air dingin. Pada tangki air dingin

dipasang sebuah pompa air yang mengirimkan air dari tangki air dingin ke reservoir

air panas. Adanya tangki air dingin berfungsi menghemat daya pompa. Tangki air

dingin yang memiliki overflow juga membantu mengurangi suhu pada reservoir air

dingin karena aliran membuat partikel-partikel air terpecah, luas permukaan

perpindahan panas ke udara lebih besar. Tangki air dingin terbuat dari plastik

dengan ukuran sebagai berikut:




Ketinggian titik overflow sebesar 10 cm dari bagian atas reservoir air dingin.

Sehingga air yang dapat ditampung oleh tangki air dingin adalah 17,92 liter. Sketsa

tangki air dingin dan tangki air dingin berturut-turut dapat dilihat pada Gambar 4.14

dan Gambar 4.15.

Gambar 4.14 Sketsa Tangki Air Dingin

Gambar 4.15 Tangki Air Dingin

10 cm

33 cm

33 cm

30 cm


35

4.2.5 Peralatan Aksesoris

Untuk memperlengkapi rangkaian bioreaktor UASB-HCPB digunakan

peralatan-peralatan sebagai berikut:

1. Pompa Air

Pompa air yang digunakan adalah pompa submersible yang setelah

dikalibrasi memiliki head setinggi 1,8 meter dengan laju alir 1.840 ml/menit. Dua

unit pompa air masing-masing tercelup pada tangki air dingin dan reservoir air

dingin. Pada reservoir air dingin, pompa dibiarkan menyala terus-menerus

dikarenakan air yang menuju tangki air dingin overflow kembali ke reservoir air

dingin. Sedangkan pompa pada tangki air dingin disambungkan dengan pengatur

daya pada panel kontrol untuk membuat laju alir semakin kecil sehingga air dingin

yang mengalir ke reservoir air panas kecil dan membuat suhu pada reservoir panas

tidak banyak berkurang.

2. Perpipaan

Pemasangan pompa membuat perlunya pemasangan pipa. Pipa yang

digunakan adalah pipa PVC dengan ukuran ½” untuk pipa aliran ke atas dan ¾”

untuk pipa aliran ke bawah.

3. Termokopel

Termokopel diinstal pada bagian tengah bioreaktor. Termokopel berfungsi

sebagai sensor suhu untuk umpan balik bagi pengendali agar sistem dapat

mempertahankan suhu bioreaktor.


36

4. Panel kontrol

Panel kontrol adalah pengendali semua peralatan utama khususnya pompa

dan heater. Seluruh power dan timer pompa dan pemanas disambungkan pada

sebuah kontrol panel. Panel kontrol dalam rangkaian bioreaktor UASB-HCPB

dapat dilihat pada Gambar 4.16.

Gambar 4.16 Panel Kontrol

Adapun kontrol panel tersebut adalah sebagai berikut:

1 Power pompa tangki air dingin

2 Power pompa reservoir air dingin

3 Penunjuk suhu reservoir air panas

4 Timer pompa peristaltik

5 Penunjuk suhu bioreaktor

6 Pengatur suhu reservoir air panas

5. Gas Trap

Keluaran gas dari bioreaktor dialirkan ke sebuah plastik. Ketika dilakukan

pengukuran gas dilepas dan dilihat volume dari perubahan ketinggian air di gelas

ukur. Gas trap yang dipakai dapat dilihat pada Gambar 4.17.

Gambar 4.17 Gas Trap

1

2

3

4 5 6


37

4.3 KALIBRASI POMPA PROSES

Pompa proses yang dipakai adalah pompa peristaltik Masterflex L/S Pump

Cole-Parmer model 7519-05. Kalibrasi pompa proses dilakukan untuk mengetahui

volume yang dialirkan oleh pompa ke dalam bioreaktor UASB-HCPB. Diambil

lima titik kecepatan pada pompa tersebut yakni 1, 2, 5, 9, dan 10. Laju alir rata-rata

pompa sebelum dirangkai dan setelah dirangkai dapat dilihat pada Gambar 4.18.

Gambar 4.18 Grafik Perbandingan Kalibrasi Pompa Sebelum Dirangkai dan

Sesudah Dirangkai

Pada kalibrasi pertama, pompa belum dirangkai ke dalam bioreaktor

menghasilkan laju alir yang lebih tinggi dari kinerja pompa setelah dirangkai ke

dalam bioreaktor. Pompa yang belum dirangkai dikalibrasi dengan menghitung

volume yang dapat dialirkan dari suatu wadah ke wadah lain dalam selang waktu

tertentu. Pompa yang telah dirangkai pada bioreaktor dikalibrasi dengan

menghitung waktu yang dibutuhkan pompa untuk memenuhi volume total reaktor

sebesar 5,49 liter. Dipakai persamaan 4.1 untuk menghitung waktu yang

dibutuhkan.

t = Volume reaktor

laju alir

Hal tersebut terjadi dikarenakan tekanan ke bawah oleh fluida oleh karena gravitasi

(Geankoplis, 1993) di dalam reaktor yang berlawanan dengan tekanan yang

diberikan pompa untuk mengalirkan umpan ke dalam bioreaktor.

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

600.0

700.0

0 2 4 6 8 10

Laju

ali

r (m

l/m

enit

)

Speed Pompa Peristaltik

Laju rata-rata sebelum

dirangkai

Laju rata-rata pada

pengumpanan ke bioreaktor

(Levenspiel, 1999) (4.1)


38

Setelah bioreaktor penuh, tekanan di bawah tangki lebih besar dari pada

tekanan di atas tangki dengan persamaan 4.2.

P2 – P1 = (h2 – h1) ρ g

= (0,96 m – 0) × 0,99 kg/m3 × 9,8 m/s2

= 9,31 Pa

Kemampuan pompa untuk menekan semakin besar dengan adanya pertambahan

speed pada pompa yang ditunjukkan dari laju alir yang semakin meningkat.

Dalam penelitian ini, bioreaktor dirancang untuk HRT 45, 25, 10, 4.

Bioreaktor diumpankan secara intermittent (memiliki selang waktu tertentu)

sebanyak enam kali dalam sehari sehingga memiliki interval waktu 4 jam. Sehingga

untuk masing-masing HRT berturut-turut, pompa harus mampu mengeluarkan

cairan dalam sekali pengumpanan sebanyak 20, 37, 93, dan 229 ml. Kalibrasi waktu

untuk masing-masing speed adalah sebagai berikut:

4.3.1 Kalibrasi Speed Pompa di Titik 1

Setelah dikalibrasi, laju alir pompa di titik 1 untuk memenuhkan 5,49 liter

bioreaktor UASB-HCPB adalah 23,4 ml/menit. Untuk masing-masing HRT dengan

pengumpanan yang memiliki selang waktu 4 jam dapat dihitung persamaan 4.3.

t = 1

6 HRT

v

(Geankoplis, 1993) (4.2)

(4.3)


39

Setelah dihitung dengan persamaan di atas, kalibrasi speed pompa pada titik 1 dapat

dilihat pada Gambar 4.19.

Gambar 4.19 Grafik Waktu Pengumpanan untuk Masing-masing HRT pada Speed

Pompa di Titik 1

Hasil perhitungan menunjukkan waktu yang dibutuhkan untuk satu kali

pengumpanan menggunakan laju alir kalibrasi pompa untuk masing-masing HRT

45, 25, 10, dan 4 hari adalah 52; 96; 234; dan 588 detik. Setelah didapatkan waktu

melalui hitungan, dilakukan percobaan untuk masing-masing HRT 45, 25, 10, dan

4 hari. Hasil percobaan menunjukkan untuk sekali pengumpanan membutuhkan

waktu yang diatur pada timer dua digit yaitu 52; 102; 234; dan 588 detik.

y = 2258.9x-0.98

R² = 0.9986

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

700.00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Wak

tu p

engu

mp

an

an

(d

etik

)

HRT (hari)

Waktu hasil perhitungan

Waktu hasil penelitian

Trendline


40


Setelah didapatkan hasil perhitungan waktu pengumpanan, diatur timer

dengan waktu tersebut, ketika tidak didapati volume keluaran effluent seperti yang

diharapkan, timer diatur ulang. Gambar 4.20 menunjukkan perbandingan data

perhitungan dengan data penelitian pada speed pompa di titik 2.


Pompa di Titik 2



45, 25, 10, dan 4 hari adalah 14; 25; 63; dan 198 detik. Setelah didapatkan waktu


4 hari. Hasil penelitian menunjukkan untuk sekali pengumpanan membutuhkan

waktu yang diatur pada timer dua digit yaitu 15; 26; 65; dan 174 detik.

y = 692.17x-1.014

R² = 0.9992

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Wak

tu p

engu

mp

an

an

(d

etik

)

HRT (hari)



Trendline


41







Pompa di Titik 5



45, 25, 10, dan 4 hari adalah 4; 7,2; 18; 45 detik. Setelah didapatkan waktu melalui

hitungan, dilakukan percobaan untuk masing-masing HRT 45, 25, 10, dan 4 hari

untuk sekali pengumpanan membutuhkan waktu yang diatur pada timer dua digit

yaitu 4; 7,4; 18; dan 45 detik.

y = 179.12x-0.996

R² = 0.9999

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Wak

tu p

engu

mp

an

an

(d

etik

)

HRT (hari)



Trendline


42







Pompa di Titik 9



45, 25, 10, dan 4 hari adalah 2,1; 3,8; 9,5; 24 detik. Setelah didapatkan waktu


4 hari untuk sekali pengumpanan membutuhkan waktu yang diatur pada timer dua

digit yaitu 1,9;3,5; 9,3, dan 22 detik.

y = 92.504x-1.017

R² = 0.9992

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Wak

tu p

engu

mp

an

an

(d

etik

)

HRT (hari)



Trendline


43







Pompa di Titik 10

Setelah didapatkan waktu melalui hitungan untuk masing-masing HRT 45,

25, 10, dan 4 hari waktu sekali pengumpanan adalah 2; 3,6; 9; dan 23 detik. Hasil

penelitian menunjukkan waktu yang sama.

y = 92.559x-1.008

R² = 1

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Wak

tu p

engu

mp

an

an

(d

etik

)

HRT (hari)



Trendline


44

4.4 KALIBRASI SISTEM PEMANAS

Jaket pemanas pada bioreaktor menggunakan air yang disirkulasi. Air panas

berasal dari reservoir air panas yang memiliki heater. Air turun menuju jaket

pemanas dikarenakan gaya gravitas. Air mengalir keluar dari jaket pemanas menuju

reservoir air dingin. Air yang dingin diumpankan menggunakan pompa ke tangki

air dingin. Dari tangki air dingin, air dipompakan untuk kembali dipanaskan di

reservoir air panas. Diagram aliran air pada sistem pemanas bioreaktor UASB-

HCPB dapat dilihat pada Gambar 4.24.

Gambar 4.24 Aliran Air pada Sistem Pemanas

Reservoir

Air Panas

Jaket

Pemanas

Reservoir

Air Dingin

Tangki

Air

Dingin


45

Kalibrasi suhu bioreaktor menggunakan pengendalian proses tipe feedback

control dimana dilakukan pengukuran langsung dari variabel yang dimanipulasi,

seperti yang terlihat pada Gambar 4.25.

Gambar 4.25 Skema Pengendalian Sistem Feedback Control (Stephanopoulos,

1984)

Variabel yang dikontrol yaitu temperatur bioreaktor diukur dengan termokopel lalu

dibandingkan dengan set point yaitu suhu bioreaktor yang diharapkan, ketika set

point tidak sama maka heater tetap menyala untuk menaikkan temperatur reservoir

air panas, sebagai variable yang dimanipulasi.

Gangguan

Variabel yang diukur

(variable kontrol)

Variabel yang

dimanipulasi Proses

Set point

Controller


46

Dengan aliran sistem pemanas di atas, keluaran air dari jaket pemanas

dikontrol dengan sebuah valve yang perlahan-lahan ditingkatkan dari bukaan 90˚

sampai 360˚ yang menaikkan laju alir di sepanjang jaket pemanas. Kenaikan

temperatur bioreaktor membutuhkan kenaikan temper reservoir air panas. Pada

temperatur bioreaktor berturut-turut 30, 40, dan 45 ℃ diperoleh suhu reservoir air

panas yang stabil adalah 38,8; 90,7; dan 83,5 ℃. Kenaikan temperatur reservoir air

panas untuk kenaikan temperatur bioreaktor dapat dilihat pada Gambar 4.26.

Gambar 4.26 Pengaruh Suhu Reservoir Air Panas Terhadap Suhu Bioreaktor

Energi panas selalu mengalir dari gradien temperatur yang tinggi ke

temperatur yang lebih rendah seperti yang digambarkan pada Gambar 4.27.

Gambar 4.27 Skema Perpindahan Panas (Cengel, 2002)

Selisih masing-masing temperatur bioreaktor dengan temperatur reservoir panas

adalah 8; 50,7; dan 38,5 ℃. Perbedaan temperatur bioreaktor dan temperatur

reservoir air panas semakin besar ketika temperatur bioreaktor di atas 30 ℃

dikarenakan panas lebih banyak berpindah ke lingkungan yang memiliki suhu yang

0

15

30

45

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tem

per

atu

r B

iore

ak

tor

(℃)

Temperatut Reservoir Air Panas (℃)

Temperatur Bioreaktor


47

lebih rendah dari bagian inti bioreaktor. Ketebalan dinding jaket pemanas ke

lingkungan sama dengan ketebalan dinding jaket ke bagian inti reaktor juga

membuat perpindahan tidak lebih cepat ke dalam bioreaktor. Jaket pemanas kurang

efektif dalam hal perpindahan panas untuk temperatur bioreaktor 40 dan 45 ℃.


48

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 KESIMPULAN

Adapun kesimpulan yang di dapat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Rangkaian bioreaktor UASB-HCPB dengan sistem pemanas terdiri dari

peralatan bioreaktor UASB-HCPB dengan jaket pemanas, pompa peristaltik,

tangki umpan, reservoir air dingin, tangki air dingin, reservoir air panas, pompa

air, gas trap.

2. Bioreaktor UASB-HCPB dengan jaket pemanasnya memiliki tinggi 96 cm

dengan diameter dalam masing-masing 9 dan 15 cm memiliki volume cairan

masing-masing 5,49 liter dan 9,42 liter.

3. Pengumpanan efektif untuk masing HRT 45, 25, 10, dan 4 hari dengan cara

intermittent dengan selang waktu 4 jam menggunakan pompa peristaltik pada

speed di titik 10 membutuhkan pengaturan timer 2; 3,6; 9; dan 23 detik untuk

satu kali pengumpanan.

4. Temperatur bioreaktor 30, 40, dan 45 ℃, dicapai ketika temperatur air pada

reservoir air panas sebesar 38,8; 70,9; dan 83,5 ℃.

5.2 SARAN

Adapun saran yang dapat diberikan adalah sebagai berikut:

1. Sebaiknya bioreaktor UASB-HCPB dicobakan untuk mengolah berbagai

limbah cair.

2. Konsentrasi TS dan COD limbah dapat divariasikan pada saat pengolahan

untuk melihat kemampuan pompa peristaltik yang optimal.

3. Ketinggian HCPB dapat divariasikan untuk melihat pengaruhnya terhadap

performa bioreaktor.

4. Packing kaldnes pada HCPB dapat divariasikan untuk melihat pengaruhnya

terhadap performa bioreaktor.

5. Dilakukan pengolahan limbah cair kelapa sawit dan dibandingkan dengan

penelitian sebelumnya.


49

DAFTAR PUSTAKA

Afrinando, R. 2011. Perancangan Sistem Informasi Manajemen Rantai Pasok

Minyak Sawit Mentah Berbasis GIS. Optimasi Sistem Industri Universitas

Andalas.

Ahmed, Y., Zahira Y., Parul A., dan Kamaruzzaman S. 2015. Production of biogas

and performance evaluation of existing treatment processes in palm oil mill

effluent (POME). Elsevier Ltd, 42: 1260-1278

Alkema, Ryan, A. Morris, dan William Michalak. 2015. The Appropriate

Operating Parameters for A Packed Trickle Bed That is Used for Biological

Clean-Up of Phenol in Refinery Process Water

Atul, G. 2017. Biogas as a Sustainable Energy Source in India. SSRG International

Journal of Mechanical Engineering

Azmi, N. S., Khairul F. M. Y., Azhari S. B., dan Zanariah M. 2013. The Effect of

Operating Parameters on Ultrafiltration and Reverse Osmosis of Palm Oil

Mill Effluent for Reclamation and Reuse of Water. BioResources, 8(1)

Borja, Rafael, Charles J. B., dan Enrique S. 1996. Anaerobic Treatment of Palm Oil

Mill Effluent in A Two-Stage Up-Flow Anaerobic Sludge Blanket (UASB)

System”. Elsevier Ltd.

Cengel, Yunus A. 2002. Heat and Mass Transfer A Practical Approach.

Chaisri, R., Piyarat B., Poonsuk P., dan Sumate C. 2007. Effect Of Organic

Loading Rate on Methane and Volatile Fatty Acids Productions From

Anaerobic Treatment of Palm Oil Mill Effluent in UASB and UFAF

Reactors. Songklanakarin J. Sci. Technol, 29 (2)

Coughran, Mark T. 2008. Improve Batch Reactor Temperature Control. Putman

Media

Fang, C., Sompong O., Kanokwan B., dan Irini A. 2011. Comparison of UASB and

EGSB Reactors Performance, for Treatment of Raw and Deoiled Palm Oil

Mill Effluent (POME). Elsevier Ltd, 189(1-2): 229-234

Firyanto, Rudi, Joga Dharma Setiawan, dan M.F. Sri Mulyaningsih. 2011.

Perancangan Bioreaktor Packed Coloumn Enzymatis Penghasil Biodisel

Secara Kontinyu. Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia “Kejuangan”


50

Geankoplis, Christie J. 1993. Transport Process and Unit Operations. Prentice-Hall

International Inc.

Harahap, B. A. 2014. Perancangan dan Pabrikasi Pembuatan Pupuk Organik Aktif

dari Effluent Pengolahan Lanjut Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit

(LCPKS) Skala Pilot Plant. Universitas Sumatera Utara

Hopkins, Steve. 2006. Kaldnes Media for Biological Filtration. Koi Talk,

Newsletter of the Hawaii Goldfish and Carp Asociation

Indriyati. 2007. Unjuk Kerja Reaktor Anaerob Lekat Diam Terendam dengan

Media Penyangga Potongan Bambu. Jurnal Teknik Lingkungan

Irvan, Bambang T., Vivian W., Yoshimasa T. 2012. Methane Emission from

Digestion of Palm Oil Mill Effluent (POME) in a Thermophilic Anaerobic

Reactor”. International Journal of Science and Engineering, 3(1) : 32-35.

Jagani, H., Karteek H., Sagar S. Gang, P. Vasanth Raj, Raghu Ch. H. dan J.Venkata

Rao. 2010. An Overview of Fermenter and the Design Considerations to

Enhance Its Productivity. Pharmacologyonline 1: 261-301

Jain, Aikansh, Vaibhav A., dan Arvind R. 2017. Biogas As A Fuel. International

Journal of Advanced Engineering Research and Applications

Jhon C. K., Ulas T., Spyrus G. P., Michael E., James A D., Allen C. T.,Robert A.

G. 2009. Meshophilic and Thermophilic Anaerobic Digestion pf Municipal

Sludge And F, Oil, Grease. Proquest, Wer Environtment Research, 81 (5):

476-485

Kaviyarasan, K. 2014. Application of UASB Reactor in Industrial Wastewater

Treatment – A Review. International Journal of Scientific & Engineering

Research, 5 (1)

Khemkhao, Maneerat, Boonyarit N., Somkiet T., Chantaraporn P. 2011. Effect of

Chitosan on UASB Treating POME During a Transition from Mesophilic

to Thermophilic Conditions. Bioresource Technology, 102(7): 4674-4681

Kitamura, Yukata, Dan Paguan, Loren Gautz, dan Tung Liang. 2007. A Rotational

Hot Gas Heating System for Bioreactors. Biosystems Engineering, 98(2):

215-223

Klein, Rolf. 2011. Laser Welding of Plastics: Materials, Processes, and Industrial

Aplication. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA


https://www.sciencedirect.com/science/journal/09608524


https://www.sciencedirect.com/science/journal/15375110/98/2

51

Kusrini, Eny, Maya L., Misri G., Bambang H. S., Teguh W. W., Dedy A. N., Shella

W., Arif R., dan Yusraini D. I. S. 2016. Biogas From Palm Oil Mill Effluent:

Characterization and Removal of CO2 Using Modified Clinoptilolite

Zeolites in A Fixed-Bed Column. International Journal of Technology, 4:

625-634

Levenspiel, Octave. 1999. Chemical Reaction Engineering. Singapore: John Wiley

& Sons (Asia) Pte. Ltd.

Najafpour, G. D. 2007. Biochemical Engineering and Biotechnology. Elsevier

Science.

Philip, O., Albert A. A., Godfred O. 2014. Characterization of Solid Waste in The

Atwima-Nwabiagya District of The Ashanti Region, Kumasi-Ghana.

International Journal of Waste Management and Technology, 2 (1)

Poh, P. E. dan M. F. Chong. 2014. Upflow Anaerobic Sludge Blanket-Hollow

Centered Packed Bed (UASB-HCPB) Reactor for Thermophilic Palm Oil

Mill Effluent (POME) Treatment. Biomass and Bioenergy. 67: 231-242

Poh, P. E., D. Gouwanda, Y. Mohan, A. A. Gopalai, H. M. Tan. 2016. Optimization

of Wastewater Anaerobic Digestion Using Mechanistic and Meta-heuristic

Methods: Current Limitations and Future Opportunities. Water

Conservation Science Engineering, 1(1): 1–20

Rahayu, Ade S., Dhiah K., Hari Y., Ira T., S. Rahardjo, Sutanto H., Vidia P. 2015.

Buku Panduan Konversi POME Menjadi Biogas Pengembangan Proyek di

Indonesia. Winrock International

Rina. S. S., Sri P., Yusup S., Krisna A. W. 2011. Efektivitas Proses Kontinyu

Digesti Anaerobik Dua Tahap Pada Pengolahan Lumpur IPAL Biologi

Industri Kertas”, Jurnal Riset Industri, 5 (2): 131-142

Saxena, Vinit, Pinole, Calif. 1989. Packed Bed Bioreactor. US Patent 4833083

Seadi, T. A., Dominik R., Heinz P., Michael K., Tobias F., Silke V., Rainer J. 2008.

Biogas Handbook. University of Southern Denmark Esbjerg, Niels Bohrs

Vej 9-10

Stephanopoulos, George. 1984. Chemical Process Control. Prentice-Hall


https://www.cabdirect.org/cabdirect/search/?q=do%3a%22Biomass+and+Bioenergy%22

52

Themelis, N. J. 2002. Anaerobic Digestion of Biodegradable Organics in

Municipal Solid Wastes. Columbia: Master of Science Degree in Earth

Resources Engineering

Wang, J., Qaisar M., Jiang-Ping Q., Yin-Sheng L., Yoon-Seong C., Xu-Dong L.

2015. Anaerobic Treatment of Palm Oil Mill Effluent in Pilot-Scale

Anaerobic EGSB Reactor. Hindawi Publishing Corporation

Wong, Y., Soon-An O., Kok-Keat L., dan Hong-Chen L. 2011. Acclimatization and

Performance Study of Acidogenesis Anaerobic Degradation Process for

Palm Oil Mill Effluent. International Conference on Environment and

Industrial Innovation, 12.

Wu, Ya-Min, Jing Y., Xiao-Lei F., Shan-Fei F., Meng-Ting S., Rong-Bo G. 2017.

Elimination of Methane in Exhaust Gas from Biogas Upgrading Process by

Immobilized Methane-oxidizing Bacteria. Bioresource Technology, 231:

124-128

Yadav, Indrajit N. 2014. Comparative Study of Batch and Continuous Packed Bed

Bioreactor for Treatment of Dairy Wastewater. International Journal of

Research in Advent Technology, 2(3)

Yejian, Z., Ye H., Zheng X., Zhang Z., dan Yan L. 2011. High-re Mesophilic

Anaerobic Digestion of Palm Oil Mill effluent (POME) in Expanded

Granular Sludge Bed (EGSB) Reactor. Intentional Conference on

Agricultural and Natural Resources Engineering Advances in Biomedical

Engineering

Zupančič, G. D. dan Viktor G. 2012. Anaerobic Treatment and Biogas Production

from Organic Waste. China: InTech



53

LAMPIRAN A

DATA HASIL PENELITIAN

LA.1 KARAKTERISASI PACKING KALDNES

Pengukuran packing kaldnes menggunakan jangka sorong dengan

pengambilan 10 sampel dapat dilihat pada Tabel LA.1.

Tabel LA.1 Ukuran Packing Kaldnes

Sampel Tinggi (cm) Diameter luar (cm) Diameter dalam (cm)

1 0,750 1,060 0,830

2 0,755 1,060 0,830

3 0,740 1,100 0,900

4 0,780 1,035 0,930

5 0,710 1,100 0,830

6 0,720 1,110 0,940

7 0,770 1,130 0,850

8 0,770 1,030 0,860

9 0,710 1,125 0,855

10 0,770 1,100 0,860

LA.2 KALIBRASI POMPA PERISTALTIK

Kalibrasi pompa persitaltik untuk speed di titik 1, 2, 5, 9, dan 10 sebelum

dirangkai dilakukan dengan mengukur volume yang keluar dari pompa setiap menit

dengan data pada Tabel LA.2, Tabel LA.3, Tabel LA.4, Tabel LA.5, dan Tabel

LA.6.

Tabel LA.2 Kalibrasi Pompa Peristaltik untuk Speed di Titik 1

Waktu (menit) Volume (ml) Volume Total (ml)

1 53 47

2 53 100

3 53 153

4 53 206

5 53 259

6 53 312

7 54 366

8 53 419

9 53 472

10 53 525


54



1 116 116

2 115 231

3 116 347

4 115 462

5 115 577

6 116 693

7 119 812

8 120 932

9 120 1.052

10 120 1.172



1 319 319

2 322 641

3 297 938

4 305 1.243

5 305 1.548

6 300 1.848

7 306 2.154

8 305 2.459

9 306 2.765

10 305 3.070



1 600 600

2 595 1.195

3 595 1.790

4 600 2.390

5 595 2.985

6 600 3.585

7 595 4.180

8 590 4.770

9 600 5.370

10 595 5.965


55



1 610 610

2 610 1.220

3 610 1.830

4 615 2.445

5 612 3.057

6 620 3.677

7 600 4.277

8 635 4.912

9 620 5.532

10 625 6.157

Kalibrasi pompa persitaltik untuk speed pompa di titik 1, 2, 5, 9, dan 10

setelah dirangkai pada bioreaktor dilakukan dengan cara menghitung waktu yang

diperlukan untuk memenuhi bioreaktor dan didapatkan data seperti pada Tabel

LA.7.

Tabel LA.7 Kalibrasi Pompa Peristaltik Setelah Sirangkai pada Bioreaktor

Speed Waktu (menit)

1 235

2 63

5 18

9 9,5

10 9

Setelah dihitung laju alir pompa yang telah dirangkai pada bioreaktor, diuji

volume pengumpanan dengan timer dan didapatkan data seperti pada Tabel LA.8.

Tabel LA.8 Kalibrasi Pompa Peristaltik dengan Timer untuk Setiap Speed

Speed HRT (hari) Waktu Timer (detik) Keluaran Effluent (ml)

1

45 52,0 20

25 96,0 35

102,0 37

10 234,0 92

4

576,0 231

582,0 238

588,0 243

2

45 14,0 18,5

15,0 20

25 25,0 36

26,0 37


56

Speed HRT (hari) Waktu Timer (detik) Keluaran Effluent (ml)

2

10

63,0 84

64,0 91

65,0 92

4

2,4 187

2,8 220

2,9 229

3,3 241

5

45 4,0 20

25

7,2 27

7,3 28

7,4 37

10 18,0 92

4 45,0 226

46,0 240

9

45

1,9 20

2,0 21

2,1 22

25

3,3 32

3,5 37

3,8 42

10 9,3 92

9,5 105

4

21,0 220

22,0 234

24,0 241

10

45 2,0 20

25 3,6 37

10 9,0 92

4 22,0 224

23,0 232


57

LA.3 KALIBRASI POMPA AIR

Pompa air dikalibrasi dengan cara menampung volume air dan diukur

dengan gelas ukur selama 1 menit dan didapatkan data seperti pada Tabel LA.9.

Tabel LA.9 Kalibrasi Pompa Peristaltik Air Sebelum Dirangkai


1 1.910 1.910

2 1.880 3.790

3 1.840 5.630

4 1.780 7.410

5 1.760 9.170

6 1.900 11.070

7 1.860 12.930

8 1.880 14.810

9 1.810 16.620

10 1.780 18.400

LA.4 KALIBRASI SUHU RESERVOIR AIR PANAS

Untuk mencapai suhu bioreaktor yang diharapkan, keran reservoir panas

dan keran pada keluaran jaket pemanas dibuka. Kontrol suhu bioreaktor yang

terdapat pada panel kontrol diatur dengan suhu yang hendak dicapai. Heater akan

mati jika suhu telah sesuai dan dicatat suhu reservoir panas seperti yang dapat

dilihat pada Tabel LA.10.

Tabel LA.10 Kalibrasi Suhu Reservoir Panas untuk Suhu Bioreaktor

Suhu Bioreaktor

(℃)

Suhu Reservoir Air

Panas (℃)

30 38,8

40 90,7

45 83,5


58

LAMPIRAN B

PERHITUNGAN

LB.1 PERHITUNGAN DESAIN BIOREAKTOR UASB-HCPB

LB.1.1 Perhitungan Ketinggian Bioreaktor

Volume kerja (volume cairan) reaktor dalam penelitian ini adalah sebesar 5

liter dengan diameter dalam 9 cm (Borja, dkk., 1996) dengan faktor kelonggaran

20 % sehingga:

Volume bioreaktor = ( 20

100 × 5 liter) + 5 liter

= 6 liter

= 6 dm3

Volume sekat berbentuk bidang miring padat yang mengambil volume

reaktor dengan lebar 2 cm dan tinggi 3 cm dihitung:

Volume sekat = ((3,14 × (4,5 cm)2 × 3 cm) - (3,14 × (2,5 cm)2 × 3 cm))/2

= 70 cm3 = 0,07 dm3

Sehingga,

Volume reaktor = (6 + 0,07) dm3

= 6,07 dm3

Diameter = 0,9 dm

Volume reaktor = п × r2 × t

6,07 dm3 = 3,14 × (0,45 dm)2 × t

t = 9,55 dm

= 95,5 cm ≈ 96 cm

Maka, ketinggian bioreaktor yang dibuat adalah 96 cm.

LB.1.2 Perhitungan Tinggi dan Diameter Hollow Centre Paked Bed

Perbandingan diameter hollow dengan diameter reaktor adalah 1 : 2 dan

packed bed mengisi 20 % volume kerja reaktor (Poh dan Chong, 2014), maka:

Diameter hollow = 1

2 × 9 cm

= 4,5 cm


59

Volume packed bed = volume HCPB – volume hollow

20

100 × 5 liter = (п × r2 × t) - (п × r2 × t)

1 liter = [3,14 × (0,45)2 × t] – [3,14 × (0,225)2 × t]

1 dm3 = (0,64 t – 0,16 t) dm2

1 dm3 = 0,48 t dm2

t = 2,1 dm

= 21 cm

LB.2 PERHITUNGAN UKURAN PACKING KALDNES

LB.2.1 Ukuran Tinggi dan Diameter Rata-rata Packing Kaldnes

Dari Tabel LA.1 diambil data tinggi packing yang diukur untuk

menghitung tinggi rata-rata sebagai berikut:

Tinggi rata-rata = ∑ Tinggi packing diukur1

10

10

Tinggi rata-rata =

(0,75 + 0,755 + 0,74 + 0,78 + 0,71 + 0,72 + 0,77 + 0,77 + 0,71 + 0,77 ) cm

10

Tinggi rata-rata = 0,748 cm

Dari Tabel LA.1 diambil diameter dalam packing yang diukur untuk

menghitung diameter dalam rata-rata sebagai berikut:

Diameter dalam rata-rata = ∑ Diameter dalam diukur1

10

10

Diameter dalam rata-rata = (0,83 + 0,83 + 0,9 + 0,93 + 0,83 +0,94 + 0,85+0,86+0,855+0,86) cm

10

= 0,869 cm

Dari Tabel LA.1 diambil diameter luar packing yang diukur untuk menghitung

diameter luar rata-rata sebagai berikut:

Diameter luar rata-rata = ∑ Diameter luar diukur1

10

10

Diameter luar rata-rata =

(1,06 + 1,06 + 1,1 + 1,035 + 1,1 + 1,11 + 1,13 + 1,03 + 1,125+1,1) cm

10

= 1,085 cm


60

LB.2.2 Densitas Packing Kaldnes

Massa = 0,154 gram

Volume = 0,2 ml

Densitas = Massa

Volume

Densitas = 0,154 gram

0,2 ml

= 0,77 gram/ml

LB.2.3 Bulk Density Packing Kaldnes

Massa gelas beaker = 59,77 gram

Massa gelas beaker + packing = 69,95 gram

Volume gelas beaker terisi = 80 ml

Bulk density = (massa gelas beaker + packing) - massa gelas beaker

volume gelas beaker terisi

= (59,77 - 69,95) gram

80 ml

= 0,13 gram/ml

LB.2.4 Porositas Packing Kaldnes

Densitas = 0,77 gram/ml

Bulk density = 0,13 gram/ml

Porositas = 1- bulk density

densitas

= 1 - 0,13 gram/ml

0,77 gram/ml

= 0,83


61

LB.3 PERHITUNGAN KALIBRASI POMPA PERSITALTIK

LB.3.1 Laju Alir Pompa di Berbagai Speed Sebelum Dirangkai

Laju alir rata-rata speed pompa di titik 1 dihitung dengan data dari Tabel

LA.2 sebagai berikut:

Laju alir rata-rata1 = ∑ volume tiap menit

10 menit

= 525 ml

10 menit

= 53,1 ml/menit




10 menit

= 1.172 ml

10 menit = 117,2 ml/menit




10 menit

= 3.070 ml

10 menit

= 307 ml/menit




10 menit

= 5.965 ml

10 menit

= 596,5 ml/menit


62




10 menit

= 6.157 ml

10 menit

= 615,7 ml/menit

LB.3.2 Laju Alir Pompa di Berbagai Speed Setelah Dirangkai

Laju alir pompa setelah dirangkai dihitung dengan data dari Tabel LA.7

sebagai berikut:

Volume total = 5.490 ml

Pada speed 1:

Laju alir rata-rata1 = Volume total

waktu untuk memenuhi volume total

=5.490 ml

235 menit

= 23,36 ml/menit

Pada speed 2:



=5.490 ml

63 menit

= 87,14 ml/menit

Pada speed 5:



=5.490 ml

18 menit

= 305 ml/menit


63

Pada speed 9:



=5.490 ml

9,5 menit

= 577,89 ml/menit

Pada speed 10:



=5.490 ml

9 menit

= 610 ml/menit

LB.3.3 Volume Pengumpanan Pompa

Pompa dikendalikan dengan timer pada panel kontrol. Pengumpanan

sebanyak enam kali (n= 6) dengan selang waktu 4 jam, maka volume yang harus

didapatkan tiap HRT adalah sebagai berikut:

Untuk HRT 45:

Volume sekali pengumpanan = 1

n

Volume total reaktor

HRT

Volume sekali pengumpanan = 1 hari

6

5.490 ml

45 hari

= 20 ml

Untuk HRT 25:


n


HRT


6

5.490 ml

25 hari

= 37 ml


64

Untuk HRT 10:


n


HRT


6

5.490 ml

10 hari

= 92 ml

Untuk HRT 4:


n


HRT


6

5.490 ml

4 hari

= 229 ml

LB.4 PERHITUNGAN KALIBRASI POMPA AIR

Laju alir rata-rata pompa air dihitung data dari Tabel LA.7 sebagai berikut:

Laju alir rata-rata = ∑ volume tiap menit

10 menit

Laju alir rata-rata = 18.400 ml

10 menit

= 1.840 ml/menit


65

LAMPIRAN C

DOKUMENTASI PENELITIAN

LC.1 PABRIKASI PERALATAN

(a) (b) (c)

Gambar LC.1 Pengerjaan Peralatan (a) Pemotongan Akrilik, (b) Pemasangan

Heater, dan (c) Pembuatan Panel Kontrol

Gambar LC.2 Penyusunan Peralatan pada Rangka


66

LC.2 KALIBRASI PERALATAN

Gambar LC.3 Kalibrasi Pompa Peristaltik Sebelum Dirangkai

Gambar LC.4 Kalibrasi Pompa Peristaltik Setelah Dirangkai

Gambar LC.5 Pengukuran Volume Keluaran Bioreaktor


67

Gambar LC.6 Panel Kontrol Menunjukkan Suhu Bioreaktor Telah Tercapai


perancangan bioreaktor upflow anaerobic sludge …

Documents