perancangan bioreaktor upflow anaerobic sludge …
Post on 15-Oct-2021
44 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
MENGOLAH LIMBAH CAIR MENJADI BIOGAS
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
Universitas Sumatera Utara
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
MENGOLAH LIMBAH CAIR MENJADI BIOGAS
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
Universitas Sumatera Utara
iii
PENGESAHAN SKRIPSI
Skripsi dengan judul:
PERANCANGAN BIOREAKTOR UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE
BLANKET-HOLLOW CENTERED PACKED BED (UASB-HCPB) UNTUK
MENGOLAH LIMBAH CAIR MENJADI BIOGAS
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
xiii
4.3 KALIBRASI POMPA PROSES 37
4.3.1 Kalibrasi Speed Pompa di Titik 1 38
4.3.2 Kalibrasi Speed Pompa di Titik 2 40
4.3.3 Kalibrasi Speed Pompa di Titik 5 41
4.3.4 Kalibrasi Speed Pompa di Titik 9 42
4.3.5 Kalibrasi Speed Pompa di Titik 10 43
4.4 KALIBRASI SISTEM PEMANAS 44
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 48
5.1 KESIMPULAN 48
5.2 SARAN 48
DAFTAR PUSTAKA 49
Universitas Sumatera Utara
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
Gambar 4.20 Grafik Waktu Pengumpanan untuk Masing-masing HRT
pada Speed Pompa di Titik 2 40
Universitas Sumatera Utara
xv
Gambar 4.21 Grafik Waktu Pengumpanan untuk Masing-masing HRT
pada Speed Pompa di Titik 5 41
Gambar 4.22 Grafik Waktu Pengumpanan untuk Masing-masing HRT
pada Speed Pompa di Titik 9 42
Gambar 4.23 Grafik Waktu Pengumpanan untuk Masing-masing HRT
pada Speed Pompa di Titik 10 43
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
xix
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Dimensi
T Waktu Detik
P Tekanan Pascal
H Ketinggian Meter
ρ
Massa jenis kg/m3
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
4
Peneliti Judul Metode Hasil
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.
Universitas Sumatera Utara
5
Peneliti Judul Metode Hasil
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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).
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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).
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
18
Gambar 2.3 Pengendalian Sistem Pemanas Bioreaktor (Coughran, 2008)
Heating/
Cooling
fluid supply
Cooling
OUT
Reactor
temperature
Heating
SP
Limit
SP
TIC
PV
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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:
- Diameter atas : 38 cm
- Diameter bawah : 30 cm
- Ketinggian tangki : 54 cm
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
Universitas Sumatera Utara
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:
- Diameter atas : 33 cm
- Diameter bawah : 30 cm
- Ketinggian tangki : 33 cm
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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)
Universitas Sumatera Utara
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)
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
40
4.3.2 Kalibrasi Speed Pompa di Titik 2
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.
Gambar 4.20 Grafik Waktu Pengumpanan untuk Masing-masing HRT pada Speed
Pompa di Titik 2
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 14; 25; 63; dan 198 detik. Setelah didapatkan waktu
melalui hitungan, dilakukan percobaan untuk masing-masing HRT 45, 25, 10, dan
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)
Waktu hasil perhitungan
Waktu hasil penelitian
Trendline
Universitas Sumatera Utara
41
4.3.3 Kalibrasi Speed Pompa di Titik 5
Setelah didapatkan hasil perhitungan waktu pengumpanan, diatur timer
dengan waktu tersebut, ketika tidak didapati volume keluaran effluent seperti yang
diharapkan, timer diatur ulang. Gambar 4.21 menunjukkan perbandingan data
perhitungan dengan data penelitian pada speed pompa di titik 5.
Gambar 4.21 Grafik Waktu Pengumpanan untuk Masing-masing HRT pada Speed
Pompa di Titik 5
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 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)
Waktu hasil perhitungan
Waktu hasil penelitian
Trendline
Universitas Sumatera Utara
42
4.3.4 Kalibrasi Speed Pompa di Titik 9
Setelah didapatkan hasil perhitungan waktu pengumpanan, diatur timer
dengan waktu tersebut, ketika tidak didapati volume keluaran effluent seperti yang
diharapkan, timer diatur ulang. Gambar 4.22 menunjukkan perbandingan data
perhitungan dengan data penelitian pada speed pompa di titik 9.
Gambar 4.22 Grafik Waktu Pengumpanan untuk Masing-masing HRT pada Speed
Pompa di Titik 9
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 2,1; 3,8; 9,5; 24 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 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)
Waktu hasil perhitungan
Waktu hasil penelitian
Trendline
Universitas Sumatera Utara
43
4.3.5 Kalibrasi Speed Pompa di Titik 10
Setelah didapatkan hasil perhitungan waktu pengumpanan, diatur timer
dengan waktu tersebut, ketika tidak didapati volume keluaran effluent seperti yang
diharapkan, timer diatur ulang. Gambar 4.23 menunjukkan perbandingan data
perhitungan dengan data penelitian pada speed pompa di titik 10.
Gambar 4.23 Grafik Waktu Pengumpanan untuk Masing-masing HRT pada Speed
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)
Waktu hasil perhitungan
Waktu hasil penelitian
Trendline
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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 ℃.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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”
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
54
Tabel LA.3 Kalibrasi Pompa Peristaltik untuk Speed di Titik 2
Waktu (menit) Volume (ml) Volume Total (ml)
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
Tabel LA.4 Kalibrasi Pompa Peristaltik untuk Speed di Titik 5
Waktu (menit) Volume (ml) Volume Total (ml)
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
Tabel LA.5 Kalibrasi Pompa Peristaltik untuk Speed di Titik 9
Waktu (menit) Volume (ml) Volume Total (ml)
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
Universitas Sumatera Utara
55
Tabel LA.6 Kalibrasi Pompa Peristaltik untuk Speed di Titik 10
Waktu (menit) Volume (ml) Volume Total (ml)
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Waktu (menit) Volume (ml) Volume Total (ml)
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Laju alir rata-rata speed pompa di titik 2 dihitung dengan data dari Tabel
LA.3 sebagai berikut:
Laju alir rata-rata2 = ∑ volume tiap menit
10 menit
= 1.172 ml
10 menit = 117,2 ml/menit
Laju alir rata-rata speed pompa di titik 5 dihitung dengan data dari Tabel
LA.4 sebagai berikut:
Laju alir rata-rata5 = ∑ volume tiap menit
10 menit
= 3.070 ml
10 menit
= 307 ml/menit
Laju alir rata-rata speed pompa di titik 9 dihitung dengan data dari Tabel
LA.5 sebagai berikut:
Laju alir rata-rata9 = ∑ volume tiap menit
10 menit
= 5.965 ml
10 menit
= 596,5 ml/menit
Universitas Sumatera Utara
62
Laju alir rata-rata speed pompa di titik 10 dihitung dengan data dari Tabel
LA.6 sebagai berikut:
Laju alir rata-rata10 = ∑ volume tiap menit
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:
Laju alir rata-rata2 = Volume total
waktu untuk memenuhi volume total
=5.490 ml
63 menit
= 87,14 ml/menit
Pada speed 5:
Laju alir rata-rata2 = Volume total
waktu untuk memenuhi volume total
=5.490 ml
18 menit
= 305 ml/menit
Universitas Sumatera Utara
63
Pada speed 9:
Laju alir rata-rata2 = Volume total
waktu untuk memenuhi volume total
=5.490 ml
9,5 menit
= 577,89 ml/menit
Pada speed 10:
Laju alir rata-rata2 = Volume total
waktu untuk memenuhi volume total
=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:
Volume sekali pengumpanan = 1
n
Volume total reaktor
HRT
Volume sekali pengumpanan = 1 hari
6
5.490 ml
25 hari
= 37 ml
Universitas Sumatera Utara
64
Untuk HRT 10:
Volume sekali pengumpanan = 1
n
Volume total reaktor
HRT
Volume sekali pengumpanan = 1 hari
6
5.490 ml
10 hari
= 92 ml
Untuk HRT 4:
Volume sekali pengumpanan = 1
n
Volume total reaktor
HRT
Volume sekali pengumpanan = 1 hari
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
67
Gambar LC.6 Panel Kontrol Menunjukkan Suhu Bioreaktor Telah Tercapai
Universitas Sumatera Utara
top related