## Jurnal Teknik Kimia USU
ISSN : 2337-4888
Homepage : https://talenta.usu.ac.id/jtk
ISSN : 2337- 4888 JURNAL TEKNIK KIMIA - USU Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Pengaruh Laju Pengadukan Terhadap Stabilitas Digester Anaerobik Satu Tahap pada Pembentukan Biogas dari Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Menggunakan
Lab Scale Reaktor Batch
Effect of Mixing Rate to Stability of One-Stage Anaerobic Digester on Biogas Production From Palm Oil Mill Effluent Using a Lab Scale Batch Reactor
Irvan*, Bambang Trisakti, Nawalul Azka Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Jalan Almamater Kampus USU, Medan, 20155, Indonesia *Email: irvan@usu.ac.id

## Abstrak
Pencampuran berfungsi untuk meningkatkan efisiensi interaksi antara mikroba aktif dan bahan organik selama  proses  digestasi  anaerobik.  Tujuan  penelitian  ini  adalah  studi  pengaruh  laju  pengadukan terhadap  stabilitas  digester  anaerobik  satu  tahap  dalam  produksi  biogas  yang  ditinjau  dari  pH  dan alkalinitas. Pembuatan biogas dari limbah cair pabrik kelapa sawit dilakukan pada reaktor batch 6000 ml  pada  variasikan  laju  pengadukan  100  rpm,  150  rpm,  200  rpm,  250  rpm  dan  300  rpm.  Reaktor dioperasikan dengan kondisi campuran dijaga pada pH 7±0,2 dan suhu operasi 55 °C. Pada campuran ditambahkan  NaHCO 3 untuk  mengontrol  dan  menjaga  pH  campuran.  Analisis  pH  dan  alkalinitas dilakukan setiap hari untuk melihat stabilitas reaktor. Hasil terbaik diperoleh pada laju pengadukan 200 rpm dengan pH  yang  dihasilkan stabil selama proses  yaitu 7. Profil alkalinitas yang  dihasilkan pada setiap laju pengadukan relatif stabil dengan rentang alkalinitas yaitu 3500-4500 mg/L. Laju pengadukan terbaik yaitu 200 rpm dengan nilai pH dan alkalinitas stabil dan produksi biogas tertinggi yaitu sebesar 457 ml/hari.
Kata kunci : biogas, digestasi anaerobik, laju pengadukan, limbah cair kelapa sawit

## Abstract
Mixing is essential to increase the efficiency of interactions between active microbes and organic matter during the anaerobic digestion process. The purpose of this research is to study the effect of mixing rate on the stability of one stage anaerobic digesters in biogas production in terms of pH and alkalinity. The production of biogas from palm oil mill effluent was carried out in a 6000 ml batch reactor at varying mixing rates: 100 rpm, 150 rpm, 200 rpm, 250 rpm, and 300 rpm. The reactor is operated with a mixture condition maintained at a pH of 7 ± 0.2 and an operating temperature of 55 ° C. NaHCO 3 is added to the mixture to control and maintain the pH of the mixture. Analysis of pH and alkalinity is carried out every day to see the reactor stability. The best results were obtained at a mixing rate of 200 rpm with the pH produced stable during the process is 7. The alkalinity profile produced at each mixing rate was relatively stable with an alkalinity range  is 3500-4500 mg/L. The best mixing rate is 200 rpm with a stable pH and alkalinity and the highest biogas production is 457 ml/day.
Keywords : anaerobic digestion, biogas, mixing rate, palm oil mill effluent

## Pendahuluan
Minyak  kelapa  sawit  merupakan  salah  satu komoditas  utama  di  Indonesia  dan  dalam  beberapa tahun terakhir telah meningkat penggunaannya seperti pada  industri  makanan,  biofuel,  dan  kosmetik. Penggunaan  minyak  kelapa  sawit  di  pabrik  untuk memasok  permintaannya  menghasilkan  residu  yang sangat  berpolusi  yang  disebut  dengan  Limbah  Cair Kelapa  Sawit  (LCPKS)  [1],  sehingga  harus  diolah terlebih dahulu karena dapat mencemari  lingkungan. Salah  satu  pengolahan  LCPKS  yaitu  dengan
memanfaatkan  LCPKS  menjadi  biogas  dengan metode Anaerobic Digestion (AD).
Energi  terbarukan  biogas  yang  berasal  dari LCPKS ini dapat membantu mengurangi penggunaan bahan  bakar  fosil  konvensional  dan  pada  saat  yang sama biogas dari LCPKS berkontribusi untuk menjaga lingkungan.  Selain  itu,  pengolahan  LCPKS  dengan metode  anaerob  juga  menghasilkan  air  dan  pupuk organik [2], yang dapat digunakan untuk pertanian.
Jumlah  biogas  yang  dihasilkan  oleh  proses  AD bergantung pada beberapa parameter seperti suhu, pH, TS, rasio C/N, COD, pengadukan, dan reaktor set up
[3].    Pencampuran  atau  agitasi  berfungsi  untuk memberikan  interaksi  yang  efisien  antara  mikroba aktif  dan  bahan  organik,  mencegah  pengendapan bahan, mencapai homogenitas bahan, dan menghindari  pengembangan  gradien  suhu  dalam sistem  AD  [4].  Tujuan  penelitian  ini  adalah  studi pengaruh laju pengadukan terhadap stabilitas digester anaerobik  satu  tahap  dalam  produksi  biogas  yang ditinjau dari pH dan M- Alkalinity .

## Teori
Anaerobic  digestion (AD)  adalah  salah  satu metode  pengolahan  limbah  cair  yang  mengandung konsentrasi  karbon  organik  tinggi  seperti  LCPKS. Metode  ini  memiliki  keunggulan  yaitu  hemat  biaya, ramah  lingkungan,  mengurangi  jumlah  lumpur  dan mampu menghasilkan listrik dari metana [5].
Proses  mikrobiologis  pada  AD  yaitu  hidrolisis, asidogenesis,  asetogenesis,  dan  metanogenesis. Proses-proses  ini  mengubah  konstituen  POME  yang mengandung  karbohidrat,  asam  lemak,  dan  protein menjadi biogas [1]. Biogas yang dihasilkan terdiri dari 65%  CH 4 ,  35%  CO 2 ,  dan  sejumlah  kecil  hidrogen sulfida  (H 2 S),  yang  merupakan  produk  akhir  AD. Metana  yang  dihasilkan  berpotensi  menggantikan bahan bakar fosil sebagai sumber energi [6].
Jumlah  biogas  yang  dihasilkan  oleh  proses  AD bergantung pada beberapa parameter seperti suhu, pH, TS, rasio C/N, COD, pengadukan, dan reaktor set up [3].  Pengadukan  pada  sistem batch berfungsi  untuk meningkatkan  homogenisasi  campuran  substrat (LCPKS) dan  mikroorganisme  [7]. Pengadukan  juga dilakukan untuk mencegah terjadinya benda mengambang  di  permukaan  cair  dan  untuk mendapatkan suhu yang seragam di reaktor [8]
Selain  pengadukan,  agar  digestasi  anaerobik berlangsung  secara  mendalam,  nilai  pH  sangatlah penting.  pH  dampak  langsung  pada  kemajuan pencernaan  dan  produk.  pH  efluen  dari  reaktor menunjukkan  stabilitas  sistem  dan  variasinya menunjukkan  kurangnya  kapasitas buffer sistem. Bakteri hidrolitik, asidogen, dan metanogen memiliki pH optimal sendiri untuk laju reaksi maksimum [9].
pH  mempengaruhi  kesetimbangan  kimia  NH 3 , H 2 S  dan  Asam  Lemak  Volatil  (VFA),  yang  dapat menghambat  aktivitas  mikroorganisme.  Kisaran  pH ideal  untuk  pencernaan  anaerob  ialah  6,8-7,4  [10]. Penambahan  natrium  hidroksida  atau  natrium bikarbonat dapat mengontrol penurunan nilai pH dan meningkatkan  alkalinitas  campuran.  Alkalinitas adalah  jumlah  jumlah  basa  dalam  reaktor  untuk menetralisir kondisi asam dalam digester sehingga pH digester stabil. Adanya alkalinitas dalam suatu reaktor dengan konsentrasi tertentu dapat menjadi penyangga ( buffer ) untuk menjaga pH dalam kondisi netral pada saat terjadi penambahan asam, sehingga keseimbangan  proses  secara  keseluruhan  tetap  dapat berjalan  normal.  Ketika  pH  dibiarkan  jatuh,  maka sistem  akan  berhenti  karena  bakteri  pembentuk metana akan mati [11].

## Metodologi Penelitian
Bahan baku berupa LCPKS diperoleh dari pabrik kelapa sawit (PKS) PTPN III Unit Kebun Rambutan, Tebing  Tinggi,  Provinsi  Sumatera  Utara  dan starter dari Pilot  Plant Pembangkit  Listrik  Tenaga  Biogas, Pusdiklat  LPPM  USU,  Medan. Starter dan  LCPKS yang  telah  dikarakterisasi  dimasukkan  ke  dalam fermentor dengan perbandingan 20% starter dan 80% LCPKS.  Reaktor  dioperasikan  dengan  variasi  laju pengadukan (ω) 100 rpm, 150 rpm, 100 rpm, 250 rpm, 300 rpm pada  suhu 55 °C.  Kondisi campuran diatur hingga  campuran  memiliki  pH  7±0,2,  dan M- Alkalinity 2.500-5.000  mg/L.  Pengontrolan  pH dilakukan dengan menambahkan Natrium Bikarbonat (NaHCO 3 )  ke  dalam  campuran.  Setelah  pH  dan M- Alkalinity yang  diinginkan  tercapai,  campuran dikarakterisasi  dan  dianggap  hasil  karakterisasi tersebut  sebagai  data  pada  t  =  0.  Setelah  suhu  yang diinginkan  tercapai  dan  dijaga  stabil,  dalam  hal  ini suhu  termofilik  (55  ºC),  proses  mulai  dijalankan. Bioreaktor  beroperasi  terus  menerus  sampai  biogas tidak  dihasilkan  lagi.  Data  dikumpulkan  berupa  pH, alkalinitas  dan  volume  biogas.  Data  yang  diperoleh ditabulasikan setiap hari. Rangkaian alat dapat dilihat pada gambar 1.
Gambar 1. Rangkaian Peralatan
Keterangan Gambar :
1. Jar fermentor 9. Penampung gas 2. Water bath 10. Kecepatan pengaduk 3. Stirrer 11. Controller 4. Sampling injector 12. Temperature controller 5. Termometer 13. Lampu indikator on 6. Water trap 14. Lampu indikator off 7. Gelas Ukur 15. On/off 8. Thermocouple

## Hasil

## Karakterisasi Bahan Baku
Penelitian  ini  menggunakan bahan  baku berupa limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) dari Pabrik Kelapa  Sawit ( PKS ) Rambutan,  PT  Perkebunan Nusantara III , Kabupaten Serdang Bedagai dan starter yang  berasal  dari  digester  anaerobik  methanogenik 3000 L, biogas plant , USU. Karakteristik LCPKS dan starter yang  digunakan  pada  penelitian  ini  disajikan pada Tabel 1 dan Tabel 2.
Tabel 1.  Karakteristik LCPKS Perkebunan   Nusantara
III,  Pabrik  Kelapa  Sawit  (PKS)  Rambutan, Kabupaten Serdang Bedagai Parameter Satuan Hasil Metode pH 4,7 pH Meter M-Alkalinitas 1400 Titrasi COD (mg/L) 68131,87  APHA 5220B VS (mg/L) 32000  APHA 2540E VSS (mg/L) 11738  APHA 2540E Tabel 2. Karakteristik Starter, Biogas Plant , USU Parameter Satuan Hasil Metode pH 8,4 pH Meter M-Alkalinitas 4100 Titrasi COD (mg/L) 37500 APHA 5220B VS (mg/L) 14000 APHA 2540E VSS (mg/L) 16000 APHA 2540E
Berdasarkan  Tabel  1  dan  Tabel  2  dapat  dilihat bahwa LCPKS dan starter berpotensi untuk dijadikan sebagai  bahan  baku  pembuatan  biogas.  LCPKS mengandung  COD  yang  cukup  untuk  digunakan sebagai  bahan  baku  yaitu  diatas  350  mg/L  (standar mutu  limbah)  [12]  dan starter mengandung konsentrasi mikroorganisme tinggi yang ditandai dari nilai  VSS  yaitu  16000  mg/L  yang  berperan  dalam digestasi  anaerobik.  Pencampuran  kedua  bahan diharapkan akan  menyeimbangkan kebutuhan nutrisi sehingga mikroorganisme dapat tumbuh dan mendegradasi  LCPKS  menjadi  biogas.  Dilakukan pengontrolan  pH  dan  alkalinitas  campuran  dengan menambahkan buffer yaitu NaHCO 3 agar proses dapat berlangsung  seragam  dan  maksimal.  Karakteristik campuran LCPKS dan starter dapat dilihat pada tabel 3.
Tabel 3. Karakteristik Campuran LCPKS dan Starter Parameter Satuan Nilai Metode pH 7 pH Meter M-Alkalinitas 3500 Titrasi COD (mg/L) 55357  APHA 5220B VS (mg/L) 44000  APHA 2540E VSS (mg/L) 12000  APHA 2540E

## Pengaruh Laju Pengadukan terhadap pH dan M- Alkalinity
pH  dan  alkalinitas  merupakan  parameter  yang dapat  dijadikan  sebagai  acuan  peninjauan  stabilitas proses  digestasi  anaerobik  di  dalam  digester.  pH adalah  parameter  yang  paling  signifikan  yang mempengaruhi kinerja dan stabilitas digester anaerob.
Hal  ini  dikarenakan  pertumbuhan  mikroorganisme sangat sensitif terhadap pH. Setiap kelompok bakteri membutuhkan  kisaran  pH  yang  berbeda  selama pertumbuhan  [13].  Profil  pH  dan  alkalinitas  dapat dilihat pada gambar 2.

## Gambar 2. Pengaruh Laju Pengadukan terhadap pH dan M-Alkalinity
Gambar 2. menunjukkan nilai pH dan alkalinitas awal dan akhir percobaan. Nilai pH berkisar antara 6,8 hingga  7,1  dan  alkalinitas  antara  3.500-4.500  mg/L sehingga menghasilkan lingkungan yang cocok untuk degradasi  LCPKS. P ada  tahap  awal,  pH  mengalami penurunan  untuk  setiap  laju  pengadukan.  Hal  ini disebabkan  dikarenakan  terjadinya  prevalensi  VFA (volatiles  fatty  acid )  [6].  Hal  ini  akan  meningkatkan pertumbuhan bakteri asidogenik dikarenakan pertumbuhan  ideal  bakteri  asidogenik  berada  pada rentang pH 5,5-6,5 [14]. Namun,  Penurunan nilai pH akan  merusak  kondisi  lingkungan  hidup  bakteri metanogenik  di  mana  bakteri  metanogenik  dapat tumbuh pada rentang pH 6,5-8,2 [10], sehingga biogas yang  dihasilkan  tidak  optimal  diakibatkan  bakteri aktif  mengalami  penurunan  kinerja  atau  hilang.  Jika nilai  pH  turun  di  bawah  6,5,  maka  produksi  asam organik  oleh  bakteri  hidrolitik  dapat  menyebabkan penurunan  pH  yang  lebih  drastis  dan  proses fermentasi  akan  berhenti.  Maka  penggunaan  larutan buffer sangat  dibutuhkan  untuk  meningkatkan alkalinitas  campuran  dengan  meningkatkan  nilai  pH campuran.
Hasil alkalinitas yang ditampilkan pada gambar 2  menunjukkan  pola  yang  mirip  dengan  pH. Penurunan pH pada tahap awal dikontrol kembali oleh alkalinitas tinggi dari keberadaan natrium bikarbonat (NaHCO 3 ). Adanya pengadukan dapat meningkatkan dan  mempercepat  efisiensi  kerja  digester  dalam menstabilkan  kembali  pH  dan  alkalinitas  campuran. Pada  gambar  2  dapat  dilihat  bahwa  adanya
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 M -Al k a li ni ty (mg /L ) pH t (hari)
100 rpm 150 rpm 200 rpm 250 rpm 300 rpm 100 rpm 150 rpm 200 rpm 250 rpm 300 rpm
pH M-Alkalinity
peningkatan  laju  pengadukan  (ω)  seiring  dengan peningkatan kestabilan nilai pH dan alkalinitas. Hasil kerja  digester  dapat  dilihat  juga  pada  akumulasi volume  biogas  yang  dihasilkan.  Akumulasi  volume biogas  pada  tiap-tiap  pengadukan  disajikan  pada gambar 3.

## Gambar 3. Pengaruh Laju Pengadukan terhadap Akumulasi Volume Biogas
Gambar  3  menunjukkan  profil  produksi  total biogas mengalami peningkatan seiiring meningkatnya laju  pengadukan  (ω)  hingga  pengadukan  200  rpm dengan  kenaikan  sebesar  33,33%  dan  84,65%  jika dibandingkan  dengan  volume  biogas  pada  laju pengadukan  (ω)  100  rpm.  Hal  ini  sesuai  dengan Demollari, 2017 di mana produksi biogas meningkat dengan  meningkatkan  kecepatan  pengadukan.  Akan tetapi, pada laju pengadukan (ω) 250 rpm dan 300 rpm jumlah volume biogas mengalami penurunan masing- masing  sebesar  50,22%  dan  57,33%  dibandingkan volume biogas pada laju pengadukan (ω) 200 rpm. Hal ini seiring dengan nilai pH dan M- Alkalinity di mana adanya laju pengadukan terlalu tinggi mengakibatkan kestabilan pH terganggu.
Oleh  karena  itu,  laju  pengadukan  terbaik diperoleh  pada  laju  pengadukan  200  rpm  di  mana akumulasi  volume  biogas  mencapai  4570  ml  (457 ml/hari) dan pH campuran stabil yaitu 7 selama proses digestasi anaerobik berlangsung.

## Kesimpulan
Nilai pH dan alkalinitas selama proses digestasi anaerobik berada pada rentang optimum yaitu masing- masing  pada  rentang  6,8-7,1  dan  3.500-4.500  mg/L. Stabilisasi  digester  terbaik  diperoleh  pada  laju pengadukan 200 rpm dan mencapai akumulasi volume biogas tertinggi yaitu sebesar 457 ml/hari.

## Ucapan Terima Kasih
Penulis  menyatakan terimakasih atas kontribusi staf  Laboratorium  Ekologi,  Universitas  Sumatera Utara  dalam  melakukan  aspek-aspek  eksperimental dari penelitian ini.

## Daftar Pustaka
[1] A. Rajani, Kusnadi, A. Santosa, A. Saepudin, S.  Gobikrishnan,  and  D.  Andriani,  “Review
on  Biogas  from  Palm  Oil  Mill  Effluent (POME):  Challenges  and  Opportunities  in Indonesia,” IOP  Conf.  Ser.  Earth  Environ.
Sci. , vol. 293, no. 1, 2019.
[2] M.  Rashid,  N.  Shakib,  and  T.  Rahman, “Biogas Production from POME by Optimum Level of Inputs,” Smart Grid Renew. Energy , vol. 10, no. 08, pp. 203–212, 2019.
[3] A. Das and C. Mondal, “Comparative Kinetic Study of Anaeriobic Treatment of Thermally Pretreated  Source-Sorted  Organic  Market Refuse,” J.  Eng.  (United  States) ,  vol.  2015, no. December, 2015.
[4] J.  Kainthola,  A.  S.  Kalamdhad,  and  V.  V.
Goud,  “A  Review  on  Enhanced  Biogas Production  from  Anaerobic  Digestion  of Lignocellulosic Biomass by Different Enhancement Techniques,” Process Biochem. , vol. 84, no. May, pp. 81–90, 2019. [5]
N. Shakib and M. Rashid, “Biogas Production Optimization from POME by Using Anaerobic  Digestion  Process,” J.  Appl.  Sci. Process  Eng. ,  vol.  6,  no.  2,  pp.  369–377, 2019.
[6] M. A. F. Hamzah, J. M. Jahim, P. M. Abdul, and A. J. Asis, “Investigation of Temperature Effect on Start-Up Operation from Anaerobic Digestion  of  Acidified  Palm  Oil  Mill Effluent,” Energies , vol. 12, no. 13, 2019.
[7] L.  Gyenge,  S.  Crognale,  S.  Lányi,  B. Ábrahám,  and  B.  Ráduly,  “Anaerobic digestion  of  corn-DDGS:  Effect  of  pH- control, Agitation and batch Repetition,” UPB Sci.  Bull.  Ser.  B  Chem.  Mater.  Sci. ,  vol.  76, no. 4, pp. 163–172, 2014.
[8] M.  Aznury,  Jaksen,  A.  Hasan,  and  R. Artindah,  “The  Production  of  Biogas  from Palm  Oil  Mill  Effluent  as  Substrate  with Variation of  Agitation Speed with  Fed-batch System,” MATEC Web Conf. , vol. 268, 2019.
[9] S.  Panigrahi  and  B.  K.  Dubey,  “A  critical review on operating parameters and strategies to  improve  the  biogas  yield  from  anaerobic digestion  of  organic  fraction  of  municipal solid  waste,” Renew.  Energy ,  vol.  143,  pp. 779–797, 2019.
[10] A.  Ceron-Vivas,  K.  T.  Cáceres-Cáceres,  A. Rincón-Pérez,  and  A.  A.  Cajigas,  “Influence of  pH  and  the  C/N  ratio  on  the  biogas production  of  wastewater,” Rev.  Fac.  Ing.
Univ. Antioquia , no. 92, pp. 70–79, 2019.
[11] H.  H.  A.  Matin  and  Hadiyanto,  “Biogas Production  from  Rice  Husk  Waste  by  using Solid  State  Anaerobic  Digestion  (SSAD) Method,” E3S Web Conf. , vol. 31, 2018.
[12] Anonim,  KepMen  LH  nomor  5/  2014, Peraturan Menteri, Indonesia, 2014, p.1–10.
2475 3300 4570 2275 1950 0 1000 2000 3000 4000 5000 100 150 200 250 300 A k u m ul a si V o lu m e Bi o g a s (m l) ω (rpm)
[13] S. K. Pramanik, F. B. Suja, S. M. Zain, and B. K.  Pramanik,  “The  anaerobic  digestion process of biogas production from food waste: Prospects  and  constraints,” Bioresour. Technol. Reports , vol. 8, no. July, p. 100310,
2019.
[14] Y. C. Chou and J. J. Su, “Biogas production by anaerobic co-digestion of dairy wastewater with  the  crude  glycerol  from  slaughterhouse sludge cake transesterification,” Animals , vol.
9, no. 9, 2019.
[15] E.  Demollari,  “Temperature  and  Stirring Effect  of  Biogas  Production  from  Two Different Systems,” Am. J. Energy Eng. , vol.
5, no. 2, p. 6, 2017.