reaktor tipe fixed bed dan penerapannya pada

J. Tek. Ling
Edisi Khusus “Hari Bumi”
Hal. 89 - 94
Jakarta, April 2012
ISSN 1441-318X
REAKTOR TIPE FIXED BED DAN
PENERAPANNYA PADA INDUSTRI TAHU
Indriyati dan Diyono
Pusat Teknologi Lingkungan
Badan Pengkajian Penerapan Teknologi
Jl. M.H. Thamrin 8, Gedung II lantai 19, Jakarta 10340
Tel. 021-3169715; Fax 021-3169792
E-mail. [email protected]
Abstrak
Hampir sebagian besar industri makanan seperti pada industri tahu mengeluarkan
air limbah dan metodeaplikasinya dalam menerapkan pengolahan air limbah
menghasilkan produk samping seperti biogas yang mengandung gas metana,
biogas tersebut dapat digunakan sebagai substitusi energi untuk industri itu sendiri.
Menurut pengalaman di desa Kalisari yang banyak industri skala kecil dapat tahu.
Telah dibangun sebuah bioreaktor 20 m3 untuk mengolah air limbah. Limbah cair
Industri tahu diolah secara anaerobik dengan menggunakan anaerobic digester tipe
Fixed Bed. Selain, mengurangi polutan organik, juga menghasilkan biogas 11, 86.m3/
day. Produksi biogas digunakan untuk menjalankan kompor untuk 25 rumah tangga.
Penggunaan biogas memberikan nilai tambah untuk satu rumah tangga dengan 4
orang dapat menghemat pengeluaran untuk energi gas adalah sekitar Rp. 60.000, -/bln.
Kata kunci: energi, biogas.
Abstract
Almost of food industries such as tofu industry discharge waste water and the application
method of waste water treatment produce side product such as biogas that contain
methane gas, that biogas can used as energy substitution for the industry itself. According
to the experienced in the Kalisari village thas a lot of small scale tofu industries,it was
built a 20 m3 bio reactor to treat the waste water. The tofu industry waste waster is
treated anaerobic by using anaerobic digester. Beside, reducing the organic pollutant,
it is also produce biogas11,86.m3/day. The biogas production is used to run the stoves
for 25 households. The using of biogas give added value that one household with 4
people can save expenses for the gas energy is about Rp. 60.000,-/month.
Key Words : energy, biogas.
Reaktor Tipe Fixed,... Edisi Khusus “Hari Bumi”: 89 - 94
89
1.PENDAHULUAN
Kalisari dan Ciroyom adalah desa yang
dekat dengan kota Purwokerto kabupaten
Banyumas Jawa tengah. Disana banyak
terdapat industri kecil kurang lebih ada
526 unit, dan sebagian besar merupakan
industry tahu, sehingga bila dilihat dari
potensi emisi gas rumah kaca cukup besar.
Pengurangan emisi dari industry kecil tahu
akan memberikan keuntungan dengan
memperbaiki keadaan lingkungan dan
mennghasilkan gas bio sebagai energy
alternative karena pengolahan limbah cair
dari industry tahu dikelola secara biologi
melalui anaerobic..
Jumlah industry tahu di Indonesia
sekitar 84.000 unit kapasitas produksi 2,56
juta ton kedelai per tahun. Industri tahu
banyak melibatkan tenaga kerja dan juga
mengeluarkan emisi gas rumah kaca yang
cukup besar dari penggunaan bahan bakar
dan limbah cairnya. Sekitar 80 % industry
tahu ada di pulau jawa, sehingga emisi dari
industry tahu yang dikeluarkan berkisar
sekitar 0,8 juta ton CO2 ekivalen per tahun.
Sebagai model pengolahan limbah
industri tahu di desa Kalisari dibuat contoh
pengolahan limbah cair tahu dengan
kapasitas sebesar 20 m3 tipe Fixed Bed.
Limbah cair tahu mengandung bahan
organic yang cukup tinggi dan dengan
proses fermentasi anaerobic tanpa oksigen
akan memproduksi gas bio dengan kadar
methane yang tinggi dan sebagai alternative
energy dapat digunakan untuk rumah tangga
sekitar industry dan juga akan mereduksi
emisi gas rumah kaca. Model percontohan
pengolahan limbah cair tahu dibangun oleh
BPPT dan didanai oleh Kementerian Riset
dan Teknologi. Hal ini dapat dilihat pada
Gambar1.Keadaan Limbah Cair Industri
Tahu.
Organik kompleks: Protein, Lemak
& Karbohydrat & dll
Hidrolisis
Enzim exstraseluler
Organik terlarut:
Glukosa, Asam amino
Asidogenesis
Sel Bakteri
Bakteri asam
Asam volatile
Metanogenesis
Produk lain
Bakteri methan
s
CH4 & CO2
Gambar 2. Proses Degradasi Anaerobik1)
Semua tahapan degradasi bahan
organic dapat pada Gambar 2. Sebagai
berikut :
2.
Gambar 1. Limbah Industri pabrik tahu
90
PENGOLAHAN ANAEROBIK DI REAKTOR
TIPE FIXED BED
Proses degradasi bahan organic
secara anarobik dapat dilihat pada Gambar
2. Degradasi bahan organik berjalan dalam
beberapa tahap dan di setiap tahap ada
bakteri tertentu yang dominan bekerja dan
mempunyai kondisi hidup optimum yang
Indriyati dan Diyono., 2012
dapat dijadikan parameter yang penting.1)
2.1 Proses Hidrolysis
adalah proses dimana aktivitas
kelompok bakteri Saprofilik menguraikan
bahan organik kompleks. Aktivitas terjadi
karena bahan organik tidak larut sepeti
polisakarida, lemak, protein dan karbohidrat
akan dikonsumsi bakteri Saprofilik, dimana
enzim ekstraseluler akan mengubahnya
menjadi bahan organik yang larut dalam air.
2.2 Proses Asidogenesis
Pada proses ini, bahan organik terlarut
akan diubah menjadi asam organik rantai
pendek seperti asam butirat, asam propionat,
asam amino, asam asetat dan asam-asam
lainnya oleh bakteri Asidogenik.
Salah satu bakteri yang hidup dalam
kelompok Asidogenik adalah bakteri
pembentukan asam asetat yaitu bakteri
Asetogenik, bakteri ini yang berperan dalam
tahap perombakan asam propionat, asam
amino, asam butirat, maupun asam rantai
panjang lainnya menjadi asam organik yang
mudah menguap/volatil seperti asam asetat.
2.3 Proses Metanogenesis
Proses Metanogenesis adalah
proses dimana bakteri Metanogenik akan
mengkonversi asam organik volatil menjadi
gas metan (CH4) dan karbondioksida (CO2).
A. Reaktor Anaerobik Tipe Fixed Bed
Reaktor anaerobik tipe Fixed Bed
adalah jenis reaktor dengan media tetap
diperkenalkan pada tahun 19671). Bioreaktor
ini adalah reaktor yang terdiri dari tangki
berisi bahan pembantu berupa material
penyangga tetap atau media. Fungsi dari
material penyangga/media ini adalah
sebagai tempat menempel atau rumah
mikroorganisme, sehingga mikroorganisme
tidak ikut terbawa cairan sisa buangan atau
effluen yang keluar dari reaktor.
Pada reactor tipe Fixed bed dengan
rumah mikroorganismenya berupa potongan
bamboo dengan ukuran panjang sekitar 5 – 7
cm dan diameter potongan bamboo sekitar
10 cm. Bambu mempunyai permukaan
yang cukup kasar sehingga memudahkan
mikroorganisme menempel pada permukaan
bamboo tersebut. Adanya pertumbuhan
mikroorganisme di permukaan bamboo
menyebabkan degradasi bahan organic yang
terkandung pada limbah cair tahu. Reaktor
tipe ini mempunyai kapasitas yang terbatas
sesuai dengan jumlah mikroorganisme
yang melekat dalam potongan bamboo,
apabila diberikan aliran yang cukup tinggi
akan mengakibatkan mikroorganisme
keluar dengan efluen yang ada atau disebut
washout, hal ini sangat berpengaruh pada
kinerja dari reactor tersebut.
.
B. Modus operasi Reaktor Anaerobik Tipe
Fixed Bed
Sistem aliran pemasukan influen di reactor
anaerobic tipe Fixed Bed dapat dilakukan
secara dari bagian bawah atau upflow dan juga
dari bagian atas atau down flow, pada sistem
aliran ini sebaiknya digunakan sistem upflow
untuk menghindari adanya penyumbatan.
Cairan yang masuk dari bagian bawah akan
terdistribusi dengan merata melalui potongan
bamboo sebagai rumah mikroorganisme dan
akan terdegradasi dengan baik. Sedangkan
aliran yang dimasukkan dari bagian atas
tidak dapat mengalir secara merata sehingga
kemungkinan terjadi penyumbatan di potongan
bamboo dan degradasi yang terjadi tidak
merata.Perbedaan sistem aliran upflow dan
down flow dapat dilihat pada Gambar 3.
.
Gambar 3. Modus Operasi Reaktor Tipe Fixed
Bed.
Reaktor Tipe Fixed,... Edisi Khusus “Hari Bumi”: 89 - 94
91
C. Material Penyangga/Media.
Material penyangga tetap dapat
dibuat dari berbagai macam bahan tidak
terdegradasi, misalnya: plastik, keramik,
tanah liat, batu apung atau bahan alam
lainnya. Ukuran dan bentuk material
penyangga tetap yang digunakan dapat
berbentuk tidak beraturan, yang dibuat dari
sejenis plastik dengan bentuk geometri
tertentu dan potongan bambu dengan
ukuran tertentu.
Material penyangga tetap dalam
bioreaktor dapat berfungsi memperbanyak
jumlah bakteri didalam reaktor 3).
Pertumbuhan mikroorganisme yang
aktif didalam reaktor dipengaruhi oleh
efektifitas material penyangga tetap.
Efektifitas tersebut bergantung kepada :
- Luas permukaan area material
penyangga tetap yang dinyatakan dalam
m2/m3. Rasio luas permukaan berpengaruh
terhadap jumlah mikroorganisme yang
menempel sebagai biofilm per unit volume
reaktor. Kekasaran permukaan material
penyangga tetap memegang peranan
penting dalam periode inokulasi.
- Bentuk dan ukuran material penyangga
tetap, menentukan dalam pengadukan dan
cara pengaliran di dalam reaktor.
- Porositas reaktor, yaitu perbandingan
total volume kerja reaktor setelah diisi material
penyangga tetap dengan total volume reaktor
sebelum diisi material penyangga tetap,
dinyatakan dalam persen (%). Porositas
besar akan semakin baik karena tidak akan
menyebabkan penyumbatan dalam proses,
apabila limbah yang akan diolah mempunyai
konsentrasi partikulat yang tinggi.
D.
Faktor-faktor yang Mempengaruhi
Stabilitas Reaktor.
Pada proses pengolahan dengan proses
anaerob, banyak faktor yang mempengaruhi
stabilitas reaktor, diantaranya adalah :
92
a. Waktu tinggal hidraulik.
Waktu tinggal dengan satuan hari,
dipengaruhi dengan volume reaktor dan
berbanding terbalik dengan debit substrat.
Waktu tinggal pada reaktor anaerobik
berkisar antara 3 sampai 10 hari 3).
b. Laju pembebanan organik.
Laju pembebanan oraganik adalah
besaran yang menyatakan jumlah material
organik dalam air buangan yang diuraikan
oleh mikroorganisme dalam reakto per unit
volume per hari.
c. pH.
Pada proses anaerobik, pH adalah
salah satu parameter penting karena bakteri
metan sangat sensitif terhadap perubahan
sehingga pH harus selalu dikondisikan pada
rentang 6,5-7,5 akan tetapi proses masih
dapat berjalan pada rentang pH 6,0-8,0.
pH yang rendah dan berlebihnya produksi
asam akan menjadi penghambat untuk
bakteri metanogenik4). Untuk mengontrol pH
pada pengolahan anaerob dapat digunakan
Sodium Bikarbonat 5,6).
d. Alkalinitas
Alkalinitas pada proses anaerob
diperlukan untuk mempertahankan pH agar
tetap dalam rentang yang optimum sehingga
bakteri metan dapat tumbuh dengan baik
dan dapat menghasilkan biogas dengan
perbandingan 55-75% gas metan dan 2545% gas karbondioksida. Untuk mencapai
perbandingan gas diatas, dengan kondisi pH
6,5 dibutuhkan nilai alkalinitas pada rentang
500-900 mg/l CaC03 7).
e. Temperatur.
Berdasarkan pada pengoperasian
reaktor anaerobik, bakteri yang hidup dalam
reaktor dibedakan menjadi dua golongan
yaitu.
Termofilik yang hidup pada suhu antara
40 – 60 oC.
Indriyati dan Diyono., 2012
Mesofilik yang hidup pada suhu antara
25 – 40 oC.
Te m p e r a t u r o p t i m u m u n t u k
pertumbuhan bakteri mesofilik adalah pada
temperatur 35 oC.
f.Nutrisi.
Kebutuhan nutrisi bakteri anaerobik
khususnya N dan P yang dibutuhkan untuk
memproduksi enzim untuk mencerna karbon.
Rasio perbandingan C : N : P berkisar 400 :
7 : 1 dan 1000 : 7 :1 tergantung pada tinggi
rendahnya beban yang akan diolah 5).
g. Senyawa racun atau penghambat.
Pada proses anaerob, senyawa
penghambat dapat dibedakan menjadi dua
jenis yaitu penghambat fisik dan penghambat
kimia. Penghambat fisik adalah temperatur,
sedangkan penghambat kimia adalah
logam berat, antibiotik dan volatile fatty
acid (asam lemak volatil). Pada proses
anaerob konsentrasi asam volatile dalam
rentang 200 – 400 mg/l sebagai asam asetat
menunjukkan kondisi reaktor yang baik4).
3. P E N E R A PA N P E N G O L A H A N
LIMBAH INDUSTRI TAHU
Pengolahan limbah cair industri tahu
dimulai dengan pemisahan cairan dari
tempat pengepresan dan tempat pencucian
serta fermentasi. Cairan dari pengepresan
disebut limbah cair industri tahu yang
akan diolah di tempat pengolahan limbah.
Air limbah kemudian dialirkan menuju bak
pennampung melalui saluran pipa yang
disediakan. Didalam bak penampung
disaring terlebih dahulu sebelum dialirkan
dalam reactor Kemudian limbah yang telah
disaring kemudian dipompakan secara
intermiten kedalam reactor.
Limbah cair tahu mengalir langsung
kedalam reactor kemudian limbah cair akan
tinggal untuk beberapa hari tergantung
lamanya waktu tinggal cairan didalam
reactor. Didalam reactor limbah cair organik
diproses secara anaerobic fementasi.
Tujuan dari proses anaerobic adalah
mendegradasi bahan organik didalam limbah
cair dan merubah bahan organik menjadi
gas bio. Teknologi yang digunakan adalah
dengan menggunakan media penyangga
berupa potongan bambu berupa ukuran
potongan sekitar 7 – 8 cm.
Bakteri akan tumbuh dupermukaan
bamboo dan membuat lapisan aktif yang
mendegradasi bahan organic terlarut.
Keuntungannya adalah bacteria akan
mengadakan fixasi dan kemudian membuat
akumulasi, oleh karena itu bakteri tidak
terbawa keluar bilamana dioperasikan
dengan laju beban organic yang tinggi.
Limbah yang dipompakan masuk kedalam
reactor dengan system upflow masuk dari
bagian bawah akan terdistribusi melalui
media penyangga bagian bawah menuju
keatas dan kemudian efluen akan keluar
melalui bagian atas kemudian mengalir
langsung ke kanal langsung dibuang ke
sungai dan menuju kesawah.
Produksi gas bio dari bio reaktor
mengalir melalui pipa menuju gas holder dan
kemudian didistribusikan kerumah tangga
dilingkungan tempat pengolahan limbah.
Gas bio yang dihasilkan dapat digunakan
sebagai pengganti bahan bakar gas LPG.
Gambar 3. Anaerobik Reaktor Fixed Bed
Reaktor Tipe Fixed,... Edisi Khusus “Hari Bumi”: 89 - 94
93
4.
UNJUK KERJA REAKTOR TIPE
FIXED BED
Selama masa operasional test di
lapangan, jumlah limbah cair yang diolah
secara optimum pada proses ini adalah
sebagai berikut :
-
Umpan yang dimasukan 3,20 m3/hari
Total COD inlet sebesar 16,483 mg/L.
-
Waktu fermentasi selama 5 hari,
-
Total COD efluen 2.128 mg/L.
-
Produksi gas bio sebanyak 11,86 m3/
hari. Kandungan methan sekitar 85.30
%, Efisiensi bio reactor 87,35 %.
-
Media penyangga potongan bambu.
Porositas bamb
80 %.
pH influent
5,2
-
pH efluen
6,.88
Gas bio yang dihasilkan oleh reaktor
anaerobik digunakan memasak kebutuhan
rumah tangga dan untuk keperluan industri
sendiri menggoreng tahu untuk dijual.
perhitungan investasi karena pengolahan
limbah tahu yang ada adalah merupakan
model percontohan untuk desa Kalisari,
dimana gas bio digunakan sebagai alternative
pengganti energi Hal ini difokuskan masalah
transfer teknologi.
5.Kesimpulan
Berdasarkan percobaan yang dilakukan
pada contoh model pengolahan limbah cair
tahu, dapat disimpulkan sebagai berikut :
Te k n o l o g i a n a e r o b i c d a p a t
menggunakan reactor tipe Fixed Bed untuk
mengolah limbah cair tahu.
Produksi biogas sebesar 11,83 m3 per
hari.
Jumlah produksi gas bio dapat digunakan
untuk 25 rumah tangga, jadi keuntungan yang
didapat oleh desa Kalisari Rp. 1.500.000,DAFTAR PUSTAKA
1.
2.
3.
Gambar 4. Flow diagram of treatment plant
Pada kondisi yang sebenarnya untuk
masyarakat desa Kalisari mempunyai
keuntungan sebagai berikut :
- Satu rumah tangga mengkonsumsi
4 unit LPG per bulan.
- Harga satu tabung kecil LPG
Rp. 15.000,- Oleh karena itu, satu rumah tangga
dapat menghemat
Rp. 60.000,- per bulan.
- Jumlah produksi gas bio dapat digunakan
oleh 25 rumah tangga, berarti keuntungan
yang didapat oleh penduduk di desa
Kalisari adalah Rp. 1.500.000,- per bulan.
Perhitungan ini dilakukan tanpa
94
4.
5.
6.
7.
8.
Weiland, P. 1987. Development of
Anaerobic Filters for Treatment of High
Strength Agro Industrial Wastewater,
Bioprocess EngineerinSpringer, Verlag.
Winkler, M.A. 1981. Biological Treatment
of Waste-Water. New York: John Wiley
and Sons.
Chavadej, s.1980. Anaerobic Filter for
Biogas Production. J. Energy Head
Mass Transfer.
Grady, C.P.L and Lim, H.C. 1980.
Biological Wastewater Treatment, New
York Marcel Dekker, inc.
Malina, Joseph F and Frederick G.
Pohland 1992. Design of Anaerobic
processes for the Treatment of Industrial
and Municipal Waste. Pennsylvania:
Tehnomic Publishing Company, Inc.
Reynolds, Tom D. 1982. Unit Operation
and Processes in Environmental
Engineering. United State of America:
B/C Engineering
Rittman, B.E and Mc Carty P.L. 2001.
Environmental Biotechnology Principles
and Aplication, Boston : Mc Graw Hill.
Indriyati dan Diyono., 2012