PENGARUH LAJU ALIR VOLUMETRIK UMPAN STATIC IN-LINE MIXER TERHADAP PERFORMANCE BIOREAKTOR PADA PEMBUATAN BIOGAS DARI LIMBAH CAIR KELAPA SAWIT SKALA PILOT PLANT
SKRIPSI
Oleh
Juliananta Sitepu 080405060
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA AGUSTUS 2013
Universitas Sumatera Utara
PENGARUH LAJU ALIR VOLUMETRIK UMPAN STATIC IN-LINE MIXER TERHADAP PERFORMANCE BIOREAKTOR PADA PEMBUATAN BIOGAS DARI LIMBAH CAIR KELAPA SAWIT SKALA PILOT PLANT
SKRIPSI
Oleh
Juliananta Sitepu 080405060
SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA AGUSTUS 2013
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul:
PENGARUH LAJU ALIR VOLUMETRIK UMPAN STATIC IN-LINE MIXER TERHADAP PERFORMANCE BIOREAKTOR PADA PEMBUATAN BIOGAS DARI LIMBAH CAIR KELAPA SAWIT SKALA PILOT PLANT
yang dibuat untuk melengkapi persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Sumatera Utara maupun di Perguruan Tinggi atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya dicantumkan sebagaimana mestinya.
Medan,
Agustus 2013
Juliananta Sitepu NIM 080405060
i Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan Skripsi dengan judul “Pengaruh Laju Alir Volumetrik Umpan Static In-Line Mixer Terhadap Performance Bioreaktor Pada Pembuatan Biogas Dari Limbah Cair Kelapa Sawit Skala Pilot Plant”, 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:
Penelitian ini dapat diaplikasikan dalam skala pabrik untuk mengurangi biaya pada penggunaan alat pencampur.
Penelitian ini bermanfaat bagi lingkungan dalam pengolahan limbah cair kelapa sawit yang membahayakan biota air di lingkungan masyarakat
Penelitian ini pernah dipublikasikan dalam jurnal yang berjudul “Pengaruh Distribusi Temperatur Umpan Masuk Static In-Line Mixer Terhadap Performance Bioreaktor Pada Pembuatan Biogas Dari Limbah Cair Kelapa Sawit Skala Pilot Plant” di Departemen Teknik Kimia.
Selama melakukan penelitian sampai penulisan skripsi ini penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang sebesar – besarnya kepada: 1. Ir. Bambang Trisakti, M.Si selaku Dosen Pembimbing 2. Metawater Co. Ltd. – Jepang sebagai Penyandang Dana. 3. Mr. Yoshimasa Tomiuchi dari Metawater Co.Ltd.
iii Universitas Sumatera Utara
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.
Medan,
Agustus 2013
Penulis Juliananta Sitepu
iv Universitas Sumatera Utara
DEDIKASI Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada: 1. Orang tua penulis, Bapak dan Mamak yang telah memberikan bantuan baik moril maupun materil bagi penulis. 2. Saudari penulis, Ade floren sia br sitepu yang telah memberi semangat dan saran dalam menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini. 3. Rekan-rekan LPPM Comunity, Bang Zoeladi, Alfy, Dedy, Basril, Jhon Almer, Riki Handoko, ST, Elton J.M.S, ST, Febriansyah, ST, dan Vandi, ST. 4. Teman Sejawat terutama stambuk 2008, adik dan abang/kakak senior Teknik Kimia yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini.
v Universitas Sumatera Utara
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Nama: Juliananta Sitepu NIM: 080405060 Tempat / Tanggal Lahir: Turangi / 27 Juli 1990 Nama Orang Tua: Paruliaan Batin Sitepu Alamat Orang Tua: Lingk VII BANTEN P.KUALA,Kec Kuala
Asal Sekolah SD Methodist Kuala Tahun 1996 – 2002 SMP Negeri 1 Kuala 2002 – 2005 SMA Negeri 1 Kuala Tahun 2005 – 2008 Pengalaman Organisasi / Kerja 1. HIMATEK FT-USU periode 2011 – 2012 sebagai Angoota Bidang Sosial & Rohani
vi Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK Potensi Indonesia sebagai negara produsen CPO terbesar kedua didunia sangatlah menjanjikan dalam industri biogas. Hal ini disebabkan potensi dari POME (Palm Oil Mill Effulent)yang merupakan limbah cair dari kolam fat fit yang dapat di diproduksi menjadi biogas. Produksi biogas pada kondisi thermofilik anaerobik dengan recyle 34% dilakukan dalam empat tangki utama yaitu tangki preparasi,tangki pencampur(mencampur POME keluaran tangki preparasi dengan recyle), bioreaktor dan tangki pengendapan(gravity thickner). Tanki pencampur biasanya terdiri dari satu buah tangki besar dan motor pengaduk serta agitator. Dimana untuk setiap kapasitas yang diolah tentu membutuhkan ukuran tangki, jenis motor dan agitator yang sedikit berbeda. Hal ini sedikit kurang efisien jika ditinjau dari sisi proses, dimana proses itu sendiri harus bersifat lunak terhadap kapasitas. Penelitiaan ini bertujuan menggantikan peranan mixing tank dengan static in line mixing dan dilihat pengaruhnya pada peformance bioreaktor dan produksi biogas. Pengujian yang dilakukan adalah analisa TS dan VS, pH dan M-Alkalinity, dan COD serta mengukur produksi biogas yang terbentuk. Penilaian kualitas pencampuran dari parameter ts(total solid) & vs(volatil solid) dimana hasil keluaran static inline mixer dan mixing tank dibandingkan dengan nilai teoritisnya (regresi). Hasil yang didapat dari perbandingan tersebut dinilai dengan R (keakuratan regresi 0,9-1 ) a.(0,978), b.(0,976), c.(0,992), d.(0,989). Kata Kunci : POME, static in-line mixer, biogas, TS, VS
vii
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT Indonesia as the second country for production CPO in the world is very potesially in biogas industry. Something make it very potensial is POME (Palm Oil Effulent).POME is the most important in biogas because it can be change to biogas. Production biogas is in thermofilik anaerob with recyle sludge 34% through in four tank. They are pretreatment tank, mixing tank, bioreactor, and gravity thickner.The mixing tank is a tank with motor (machine), impeller and any baffle. For the diffrent capacity production, the old specification of mixing tank can be change actually the size of tank. For this reason is very important to change mixing tank with a specifik agitator what can fill or answer this problem. The agitator may answer the problem is a static in line mixer.The research focusses on the capacity of static in line mixing to mix POME from pretreatment tank with the recyle sludge from gravity thickner and see this mixing effect to peformance bioreactor and production biogas.The parameter of the research are TS & VS, ph,and M-alkalinity, COD. The quality of mixing could be described with plot between the data (ts &vs) from mix tank or static in line mixing with a theoritical data ( take from regresion). R (accurate of regrsion) are accepted with scale1(0.9-1), and the result are a.(0,978), b.(0,976), c.(0,992), d.(0,989). The value is good. Keywords : POME, static in-line mixer, biogas, TS, VS
viii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI Halaman PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
i
PENGESAHAN
ii
PRAKATA
iii
DEDIKASI
v
RIWAYAT HIDUP PENULIS
vi
ABSTRAK
vii
ABSTRACT
viii
DAFTAR ISI
ix
DAFTAR GAMBAR
xii
DAFTAR TABEL
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
xv
DAFTAR SINGKATAN
xvi
DAFTAR SIMBOL
xvii
BAB I
BAB II
PENDAHULUAN
1
1.1
LATAR BELAKANG
1
1.2
PERUMUSAN MASALAH
3
1.3
TUJUAN PENELITIAN
3
1.4
MANFAAT PENELITIAN
3
1.5
RUANG LINGKUP PENELITIAN
4
TINJAUAN PUSTAKA
5
2.1
PERKEBUNAN KELAPA SAWIT
5
2.2
LIMBAH PABRIK KELAPA SAWIT
7
2.3
PALM OIL MILL EFFLUENT (POME)
8
2.3.1 SPESIFIKASI PALM OIL MILL EFFLUENT
8
2.3.2 PENGOLAHAN PALM OIL MILL EFFLUENT
9
2.4
ALTERNATIF KONVERSI POME MENJADI BIOGAS
10
2.5
MEKANISME PEMBENTUKAN BIOGAS
11
2.6
PARAMETER FERMENTASI
12
2.7
FERMENTASI ANAEROBIK
14
ix Universitas Sumatera Utara
2.8
NILAI POTENSIAL BIOGAS
15
2.9
BERBAGAI PENELITIAN FERMENTASI POME MENJADI BIOGAS YANG TELAH DILAKUKAN
15
2.10 FERMENTASI POME DENGAN RECYCLE SLUDGE
19
2.11 MIXING TANK
21
2.12 STATIC MIXER
23
2.13 STATIC IN-LINE MIXER DALAM PENELITIAN
23
2.14 BERBAGAI PENELITIAN YANG MENGGUNAKAN
BAB III
STATIC MIXER
31
2.15 STUDI PILOT PLANT
32
2.16 ANALISA EKONOMI
33
METODOLOGI PENELITIAN
35
3.1
LOKASI DAN WAKTU PENELITIAN
35
3.2
BAHAN
35
3.2.1 BAHAN UTAMA
35
3.2.2 BAHAN ANALISA
35
PERALATAN
35
3.3.1 PERALATAN UTAMA
35
3.3
3.3.1.1 TANGKI UMPAN
35
3.3.1.2 BIOREAKTOR
37
3.3.1.3 STATIC IN-LINE MIXER
38
3.3.1.4 TANGKI PENGENDAP
39
3.3.1.5 TANGKI PENANGKAP BIOGAS
41
3.3.1.6 KOMPRESR DAN TANGKI BERTEKANAN TINGGI
3.4
42
3.3.1.7 GAS METER
43
3.3.1.8 CONTROL PANEL
43
3.3.2 PERALATAN ANALISA
44
TAHAPAN PENELITIAN
44
3.4.1 PROSEDUR PENGAMBILAN SAMPEL
44
3.4.2 PROSEDUR PEMBUATAN METAL SOLUTION
44
3.4.3 PREPARASI UMPAN
45
x Universitas Sumatera Utara
BAB IV
3.4.4 LOADING UP DAN OPERASI TARGET
45
3.4.5 PENGUJIAN SAMPEL
45
HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1
48
PENGARUH PENGGUNAAN STATIC INLINE MIXER TERHADAP TS DAN VS
4.2
PERFORMANCE BIOREAKTOR BERDASARKAN NILAI TS & VS
51
4.3
PRODUKSI BIOGAS
53
4.4
ALKALINITAS DAN DERAJAT KEASAMAN (pH) BIOREAKTOR
4.5
54
PENGARUH PERUBAHAN COD TERHADAP PENGGUNAAN STATIC IN-LINE MIXER
BAB V
48
56
KESIMPULAN DAN SARAN
57
5.1
KESIMPULAN
57
5.2
SARAN
58
DAFTAR PUSTAKA
59
LAMPIRAN A
62
LAMPIRAN B
68
xi Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1
Blok Diagram Pengolahan TBS Menjadi CPO
Gambar 2.2
POME dari PKS PTPN IV Adolina
Gambar 2.3
Sketsa neraca massa Fermentasi POME dengan Recycle
7 10
Sludge
19
Gambar 2.4
Jenis Pola Aliran pada Static Mixer
23
Gambar 2.5
Rancangan Static In-Line Mixer dalam Penelitian
24
Gambar 2.6
Skema Static In-Line Mixer yang Sesuai dengan Kelenjar Kista 24
Gambar 2.7
Pola Aliran untuk Nilai Reynold 110 Aliran dari Kiri ke Kanan 25
Gambar 2.8
Pola Aliran untuk Nilai Reynold 100, c/D = 0,5, Aliran dari Kiri ke Kanan
25
Pola Aliran c/D = 0,7
25
Gambar 2.10 Pola Aliran c/D = 0,5
26
Gambar 2.11 Pola Aliran c/D = 0,3
26
Gambar 2.12 Faktor Friksi Vs Angka Reynold
26
Gambar 2.13 Faktor Friksi Vs Angka Reynold pada Variasi Nilai c/D
27
Gambar 2.14 Grafik Bilangan Reynold Vs CoV
27
Gambar 2.15 Kesimpulan
28
Gambar 2.16 Bentuk dari SSC, YNU dan YMX (Atas ke Bawah)
30
Gambar 2.17 Skema Penelitian Visualisasi Tri-Helical Static Mixer
31
Gambar 2.18 Langkah-langkah Pengembangan Scale Up
32
Gambar 3.1
Tangki Umpan
36
Gambar 3.2
Tangki Bioreaktor
38
Gambar 3.3
Static In-Line Mixer Selesai Pabrikasi
39
Gambar 3.4
Tangki Pengendap
40
Gambar 3.5
Tangki Penangkap Biogas
41
Gambar 3.6
Kompresor dan Tangki Bertekanan Tinggi
42
Gambar 3.7
Gas Meter
43
Gambar 3.8
Control Panel
43
Gambar 2.9
xii Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.1
Grafik perbandingan kualitas pencampuran antara Static inline mixer dengan Mixing tank berdasarkan perubahan nilai TS & VS
Gambar 4.2
48
Grafik pengaruh penggantian Static inline mixer terhadap perubahan nilai TS & Vs Fermentor
Gambar 4.3
Grafik pengaruh penggantian Static inline mixer terhadap laju alir produksi biogas
Gambar 4.4
53
Grafik pengaruh pengantian static in line mixer terhadap nilai alkalinitas dan derajat keasaman (pH) fermentor
Gambar 4.5
Gambar B.1
51
54
Grafik Pengaruh Perubahan COD terhadap Penggunaan Static In-Line Mixer
56
Penentuaan data regresi
68
xiii Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1
Luas Areal Perkebunan Kelapa Sawit 2006-2011
5
Tabel 2.2
Volume dan Nilai Ekspor Kelapa Sawit Tahun 2006-2010
6
Tabel 2.3
Karakteristik POME dari Sampel Adolina
8
Tabel 2.4
Komposisi Biogas
11
Tabel 2.5
Kondisi Optimum Produksi Biogas
12
Tabel 2.6
Keuntungan dan Kerugian Fermentasi Anaerobik
14
Tabel 2.7
Kesetaraan biogas dengan sumber lain
15
Tabel 2.8
Berbagai Penelitian fermentasi POME menjadi Biogas yang telah dilakukan
17
Tabel 2.9
Spesifikasi Pembuatan dan Biaya Static In-Line Mixer
33
Tabel 2.10
Spesifikasi Pembuatan dan Biaya Static In-Line Mixer
34
Tabel 3.1
Spesifikasi Tangki Umpan
36
Tabel 3.2
Spesifikasi Bioreaktor
37
Tabel 3.3
Spesifikasi Static In-Line Mixer
38
Tabel 3.4
Spesifikasi Tangki Pengendapan
39
Tabel 3.5
Spesifikasi Tangki Penangkap Biogas
41
Tabel 3.6
Kompresor dan Tangki Bertekanan Tinggi
42
Tabel A.1
Data Kadar TS dari Feed Tank, Gravity Thickener dan Static In-Line Mixer
Tabel A.2
62
Tabel A.1 Data Kadar TS dari Feed Tank, Gravity Thickener dan Static In-Line Mixer
63
Tabel A.3
M-Alkalinity dan pH Bioreaktor
64
Tabel A.4
Laju Produksi Biogas
65
Tabel A.5
Kadar TS dan VS Bioreaktor
66
xiv Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN Halaman LAMPIRAN A DATA HASIL PERCOBAAN
62
A.1 DATA TS DAN VS PILOT PLANT UNTUK PENGGUNAAN STATIC IN-LINE MIXER
62
A.2 DATA PARAMETER PENGUKURAN PADA PILOT PLANT BIOGAS
64
LAMPIRAN B CONTOH HASIL PERHITUNGAN
68
B.1 NILAI REGRESI
68
B.2 PERHITUNGAN KADAR TOTAL SOLID (TS)
69
B.3 PERHITUNGAN KADAR VOLATIL SOLID (VS)
69
B.4 PERHITUNGAN BILANGAN REYNOLD TANGKI BERPENGADUK
70
xv Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SINGKATAN POME
Palm Oil Mill Effluent
CPO
Crude Palm Oil
TKKS
Tandan Kosong Kelapa Sawit
TBS
Tandan Buah Segar
HRT
Hydraulic Retention Time
TS
Total Solid
VS
Volatil Solid
PKS
Pabrik Kelapa Sawit
PTPN
Perseroan Terbatas Perkebunan Nusantara
BOD
Biochemical Oxygen Demand
COD
Chemical Oxygen Demand
pH
Power of Hydrogen
SIM
Static in Line Mixer
MT
Mixing Tank
xvi Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL Simbol
Keterangan
Dimensi
Ha
Luas areal suatu perkebunan
NH4-N
Amonium
mg/L
VFA
Asam lemak yang menguap
mg/L
n-Hex
Normal Heksana
mg/L
C
Karbon
%
H
Hidrogen
%
N
Nitrogen
%
S
Belerang
%
P
Posfor
%
CH4
Metana
L/hari
CO2
Karbon dioksida
H2S
Hidrogen sulfida
O2
Oksigen
CO
Karbon monoksida
H2O
Air
NRe
Bilangan Reynold
SSC
Bentuk static in-line mixer
YNU
Bentuk static in-line mixer
YMX
Bentuk static in-line mixer
L/D
Panjang per diameter
C/N
Rasio karbon per nitrogen
HCl
Asam klorida
NaHCO3
Natrium bikarbonat
Fe
Besi
Ni
Nikel
Co
Cobalt
Kecepatan putaran
Rpm
Vol
Volume
Liter
R
Regresi
xvii Universitas Sumatera Utara
T
Temperatur
0
Q
Panas
KJ
m
Massa
Kg
Cp
Kapasitas panas
(KJ.Kg-1.0C-1)
C
xviii Universitas Sumatera Utara