proposal skripsi “koefisien perpindahan massa pada...
TRANSCRIPT
“KOEFISIEN PERPINDAHAN MASSA PADA PROSESANAEROBIC JERAMI PADI DENGAN INOKULASI
MIKROORGANISME RUMEN”
Oleh :1. Veny Ulil Amrinah (2311100017)2. Farah Amirotus Salma (2311100084)
Dosen pembimbing:Prof. Dr. Ir. Tri Widjaja, M.Eng
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
JURUSAN TEKNIK KIMIA
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
PENDAHULUAN
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
LATAR BELAKANG
Semakin Berkurangnya
Minyak Bumi dan Gas Alam
Fossil
Dibutuhkan
Energi
Alternatif
LATAR BELAKANG
BIOMASS
sebagai energi
alternatif
Jerami Padi
Rumen Fluid
Microorganism
BIO- METHANE
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
PERUMUSAN MASALAH
Lignoselulosic Biomas
Proses Anaerobic
Digestion
Yield Rendah
Proses Lambat
Membutuhkan
Bakteri dg
Konsentrasi
Tinggi
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
LIMBAH CAIRAN
RUMEN sangat
melimpah jika
dibuang tanpa
diolah terlebih
dahulu maka akan
menjadi sumber
GHG.
(Bahaya Metana =
23X Bahaya C02 )
PERUMUSAN MASALAH
DI RPH Pegirian Surabaya, Limbah Cairan Rumen = 1,5 Juta Liter/Bulan
(www.kanalsatu.com)
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
1. Limbah Jerami Padi Kering di Indonesia = 180 juta
ton/tahun
(Sabiham dan Mulyanto, 2005)
2. Sebagai pakan ternak = 31 - 39 %
Dibakar = 36 – 62 %
untuk industri = 7 – 16 %
(Abdullah, 2008)
POTENSI LIMBAH JERAMI PADI
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
PERUMUSAN MASALAH
Koefisien perpindahan Massa
berpengaruh terhadap biogas yang
didapat
TUJUAN PENELITIAN
1.
• Memproduksi metana dari jerami padi dengan pre-treatment dan inokulasi mikroorganisme cairan rumen (novel application of rumen fluid)
2.• Mengetahui pengaruh mikroorganisme cairan rumen pada
fermentasi anaerobik
3.• Mengetahui pengaruh koefisien transfer massa terhadap
kandungan metana yang dihasilkan
TUJUAN PENELITIAN
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
TINJAUAN PUSTAKA
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
Keterangan Komposis
i
Selulosa (%)
Hemiselulosa (%)
Lignoselulosa (%)
EM (Kkal/kg)
Bahan kering (%)
Protein Kasar (%)
Lemak Kasar (%)
Serat Kasar (%)
Abu (%)
37.71
21.99
16.62
3.799,00
92,00
5,31
3,32
32,14
22,25
Jerami Padi
TINJAUAN PUSTAKA
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
Pretreatment Kondisi Biomassa Degradation
Rate (%)
Peneliti
Tanpa Pretreatment - Pulp, paper sludge 25 Lin dkk. (2011)
Kimiawi (alkali) 37oC, 6 Jam Pulp, paper sludge 65,35 Lin dkk. (2009)
Thermal
(Wet Oxidation)
190oC, 1 jam Newspaper 88 Fox dan Noike (2004)
Biologis
(Rumen Fluid)
37oC, 6 Jam
37oC, 24 Jam
Lmbah Kertas
Limbah Kertas87.9
85.8
Baba dkk. (2013)
Baba dkk. (2013)
Tabel II.2. Perbandingan Rate Degradasi Selulosa Pada Berbagai Kondisi
Sumber : Baba dkk. (2013)
TINJAUAN PUSTAKA
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
RUMEN FLUID
Nama Mikroorganisme Jumlah
Protozoa 106 /g
Arcaea 108/g
Bakteri 1010/g
Fungi 104/g
Komposisi
Mikroorganisme Cairan
Rumen
Fungsi cairan rumen menurut Takeneka (2008) adalah
mendegradasi fiber, menghasilkan protein, menghasilkan VFAs,
memecah nutrisi, dan menghasilkan Metana.
TINJAUAN PUSTAKA
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
Fungsi Jenis Bakteri Morfologi Bakteri
Pendegradasiselulosa
- Fibrobacter succinogens
- Ruminococcus Albus
-Ruminococcus flavefaciens
Gram -, batang/ rods
Gram +, coccus/cocci
Gram +, coccus/cocci
Pemakan
hemiselulosa dan
pectin
- prevotella ruminocola
-Butyrivibrio fibrisolvens
Gram -, batang/rods
Gram +, batang/rods
Starch Fermenter
(pemfermentasi pati)
-Ruminobacter amylophilus
-Streptococcus bovis @
Gram -, rods
Gram +, rods
Pemakan asam
organic
-Megasphaera elsdenii
-selenomonas ruminantium
Gram -, cocci
Gram -, rods
Bakteri utama pada Rumen
TINJAUAN PUSTAKA
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
Potensi Limbah Cairan Rumen di RPH
Pegirian Surabaya adalah dengan 260 ekor
sapi (rata-rata yang dipotong tiap hari) x 200
L (Volum Cairan Rumen) = 5200 Liter/hari
atau dalam satu bulan sekitar 7.800 ekor sapi
atau 1.560.000 liter/bulan.
(www.kanalsatu.com)
TINJAUAN PUSTAKA
TINJAUAN PUSTAKA
Fungsi Jenis Bakteri
Pendegradasi
selulosa
- Fibrobacter succinogens
- Ruminococcus Albus
-Ruminococcus flavefaciens
Pemakan
hemiselulosa dan pectin
- prevotella ruminocola
-Butyrivibrio fibrisolvens
Starch Fermenter
(pemfermentasi pati)
-Ruminobacter amylophilus
-Streptococcus bovis
Pemakan asam
organic
-Megasphaera elsdenii
-selenomonas ruminantium
Bakteri KotoranSapi
Ruminococcus
Clotridium
Bacteroides
Bifidobacterium
PERBANDINGAN MIKROORGANISME
RUMEN DENGAN KOTORAN SAPI
KOEFFISIEN PERPINDAHAN MASSA
Koefisien perpindahan massa volumetrik kLa,
adalah kecepatan spesifik dari perpindahan massa
(gas terabsorbsi per unit waktu, per unit luas
kontak.
Koefisien perpindahan massa volumetrik, kLa,
dipengaruhi oleh variabel-variabel bilangan
Reynolds, bilangan Schmidt, geometri sistem yang
digunakan dan perbandingan jumlah umpan
dengan pelarut. Koefisien perpindahan massa
umumnya dinyatakan dalam bentuk bilangan
Sherwood
Koefisien perpindahan massa gas-cair merupakan
fungsi dari laju alir udara/ kecepatan superficial
gas, dan luas area.
TINJAUAN PUSTAKA
KOEFISIEN PERPINDAHAN MASSAMekanisme perpindahan massa adalah kecenderungan suatu
komponen yang berada dalam suatu campuran untuk bergerak dari daerahyang berkonsentrasi tinggi ke daerah yang berkonsentrasi rendah. Lajuperpindahan massa volumetrik dapat ditinjau sebagai perubahan Pkonsentrasi terhadap perubahan waktu dC/dt, dengan persamaan sebagaiberikut :
dC/dt = kLa (C* - C)
TINJAUAN PUSTAKA
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
MEKANISME PROSES ANAEROBIK
DALAM MENGHASILKAN METANA
TahapHidrolisis
TahapAcidogenesis
TahapMetanogenesis
TINJAUAN PUSTAKA
Proses hidrolisis memecah
molekul organic kompleks
menjadi unit yang lebih
kecil gula / monosakarida,
Proses ini bakteri acidogenic (bakteri penghasil
asam) memecah molekul gula menjadi volatil
fatty acid misalnya laktat, butirat, propionate,
dan asetat, juga terbentuk
karbondioksida,NH3, H2S dan H2
Proses mengubah H2 dan asam asetat menjadi CO2, CH4 dan air,
dan mengubah H2 dan asam propionat menjadi CH4
Jerami padi
Karbohidrat
Gula
TINJAUAN PUSTAKA
Asam Asetat H2, CO2
Mekanisme Reaksi
NO Penelitian Hasil Penelitian
1 G. Corro
dkk. (2013)
a. Memproduksi metana
menggunakan biomassa dari
pulp kopi yang dicampur
dengan kotoran sapi
b. Kecepatan konversi metana
pada substrat campuran pulp
kopi dengan kotoran sapi
sangat rendah, dalam 1,5
bulan pertama masih dibawah
10 % dan 2 bulan digestion
time masih sekitar 30 %.
Penelitian terdahulu
NO Penelitian Hasil Penelitian
2 Yasunori
Baba, dkk.
(2013)
a. Kecepatan degradasi selulosa naik dari
76.5 % menjadi 87.9 % pada sample 6
jam, dan dari 76.5 % menjadi 85.8 %
pada sampel 24 jam. Dan kecepatan
degradasi hemiselolusa juga meningkat,
dari 40.6 % menjadi 55.2 % pada sample
6 jam, dan dari 40.6 % menjadi 57,5 %
pada sample 24 jam dan untuk lignin
hanya 10.7 % yang terdegradasi pada
control, dimana 39.4 % pada sample 6
jam, dan 51.8 % pada sampel 24 jam
pada pretreatment dengan
menggunakan mikroorganisme rumen
b. Yield methane yang dihasilkan pada
control 68.2 ml, pada sample 6 jam,
177,7 ml, dan pada sample 24 jam
adalah 142 ml
Penelitian terdahulu
NO Penelitian Hasil Penelitian
3 Zheng-Bo Yue,
dkk. (2013)
a. Rumen memiliki biofilm yang stabil dan
padat. Formasi biofilm adalah
keuntungan yang lain dari
microorganism rumen
b. Mikroorganisme rumen mempunyai
aktivitas hidrolisis dan aktivitas
acidogenesis yang lebih tinggi ketika
menggunakan biomassa berlignoselulosa
sebagai substratnya dibandingkan
dengan inokulom mikroba lainnya
4 Zhen-Hu Hu
dan Han-Qing
Yu, (2005)
a. Dengan substrat yang mengadung 12.4
g/l volatile solid, dan pH 6.7, maka
didapay konversi maksimum volatile
solid sebanyak 66 %, dalam waktu 125
jam. Menurunnya pH dari 6.7 menjadi
5.8 menyebabkan berkurangnya
konversi volatile solid
Penelitian terdahulu
NO Penelitian Hasil Penelitian
5 Andre
Pauss,Gerald
Andre ( 1990 )
Meneliti perpindahan massa dari liquid ke
gas pada proses anaerob dengan
membandingkan dissolved hydrogen pada 3
reaktor yang berbeda yaitu completely
stirred reactor, sludge bed reactor, UBF
reactor. Penelitian ini hanya khusus
meneliti H2 dan CH4 karena merupakan
gas yang berpengaruh pada proses anaerob.
Pada reactor completely stirred reactor
didapatkan kLa yang rendah yaitu 0.16 dan
0.09 h-1 , untuk reactor sludge bed reactor
didapatkan kLa CH4 sebesar,0.03 h-1, dan
pada UBF reactor kLa CH4 0.03 h-1
Penelitian terdahulu
METODOLOGI PENELITIAN
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
METODOLOGI PENELITIAN
Variabel Penelitian
Variabel volume
Mikroorganisme RumenVariabel pengadukan
1. 5% volume
2. 10% volume
3. 15% volume
1. 0 rpm
2. 10 rpm
3. 30 rpm
Metodologi Penelitian
NO Hari Ke Variabel
1 0Analisa VFAs,Analisa viskositas, dan densitas, analisa COD, kurva
pertumbuhan bakteri,Analisa Biogas ( CH4,CO2 ),
2 5Analisa VFAs,kurva pertumbuhan bakteri, analisa COD, viskositas, dan
densitas, Analisa Biogas ( CH4,CO2 ),
3 10Analisa Biogas ( CH4,CO2 ), Analisa VFAs, kurva pertumbuhan bakteri,
analisa COD, viskositas, dan densitas
4 15Analisa VFAs, kurva pertumbuhan bakteri, analisa COD, viskositas, dan
densitas, Analisa Biogas ( CH4,CO2 ),
5 21Analisa Biogas ( CH4, CO2 ), Analisa VFAs, kurva pertumbuhan bakteri,
analisa COD,viskositas, dan densitas
Metodologi Penelitian
VARIABEL WAKTU MENGAMBIL CONTOH
DAN ANALISA
Kondisi Operasi Fermentasi
Anaerobik
Fermentasi batch,suhu 300C selama 21 hari danpH 7
Persiapan Alat
dan Bahan
Pembuatan Starter
Mikroorganisme Rumen
Fermentasi
Anaerobik
BAHAN :
1. Jerami padi 0.3 gram
2. Cairan Rumen 300 ml
3. Nutrisi 0.3 gram
Kondisi Operasi:
Suhu 370C, dilakukan selama 7 jam pada incubator
shaker
FERMENTASI ANAEROBIK
Persiapan Alat
dan Bahan
Pengukuran O2 terlarut
dengan DO meter
Perhitungan
koefisien
transfer
massa CH4
Dari persamaan 1 dibuat plot dengan
sumbu x = −𝑙𝑛𝐶∗𝑂2−𝐶𝑂2
𝐶∗𝑂2, dan sumbu
y = t ( detik )
Sehingga didapatkan slope = kLa,O2
KOEFISIEN PERPINDAHAN MASSA
HASIL DAN PEMBAHASAN
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
HASIL PENELITIAN
Kurva COD ( Chemical Oxygen Demand )
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 5 10 15 20 25
CO
D (
mg/l
)
t ( hari )
Rumen 5%
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 5 10 15 20 25
CO
D (
mg/l
)
Waktu (Hari ke- )
Rumen 10%
HASIL PENELITIAN
Kurva COD ( Chemical Oxygen Demand )
• Semakin banyak penurunan
kadar COD, maka volume biogas
yang dihasilkan semakin banyak
(Nkemka,2015).
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 5 10 15 20 25
CO
D (
mg/l
)
Waktu (Hari ke- )
Rumen 15%
HASIL PENELITIAN
Kurva Pertumbuhan Bakteri
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
0
50000000
100000000
150000000
200000000
250000000
0 5 10 15 20 25
jum
lah
sel
( se
l/m
l )
Hari ke-
Rumen 5%
Rumen 5% Poly. (Rumen 5%)
0
50000000
100000000
150000000
200000000
250000000
0 5 10 15 20 25
Ju
mla
h s
el
( se
l/m
l )
Waktu (Hari)
Rumen 10%
HASIL PENELITIAN
Kurva Pertumbuhan Bakteri
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
0
50000000
100000000
150000000
200000000
250000000
300000000
350000000
0 5 10 15 20 25
Ju
mla
h s
el
( se
l/m
l )
Waktu (Hari)
Rumen 15%
HASIL PENELITIAN
Kurva VS,TS
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25
TS
( g
/l )
Hari ke-
Kurva TS
Rumen 10%
Rumen 5 %
Rumen 15%
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25
VS
( g
/l)
Hari ke-
Kurva VS
Rumen 10%
Rumen 5%
Rumen 15%
HASIL PENELITIAN
Kurva Kandungan Metana
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
HASIL PENELITIAN
Kurva VFas
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0 5 10 15 20 25
Kan
du
ngan
VF
As
[%(v
/v)]
Waktu (Hari ke-)
Rumen 5%
Asam
Asetat
Asam
Propionat
Asam
Butirat
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0 5 10 15 20 25
Rumen 10%
Asam Asetat
Asam Propionat
Asam Butirat
HASIL PENELITIAN
Kurva VFas
nilai VFAs cenderung
meningkat menunjukkan
bahwa semakin banyak asam
asetat,propionate, butirat yang
terbentuk dimana asam asam
tersebut menghasilkan gas
metan sehingga konversi
metana yg dihasilkan juga
tinggi. (Kivaisi, 1994)
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0 5 10 15 20 25
kan
du
ngan
VF
As
[%(v
/v)]
Waktu (Hari ke-)
Rumen 15%
Asam
Asetat
Asam
Propionat
Asam
Butirat
MEKANISME PROSES FERMENTASI ANAEROBIK
H2, CO2
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
0 5 10 15 20 25 30
Ka
da
r M
eta
na
( C
H4
) p
pm
Hari ke-
MEKANISME PROSES FERMENTASI
ANAEROBIK
HIDROLISAACIDOGENESIS
METANASI
HASIL PENELITIAN
Koefisien Perpindahan Massa
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
Volume rumen μ (Cst)
kLa/ jam
0 RPM 10 RPM 30 RPM
5% 7.5625 5.406 5.556 5.181
10% 7.69375 4.205 5.481 5.706
15% 7.9375 5.481 5.631 6.157
HASIL PENELITIAN
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
Volume Rumen kLa/jam Metana (ppm)
5% 5.406 29215.20
10% 4.2 26555
15% 5.481 56484.00
Koefisien perpindahan Massa (Kla) yang besar
kandungan gas metana yang dihasilkan juga besar
karena Kla menunjukkan proses perpindahan massa
terbentuknya gas metana.
KESIMPULAN
TUJUAN PENELITIAN
1.
• Memproduksi Metana dari jerami padi dengan mikroorganismecairan rumen didapatkan hasil metana tertinggi pada hari ke-21.Untuk variabel 5% sebesar 29215,2 ppm, variabel 10% sebesar26555 ppm, dan untuk variabel 15% sebesar 56484 ppm.
2.
• Pengaruh mikroorganisme cairan rumen pada fermentasi anaerobikdipengaruhi :
• Semakin besar penurunan kadar COD, maka volume biogas yangdihasilkan juga semakin banyak.
• Semakin tinggi VFas maka semakin tinggi metana yang dihasilkan.
• Nilai padatan total (TS) cenderung mengalani penurunan, hal inidisebabkan karena bahan organik mengalami degradasi pada saathidrolisis. Sedangkan nilai padatan volatile (VS) juga cenderungmengalami penurunan.
3.• Koefisien perpindahan massa (Kla) CH4 yang tinggi akan
mempercepat terbentuknya gas metana.
KESIMPULAN
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
TERIMA KASIH
LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOKIMIA
• Pengukuran koefisien transfer massa pada penelitian
ini menggunakan gas oksigen. Karena gas oksigen
memiliki tingkat kelarutan yang rendah sama dengan
gas CH4. Dengan sifat fisik yang hampir sama dengan
gas CH4 maka perhitungan , kLa CH4 dapat dihitung
dari kLa oksigen
• Pengukuran menggunakan oksigen diperbolehkan
karena merupakan prosedur yang paling sederhana.
Selain itu, Kla nilainya sebanding dengan nilai akar
dari diffusivitasnya, sehingga perhitungannya
dianalogikan dengan diffusivitasnya. (Beckers, 2015).
• Faktor yang mempengaruhi nilai kLa antara lain
viskositas dan kecepatan pengadukan.
Viskositas berbanding terbalik dengan nilai kLa
sedangkan kecepatan pengadukan sebanding dengan
nilai kLa
Hasil Penelitian
Rumen 5%
Hari ke N μ ρ kla Nre Nsc Nsh
0 10 7.6 1.066233 0.001251 9.352917 2.85116E-07 2E-08
7 10 7.6 1.05609 0.001502 9.263945 2.87854E-07 2.4E-08
15 10 7.55 1.05183 0.001752 9.28768 2.87119E-07 2.8E-08
21 10 7.5 1.039456 0.001669 9.239605 2.88613E-07 2.67E-08
Rata2 10 7.5625 1.053402 0.001543 9.286037 2.87175E-07 2.47E-08
DENGAN METODE REGRESI DIDAPATKAN ERROR SEBESAR 0.83 DENGAN A=
19.25, B= 0.0044, C= 4.112
Volume Rumen log Nre log Nsc log Nsh
5%0.96783 -6.54185 -7.6074
1.445675 -6.54258 -7.60351
10%0.968619 -6.54256 -7.61331
1.44574 -6.54256 -7.59582
15%0.962758 -6.53664 -7.60157
1.43988 -6.53664 -7.56282
𝑁𝑠ℎ = 𝐴𝑁𝑟𝑒𝐵𝑁𝑠𝑐𝐶
log𝑁𝑠ℎ = log𝐴 + 𝐵 log𝑁𝑟𝑒 + 𝐶 log𝑁𝑠𝑐