Karakterisasi dan Pra-Perlakuan POME (Palm Oil Mill Effluent) Sebagai Bahan Baku Proses Fermentasi Gelap Untuk Produksi Biohidrogen

Abstract

Proses fermentasi gelap menggunakan bahan baku POME memiliki keterbatasan karakteristik fisik, kimia, dan biologis untuk digunakan secara langsung sebagai substrat. Kondisi awal POME segar tidak mendukung untuk pertumbuhan dan metabolisme bakteri penghasil biohidrogen. POME memerlukan perbaikan kultur untuk memperoleh produksi gas biohidrogen yang optimal dengan menerapkan perlakuan kontrol bioreaktor dan pra-perlakuan yang tepat. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik POME dan pengaruh pra-perlakuan terhadap produksi gas H2 secara fermentasi gelap. Pra-perlakuan POME terdiri dari penyaringan (mesh 10); variasi pengkondisian pH awal 6, 7, dan 8 dengan larutan NaOH 6 M; dan proses termal pada suhu 100 oC selama 60 menit. Bioreaktor dipertahankan pada kondisi termofilik dengan suhu 60 oC selama 24 jam. Pengambilan sampel uji dilakukan setiap 2 jam selama proses fermentasi gelap berlangsung untuk mengukur produksi gas H2 dan melihat perubahan parameter pH, DO, dan ORP pada POME. Hasil uji karakteristik POME menunjukkan konsentrasi DO yang rendah <0,5 mg/L, akibat tingginya beban organik yang memberikan keuntungan bagi bakteri anaerob obligat untuk tumbuh. Nilai rasio BOD/COD dari hasil karakterisasi diperoleh sebesar 0,47 sehingga tingkat keteruraian secara biologik relatif lambat dan membutuhkan rekayasa limbah untuk meningkatkan biodegradasi POME. Kandungan asam asetat sebesar 851,52 mg/Kg dan etanol sebesar 0,08 %w/w mengindikasikan telah berlangsungnya fase asidogenesis pada substrat POME segar. Parameter yang digunakan untuk melihat keseimbangan makronutrien di dalam POME diperoleh dari nilai rasio C/N sebesar 213 dan C/P sebesar 640. Kompleksitas karakteristik alamiah POME menghambat evaluasi ketercukupan makronutrien pada substrat. Hal tersebut dikarenakan nilai rasio C/N/P yang ideal pada produksi hidrogen yang optimal, diperoleh dari substrat murni pada kondisi biologik terkendali, sehingga hasil literatur tidak dapat dibandingkan dengan data terukur pada penelitian ini. Hasil analisis uji keanekaragaman bakteri pada POME menunjukkan dominasi dari spesies bakteri fermentatif penghasil hidrogen sebesar 89,36 %, dengan konsentrasi tertinggi terdapat pada spesies Caldanaerobius polysaccharolyticus sebesar 88,92 %. Sedangkan kelimpahan relatif bakteri metanogen diperoleh sebesar 0,04 %, dengan konsentrasi tertinggi terdapat pada spesies Methanothermobacter crinale sebesar 0,02 %. Bakteri metanogen yang teridentifikasi pada sampel POME diketahui dapat tumbuh pada suhu dan pH yang sama dengan bakteri fermentatif penghasil hidrogen, khususnya pada lingkungan termofilik. Karakteristik bakteri metanogen mumungkinkan untuk tetap dapat hidup pada suhu kontrol bioreaktor, meskipun akan terhambat pertumbuhannya saat kondisi pH POME mejadi lebih asam. Kemungkinan terjadinya proses reduksi hidrogen lebih dikhawatirkan pada bakteri fermentatif jenis LAB, NRB, dan SRB dengan kelimpahan relatif genus sebesar 1.59 % yang dapat mengkonsumsi hidrogen akibat pergeseran jalur metabolisme. Sampel POME yang digunakan sebagai substrat pada penelitian ini mengalami perubahan sifat pH, ORP, dan DO akibat dari penyimpanan dan pra-perlakuan yang diberikan. Selama proses penyimpanan terjadi penurunan pH sedangkan ORP meningkat (oksidatif), sebaliknya penambahan NaOH meningkatkan nilai pH ke arah basa dan penurunan ORP (reduktif). Pra-perlakuan alkali (NaOH 6 M) dan termal (100 oC) mengakibatkan terbentuknya beberapa reaksi kimia lain pada POME seperti saponifikasi, netralisasi, yang ditunjukkan dengan peningkatan viskositas, dan perubahan warna. Pergeseran sifat awal POME terhadap lama waktu penyimpanan dan perubahan karakteristik biologis selama proses fermentasi gelap mempengaruhi tingkat produksi biohidrogen yang dihasilkan. Pra-perlakuan termal diduga menekan pertumbuhan bakteri alamiah pada POME segar, karena terdapat spesies bakteri yang tidak dapat membentuk endospora. Pra-perlakuan yang berbeda dapat meningkatkan produksi gas biohidrogen, namun secara keseluruhan pengkondisian pH ke arah basa memberikan kecenderungan peningkatan produksi biohidrogen yang lebih konsisten dibandingkan kombinasi pra-perlakuan lainnya.

The dark fermentation process using POME is limited by its physical, chemical, and biological characteristics to be used directly as a substrate for production of biohydrogen. The initial conditions of fresh POME need to be modified to support the growth and metabolism of biohydrogen-producing bacteria. Culture improvement is needed for POME to obtain optimal biohydrogen gas production by applying appropriate substrate pre-treatment. The purpose of this research is to explore the characteristics of POME and its required preconditioning to improve H2 gas production by dark fermentation process under modified environmental conditions. POME pre-treatment consisted of filtering (mesh 10), adjusting the substrate to pH 6, 7, and 8 with NaOH (6M), and heating to 100 oC for 60 minutes. The dark fermentation process was maintained in the bioreactor at thermophilic conditions with a temperature of 60 oC for 24 hours. Samples were taken every 2 hours during the dark fermentation process to measure the production of H2 and parameters changing for pH, DO, and ORP in POME. The POME characteristic showed a low DO concentration (<0.5 mg/L) due to high organic matter, which provided an advantage for obligate anaerobic bacteria to grow. BOD/COD of the raw POME ratio value is 0.47, indicating a slow rate of biological decomposition, so it requires wastewater treatment to increase POME biodegradation. The content of acetic acid (851.52 mg/Kg) and ethanol (0.08% w/w) imply that the acidogenesis phase has occurred in raw POME. Measured C/N ratio of raw POME was 213 and C/P was 640. However, the complexity of POME compared to pure substances used in many literatures hindered the evaluation of its macronutrient adequacy for optimal hydrogen production. The laboratory analysis showed dominance of hydrogen-producing bacteria (89.36%) in POME, with Caldanaerobius polysaccharolyticus has the highest relative abundance (88.92%). In comparison, the relative abundance of methanogenic bacteria was 0.04%, with the highest concentration on Methanothermobacter crinale (0.02 %). Methanogenic species can grow at the same temperature and pH as hydrogen-producing bacteria, especially in thermophilic conditions. They can live on bioreactor temperatures but will be stunted in acidic conditions. The potential of hydrogen reduction is more concerned with fermentative bacteria such as LAB, NRB, and SRB with genus relative abundance of 1.59%, which consume hydrogen because of shifting in metabolic pathways. POME showed the change in pH, ORP, and DO due to storage (4 oC) and pre-treatment. The storage process decreased the pH value and increased the ORP toward oxidative direction. In contrast, the NaOH pre-treatment gave the opposite result by increasing the pH value and reducing the ORP (reductive). In addition, alkaline (NaOH 6 M) and thermal (100 oC) pre-treatment caused other chemical reactions in POME, such as saponification, neutralization, as indicated by increasing viscosity, and colour change. Changes in POME properties during storage time and biological characteristics affect biohydrogen production in the dark fermentation process. Thermal pre-treatment can suppress the growth of natural bacteria in raw POME because there are species that cannot form endospores. Different pre-treatments could increase biohydrogen production, but overall the pH conditioning towards alkaline gave a more consistent tendency to increase biohydrogen production than other pre-treatments.