Selviya

Biodata Diri

Nama: Selviya Chandrika Avaurum

NPM:1806201415

Jurusan: Teknik Mesin

Pertemuan Pertama Tugas Merancang 2020/2021

Pertemuan pertama tugas merancang dilaksanakan pada hari Senin, 28 September 2020 pukul 19.15. Pada pertemuan pertama ini, kelompok kami berkenalan satu sama lain antar anggota kelompok dan dosen pembimbing kami, yaitu Bapak Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara. Setelah itu, kami membuat akun di website air.eng.ui.ac.id.

Tema tugas merancang kelompok kami adalah pemanfaatan limbah rumah tangga untuk bahan bakar (biogas). Sumber bacaan sudah diberikan di Whatsapp grup yang mencakup materi tentang gasifikasi dan biogas. Namun, kami hanya diminta untuk merancang biogas terlebih dahulu. Untuk merancang analisis sebuah sistem konversi energi dibutuhkan sebuah software, salah satunya adalah Modelica.

Untuk awal mula tugas merancang, kami diminta untuk membuat sistem sederhana pengolahan biogas untuk masing-masing anggota kelompok agar tiap anggota kelompok mendapatkan pengalaman bagaimana rasanya membuat biogas sederhana dengan memanfaatkan sisa bahan makanan yang ada di rumah. Setelah beberapa hari, kami harus mengecek apakah ada biogas yang tercipta dari proses pembusukan sisa bahan makanan. Jika tiap anggota kelompok sudah membuat sistem sederhana pengolahan biogas, barulah setelah itu pembuatan sistem akan dilakukan secara berkelompok. Hasil dari percobaan yang telah dibuat akan dipaparkan kembali pada zoom meeting yang akan dilaksanakan tiap hari Senin pukul 19.15.

Pertemuan Kedua Tugas Merancang 2020/2021

Pada pertemuan kedua, kami diminta untuk melaporkan progress biogas tiap mahasiswa. Saya sendiri membuat biogas dengan menggunakan botol air mineral ukuran 600 ml, sayur sawi dan timun yang telah dihaluskan, dan air. Sebelumnya saya ingin membuat biogas dari limbah cair tahu namun belum sempat ke pabriknya dikarenakan pabrik tersebut beroperasi pada malam hari dan setiap sore dan malam di daerah saya hujan angin disertai petir. Untuk pembentukan gas sendiri belum terlihat, dikarenakan menurut pengalaman saya dibutuhkan waktu yang cukup lama sekitar 2-3 minggu agar gas metana dapat terbentuk.

Selanjutnya, kami diminta untuk membuat instalasi biogas sederhana menggunakan galon air mineral yang dipasang manometer U menggunakan selang yang dipasang di atas tutup galon tersebut.

Pertemuan Ketiga Tugas Merancang 2020/2021

Sketsa Automatic Gate Valve Individu

Setelah saya, Ridhwan, Dennis, dan Daffa pergi ke rumah Pak Dai, kami diminta untuk mendesain automatic gate valve menurut masing-masing individu. Berikut desain yang saya buat:

Mekanisme Kerja Automatic Gate Valve

Bagian atas (gagang) gate valve dicopot lalu disambungkan dengan shaft motor stepper dengan menggunakan selongsong berulir (seperti sedotan stainless steel namun berulir pada bagian dalam). Shaft motor stepper juga dibuat berulir. Motor stepper digunakan untuk membuka dan menutup gate secara otomatis (tidak menggunakan tenaga manusia). Motor stepper diberikan penyangga agar motor stepper tetap diam (tidak ikut berputar) saat digunakan. Penyangga dipasangkan mur baut pada bagian bawahnya. Motor stepper dihubungkan dengan arduino agar dapat dioperasikan secara otomatis. Motor stepper akan berhenti ketika sudah mencapai debit yang diinginkan dan gate akan menutup aliran.

Ukuran Gate Valve

Gate valve yang digunakan pada sistem biogas memiliki ukuran sebenarnya berdiameter 11 cm atau 110 mm sesuai dengan diameter shaft screw conveyor. Namun, kemarin kami mencoba menggunakan valve berukuran ½ inch bersama dengan Bang Tanwir untuk memahami cara kerja gate valve.

Kinematika dan Dinamika Automatic Gate Valve

BAGIAN-BAGIAN DARI AUTOMATIC GATE VALVE [2]

Electric motor terhubung dengan aktuator yang kemudian terhubung dengan batang berulir valve yang digunakan untuk membuka dan menutup gate valve. Valve stem merupakan batang valve yang berulir. Seat ring merupakan bagian pada valve yang diam, sedangkan disc merupakan bagian yang bergerak berfungsi sebagai pengontrol aliran. Disc akan bergerak ke atas sehingga memberikan ruang kepada slurry untuk mengalir. Disc akan bergerak ke bawah jika akan menutup aliran dan menekan seat dengan rapat.

KINEMATIKA DAN DINAMIKA AUTOMATIC GATE VALVE [2]

TORSI DAN THRUST GATE VALVE [1]

Thrust

Seating Force = Valve seat area x Max differential pressure x Valve factor (lbs).

Valve seat area = (((Seat diameter)^2 x 3,14))/4

Max. differential pressure = P1 – P2 (PSIG)

Valve factor = 0.25 Parallel seat, 0.30 Gate valve, 1.10 Globe valve.

Stem Load = Valve stem area x Max. upstream pressure (lbs).

Valve stem area = (((Stem diameter)^2 x 3,14))/4

Max. upstream pressure = P1 (PSIG).

Stem Packing Friction = Stem diameter x 2000

Thrust to seat or unseat = seating force + stem load + stem packing friction (lbs).

Torsi

Torsi = Thrust x Stem factor (ft.lbs).

Menghitung Gate Valve pada Sistem Biogas

Ukuran valve = 1/2 inch

Class = 125 lbs

Max. upstream pressure= 200 PSIG

Seat diameter = 1/2 inch

Stem diameter = 0.23622 inch

Stem factor = 2

Asumsi:

P2 = 125 PSIG

Stem factor = 0.005

Maka:

Thrust

Seating Force = Valve seat area x Max differential pressure x Valve factor (lbs).

               = 0.19625 x 75 x 0.3 = 4.42 lbs.

Valve seat area = (((Seat diameter)^2 x 3,14))/4=(〖(0.5)〗^2×3,14)/4=0.19625 sq.in

Stem Load = Valve stem area x Max. upstream pressure (lbs).

               = 0.044 x 200 = 8.8 lbs.

Valve stem area = (((Stem diameter)^2 x 3,14))/4=(〖(0.23622)〗^2×3,14)/4=0.044 sq.in

Stem Packing Friction = Stem diameter x 2000 = 0.23622 x 2000 = 472.44

Thrust to seat or unseat = seating force + stem load + stem packing friction (lbs)

                        = 4.42 + 8.8 + 472.44 = 485.66 lbs = 2160.32 N.

Torsi

Torsi = Thrust x Stem factor (ft.lbs) = 2160.32 x 0.005 = 10.80 ft.lbs = 14.64 Nm.

OPSI RANCANGAN AUTOMATIC GATE VALVE

1) Gate valve dengan menggunakan motor stepper 28BYJ-48 yang dihubungkan ke arduino.

2) Gate valve dengan menggunakan motor yang dihubungkan ke actuator dan terhubung ke arduino.

1. GATE VALVE DENGAN MOTOR STEPPER 28BYJ-48 [4]

Motor stepper dihubungkan dengan batang berulir (stem) dari gate valve. Motor stepper terhubung dengan arduino. Motor stepper berfungsi untuk memutar stem agar gate valve dapat membuka dan menutup. Ketika slurry yang melewati gate valve sudah memenuhi volume tertentu maka motor stepper akan berputar dan gate valve akan tertutup sehingga aliran slurry berhenti.

2. GATE VALVE DENGAN MOTOR YANG DIHUBUNGKAN KE AKTUATOR

BAGIAN-BAGIAN DARI AKTUATOR [2] [3]

Motor akan memutar shaft yang terhubung dengan rangkaian roda gigi. Rangkaian roda gigi terhubung dengan shaft yang terhubung dengan worm gear (1). Worm gear (1) tersebut akan memutar worm gear (2) yang merupakan bagian dari aktuator. Worm gear (2) yang terhubung dengan valve stem akan berputar yang menyebabkan disc pada gate valve terangkat yang akan membuka aliran maupun bergerak ke bawah yang akan menutup aliran. Spring compression digunakan untuk meredam getaran yang terjadi pada rangkaian roda gigi.

TORSI YANG DIHASILKAN OLEH AKTUATOR [2]

REFERENSI

[1] Pacific Valve Catalogue

[2] Kevin G. Dewall, John C. Watkins, Donovan Bramwell. 1997. Motor-Operated Valve(M0V) Actuator Motor and Gearbox Testing. Idaho: Idaho National Engineering and Environmental Laboratory.

[3] http://www.wermac.org/valves/valves_actuators.html.

[4] https://components101.com/motors/28byj-48-stepper-motor.

Laporan Milestone Kelompok 13

BIOGAS DIGESTER TIPE PLUG FLOW MENGGUNAKAN SCREW CONVEYOR DI DALAM REAKTOR PIPA

Pembimbing : Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara

Mahasiswa:

Dennis Nicholas Bonardo 1806201144

Fabio Almer Agoes 1806201296

Fadhil Ramadhan Masthofani 1806149103

Selviya Chandrika Avaurum 1806201415

RINGKASAN

Biogas merupakan salah satu jenis energi yang masuk dalam kategori terbarukan. Indonesia memiliki sumber daya yang berbagai jenis untuk dapat menciptakan biogas salah satunya adalah hewan sapi. Sapi mengeluarkan kotoran yang dapat memiliki kandungan air 70% sehingga mudah diolah, 30% kandungan memiliki nitrogen rendah sehingga mudah dikatalis dikarenakan komposisi yang dapat digabungkan dengan larutan/cairan lain. Sapi sebagai mamalia memiliki sistem pencernaan yang sempurna sehingga serat-serat yang berada dalam kotoran berada dalam keadaan yang konstan dan dan tidak tergumpal. Screw Conveyor memiliki peranan memindahkan dan membuat larutan menjadi homogen, persebaran panas dan tekanan lebih terdistribusi dengan adanya screw conveyor. Continuous plug flow memastikan keadaan CH4 yang dihasilkan untuk selalu keluar dan dapat segera dimanfaatkan.

SUMMARY

Biogas is one type of energy that is considered as renewable. Indonesia has lots of types of resources to make biogas and one of them is cow excrement. Cow produces excrement which 70% of it is water, makes it easy to process, and 30% of low nitrogen that makes it easy to be catalyst because the composition can be combined with another fluid. Cow as a mammal has a full digestive system so that the fibers in the excrement are in constant state and don’t clog. Screw Conveyor is to move and make the fluid to be homogen, distribute the heat and the pressure. Continuous plug flow makes sure that CH4 that is produced is always available and ready to be used.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmatNya sehingga Laporan Tugas Merancang yang berjudul “Biogas Digester Tipe Plug Flow Menggunakan Screw Conveyor di Dalam Reaktor Pipa” dapat terselesaikan dengan baik. Laporan Tugas Merancang ini ditulis untuk melaporkan perkembangan terakhir dari Tugas Merancang 1 2020/2021.

Penulis menyampaikan terima kasih kepada seluruh pihak yang telah memberikan sumbangsih dan bantuan sehingga penulisan karya ilmiah ini dapat terselesaikan.

Penyusunan karya tulis ini dihadapi oleh rintangan yang tak mudah, dan penulis menyadari bahwa karya tulis ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu, penulis mengharapkan kritik dan saran untuk membangun demi perbaikan dimasa yang datang.

Besar harapan penulis agar gagasan yang telah diberikan di karya tulis ini bermanfaat bagi daerah-daerah Indonesia yang masih kekurangan listrik untuk era VUCA, sehingga seluruh warga terutama di Indonesia mendapatkan fasilitas yang layak.

Depok, 3 Januari 2021 Kelompok Tugas Merancang 13

BAGIAN I

1.1 DESKRIPSI MASALAH

Sampah merupakan salah satu masalah di Indonesia yang belum selesai hingga sekarang. Menurut infografis yang bersumber dari Dinas Lingkungan Hidup Jakarta, pada tahun 2018 produksi sampah di Jakarta saja mencapai 7,500 ton/hari dan akan terus meningkat setiap tahunnya. Sementara daya tampung TPST Bantargebang menyisakan 10 juta ton, dari total kapasitas 49 juta ton. Diperkirakan tempat pembuangan sampah Jakarta itu akan penuh pada 2021. Sumber sampah yang terbesar adalah dari daerah pemukiman dan sisa makanan merupakan komposisi sampah yang terbesar. Ditambah lagi di tahun 2020 dengan situasi pandemi dimana semua orang stay at home. Konsumsi sayuran serta buah-buahan akan meningkat untuk menjaga imunitas tubuh dan dapur di setiap rumah tangga akan menjadi lebih aktif daripada sebelumnya.

Indonesia sedang melakukan percepatan pengembangan energi terbarukan, salah satunya adalah pengembangan biogas. Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau fermentasi dari bahan–bahan organik seperti kotoran hewan dan limbah domestik (rumah tangga). Kandungan utama dalam biogas adalah metana dan karbon dioksida. Dari sisi pemanfaatannya, biogas bisa dijadikan sebagai listrik maupun bahan bakar. Cairan dan lumpur dari sisa proses produksi biogas dapat digunakan sebagai pupuk tanaman. Teknologi dalam pembuatan biogas sudah dilakukan di pedesaan dan daerah peternakan. Tetapi teknologi yang diterapkan masih membutuhkan waktu yang lama dalam pembuatan biogas.

Melihat peluang ini, penulis mengajukan sebuah inovasi untuk mengolah sampah sisa makanan menjadi biogas yang dapat digunakan oleh semua orang, mudah dalam pemeliharaannya, memiliki desain yang unik, dan dapat menghasilkan biogas secara efisien.

BAGIAN II

USERS’ REQUIREMENTS DAN ENGINEERING SPECIFICATION, CONSTRAINTS, STANDAR TERKAIT

2.1 USERS’ REQUIREMENTS

Sistem biogas seperti ini memiliki berbagai kegunaan namun dibutuhkan berbagai syarat, antara lain.

a. Sistem Biogas mampu mengubah limbah rumah tangga seperti sayur, buah, dan sisa pangan lainnya menjadi gas metana yang dapat digunakan sebagai gas untuk kompor

b. Sistem biogas mudah digunakan dan perawatannya mudah

c. Sistem biogas tidak melepaskan bau yang tidak sedap

d. Sistem biogas merupakan semi-continuous sehingga dapat digunakan setiap hari

e. Sistem biogas dapat menghasilkan pupuk dari sisa proses pembentukan biogas

2.2 ENGINEERING SPECIFICATION

Dari Users’ Requirements di atas, maka dapat ditentukan Engineering Specification dari Biogas Digester Tipe Plug Flow Menggunakan Screw Conveyor sebagai berikut:

f. Dalam hal mengubah limbah rumah tangga seperti sayur, buah, dan sisa pangan lainnya menjadi gas metana yang dapat digunakan sebagai gas untuk kompor, sistem biogas ini akan menghasilkan gas metana yang dapat langsung digunakan sebagai gas untuk kompor.

g. Sistem biogas ini mudah digunakan karena hanya cukup memasukkan kotoran dan sampah ke dalam feeder dan sisanya sistem yang mengerjakan. Perawatan pun mudah karena untuk membersihkan, hanya perlu mengosongkan reaktor, memasukkan air dan sabun jika perlu, dan diaduk menggunakan screw conveyor yang ada.

h. Sistem biogas ini memiliki sistem yang tertutup sehingga bau dari dalam sistem tidak akan keluar.

i. Sistem biogas ini hanya perlu dimasukkan slurry dari sampah pengguna sehingga tidak merepotkan.

j. Slurry yang sudah menempuh proses pembentukan biogas akan masuk ke dalam outlet dan tertampung sehingga dapat menjadi pupuk tanaman.

2.3 CONSTRAINTS

a. Biogas reactor yang dijadikan acuan adalah tipe plug flow reactor.

b. Sisa makanan yang dimasukan tidak tercampur dengan bahan yang lain (minyak, debu, dll).

c. Sisa makanan yang masuk harus dipotong kecil-kecil atau dihaluskan dan dicampur dengan air dengan perbandingan 1:1.

d. Temperatur saat proses pembentukan biogas adalah 29 - 33oC.

e. Panjang reaktor tidak lebih dari 2 meter.

2.4 STANDAR TERKAIT

BAGIAN III

PENELUSURAN LITERATUR, PEMAPARAN ALTERNATIF SOLUSI/KONSEP/DESAIN

3.1 Literatur

Perancangan dari reaktor kami terinspirasi dan sangat berkaitan dengan karya ilmiah Dry fermentation of manure with straw in continuous plug flow reactor: Reactor development and process stability at different loading rates yang dirancang oleh Regina J. Patinvoh. Disini kami memberi inovasi smart valve dan perancangan screw conveyor.

3.2 Biogas

Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau fermentasi dari bahan-bahan organik seperti kotoran manusia dan hewan, limbah rumah tangga, atau setiap limbah organik yang mudah dicerna dalam kondisi anaerobik. Proses penguraian bahan organik secara anaerob ini disebut dengan anaerobic digestion sedangkan peralatan yang memfasilitasi proses ini disebut digester (Anguilar,2001). andungan utama dalam biogas adalah metana (CH4) dan karbondioksida (CO2). Secara lengkap komposisi dari biogas dapat dilihat pada tabel berikut.

3.3 Feedstock

Feedstock merupakan substrat yang diolah menjadi biogas. Beda dengan slurry, feedstock merupakan campuran yang belum digabung dengan air. Untuk komposisi kami merancang dalam bentuk tiga opsi dimana kami akan olah secara berturut. Alasan kami memiliki tiga jenis feedstock, dikarenakan semakin rumit feedstocknya semakin mahal dan sulit untuk dijaga kualitasnya berhubung komposisi utamanya adalah kotoran sapi, dan komposisi tersebut sangat bergantung terhadap kondisi kesehatan dan pola makan sapi. Sehingga beberapa penyesuaian akan kami lakukan sehingga selalu terjaga kualitasnya.

a. Manure 4.8L + Jerami/Rumput 1.4L

Opsi ini digunakan untuk manure keadaan sempurna. Sehingga tidak dibutuhkan titrasi ataupun reaksi fermentasi yang terkatalis oleh katalis eksternal.

b. Manure 4.8L + Jerami/Rumput 1.4L + HCl 2M 330mL

Opsi ini digunakan untuk Manure yang sedikit keras dan kurang menghasilkan CH4, sehingga dibutuhkan titrasi untuk mengurangi ke basaan yang terdapat pada Manure tersebut.

c. Manure 4.8L + Jerami/Rumput 1.4L + HCl 2m 180mL + Susu 140mL + Ragi 11gr

Opsi ini digunakan sebagai pilihan terakhir, apabila kotoran tidak menghasilkan gas dalam 36 jam, makan dapat dipastikan dibutuhkan katalis eksternal seperti susu yang terkontaminasi dengan ragi. Semua kondisi sudah dalam keadaan dilumatkan atau dihaluskan dan diaduk secara merata. Feedstock akan diganti secara berkala melihat CH4 yang dihasilkan dengan minimal paling cepat penggantian 54 Jam sejak masuk Screw Conveyor. Adapun sisa manure tersebut diberi air dan diaduk/diencerkan agar dapat digunakan sebagai katalis.

3.4 Faktor-faktor yang Berpengaruh dalam Anaerobic Digestion

3.4.1 Temperatur

Temperatur ideal bagi pertumbuhan dan kinerja mikroorganisme anaerob berada dalam kisaran 30-40˚C untuk mikroorganisme mesofilik (dengan temperatur optimum pada 37˚C) dan pada kisaran 45-60˚C bagi mikroorganisme termofilik (dengan temperatur optimum pada 55˚C). Proses digestion dalam temperatur mesofilik lebih stabil karena pada kondisi ini, mikroorganisme memiliki toleransi yang lebih besar terhadap perubahan kondisi lingkungan dan akan mengkonsumsi energi lebih sedikit. Pada temperatur termofilik, proses degradasi berlangsung lebih cepat karena reaksi biokimia akan lebih cepat dua kali lipat setiap kenaikan temperatur sebesar 10˚C (Environment Canada, 2013).

3.4.2 pH

Kondisi pH optimum untuk mencapai proses yang stabil dan produksi biogas yang tinggi berada pada kisaran pH 6,5-7,5 (Mata-Alvarez, 2003).Pada tahap hidrolisis dan asidogenesis, pH akan turun dengan drastis dan menciptakan lingkungan yang asam (pH 5,5-6,5). Sedangkan pada Kondisi pH optimum untuk mencapai proses yang stabil dan produksi biogas yang tinggi berada pada kisaran pH 6,5-7,5 (MataAlvarez, 2003) 23 tahapan metanogenesis, pH berada dalam kisaran pH netral (6,5-8,2). Konsentrasi alkalinitas sebesar 3.000 mg/l harus dipertahankan pada semua tahapan proses untuk menyediakan kapasitas buffer yang cukup. Saat pH turun dan menjadi asam, kapur atau natrium bikarbonat atau natrium hidroksida seringkali ditambahkan ke dalam digester untuk menaikkan pH, karena mikroorganisme metanogen tidak dapat berkembang dan bekerja dengan baik pada kondisi yang asam.

3.4.3 Rasio karbon-nitrogen (C/N)

Rasio C/N yang optimum berkisar pada rentang 25-30 (Jabeen, 2015). Rasio C/N yang terlalu tinggi merupakan indikasi dari konsumsi nitrogen yang sangat cepat oleh bakteri metanogen dan akibat kekurangan nutrisi makan produksi biogas pun akan menurun. Di sisi lain, rasio C/N yang rendah mengindikasikan akumulasi amonia yang menyebabkan pH akan naik hingga 8,5. Kondisi seperti itu bersifat toksik bagi bakteri metanogen. Rasio C/N yang optimum dapat dicapai dengan mencampur beberapa jenis substrat, misalnya pencampuran antara sampah organik (rasio C/N tinggi) dengan kotoran hewan (rasio C/N rendah) (Vogeli, et al., 2014).

3.4.4 Inokulasi dan start up

Dalam proses inokulasi, konsentrasi substrat yang diumpankan dinaikkan perlahan-lahan. Kenaikan pengumpanan substrat yang mendadak akan menyebabkan kegagalan proses (Vogeli, et al., 2014). Salah satu cara untuk menumbuhkan bakteri di dalam digester adalah dengan mencampurkan kotoran sapi dan air dengan perbandingan 1:1 atau mengisi digester dengan kotoran sapi sebanyak 10% dari volume aktif digester tanpa memasukkan substrat yang akan diolah (Vogeli, et al., 2014). Proses ini dinamakan sebagai inokulasi bakteri atau proses untuk menumbuhkan bakteri. Gas yang terbentuk dari proses inokulasi merupakan indikasi bahwa bakteri sudah berada dalam jumlah yang cukup banyak. Gas karbondioksida merupakan gas yang pertama kali terbentuk pada minggu pertama proses start-up. Gas ini tidak mudah terbakar dan dapat diemisikan. Setelah beberapa hari, biogas baru akan terbentuk.

3.4.5 Laju beban organik (organic loading rate)

Laju beban organik merupakan nilai yang menyatakan banyaknya substrat yang dapat diumpankan ke digester dengan volume dan waktu tertentu (Vogeli, et al., 2014).

3.4.6 Waktu detensi

Waktu detensi menyatakan jumlah waktu yang dibutuhkan substrat untuk tinggal di dalam reaktor. Waktu detensi yang ideal untuk terjadinya AD adalah 15-30 hari (Ricci & Confalonieri, 2016).

3.4.7 Sistem pengadukan

Fungsi dari pengadukan di dalam digester adalah untuk mencampur substrat yang masih segar (baru masuk) dengan substrat yang sudah terproses di dalam digester sehingga mengalami kontak dengan mikroorganisme yang ada di dalam digester. Pengadukan juga berfungsi untuk menghindari terjadinya gradien temperatur dan untuk menghindari terbentuknya scum. Terbentuknya scum di dalam digester tidak diinginkan karena scum dapat menyebabkan tersumbatnya sistem perpipaan atau mengakibatkan terbentuknya busa di permukaan digester. Jika lapisan scum yang terbentuk di permukaan melebihi 60 cm, dapat mengakibatkan terhambatnya pelepasan gas dari cairan dan akhirnya menyebabkan kegagalan sistem (Deublein & Steinhauser, 2011).

3.5 Tipe-tipe Digester Biogas

3.5.1 Tipe Digester Tubular

Digester jenis ini berbentuk oval dan terbuat dari plastik atau karet yang tahan terhadap cuaca dan sinar matahari yang berfungsi baik sebagai digester dan penyimpan biogas terproduksi. Material plastik yang biasa digunakan adalah jenis polyethylene dengan 2 lapisan. AD jenis tubular hanya cocok dioperasikan dengan sistem basah dan kontinu, sehingga dalam penyiapan substrat dibutuhkan penambahan air. Bentuknya yang membujur (longitudinal), tidak memungkinkan terjadinya short circuit, yaitu kondisi dimana substrat yang masuk ke dalam reaktor langsung keluar melalui outlet tanpa sempat diproses. Kondisi seperti ini mungkin terjadi pada AD jenis fixed dome dan floating drum, dimana jarak antara inlet dan outlet tidak terlalu jauh. Selain itu, bentuknya yang membujur juga membuat aliran substrat bergerak secara plug flow, sehingga proses homogenisasi dalam digester sangat minim. Kondisi ini dapat diantisipasi dengan mensirkulasi digestate yang keluar dari outlet digester ke inlet untuk mendapatkan kualitas digestate yang lebih homogen. Pada saat konstruksi, digester tubular ditanam di dalam tanah dengan kemiringan 2-5% untuk memungkinkan substrat mengalir dari inlet ke outlet secara gravitasi.

Tekanan gas dalam digester pada umumnya dinaikkan dengan cara menempatkan suatu barang yang berat di atas digester tubular tanpa merusak material dari digester itu sendiri. Karena terbuat dari material yang cukup rapuh (plastik atau karet), fasilitas digester ini perlu dilindungi oleh konstruksi atap untuk mencegah paparan sinar matahari secara langsung. Selain itu, pagar kawat di sekeliling fasilitas digester juga diperlukan guna melindungi digester dari hewan.

Tabel 20 merangkum kelebihan dan keterbatasan AD jenis tubular.

3.5.2 Digester tipe fixed dome

Digester tipe kubah tetap ini memiliki dua bagian, yaitu digester dan bagian yang menyerupai kubah yang disebut kubah tetap. Digester merupakan tempat pencernaan material organik dan sebagai rumah bagi bakteri, baik bakteri pembentuk asam ataupun bakteri pembentuk gas metana. Kubah tetap (fixed dome) memiliki bentuk yang menyerupai kubah dan merupakan tempat pengumpul gas yang tidak bergerak. Gas yang dihasilkan dari material organik pada digester akan mengalir dan disimpan di bagian kubah.

Kelebihan dari digester tipe ini adalah biaya konstruksi yang lebih murah dibanding dengan jenis digester tipe drum terapung (floating drum). Sedangkan kekurangannya adalah sering terjadi kehilangan gas pada bagian kubah karena konstruksinya tetap.

3.5.3 Digester tipe floating drum

Digester tipe ini memiliki bagian digester yang sama dengan digester tipe kubah tetap, perbedaannya terletak pada bagian penampung gas, yaitu menggunakan peralatan bergerak seperti drum. Drum berfungsi untuk menyimpan gas hasil pencernaan dalam digester. Drum ini dapat bergerak naik-turun. Pergerakan drum mengapung pada cairan dan tergantung dari jumlah gas yang dihasilkan. Kelebihan dari digester tipe ini adalah dapat melihat secara langsung volume gas yang tersimpan dalam drum dari pergerakannya. Tekanan gasnya konstan karena tempat penyimpanannya terapung. Sedangkan kekurangan digester tipe ini adalah biaya material konstruksi mahal. Faktor korosi pada drum juga menjadi masalah sehingga menyebabkan pendeknya umur digester.

BAGIAN IV

PENGEMBANGAN DESAIN DAN PERHITUNGAN

4.1 Metode Pengembangan Desain

Metode pengembangan desain yang kami lakukan adalah Reserve Engineering (Rekayasa Balik). Reverse Engineering merupakan metode pengembangan produk yang dimulai dengan mempelajari sampel produk yang sudah ada di pasaran (bentuk, sistem kerja, material, dan sebagainya) yang kemudian dievaluasi dan dikembangkan produk baru yang sejenis. Tahap awal yang kami lakukan adalah dengan setiap orang membuat sistem biogas sederhana menggunakan galon air dengan bahan baku yang berbeda-beda. Kemudian seminggu sekali kami melakukan sharing atas hasil maupun masalah yang dihadapi. Tujuan dari eksperimen tersebut adalah agar kita bisa mendapatkan pengalaman sekaligus merasakan langsung masalah yang terjadi dan bagaimana mengatasinya.

Tahapan selanjutnya adalah dengan pencarian literatur melalui jurnal-jurnal dan mengidentifikasi hal-hal yang perlu diperhatikan untuk menghasilkan biogas yang efisien. Setelah pencarian literatur, kami membuat desain masing-masing yang kemudian digabungkan untuk mendapatkan desain yang paling optimal.

4.2 Pengembangan Desain

Desain dari sistem biogas dibuat menggunakan software Autodesk Inventor dan didapatkan rancangan desain seperti di bawah ini.

Desain pada referensi menggunakan piston sebagai jalur masuk slurry sehingga gas tidak dapat keluar melalui saluran masuk slurry. Hal tersebut dikarenakan reaktor memiliki tekanan yang tinggi sehingga harus tetap dijaga agar biogas tersebut tidak mengalami kebocoran. Pengembangan dari desain tersebut adalah terletak pada bagian feeder (tempat masuk surry) dimana saluran masuknya dikontrol oleh valve sehingga tidak perlu menggunakan piston.

4.3 Komponen-komponen dari Sistem Biogas

4.3.1 Feeder

Feeder merupakan drum penampungan sementara bahan baku biogas yang telah berupa slurry. Drum yang digunakan merupakan drum air berkapasitas 20 liter. Instalasinya dibuat vertikal untuk memudahkan mengalirkan slurry ke reaktor secara kontinyu melalui saluran pipa.

4.3.2 Saluran masuk slurry

Saluran masuk ini berupa pipa dengan katup untuk mengatur aliran slurry dari feeder ke reaktor. Katup ini merupakan automatic gate valve yang akan membuka dan menutup sesuai banyaknya debit slurry yang ada di dalam reaktor.

4.3.3 Reaktor

Reaktor merupakan tempat reaksi pembentukan biogas terjadi. Bentuk dari reaktor adalah pipa yang panjang dengan permukaan berbentuk setengah lingkaran dan persegi panjang. Reaktor terbuat dari material polymethyl methacrylate (PMMA). Selain itu terdapat screw conveyor yang berada di dalam reaktor sebagai pengaduk dari slurry yang masuk.

4.3.4 Saluran Biogas

Saluran biogas digunakan untuk menyalurkan biogas yang telah terbentuk di dalam reaktor sehingga tidak terkumpul dalam reaktor yang bisa menyebabkan potensi bahaya.

4.3.5 Saluran keluar slurry

Sama seperti saluran masuk slurry, saluran ini untuk mengeluarkan slurry yang telah beraksi di dalam reaktor. Saluran ini akan mengalirkan slurry ke tempat penampungan slurry.

4.3.6 Tempat penampungan slurry

Tempat penampungan slurry digunakan untuk menampung slurry setelah bereaksi di dalam reaktor. Tempat penampung slurry ini merupakan drum air sebesar 20 liter.

4.3.7 Saluran keluar residu

Saluran keluar residu berada di tempat penampung slurry untuk mengalirkan residu dari bahan baku biogas yang telah difermentasi selama waktu retensi. Saluran ini berada di bagian bawah salah satu sisi tempat penampung slurry.

Saluran residu ini dibuat agar residu mengalir ke atas terlebih dahulu hingga permukaanya sama dengan permukaan slurry di dalam tempat penampungan. Tujuannya adalah agar slurry tidak langsung keluar ketika slurry baru masuk dan mencegah udara masuk.

4.3.8 Water Jacket

Water jacket digunakan untuk menjaga suhu di dalam reaktor dapat terjaga tetap optimal sehingga bisa mempercepat proses reaksi pembuatan biogas. Water jacket diisi oleh air yang sudah dipanaskan oleh water heater kemudian dialirkan dengan bantuan pompa air.

4.3.9 Termokopel

Termokopel adalah sensor temperatur yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda menjadi perubahan tegangan listrik. Termokopel dipasang di dalam reaktor untuk mengetahui temperatur slurry yang baru dimasukkan dengan yang sudah mengalami pencernaan anaerob. Tampilan digital termokopel dipasang di atas reaktor untuk memudahkan pembacaan.

4.3.10 Valve

Valve merupakan alat yang mengatur besarnya arus fluida yang melewatinya dengan membuka atau menutup arus tersebut. Untuk valve yang terdapat pada saluran masuk slurry, digunakan automatic gate valve yang terhubung dengan sensor di dalam reaktor yang akan membuka saat debit slurry di dalam reaktor rendah dan menutup jika debit slurry di dalam reaktor tinggi.

4.4 Perhitungan Desain

4.4.1 Perhitungan Feeder

Feeder merupakan tempat penampungan slurry sementara sebelum dimasukkan ke dalam reactor (screw conveyor). Feeder menggunakan drum air 20 liter dengan ukuran diameternya adalah 27 cm dan tingginya 350 cm.

Jika slurry yang dimasukkan adalah sebanyak 4.6 L per harinya, maka tinggi slurry di dalam feeder adalah 8 cm. Sehingga tinggi permukaan slurry untuk per hari adalah 8 cm atau 23% dari tinggi feeder

4.4.2 Perhitungan Reaktor

panjang dengan volume:

● Volume tabung

R = 0.06 m

l = 1.565 m

Vtabung = 1/2 x π x R2 x l = 0.008845 m3 = 8.845 liter

● Volume balok

p = 1.565 m

l = 0.06 m

t = 0.065 m

Vbalok = p x l x t = 0.0061 m3 = 6.1 liter

Vtotal = 8.845 + 6.1 = 14.945 liter

4.4.3 Perhitungan Penampung Slurry

Tempat penampung slurry merupakan tempat penghasil biogas yang kedua setelah reaktor karena reaksi masih bisa terjadi. Agar slurry bisa keluar sendiri dan tidak membuat gas keluar dari slurry outlet maka ketinggian maksimal adalahnya 5 cm dari bawah.

4.4.4 Perhitungan screw conveyor

Berdasarkan pada jurnal tentang Optimal Design of an Archimedes Screw oleh Chris Rorres pada tahun 2000, terdapat tabel yang memberitahu ukuran yang optimal dalam mendesain Archimedes screw.

Asumsi :

N (jumlah blade) = 1

Ro (jari-jari luar)= 0,055 m

k (slope screw) = 0.00017453292

L (panjang screw) = 1,5 m

ρ (massa jenis) = 1600 kg/m3

n (putaran screw) = 30 rpm

Maka,

Ri (jari-jari dalam) = 0,5358 x 0,055= 0,029469 m

P (pitch) =

Dengan menggunakan software python

volume bucket = 0,000199012486097309 m3 = 0,0002 m3

Qdaya = 9.95e-5

Mencari kecepatan translasi:

4.4.5 Perhitungan Valve

Untuk menghitung seberapa kuat motor valve yang digunakan, kami menggunakan perhitungan kinematika dan dinamika valve tersebut.

TORSI DAN THRUST GATE VALVE [1]

● Thrust

1. Seating Force = Valve seat area x Max differential pressure Valve factor (lbs).

Valve seat area = ((𝑆𝑒𝑎𝑡 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟)2 𝑥 3,14)4

Max. differential pressure = P1 – P2 (PSIG).

Valve factor = 0.25 Parallel seat, 0.30 Gate valve, 1.10 Globe valve

2. Stem Load = Valve stem area x Max. upstream pressure (lbs).

Valve stem area = ((𝑆𝑡𝑒𝑚 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟)2 𝑥 3,14)4

Max. upstream pressure = P1 (PSIG).

3. Stem Packing Friction = Stem diameter x 2000

Thrust to seat or unseat = seating force + stem load + stem packing friction (lbs).

● Torsi

Torsi = Thrust x Stem factor (ft.lbs).

Menghitung Gate Valve pada Sistem Biogas

Ukuran valve = 4 inch

Class = 150 lbs

Max. upstream pressure= 10 kPa = 1.45038 PSIG

Seat diameter = 4 inch

Stem diameter = 1.125 inch

Stem factor = 0.0099

Asumsi:

P2 = 0 PSIG

Maka:

Thrust

1. Seating Force = Valve seat area x Max differential pressure x Valve factor (lbs).

                = 12.56 x 1.45038 x 0.3 = 5.465 lbs.

Valve seat area = ((𝑆𝑒𝑎𝑡 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟)2 𝑥 3,14)4 = (4)2×3,144 = 12.56 𝑠𝑞.𝑖𝑛

2. Stem Load = Valve stem area x Max. upstream pressure (lbs).

            = 0.994 x 1.45038 = 1.442 lbs.

Valve stem area = ((𝑆𝑡𝑒𝑚 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟)2 𝑥 3,14)4 =(1.125)2×3,144 = 0.994 𝑠𝑞.𝑖𝑛

3. Stem Packing Friction = Stem diameter x 2000 = 1.125 x 2000 = 2250

❖ Thrust to seat or unseat = seating force + stem load + stem packing friction (lbs)

                          = 5.465 + 1.442 + 2250 = 2256.907 lbs = 10039.22 N.

Torsi = Thrust x Stem factor (ft.lbs)

     = 2256.907 x 0.0099 = 22.34 ft.lbs = 30.29 Nm = 30.3 Nm.

BAGIAN V

HASIL RANCANGAN (PRELIMINARY DESIGN)

Hasil rancangan dari sistem biogas kami menggunakan tipe plug flow reactor dengan screw conveyor di dalam reaktor pipa. Kami menggunakan screw conveyor sebagai pengaduk dari slurry sehingga kehomogenitasannya dan menggunakan reaktor pipa agar luas permukaannya menjadi lebih luas sehingga mempercepat reaksi. Selain itu kami juga menggunakan water jacket dan heater untuk menjaga suhu reaktor pada kondisi yang optimum. Penampung slurry digunakan untuk menampung slurry yang sudah melewati proses reaksi selama 2 hari dan sekaligus sebagai tempat penghasil biogas yang kedua karena proses reaksi pembentukan biogas masih bisa terjadi. Untuk memasukkan slurry, terdapat automatic gate valve yang dapat membuka dan menutup dengan sendirinya berdasarkan debit yang ada di dalam reaktor. Jika reaktor penuh, valve akan menutup dan sebaliknya. Desain tersebut dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Screw conveyor digerakkan secara manual dikarenakan penggunaan screw conveyor tidak dilakukan selama berjam-jam. Maka dari itu desain dari tuas penggeraknya adalah

5.1 Cara Kerja Sistem Biogas

Bahan baku penghasil biogas (slurry) dimasukan ke dalam feeder terlebih dahulu. Ketika valve dibuka maka slurry turun ke reaktor. Di dalam reaktor terjadi reaksi pembentukan biogas. Screw conveyor digunakan untuk membuat slurry tersebut lebih homogen dan dalam keadaan mesophilic dengan adanya water jacket bersuhu 37 derajat. Screw conveyor akan digerakan secara manual hingga mencapai ujung screw conveyor dan diputar kembali ke arah sebaliknya. Keadaan mesophilic merupakan keadaan yang tepat untuk kultur biogas, pengadukan digunakan untuk menciptakan gas pada manure tersebut. Slurry didiamkan di dalam reaktor selama 2 hari kemudian dikeluarkan dan ditampung. Slurry yang baru dimasukkan ke dalam reactor/screw conveyor untuk mengulangi proses tersebut.

5.2 Cara Kerja Screw Conveyor

Pada awalnya slurry masuk ke reactor kemudian diputar (searah jarum jam) oleh screw conveyor hingga ke slurry outlet (valve masih ditutup). Setelah slurry berada di slurry outlet maka screw conveyor diputar (berlawanan arah jarum jam) sehingga slurry kembali ke saluran inlet. Kemudian ketika slurry berada di saluran inlet maka screw conveyor diputar kembali (searah jarum jam) sehingga slurry menuju ke saluran outlet.

5.3 Automatic Gate Valve

Valve berada pada inlet slurry. Valve akan bergerak secara otomatis dan terhubung dengan sensor di dalam reaktor yang akan mendeteksi banyaknya debit slurry yang ada di dalam reaktor. Jika reaktor kosong, maka valve akan membuka. Jika reaktor penuh, valve akan menutup. Ada dua pilihan rancangan automatic gate valve, yaitu:

5.3.1 Gate valve dengan motor stepper 28BYJ-48

Motor stepper dihubungkan dengan batang berulir (stem) dari gate valve. Motor stepper terhubung dengan arduino. Motor stepper berfungsi untuk memutar stem agar gate valve dapat membuka dan menutup. Ketika slurry yang melewati gate valve sudah memenuhi volume tertentu maka motor stepper akan berputar dan gate valve akan tertutup sehingga aliran slurry berhenti.

5.3.2 Gate valve dengan motor yang dihubungkan dengan aktuator

Motor akan memutar shaft yang terhubung dengan rangkaian roda gigi. Rangkaian roda gigi terhubung dengan shaft yang terhubung dengan worm gear. Worm gear tersebut akan memutar worm gear yang merupakan bagian dari aktuator. Worm gear yang terhubung dengan valve stem akan berputar yang menyebabkan disc pada gate valve terangkat yang akan membuka aliran maupun bergerak ke bawah yang akan menutup aliran. Spring compression digunakan untuk meredam getaran yang terjadi pada rangkaian roda gigi.

Torsi yang dihasilkan oleh aktuator:

𝑇𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡=𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟×(𝑉𝑎𝑐𝑡𝑉𝑟𝑎𝑡)𝑛×𝐹𝑡𝑒𝑚𝑝×𝐹𝑎𝑝𝑝×𝐸𝑓𝑓𝑔𝑒𝑎𝑟𝑏𝑜𝑥×𝑂𝐴R

BAGIAN VI

PENELUSURAN LITERATUR, PEMAPARAN ALTERNATIF SOLUSI/KONSEP/DESAIN

6.1 Rincian Harga

• • = Harga tidak dapat dikonfirmasi

Beberapa factor tidak dapat diketahui hingga tahap manufaktur, data diatas merupakan estimasi dari pengeluaran. Adapun Screw Conveyor akan kami buat secara custom menggunakan jasa tukang pagar sehingga dapat disesuaikan secara ukuran maupun harga.

6.2 Ringkasan investasi, pendapatan per hari

Reaktor dapat menghasilkan CH4 dengan metode fermentasi, Adapun CH4 yang dihasilkan dalam satu hari adalah.

Kondisi dalam keadaan 28 hari pertama dan dalam scenario terbaik. Keuntungan yang dihasilkan dapat dikalkulasi dengan cara:

Harga tersebut bersifat fluktuatif terhadap harga CH4 di dunia. Performa Reaktor dapat meningkat seiring waktu dan dan dapat berkurang apabila tidak dirawat dengan baik.

6.3 Analisa Finansial

Berikut merupakan analisa finansial yang kami lakukan:

Inflasi index kami menggunakan 0.7 dikarenakan kenaikan harga dari investasi awal (CAPEX) cenderung konstan untuk OPEX inflation kami beri 5% dikarenakan kenaikan harga listrik. Dapat dilihat dalam gambar ke-2 bahwa positive cash flow terjadi pada tahun 2025. Revenue per bulan didapatkan dari penghasilan dalam satu hari dikalikan dengan 30, IRR kami dapatkan 13.8% sehingga tingkat pengembalian cukup baik dalam kategori jangka panjang. Dikarenakan NPV diatas 0 maka dapat diasumsikan dengan parameter berikut bahwa proyek ini layak dilaksanakan dengan waktu balik modal 5 tahun.

DAFTAR PUSTAKA

Arifin, Maulana, Aep Saepudin, dan Arifin Santosa. 2011. “Kajian Biogas Sebagai Sumber Pembangkit Tenaga Listrik di Pesantren Saung Balong Al-Barokah, Majalengka, Jawa Barat”

Kevin G. Dewall, John C. Watkins, Donovan Bramwell. 1997. MotorOperated

Kepala Pusat Pendidikan dan Pelatihan Jalan. 2018. Modul 04 - Teknologi WtE Berbasis Proses Biologis Anaerobic Digester

Pathmasiri, T. K. K. S., Haugen, F., & Gunawardena, S. H. P. (2013). Simulation of a biogas reactor for dairy manure. Annual Transactions of IESL, 1(Part B), 394-98.

Patinvoh, R. J., Mehrjerdi, A. K., Horváth, I. S., & Taherzadeh, M. J. (2017). Dry fermentation of manure with straw in continuous plug flow reactor: Reactor development and process stability at different loading rates. Bioresource technology, 224, 197-205.

Rorres, C. (2000). The turn of the screw: Optimal design of an Archimedes screw. Journal of hydraulic engineering, 126(1), 72-80.

Suminto. Susanto, Danar Agus. dan Lukiawan, Reza. 2013. ‘’Kebutuhan standar dalam mendukung pengembangan sumber energi baru (biogas)’’

Valve(M0V) Actuator Motor and Gearbox Testing. Idaho: Idaho National Engineering and Environmental Laboratory.

https://katadata.co.id/ariayudhistira/infografik/5e9a51843fdc1/jakarta-darurat-sampah (diakses 1 November 2020, pukul 10.15 WIB)

http://ebtke.esdm.go.id/post/2020/07/06/2579/strategi.pengembangan.biogas.kejar.target.bauran.energi (diakses 1 November 2020, pukul : 10.00 WIB)

Pacific Valves. Actuators & Accessories

LAMPIRAN

1. Eksperimen membuat sistem biogas sederhana

Pertemuan Pertama Tugas Merancang 2 (1 Maret 2021)

Pertemuan pertama tugas merancang 2 dengan Pak Dai membahas tentang pembagian tugas, target perindividu, dan proses produksi prototype. Pertemuan dilakukan via zoom meeting pada pukul 20.00.

Logbook Tugas Merancang Minggu 1

Pada hari Rabu, 3 Maret 2021 kami dari kelompok 13 berdiskusi via zoom terkait proses pembuatan prototype biogas. Pada minggu pertama, kami fokus untuk membeli barang-barang yang diperlukan dan pada minggu kedua mulai untuk merakit komponen-komponen prototype biogas.

Untuk detail lebih lengkap bisa dilihat pada https://docs.google.com/presentation/d/1KEZIUPdmpqdLsRwH2xEEXNDfBod2atSB9nHfQLE4ayQ/edit#slide=id.gbf55974755_0_25