PERANCAI\iGAN D/CTSTER KAPASITAS 2 LITER (The design capacity of 2 liters of digester)
M. Boedi Choirul. A, Novi Caroko
With increasing human population and standard of living, increasing energy demand. Various types of energy forms have been used by peoples, such as coal, petroleum, and natural gas.Although fossil fuels are still used, is slowly diminishing and will be exhausted. This problem can be overcome if they are not dependent on fossil fuels and using alternative energy sources are environmentally friendly, inexpensive, easily obtained and can be renewed. Allowing biogas into alternative energy sources.The content of biogas is dominated by methane (CH4) which is a byproduct of microbial decomposition processes in a biomass. Microbes are a lot of methane forming bacteria contained in the body of ruminant animals (animals that have multiple stomach or rumen) as buffaloes, cows, sheep, goats and others. From the description above, there should be a design and construction of a laboratory scale biogas reactors can be used in research. The purpose of design is to determine the amount of methane contained in farm animals. keyword: biogas, digester, farm animals.
murah, mudah diperoleh dan dapat diperbaharui. Sehingga memungkinkan
selama 100 tahun ke belakang (Meynell, 1976). Secara prinsip pembuatan biogas sangat sederhana, dcngan memasukkan substrat (kotoran hervan atau manusia) ke dalam unit pencerna (digester), ditutup rapat, dan selarna beberapa rvaktu biogas akan terbentuk yang selanjutnya daoat digunakan sebagai sumber energi.Dari uraian diatas, perlu adanya suatu perancangan dan pembuatan sebuah reaktor biogas skala laboratorium yang dapat digunakan dalam penelitian. Tujuan dari perancangan ini adalah untuk mengetahui jumlah kandungan gas metana yang terkandung pada hewan
biogas menjadi sumber energi alternatif.
ternak.
PENDAHULUAN
Seiring bertambahnya populasi manusia dan taraf hidup masyarakat. kebutuhan energi semakin meningkat. Berbagai jenis bentuk energi telah digunakan oleh manusia seperti batubara, minyak bumi,
dan gas alam. Meskipun bahan bakar fosil
masih digunakan, lambat laun semakin berkurang dan akan habis. Permasalahan ini dapat diatasi apabila tidak tergantung pada bahan bakar fosil dan menggunakan sumber energi alternatif yang ramah lingkungan,
Kandungan biogas didominasi oleh
gas metana (CH4) yang merupakan hasil sampingan dari proses dekomposisi mikroba pada suatu biomasa. Mikroba tersebut merupakan bakteri pembentuk metan yang banyak terdapat dalam tubuh hewan ruminansia (hewan yang memiliki perut ganda atau rumen) seperti kerbau, sapi, domba, kambing dan lain-lain.
Produksi gas metana dari biomassa
bukan merupakan proses yang baru. Alexander Volta di abad l8 menemukan gas
DASAR TEORI Biogas yang didominasi oleh gas metana, merupakan gas yang dapat dibakar. Metana secara luas diproduksi di permukaan bumi
oleh bakteri pembusuk dengan
cara
menguraikan bahan organik. Sekurangnya l0 tipe bakteri pembusuk yang berbeda dari
bakteri methanogenesis
yang
berperan
dalam pembusukan (Tiratsoo, 1979). Bakteri ini terdapat di rawa-rawa,
metana dalam gas yang dihasilkan rawa/
paya.
Ide dan
Iumpur sungai, sumber air panas (hot spring), dan perut hewan herbivora seperti sapi dan
domba. Hewan
proses
itu dapat
percobaan bagaimana
digunakan telah berjalan
Seminar Nasional Teknik Mesin UMY 2010
-
hewan
ini tidak dapat
memproses rumput yang mereka makan,bila
164
yang memccah tidak ada bakteri anaerobik molekul menjadi ,.trtotu didalam rumput urne Auput diserap oleh perut mereka' Cas i,^nI aiptoAuksi oleh bakteri ini adalah gas '*.tinu'yang dikeluarkan oleh sapi melalui
3.
ThemPeratur secara umum, ada 3 rentang temperatur yang disenangi oleh bakteri, Yaitu:
l.
mulut (MeYnell, 1976).
Ada beberaPa jenis reactor biogas vans dikembangkan diantaranya adalah 'rnoiro, jenis kubah tetap (Fixed. dolnel' jenis ,.u.tot terapung (Ftoating drum), taklor jenis lubang.tanah' Ualon, jenis horizontal, jenisfei
di ge s t e r r o c e m e n t D ari kee n am i enis .. jenis
biogas yang senng digunakan adalah
jenis.Drum tuU-atr tetap (Fixed dome) dan mengambang (Floating drunt); Beberapa jenis reactor tahui terakhi ini dikembangkan
lufon yang banyak
digunakan.-sebagai
(Sumber: reactor seaenana dalam skala kecil'
httpilwww.dikti.orgq)'
psicroPhilic (suhu 4 biasanYa untuk Negara -
negara
subtroPics atau beriklim dingin'
2.
mesoPhilic (suhu 20 - 40" C)'
3.
thermoPhilic (suhu 40 - 60"C) hanYa untuk mendigesti material' bukan untuk menghasilkan biogas'
4. Untuk negara troPis Indonesia, digunakan di
gest er (di gester
sePerti
unheated
tanpa pemanasan)
untuk kondisi temPeratur tanah 20
-
Tinjauan Digester
20"C)
30oC. (www.kamase'or ql
alat
Pertimbangan desain, perancang dan pembuat yang utama adalah membuat mini
pengolah bahan buangan atau limbah organik menjadi biogas. Sebagai sumber energi untuk
digester kapasitas 2 liter guna mengetahui produktifitas biogas yang terkandung dalam
Digester biogas merupakan suatu
memasak
dan penerangan, suplai
pupuk
bahan yang
diuji, untuk membantu
organik, menanggulangi masalah sanitasi kesehatan lingkungan dan pencemaran
mahasiswa maupun masyarakat memperoleh data yang diinginkan guna untuk penelitan
lingkungan. (www. inov as i'lipi' go' id)
dan pembuatan digester yang lebih besar' Prinsip kerja dari mini digeter merupakan proses pembusukan limbah organik didalam reactor digester sedangkan hasil dari proses tersebut adalah gas yang ditampung pada tabung gas. Perancangan mini digester ini mengunakan prinsip - prinsip perpindahan kalor dalam menentukan suhu ideal di dalam
Kunci dalam pembuatan biodigester adalah pada perencanaan tabung fermentasi yang benar - benar rapat (anaerob)' Dalam pembuatan biodigester, ada beberapa hal yang harus diPertimbangkan, Yaitu:
L
lingkungan biodigester harus tetap dijaga dalam keadaan anaerob (tanpa kontak langsung dengan oksigen (O2)'
2.
udara (O2) yang memasuki biodigester
menYebabkan Penurunan Produksi metana, karena bakteri berkembang pada kondisi Yang anaerob'
proses fermentasi agar sesuai
yang
diharapkan. Demikian pula dalam pembuatan digester, terdiri dari berbagai elemen'
Adapun elemen tersebut adalah motor listrik, heater, tabung kaca, besi plat, besi siku'
tabung alcrilik, pipa pvc, stop kran, plat
alumunium, tabung
alumunium'
thermometer, thermostat, mur dan baut'
165
yang befungsi untuk memenuhi suhu yang ideal dalam proses fermentasi
Kapasitas Di:gester
Untuk menbuat digester
langkah
pertarna yang diambil adalah menetukan kapasitanya. rumus yang digunakan untuk menentukan kapasitas adalah
Volurne Tabung kaca V
itu sendiri.
b.
Pemanas (Heater\
Heater ini berfungsi sebagai
:
pemanas bahan
:
- r..r'l
menjaga suhu agar tetap stabil maka
digunakan sumber panas. Dalam properti ini terjadi perpindahan panas konveksi dijabarkan tentang panas konveksi sebagai berikut : q: h. A. AT
Keterangan:
t:3,14 r: jari-jari(cm) t : tinggi (cm) V:
di dalam reactor juga
volume tabung (cm3)
h A
d
= perpindahan kalor konveksi
=
luas permukaan perpindahan
kalor
AT:
yang sesuai dengan U koefisien kalor menyeluruh
aliran fluida yang terjadi didalam pipa beda suhu rata - rata log (LMTD) dijabarkan dengan rumus Gambar
a.
:
l. Tabung Kaca
Tabung Fermentasi (Reactor) Tabung reaclor adalah tempat untuk
fr ,
proses fermentasi berlangsung.
.1.,
1j,,..
Gambar 2. Aliran Fluida Dalam Pipa
komponen pendukung didalamnya:
L Pengaduk, berfungsi untuk
keterangan gambar
mengaduk cairan yang ada didalam
rh :
laju aliran masa suhu yang masuk dalam pipa Tour: suhu yang keluar dari pipa
tabung reaktor.
2.
T;n
heater, berfungsi untuk menentukan suhu yang diinginkan,
3. motor DC, berfungsi
5.
:
T2:
untuk
T2
mengerakkan pengaduk.
4.
:
suhu lingkungan
= suhu didalam digester
Thermometer, berfungsi untuk
Untuk aliran pada gambar 2.1
mengukur suhu didalam reactor.
kesetimbangan energi adalah
membuang atau mengeluarkan cairan
Tabung
ini fermentasi
keterangan
Cp :
berbentuk
silindris yang terbuat dari bahan kaca kedap udara yang dilengkapi dengan pengaduk dengan kecepatan putaran
sekitar 25 rpm sesuai dengan yang diminta dan menggunakan heater
Seminar Nasional Teknik Mesin UMY 2010
:
Q'= rh.c,LT = h.A'LT
stopkran bawah, berfungsi untuk yang ada didalam reactor.
neraca
:
sitat
*
sifat air (pada tabel A-9.
Perpindahan Kalor ). J.P.Holman
rn
= laju aliran masa
AT:
koefisien kalor menyeluruh
h : koefisien perpindahan kalor ( W/m2."C) A : luas permukaan perpindahan kalor
t6
Untuk aliran turbulen yang sudah jadi atau berkembang penuh (fully developed turbulent dalam tabung
/tow)
licin, oleh Dittus
Boelter disarankan persamaan berikut Nud: 0.023 Redo'8Pf Keterangan
dan
M
AP = Beda tekanan (kg/m3)
p h
:
= p.g.h
:995.8 kg/m3 = ketinggian (m)
:
Nu = angka nase& Re = Angka renold
Pr
:
sifat
-
sifat air (pada tabel A-9
Perpindahan Kalor ). J.P.Holman
Untuk persamaan
ini sifat -
sifat
ditentukan suhu limbak, dan nilai exponent n dan sebagai berikut
,='{
Gambar 3. Tabung Gas
:
6
0,4 untu laju Pemanasan
Keterangan gambar:
L
0,3 untuk laju pendinginan
A1 : tabung gas bagian dalam A2 = tabung bagian luar
I
Maka: Q
Keterangan
= rh'c*'LT*
Meja Digester
:
Meja berfungsi sebagai penyangga atau tumpuan alat yang ada pada
tit : laju aliran massa fluida C* :h
digester.
AT* = beda suhu ("C) A : luas koil (m)
c.
Motor Pengaduk Motor ini berfungsi untuk memutar pengaduk di dalam reactor, Jenis motor yang di gunakan adalah motor singkronis
.
Gambar 4. Meja Digester
d.
Tabung Gas Untuk mengetahui kapasitas gas yang dapat ditampung di dalam tabung gas maka dapan di tentukan dengan
:
Pr-Pr= P'g'LH P1 = tekanan didalam digester P2 = tekanan lingkungan (atm)
p g
:995.8 kg/m3 :9.81 m/s2
AH
: Beda ketinggian (m)
Seminar Nasional Teknik Mes'in UIvtY 2010
167
ALAT
Alir
Diagram
Perancangan
\TTJLAI
t
1. * *.. ! . -...,
I.t.nritrkrri ilalilih I
/
t
1
Pttancanu ,llrt:
L l.
TaburgGa: Tabug P.talirr
J.
!l*t,t
i \lororDc : llej. Prnga dr
n Ala t
---r-Gambar 5. Rancangan Alat Keterangan : piringan penutup
l. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 8. 9.
PerJiiran
-l--
Purobrrn
thermometer dop selang heater (inlet) selang heater (outlet) pompa tabung gas dalam gas bagian luar
I
tdm
1-a
I Gambar 6. Diagram
valve
BAHAN Perencana Bahan Tabung
Alir
perancangan
Digester
Fermentasi
(Reactor).
l. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
r
PERHITUNG DAN PERANCANGAN
,//i+ \\I// v
Tabung kaca Pengaduk
.r/--i_\\.._-
thermometer
i
valve
nippie dop pipa pvc
plat stanless steel. nut
10. bolt
DE rbrRlrkbr
@ Gambar 7. Tabung
Seminar Nasional Teknik Mesin UMY 2010
l6t
lN
Perhitungan Tabung Ferm entasi' Sesuai dengan kapasitas yang ditentukan
liter) maka didaPat : Menentukan volume tabung
V=
= lkg.m/s2 :101325 N/m2 LP = p.9.LH AP:995,8 kg/m2 x 9,81 m/szx 0,45
latm
(
2
:
P1-P2=AP Pl-latm=AP P1=AP*1atm
t.rz.t
Keterangan: r = 3.14
Pl =
4395,96Nfmz *701325N/m2 = L05720,96N /mz
r=jari-jari (cm) t = tinggi (cm)
b. Menghitung Volume
V=2liter=2000cm' 2000 = 3,14.52.t
Keterangan
2000 r--=25.5cm " 78,5
Al
Jadi tinggi tabung yang dibutuhkan digester
mini:25,5
cm dalam reaktor tekanan Menghitung AP : p. g.AH
keterangan
m:
4395,96 N/m2
:
dalam Tabung Gas
:
:(tabung dalam )
A2 = (tabung luar)
t : tinggi (cm) r :3.14 r : jari- jari (cm)
:
AP : beda tekanan lN :lkg.m/s2 latm : 101325 N/m2 p : 995.8 kg/m3 g :9.81 m/s2 AH : beda ketinggian (m)
dari pustaka didapat A
- trzt
v=
3,14.3 J7 52.7 5
:
=
237
3,9\cm3
Perhitungan Pemanas (Heater )
Pemanas didalam tabung reactor fungsinya untuk menjaga suhu agar
sesuai
ini
AP:995,8 kglm2 x 9,81 m/s2 x 0,29 m :2832,96N1m2
yang diinginkan, dengan alat
P1-P2=AP Pl - latm: AP
mendapatkan campuran suhu yang tepat pada proses penguj ian selanj utnya. Perhitungan :
P1=AP*1atm
N
101325N
Pl = 2832,96 . +-mz
mz
digunakan bemacam
Ttn T*
-
bisa
variasi suhu untuk
:50oC = 35oC
Dari pustaka didapat:
=
1,04157.96 N/mz
Perhitungan Ta bung Gas
Sesuai dari tinjauan pustaka untuk mengetahui kapasitas gas yang dapat ditampung
Q'= Diketahui Debit (Q)
m'cyLT = h'A'AT
:
: 1,28 literimenit d = 0,5 cm : 0,005 m Q=vxA
di dalam tabung gas maka dapat
di tentukan dengan : Menghitung Tekanan dalam Tabung Gas AP = p,g.AH
a.
P|-P2- p.g.LH Keterangan p : 995.8 kg/m3 :
g :9.81 m/s2 AH : beda ketinggian (m) AP : beda tekanan Seminar Nasional Teknik Mesin UMY 2010
v
-
1.,28dm2
fmeni.t n(0,005m)z
_-r-
5,L2dm3 f menit
= T,B{VTo-tdi-
= 652,2229mfmenit = l,l\m/detik
169
Jadi kecepatan rata-rata aliran 1,08 m3ls
LT^ =
U. =
1,08 m3/s Sifat-sifat air padh suhu 50oc pada tabel A-9,.
(;)
= 0,020 x7912,608 x 6,38 = 1009,65
oleh karena q: U.A.Al, maka 1009,65 A= = 0,020 7912,608 x 6,38
= 985.7 kglm3
:
4,195 kj/kg."C 104 kg/m.s = 0,649 w/m."C = 3,30
==-:-:--=-'-
:5,13 x
A = rd,L
L_
untuk mencari laju aliran massa terlebih dahulu mencari bilangan renold Red
=
= 6,38'C
'" Qatr = it.c*,LT* Q
p cp p k pr
-3
P.U*.d p
0,020 3,14
x
0,005
= 1,27m
KESIMPULAN DAN SARAN
(985,7) (1,08) (0,005)
Kesimpulan
5,13 x 10-4 = 1,0375x104
Rea Nua
Dari perhitungan dan pembahasan diatas, maka dapat ditarik kesimpulan
= 0,023 Re6q8 Pf/ 0,023x (1,0375 x 104;0,8, (3,300,4)
:
sebagai berikut
l.
:60,96 n. Dz
= 9.-Yg* '4
7n rh
2. 3.
Saran
h = koefisien perpindahan kalor
l. Untuk
mendapatkan hasil yang diinginkan dalam pembuatan reactor
k
h=;xNua 0.649
biogas
x 6o'96
o^o*
Dari pustaka didapat Q
:
2.
= th.c*.AT*
Keterangan: Tit laju aliran massa fluida
: C* :h AT* : beda suhu ("C) A : luas koil (m) ,n
,-'tLL
T::: '
(s0
harus benar
-
benar rapat,
bocor waktu pengujian. Agar gas di dalam tabung tidak kembali ke dalam tabung reactor maka diisi air
yang berfungsi sebagai valve dan juga penyaring gas agar tidak bau.
iil(+
"t .,.. r'i01"
,lu:"s-o:!--
AT^ =
ini
maka diperlukan sealer (lem kaca) gunanya untuk menjaga reactor tidak
:7912,6C8 Wm2.oC
:-::l*
ini menggunakan 0,5 cm panjangnya 1,75
Penukar panas
menggunakan bahan pipa tembaga.
:0,020 kg/s
=
Sumber panas menggunakan suhu 50oC
diameter
. "3,74 x (0,005m)2 kg/m.--+ x 1,08 m/s -
= 985,7
:
Tinggi tabung yang dibutuhkan digester mini adalah 25,5 cm.
-
4s)
-
(3s
il],*J-ilC;
-27)
.In\1ssq/ /(50-45\
170
DAFTAR PUSTAKA fr4eynell, P. 1., 1976, Methane : Planning a Digester, Prism Press, Great Britain
Tiratsoo, E.N., 1979, Natural Gas Fuel
Future? A World SurveY, Gulf Publishing ComPanY, Houston
For
Texas, Third Edition.
http://www. Wi kiPedia,2005 http ://kamase.org/2008/ I I /03icara-mudahmembuat-digester-biogas. Holman, J. P., 1991, Perpindahan Kalor,Ed. 6, Jakarta: Erlangga.
Penulis
Nama :M.BoediChoirul.A
NIM
:20010130100
Email no.tfn
:
[email protected] : 081392877258 (0274'9228591)
Seminar Nasioryat Teknik M-esin UIvIY 20lA
t7t
