1 PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN TEMPERATUR PADA JAKET TABUNG BIOREAKTOR ANAEROB Syafrial Nurdiansyah, Dr. Ir. Totok Soehartanto, DEA 1) Ir. Ronny Dwi Noriyati, M.Kes2) 1) Department of Engineering Physics, Faculty of Industrial Technology ITS Surabaya Indonesia 60111, email:
[email protected] 2) Department of Mechanical Engginering, Faculty of Industrial Technology ITS Surabaya Indonesia 60111 Abstrak Mikroorganisme adalah bagian yang berperan penting dalam proses fermentasi untuk menghasilkan gas metana di dalam bioreaktor anaerob. Kelangsungan hidup dan laju pertumbuhan mikroorganisme tersebut sangat rentan terhadap perubahan temperatur. Karena perubahan temperatur lingkungan akan mempengaruhi kestabilan temperatur didalam bioreaktor. Maka, pada tugas akhir ini telah dilakukan perancangan sistem pengendalian temperatur yang berupa jaket pada tabung bioreaktor untuk menjaga temperatur bioreaktor dari pengaruh perubahan temperatur lingkungan. Jaket bioreaktor disini akan dibangkitkan oleh sebuah heater listrik, dimana heater listrik akan mengalirkan panas kedalam jaket untuk menjaga temperatur permukaan tabung bioreaktor tetap stabil pada 350 C, sehingga laju pertumbuhan mikroorganisme didalam tabung bioreaktor tetap stabil. Hasil perancangan sistem pengendalian pada tugas akhir ini disimulasikan dengan menggunakan program MatLab Simulink. Uji coba yang dilakukan pada simulator bioreaktor adalah dengan merubah nilai dari temperatur yang masuk kedalam tabung bioreaktor, sehingga dari simulasi tersebut dapat diketahui keadaan sistem bioreaktor berdasarkan laju pertumbuhan mikroorganismenya. Kata kunci : laju pertumbuhan mikroorgansime, temperatur, sistem pengendalian temperatur.
I. PENDAHULUAN Tabung bioreaktor anaerob merupakan alat yang sangat efektif untuk mengolah limbah organik, dimana hasil pengolahan limbah berupa gas metana yang dapat dipergunakan sebagai bahan bakar. Dalam proses produksinya, bioreaktor anaerob ini tidak menggunakan bantuan oksigen sehingga membutuhkan reaktor yang tertutup. Pengubahan sampah organik menjadi gas metana ini dilakukan oleh bermacam-macam mikroorganisme antara lain acetogenic serta metanogenic. Mikroorganisme ini sangat rentan terhadap perubahan temperatur. Variabel temperatur tersebut sangat berpengaruh terhadap kelangsungan hidup dan laju pertumbuhan dari mikroorganisme (µ sebagai fungsi temperatur). Jika temperatur lingkungan yang masuk ke dalam bioreaktor terlalu tinggi atau terlalu rendah, maka akan menyebabkan mikroorganisme didalam tabung bioreaktor akan mati (pertumbuhan mikroorganisme tidak sepenuhnya anaerob). Bila variabel tersebut tidak dijaga kestabilannya akan mengakibatkan kematian pada mikroorganisme. Apabila banyak sekali jumlah mikroorganisme yang mati, maka
diharuskan untuk menguras tabung bioreaktor tempat mikroorganisme tersebut ditampung atau dengan istilah lain sering disebut dengan istilah wash out.. Negara Indonesia merupakan negara yang memilki iklim tropis, dimana terjadi dua pergantian musim dalam satu tahun. Tetapi dalam tahun-tahun terakhir ini musim di Indonesia tidak menentu. Jika musim penghujan, temperatur lingkungan akan turun dibawah rata-rata. Dan jika musim kemarau, temperatur lingkungan akan naik melebihi rata-rata. Hal tersebut akan berpengaruh pada kestabilan temperatur didalam bioreaktor akibat perpindahan panas secara konduksi pada dinding atau permukaan tabung bioreaktor. Sedangkan dalam prosesnya untuk menghasilkan gas metana, sebuah bioreaktor harus bekerja dalam waktu yang lama. Maka untuk menjaga kestabilan temperatur pada tabung bioreaktor dibutuhkan suatu sistem pengendalian temperatur agar temperatur dipermukaan tabung tetap stabil sehingga laju pertumbuhan mikroorganisme didalam tabung bioreaktor tidak terganggu dari pengaruh perubahan temperatur lingkungan. Dari paparan diatas, pada tugas akhir ini akan dirancang sebuah sistem pengendalian temperatur yang berupa jaket pada tabung bioreaktor anaerob untuk menjaga temperatur pada permukaan tabung bioreaktor tetap stabil pada suhu 350 C. Pada sistem pengendalian temperatur ini menggunakan kontrol on-off dan temperatur yang akan dikontrol adalah temperatur dari permukaan tabung bioreaktor. Karena diasumsikan bahwa panas yang masuk kedalam tabung adalah secara konduksi, sehingga jika temperatur permukaan tabung stabil pada 350 C, maka temperatur didalam tabung juga stabil pada 350 C. Tabung bioreaktor terbuat dari bahan PVC dengan konduktivitas termal 0.028 W/m2.0C (Christopher, 1981). Perancangan sistem pengendalian ini akan disimulasikan dengan menggunakan software MatLab Simulink. Berdasarkan hasil uji simulasi tersebut akan diketahui kestabilan dari sistem bioreaktor berdasarkan laju pertumbuhan mikroorganisme, produksi gas metana,dan tingkat keasaman. II. DASAR TEORI A. Bioreaktor Anaerob Bioreaktor anaerob merupakan tangki untuk mendegradasi limbah menjadi senyawa metana (CH4) dan karbondioksida (CO2) dengan memanfaatkan aktifitas dari mikroorganisme pada lingkungan tanpa udara (anaerob). Mikroorganisme dapat tumbuh dengan mengkonsumsi nutrisi atau substrat yang tersedia, pada kondisi lingkungan (temperatur, pH) yang mendukung. Substrat disini dapat dihasilkan dari limbah organik.
2 Substrat merupakan campuran organik yang sangat kompleks, sehingga tidaklah mungkin memasukkan keseluruhan model material organik kedalam suatu pemodelan dikarenakan sifatnya yang sangat kompleks. Akan tetapi terdapat pendekatan yang dapat digunakan untuk mengantisipasi sifat yang kompleks dari substrat, yaitu dengan merepresentasikannya kedalam dua kelompok, yaitu bagian substrat yang sama dengan Glucose (SC) dan substrat yang sama dengan Acetate (S2) . Substrat yang digambarkan sebagai Acetate (S2) merupakan suatu bentuk molekul organik yang langsung akan didegradasikan menjadi asam asetat. Sedangakan substrat yang digambarkan sebagai Glucose (SC) merupakan molekul organik yang lebih kompleks dibandingkan dengan S2 (representasi dari acetate). Molekul organik jenis ini akan didegradasikan menjadi substrat kelompok Acetate (S2) untuk kemudian diturunkan menjadi gas metana pada proses methanogenesis. B. Variabel Yang Mempengaruhi Keadaan Bioreaktor
•
Temperatur
Dalam pertumbuhannya, mikro-organisme memerlukan kisaran suhu tertentu. Kisaran suhu pertumbuhan mikroorganisme dibagi menjadi suhu minimum, suhu optimum, dan suhu maksimum. Suhu minimum adalah suhu terendah dimana mikro-organisme masih tetap hidup. Suhu optimum adalah suhu paling baik untuk pertumbuhan mikro-organisme. Dan suhu maksimum adalah suhu tertinggi untuk kehidupan mikroorganisme. Temperatur sangat berpengaruh terhadap kelangsungan mikro-organisme dalam bioreaktor, temperatur yang diijinkan dalam bioreaktor tergantung dari tipe mikro-organismenya. Range-range temperatur itu antara lain:
Kondisi psychrophilic, antara 5-20oC. Kondisi mesophilic, 25-40oC, umumnya 35oC. Kondisi thermophilic, antara 50-65oC, umumnya 55oC. Retention time
o o o •
keadaan optimal sehingga juga dapat dihasilkan biogas yang optimal pula. Kondisi paling optimal untuk menghasilkan biogas pada bioreaktor anaerob adalah pada pH 7-7,2.
•
Hubungan antara jumlah karbon dan nitrogen dalam senyawa organik dilambangkan dengan rasio C/N. Rasio C/N optimum pada anaerobik digester antara 20 hingga 30 (Polprasert, 1989). Rasio C/N yang tinggi merupakan indikasi nitrogen dikonsumsi secara cepat oleh methanogen dan menghasilkan gas yang lebih rendah. Dan sebaliknya, rasio C/N yang rendah menyebabkan akumulasi amoniak dan nilai pH melebihi 8,5, sehingga beracun bagi bakteri methanogenik. Rasio C/N optimum material feedstock dapat diperoleh dengan mencampur limbah berasio tinggi dan rendah.
•
Pengadukan (mixing)
Pengadukan, di dalam digester, meningkatkan kontak antara mikro-organisme dan substrat dan meningkatkan kemampuan populasi bakteri untuk menyerap nutrisi. Pengadukan juga mencegah scum dan terjadinya perbedaan temperatur dalam digester. Namun pengadukan yang berlebihan dapat merusak mikro-organisme sehingga pengadukan dilakukan secara pelan. C. Persamaan Matematis Dari Bioreaktor Anaerob Dalam bioreaktor anaerob terjadi proses fisika,kimia,serta biologi secara bersamaan. Tahapan proses dalam bioreaktor yang terjadi dapat dijelaskan dengan beberapa persamaan aljabar yang menggambarkan kesetimbangan fisika-kimia dan persamaan diferensial yang menggambarkan dinamika sistem serta ditunjang dengan beberapa persamaan yang menggambarkan proses biologi yang terjadi di dalam bioreaktor sebagai pelengkap. Dengan pemahaman mengenai simulasi yang dilakukan maka didapatkan suatu penggambaran fungsional yang terdapat pada bioreaktor anaerob seperti gambar 2.
Retention time adalah waktu yang digunakan oleh bioreaktor agar dapat mengurai senyawa-senyawa organik. Retention time berbeda tergantung dari parameter proses, seperti temperatur dan komposisi limbah. Misal untuk kondisi Psychrophilic yang mempunyai retention time lebih dari seratus hari, untuk mesophilic sekitar lima belas hingga tiga puluh hari dan dua belas hingga empat belas hari untuk thermophilic.
•
Rasio Karbon terhadap Nitrogen (C:N)
Gambar 1 Diagram fungsional digester anaerob (Beteau, 1996)
pH
Parameter kestabilan bioreaktor anaerob sangat dipengaruhi oleh besaran terukur dari pH. Pada pH kurang dari 5 dan lebih dari 7,4 bioreaktor akan mengalami pengurasan (washout), atau dengan kata lain mikro-organisme pada bioreaktor mengalami kematian. Pada pH 5-6,7 bioreaktor anaerob berada pada kondisi kurang stabil, dimana pada kondisi ini bioreaktor masih dapat bertahan apabila diberikan treatment dengan penambahan substrat dan dilusi sesuia kekurangan masing-masing sehingga akan mencapai kondisi stabil. Pada pH 6,7-7,4 bioreaktor berada pada kondisi stabil, dimana mikro-organisme dapat bertahan hidup pada
Berdasarkan diagram fungsional bioreaktor anaerob diatas, dapat direpresentasikan beberapa model matematis proses : •
•
Kesetimbangan antara ion asetat S − dan asetat HS pada persamaan aljabar (1) dimana merupakan bagian dari kosentrasi substrat S2, dan kesetimbangan ini juga ditunjukkan dengan konstanta kesetimbangan asam Ka (2). Ion organik IC direpresentasikan sebagai kesatuan dari ion bicarbonate B dan karbon dioksida terlarut CO2 D (10). Hubungan ini juga dinyatakan dalam korelasi konstanta
3 kesetimbangan basa Kb . Persamaan aljabar (3) dan (3) dapat dihubungkan dengan variasi dari ion karbon IC pada (10), dimana pada persamaan kesetimbangan biologi ion karbon menunjukkan hubungan terhadap kecepatan pertumbuhan mikro-organisme. Persamaaan kesetimbangan dalam proses perlu disederhanakan terlebih dahulu untuk lebih memudahkan pemahamannya. Bagian pertama proses terjadi pada substrat SC yang kemudian diturunkan menjadi substrat S2 dan IC oleh biomassa XC. Penyederhanaan berasumsi bahwa SC adalah substrat yang digunakan untuk pertumbuhan dari biomassa XC sedangkan S2 dan IC adalah hasil proses pertumbuhan tersebut, dan bukan hasil dari biotransformasi biomassa XC. Penyederhanaan ini memungkinkan fase digestion pertama, dalam hal ini adalah degradasi substrat SC oleh biomassa XC yang berlangsung lebih cepat dibanding fase digestion kedua yaitu degradasi substrat S2 oleh biomassa X2(Beteau, 1996). Kesetimbangan proses yang kemudian dijadikan dasar untuk pemodelan bioreaktor sendiri secara lengkap terdiri dari :
(15) (16) (17) (18)
D.
Pemodelan Matematis Koefisien Laju Pertumbuhan Mikro-organisme Berdasarkan rumus pada persamaan diatas terdapat µCmax dimana faktor nilai dari µCmax tersebut dapat diuraikan
kembali menjadi : (19) Persamaan diatas merupakan persamaan Arrhenius (Femat, 2003). Pada rumus di atas nilai µCmax berkaitan dengan nilai temperatur lingkungan. Setelah didapatkan
•
•
Persamaan aljabar yang menggambarkan kesetimbangan fisika-kimia (1) (2) (3) (4) (5)
µC maka dapat max
dicari Persamaan diferensial yang menggambarkan dinamika sistem. III. METODOLOGI
Persamaan diferensial yang menggambarkan dinamika sistem: (6) (7) (8) (9)
(10) (11) Gambar 2 Diagram alir penelitian
R1 , R2 , R3 , R4 , R5 , R6
adalah yields coefficient yang
nantinya ditentukan: • 2 persamaan output (12) (13) Beberapa persamaan yang menggambarkan proses biologi yang terjadi di dalam bioreaktor sebagai pelengkap:
A. Desain Sistem Pengendalian Temperatur Pada Jaket Tabung Bioreaktor Gambar 3 merupakan sketsa rancangan sistem pengendalian temperatur pada jaket tabung bioreaktor. Berdasarkan gambar tersebut dapat dilihat bahwa rancangan dari sistem pengendalian temperatur yang akan dibuat terdiri dari beberapa komponen. Yaitu temperatur transmitter, kontroller, aktuator, heater elektrik dan jaket pada tabung bioreaktor anaerob.
4
Tabung Tinggi : 1 meter Diameter : 0.5 meter Jari-jari : 0.25 meter Volume = luas alasxtinggi = 3.14(0.0625)(1) =196.25 Lt
tabung
Gambar 3 Sketsa rancangan sistem pengendalian temperatur Jaket akan menutupi hanya sebagian dari tabung bioreaktor. Jaket tersebut hanya menutupi sebagian dari bioreaktor karena isi dari tabung bioreaktor tidak akan pernah penuh. Jaket tersebut bekerja berdasarkan temperatur jaket yang terukur oleh temperatur transmitter (TT). Kemudian temperatur transimitter akan mengirimkan data ke temperatur kontroller (TC), dimana temperatur kontroler akan mengirimkan sinyal kepada aktuator, dimana aktuator disini berupa sebuah relay untuk memutus atau menyambung tegangan pada heater. Jika temperatur jaket tinggi, maka heater akan mati. Sedangkan jika temperatur rendah, maka heater akan aktif sehingga aliran panas masuk kedalam jaket. Diagram blok dari sistem pengendalian temperatur ini adalah sebagai berikut :
Gambar 5 Spesifikasi tabung Maka berdasarkan hukum kesetimbangan energi, model dinamika dari tabung adalah sebagai berikut :
(20) diasumsikan tidak ada panas yang masuk kedalam tabung, maka Q = 0. Sehingga persamaan menjadi : (21)
(22)
Keterangan: Gambar 4 Diagram blok sistem pengendalian Plant pada diagram blok tersebut adalah jaket pada tabung bioreaktor, dimana jaket tersebut akan dibangkitkan oleh sebuah heater elektrik. Heater tersebut akan mengalirkan panas kedalam jaket sesuai dengan panas yang dibutuhkan oleh jaket untuk menjaga temperatur tabung bioreaktor tetap stabil. Heater elektrik akan dibangkitkan oleh tegangan dari luar, yaitu sebesar 220 volt. B. Pemodelan Tabung Pada tugas akhir ini, diasumsikan bahwa tabung terbuat dari bahan PVC dengan tebal 0.5 cm dan konduktivitas termal 0.028 W/m2.0C (Christopher, 1981). Dimana pada tabung bioreaktor tersebut diasumsikan panas yang masuk kedalam tabung adalah secara konduksi. Spesifikasi tabung bioreaktor dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
T Δx k
= massa jenis (kg/m3) = 994.1 kg/m3 = kalor specific (KJ/Kg. 0C) = 4.178 KJ/Kg. 0C = volume tabung (Liter) = 196.25 Liter = Temperatur (0C) = tebal tabung = 0.5 cm = konduktivitas termal = 0.028 W/m2 0C
Berdasarkan model dinamika tersebut, kemudian dirancang tabung bioreaktor pada MatLab Simulink. Hasil rancangan dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
5
(25) Keterangan:
T
= massa jenis (kg/m3) = 994.1 kg/m3 = kalor specific (KJ/Kg. 0C) = 4.178 KJ/Kg. 0C = volume jaket (Liter) = 78.5 Liter = Temperatur (0C)
Dimana : (26) Keterangan : V
= kalor (Kal) = arus (mA) = tegangan (volt)
Gambar 6 Blok model dinamika tabung dalam Simulink C. Pemodelan Jaket dan Heater Jaket pada tabung bioreaktor merupakan selimut tabung. Jaket tersebut berfungsi untuk menjaga temperatur tabung bioreaktor tetap stabil. Spesifikasi dari jaket dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
tabung
jaket
Kemudian dari persamaan (3.5) sampai (3.8) dirancang sistem pemanas jaket tabung biorekator pada MatLab Simulink.
Jaket Panjang : 1.57 meter tebal : 0.01 meter Tinggi : 0.5 meter Volume = panjang x tebal x tinggi = 1.57 x 0.01 x 10.5= 78.5 Lt
Gambar 8 Blok model dinamika jaket dan heater pada simulink
Gambar 7 Spesifikasi jaket Jaket pada tabung tersebut akan diisi dengan air panas yang berasal dari heater. Heater pada jaket merupakan alat yang digunakan untuk memanaskan air. Heater pada jaket tersebut dibangkitkan dengan menggunakan tegangan dari luar sebesar 220 volt. Pada jaket berlaku hukum kesetimbangan energi, yaitu :
(23) (24)
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Uji Laju Pertumbuhan Mikroorganisme Terhadap Perubahan Temperatur Pada bagian akan dilakukan uji perubahan temperatur terhadap laju pertumbuhan mikroorganisme ( ) terhadap perubahan temperatur dengan memberikan sinyal uji step pada 450-200 C. Berdasarkan perhitungan dari persamaan Arrhenius (2.21) yang digunakan dalam tugas akhir ini yang direpresentasikan gambar dibawah ini.
6 dikarenakan pada keadaan tersebut suhu terlalu rendah untuk berkembangnya mikroorganisme. B. Uji Sistem Pengendalian Temperatur Pada Jaket Tabung Bioreaktor Anaerob 1. Uji Open Loop Sistem Pengendalian Temperatur Pada bagian ini dilakukan pengujian sistem pengendalian temperatur secara open loop. Uji open loop ini merupakan uji komponen-komponen dari sistem yang telah digabung menjadi satu namun tanpa sistem kontrol. Pada pengujian ini akan diberi sinyal input step temperatur pada 400-200 C. Gambar 9 Model
sebagai fungsi temperatur
Dari simulasi diperoleh bahwa nilai dari adalah 0.0625. Nilai dari adalah 0.00333336, nilai tersebut digunakan untuk mencari dengan mengasumsikan bahwa temperatur normal bernilai 350 C. Dari perhitungan yang telah dilakukan diperoleh sebesar -879,3099. Setelah nilai dari dan diketahui, maka didapatkanlah hubungan antara temperatur dan besarnya perubahan yaitu dengan cara memasukkan nilai tersebut kedalam simulasi yang telah dibuat, kemudian menjalankannya. Hasil dari uji perubahan temperatur terhadap laju pertumbuhan mikroorganisme yang telah dilakukan dapat dilihat pada grafik 4.8 dibawah ini.
Gambar 10 Grafik perbandingan perubahan temperatur terhadap laju pertumbuhan mikroorganisme Berdasarkan grafik diatas dapat dilihat bahwa mikroorganisme pada suhu diatas 350 C tidak dapat berkembang dengan baik dan menyebabkan kematian pada mikroorganisme. Hal ini disebabkan karena pada keadaan tersebut temperatur terlalu tinggi sehingga mikroorganisme tidak mampu berkembang. Sedangkan pada suhu 35-200 C mikroorganisme mampu berkembang dengan baik dan laju pertumbuhan mikroorganisme paling baik adalah pada suhu 350 C yaitu dengan nilai laju pertumbuhan mikroorganisme sama dengan 0.0595. Pada keadaan inilah laju pertumbuhan mikrooraganisme paling baik, sehingga dalam tugas akhir ini temperatur tabung bioreaktor akan dikontrol temperaturnya stabil pada suhu 350 C. karena pada umumnya temperatur paling bagus untuk berkembangnya mikroorganisme mesophilic adalah pada 350 C. Sedangkan pada suhu dibawah 200 C mikroorganisme juga tidak mampu bertahan, hal ini
Gambar 11 Grafik sinyal uji step open loop
Gambar 12 Grafik respon uji open loop heater Berdasarkan grafik diatas dapat dilihat bahwa kalor yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan stabil adalah 2,22x104 kal dengan waktu sekitar 600 detik.
Gambar 13 Grafik respon uji open loop pada jaket
7 Dari grafik respon uji open loop jaket diatas dapat dilihat bahwa dengan kalor yang dihasilkan oleh heater sebesar 2.22x104 kal, jaket akan menghasilkan keluaran temperatur sebesar 73.190 C.
sinyal uji tersebut akan dilihat respon sistem jika temperatur diatas 350 C dan dibawah 350 C.
Gambar 15 Grafik sinyal uji signal generator Gambar 14 Grafik respon uji open loop pada permukaan dalam dinding tabung Berdasarkan grafik respon uji open loop pada permukaan dalam dinding tabung dapat dilihat bahwa dengan kalor sebesar 2.22x104 kal dan temperatur jaket sebesar 73.190 C, dapat menyebabkan temperatur permukaan dalam dinding semakin tinggi dan melebihi set point yaitu pada 350 C. Hal ini disebabkan karena heater terus bekerja sehingga kalor yang dihasilkan juga bertambah. Apabila kalor yang dihasilkan oleh heater terus bertambah, maka temperatur pada jaket juga akan naik. Sehingga menyebabkan temperatur pada permukaan dalam dinding tabung naik. Jika hal ini terjadi terus-menerus, maka laju pertumbuhan mikroorganisme akan terganggu dan menyebabkan kematian pada mikroorganisme yang ada di dalam tabung. Maka untuk mengatasi hal tersebut dibutuhkan sebuah sistem kontrol untuk mengendalikan sistem ini, sehingga kalor yang dihasilkan oleh heater, temperatur jaket, dan temperatur pada permukaan dalam dinding tabung sesuai dengan set point yang diinginkan. Sistem kontrol yang digunakan dalam sistem pengendalian ini adalah kontrol on-off. Pada algoritma kontrol tersebut hanya memilki dua keluaran yaitu on jika tegangan terhubung dengan heater, dan off jika tegangan terputus dengan heater. Algoritma sistem kontrol on-off berbeda dengan algoritma sistem kontrol PID. Dimana pada sistem kontrol PID terdapat nilai parameter kontrol berupa Kp, Ti, Td. Sedangkan untuk sistem kontrol on-off tidak demikian, dalam sistem kontrol tersebut hanya memilki dua keluaran yaitu on dan off. Untuk mengetahui respon sistem pengendalian temperatur terhadap kontrol on-off yang digunakan, maka akan dilakukan uji signal generator dengan perubahan temperatur 240-390 C. Nilai perubahan temperatur yang digunakan tersebut merupakan nilai temperatur terendah dan tertinggi di Surabaya. Set point yang diinginkan dalam sistem pengendalian ini adalah 350 C, sehingga dengan menggunakan
Gambar 16 Grafik respon uji signal generator pada heater Grafik diatas merupakan grafik respon uji signal generator pada heater. Dari grafik respon yang diperoleh dapat dilihat bahwa, ketika temperatur diatas 350 C, maka heater akan off (non-aktif). Hal ini menandakan bahwa tegangan yang masuk kedalam heater terputus . Ketika temperatur dibawah 350 C, maka heater akan on (aktif), hal tersebut menandakan bahwa tegangan yang masuk kedalam heater tersambung dan menghasilkan kalor sebesar 3.665x104 kal.
Gambar 17 Grafik repon uji signal generator pada jaket Grafik diatas merupakan respon uji signal generator pada jaket tabung bioreaktor. Berdasarkan grafik diatas dapat dilihat bahwa ketika temperatur dibawah 350 C, heater akan
8 off sehingga temperatur didalam jaket berada pada nilai 400 C. hal ini dikarenakan air memiliki kalor awal meskipun heater dalam keadaan tidak aktif. Ketika temperatur dibawah 350 C, maka heater akan aktif sehingga temperatur jaket naik menjadi 1200 C. respon temperatur pada jaket tersebut selalu berkesinambungan sesuai dengan kalor yang dihasilkan oleh heater. Apabila kalor yang dihasilkan oleh heater naik, maka temperatur pada jaket akan naik. Jika heater dalam keadaan non-aktif, maka temperatur jaket akan turun. Temperatur keluaran jaket tersebut merupakan temperatur masukan untuk tabung.dimana pada permukaan dinding tabung terjadi perpindahan panas secara konduksi dengan konduktivitas termal PVC yang merupakan bahan tabung adalah sebesar 0.028 W/m2.0C. Sehingga untuk respon uji signal generator pada jaket yang merupakan masukan untuk dinding tabung diperoleh grafik respon seperti dibawah ini.
setelah dilengkapi dengan sistem kontrol. Pada uji coba ini akan dimasukkan sinyal uji step temperatur pada 200-500 C.
Gambar 18 Grafik respon uji signal generator pada permukaan dalam dinding tabung
Gambar 20 Grafik respon uji step close loop heater
Grafik diatas merupakan respon uji signal generator pada permukaan dalam dinding tabung. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa dengan kalor yang dihasilkan oleh heater sebesar 3.665x104 kal dan temperatur jaket sebasar 1200 C,maka diperoleh grafik respon seperti diatas. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa temperatur pada permukaan dinding tabung stabil pada 350 C dan membutuhkan waktu sekitar 1200 detik untuk mencapai keadaan stabil tersebut. Dari grafik yang dihasilkan juga dapat dilihat ketika heater tidak aktif (off), maka temperatur pada jaket akan turun sehingga temperatur pada permukaan dinding tabung juga akan turun. 2. Uji Close Loop Sistem Pengendalian Temperatur Setelah dilakukan pengujian sistem pengendalian secara open loop, kemudian dilakukan uji simulasi close loop dengan menggunakan kontrol on-off pada sistem pengendalian temperatur yang berupa jaket pada tabung bioreaktor. Dari uji coba yang dilakukan akan diketahui perbedaan sistem pengendalian tanpa sistem kontrol dan sistem pengendalian
Gambar 19 Grafik sinyal uji step close loop
Karakteristik dari kontrol on-off adalah jika output lebih besar dari set point, aktuator akan off. Output akan turun dengan sendirinya sehingga menyentuh set point lagi. Pada saat itu, sinyal kontrol akan kembali on (aktuator on) dan mengembalikan output kepada set point nya. Demikian seterusnya sinyal kontrol dan aktuator akan on-off terus menerus. Grafik diatas merupakan hasil uji step close loop heater. Dari gambar dapat diamati bahwa kalor yang dibutuhkan untuk menjaga temperatur pada permukaan dalam dinding adalah sebesar 2.19x104 kal dan membutuhkan waktu 600 detik untuk mencapainya. Dari grafik dapat dilihat bahwa ketika temperatur yang masuk diatas 350 C, maka relay akan memutuskan hubungan tegangan kedalam heater sehingga heater non-aktif dan heater tidak menghasilkan kalor. Jika temperatur yang masuk dibawah 350 C, maka relay akan menyambungkan tegangan kedalam heater sehingga heater akan aktif dan heater akan menghasilkan kalor yang diinginkan.
9
3.
Gambar 21 Grafik respon uji step close loop pada jaket
sebagai berikut : kalor yang dihasilkan heater untuk menjaga agar temperatur jaket tetap stabil adalah sebesar 3.665x104 kal, temperatur jaket sebesar 1200 C, dan temperatur pada permukaan dalam dinding tabung stabil pada 350 C. Berdasarkan hasil uji step open loop pada temperatur 400-200 C, kalor yang dihasilkan oleh heater sebesar 2.22x104 kal, jaket menghasilkan keluaran temperatur sebesar 73.190 C, dan temperatur keluaran pada permukaan dalam dinding tabung semakin tinggi melebihi set point (350 C) yaitu sekitar 40 0 C. Sedangkan pada uji step close loop pada temperatur 500-200 C, kalor yang dihasilkan oleh heater sebesar 2.19x104 kal, temperatur keluaran dari jaket adalah sebesar 72.40 C dan temperatur keluaran pada permukaan dalam dinding tabung stabil pada 350 C.
B. Saran Saran yang dapat disampaikan untuk penelitian selanjutnya adalah melakukan penelitian tentang perancangan hardware dari tugas akhir ini. Karena perancangan sistem pengendalian temperatur pada tugas akhir ini hanya berupa software. VI. DAFTAR PUSTAKA 1.
Gambar 22 Grafik respon uji step close loop pada pemukaan dalam dinding tabung Berdasarkan grafik hasil uji step close loop pada jaket, dapat dilihat bahwa terjadi osilasi tetapi nilainya sangat kecil. Dari grafik tersebut dapat diketahui bahwa dengan kalor sebesar 2.19x104 kal, jaket akan menghasilkan temperatur sebesar 72.40 C. Dan pada grafik hasil uji step close loop pada permukaan dalam dinding tabung dapat dilihat bahwa osilasi yang terjadi pada heater dan jaket akan mempengaruhi temperatur pada permukaan dalam dinding tabung, namun nilainya sangat kecil. Hal ini disebabkan karena temperatur merupakan variable proses yang lambat, sehingga meskipun heater dalam keadaan off, air didalam jaket tetap memilki kalor dan temperatur jaket tetap terjaga. Sehingga temperatur pada permukaan dalam dinding tabung tetap stabil pada 350 C.
2.
3.
4.
5.
6. V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Dalam tugas akhir ini diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Telah dirancang sistem pengendalian temperatur pada jaket tabung bioreaktor anaerob secara simulasi. 2. Untuk uji signal generator yang dilakukan pada sistem pengendalian dengan memberikan keadaan temperatur tertinggi dan terendah di Surabaya, diperoleh hasil
7.
8.
Béteau, Jean-François., Soehartanto, Totok., 1998, Control Strategy Selection By Using Stability Limits: Application to An Anaerobic Digester, Laboratoire d’Automatique de Grenoble BP 46, F38402 ST Martin d’Heres. Béteau, Jean-François., Soehartanto, Totok., F. Chaume., 1996, Model Based Selection Of An Appropriate Control Strategy Application To An Anaerobic Digester, Mathematical Modelling of Systems Vol. 1, No. 1, pp. 000-111. Béteau, Jean-François., Soehartanto, Totok.,1996, Selection Of The Most Appropriate Strategy By Using Limit Stability Model : Application to Pulp and Paper Wastewater Treatment, Laboratoire d’Automatique de Grenoble BP 46, F-38402 ST Martin d’Heres. R. Femat , H.O. Acosta-Mendez, J.P. Steyer, V. Gonzalez-Alvarez,2003, Temperature oscillations in a biological reactor with recycle, San Louis Potosi. Mexico. Larry D. Benefield, Clifford W. Randall, 1980, Biological Process Design for Wastewater Treatment, Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J. Gunterus, Frans. 1997. Falsafah Dasar : Sistem Pengendalian Proses. Jakarta : Elex Media ComputindoM. H. Zwietering, J. T. De Koos, B. E. Hasenack, J. C. De Wit, AND K. Van 'T Riet, 1991, Modeling of Bacterial Growth as a Function of Temperature, Department of Food Science, Agricultural University Wageningen. Netherland. J.C. Van den Heuvel, R.J. Zoetemeyer.: Stability of the Methane Reactor: A Simple model Including
10 Substrate Inhibition and Cell Recycle, Process Biochemistry , May/June (1982), 14-19.
BIODATA
Riwayat Penulis. Nama : Syafrial Nurdiansyah TTL : Sampang, 08 Desember 1986 e-mail :
[email protected]
