1
RANCANG BANGUN SIMULATOR SISTEM PENGENDALIAN SUHU PADA DINDING BIOREAKTOR ANAEROB BERBASIS KOMPUTER PERSONAL Alfa Roby; DR. Ir. Totok Soehartanto, DEA Jurusan Teknik Fisika FTI ITS Surabaya, Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Telp: +6231-5947188 Fax: +6231-5923626 Email:
[email protected]
Abstract—). Proses fermentasi yang terjadi dalam bioreaktor anaerob untuk menghasilkan gas metana (CH4) bergantung kepada jumlah mikroorganisme (acetogenic dan metanogenic) yang pertumbuhannya sangat dipengaruhi oleh variabel suhu. Dengan mengasumsikan bahwa perpindahan kalor terjadi secara konduksi maka suhu di dalam bioreaktor akan stabil 35o C jika suhu pada dindingnya dijaga minimal sebesar 35o C. Oleh karena itu, diperlukan sebuah sistem pengendalian on-line untuk menjaga suhu pada permukaan tabung bioreaktor anaerob. Sistem pengendalian suhu terdiri dari sistem akuisisi data yang menggunakan 3 t ransducer IC LM35 dan mikrokontroler Atmega16 sebagai pengolah sinyal dan otak proses pengendalian. Transduser IC LM35 memiliki tingkat linieritas +10 mV/ C. Hasil monitoring besaran suhu akan ditampilkan melaui layar komputer menggunakan software Visual Basic. Hasil pengujian simulator yang dilakukan dalam kondisi lingkungan yang berubah-ubah pada range suhu 22-38o C, menunjukkan bahwa rancang bangun sistem pengendalian yang telah dibuat berhasil menjaga suhu permukaan dinding biorekator anaerob 35o C menggunakan moda kontrol on-off dengan time constant antara 6-446 detik dan offset 1o C, serta hasil terbaik menggunakan peletakan sensor di dekat pemanas, yakni pada jarak ≤ 5 cm. Kata Kunci—Bioreaktor anaerob, pertumbuhan mikroba µ(T), sistem pengendaliansuhu, IC LM35, moda kontrol On-Off.
I. PENDAHULUAN Biorektor anaerob merupakan alat untuk menghasilkan gas metana yang bekerja dengan proses fermentasi dari bahanbahan organik secara anaerob (tanpa O2). Proses fermentasi yang terjadi bergantung kepada jumlah mikroorganisme (acetogenic dan metanogenic) yang pertumbuhannya sangat dipengaruhi oleh variabel suhu. Apabila suhu dalam bioreaktor terlalu tinggi atau rendah maka mikroorgnisme tersebut akan mati sehingga proses dalam bioreaktor akan terhenti dan bioreaktor harus dikuras (wash out). Indonesia merupakan negara tropis yang memiliki iklim panas dan hujan. Karena pengaruh pemanasan global, perubahan iklim dewasa ini sangat tidak menentu. Ketika musim panas, suhu akan naik di atas suhu rata-rata. Sedangkan pada saat musim penghujan tiba, suhu akan turun di bawah rata-rata. Perubahan musim yang fluktuatif ini mengakibatkan perpindahan kalor dari sistem bioreaktor ke lingkungan ataupun sebaliknya terjadi sangat cepat dan sulit diprediksi. Sedangkan proses
dalam bioreaktor untuk menghasilkan gas metana memerlukan kestabilan suhu dalam waktu yang relatif lama. Pada penelitian ini, akan dilakukan perancangan dan pembuat sistem pengendalian suhu pada permukaan dinding bioreaktor anaerob berbasis komputer personal yang dapat mengendalikan dan memberikan informasi secara cepat dan tepat tentang suhu pada permukaan dinding tabung bioreaktor, suhu di dalam tabung bioreaktor dan suhu lingkungan sekitarnya. Untuk menghindari melebarnya permasalahan dan melebarnya topik penelitian, diambil batasan masalahsebagai berikut: 1. Perpindahan panas terjadi secara konduksi 2. Jaket pada tabung adalah selimut pada sebagian permukaannya 3. Sensor suhu yang dipergunakan adalah IC LM35 4. Diasumsikan bahwa ketika suhu dinding bioreaktor dijaga konstan maka suhu di dalam bioreaktor akan konstan dan stabil 5. Tabung bioreaktor dianalogikan sebagai tangki yang berisi air yang diam (tanpa sirkulasi) 6. Sistem pemanas (heater) berupa elemen pemanas yang akan diberi tegangan dari luar sesuai dengan panas yang dibutuhkan oleh jaket 7. Sistem pengendalian suhu hanya dilakukan pada jaket II. DASAR TEORI A. Suhu Pertumbuhan Mikroorganisme Gas metana dapat diproduksi pada tiga range suhu sesuai dengan bakteri yang hadir. Bakteri psyhrophilic 0–7° C, bakteri mesophilic pada suhu 13–40° C sedangkan thermophilic pada suhu 55– 60° C. Suhu yang optimal untuk digester adalah suhu 30–35° C, kisaran suhu ini mengkombinasikan kondisi terbaik untuk pertumbuhan bakteri dan produksi methana di dalam digester dengan lama proses yang pendek. Suhu yang tinggi/ range thermophilic jarang digunakan karena sebagian besar bahan sudah dicerna dengan baik pada range suhu mesophilic, selain itu bakteri thermophilic mudah mati karena perubahan suhu, keluaran/ sludge memiliki kualitas yang rendah untuk pupuk, berbau dan tidak ekonomis untuk mempertahankan pada suhu yang tinggi, khususnya pada iklim dingin. Seperti halnya proses secara biologi tingkat produksi metana berlipat untuk tiap peningkatan suhu sebesar 10°C – 15°C. Jumlah total dari gas yang diproduksi pada jumlah
2 bahan yang tetap, meningkat seiring dengan meningkatnya suhu. Lebih lanjut, yang harus diperhatikan pada proses biometananisasi adalah perubahan suhu, karena proses tersebut sangat sensitif terhadap perubahan suhu. Perubahan suhu tidak boleh melebihi batas suhu yang diijinkan. Untuk bakteri psychrophilic selang perubahan suhu berkisar antara 2°C/ jam, bakteri mesophilic 1°C/jam dan bakteri thermophilic 0,5°C/jam. Walaupun demikian perubahan suhu antara siang dan malam tidak menjadi masalah besar untuk aktivitas metabolisme. Tabel 2.1. Ring Suhu untuk Produksi Biogas pada Bioreaktor Anaerob Suhu °C Produksi Biogas 35
Optimum
32-34
Minimum
21-31
Sedikit
<21
Tidak produksi
Tabel 2.2. Suhu Optimal Pertumbuhan Bakteri untuk Produksi Biogas Penggolongan Ring Suhu °C Bakteri Psichopilic 5°-25 Mesophilic
30-35
Thermophilic
50-60
Hyperthermophilic
>65
dilakukan oleh arus I selama t secon melalui sebuah konduktor yang memiliki beda potensial sebesar V. Persamaan ini juga bisa ditulis menjadi: W=VQ (2.7) Karena V=IR (hukum Ohm) dan Q=It Maka W=I2Rt atau W=V2t/R Dimana R adalah hambatan dari konduktor
(2.8) (2.9)
D. Pengendali On-Off Pada sistem pengendalian suhu permukaan dinding bioreaktor ini, kontrol yang akan digunakan adalah kontrol onoff. Pada sistem kontrol dua posisi, elemen aktuasi hanya mempunyai dua posisi yang tetap. Sinyal kontrol akan tetap pada satu keadaan dan akan berubah ke keadaan lainnya bergantung pada nilai error positif atau negatif. u(t) = sinyal kontrol e(t) = sinyal error = set point - variabel proses u(t) = U1, e(t) >0 = U2, e(t)<0 Ilustrasi dari kontroler on-off adalah sebagai berikut:
B. Laju Pertumbuhan Mikroorganisme Sebagai Fungsi Suhu Apabila diketahui suatu konsentrasi mikroba dalam suatu substrat dalam bioreaktor anaerob, maka laju pertumbuhannya dapat ditentukan dengan mengunakan hukum Arrhenius di bawah ini: μ = Ae-(Ea/RT)
(2.1)
dan jika diintegrasikan akan menghasilkan ln μ = (-ΔEa/R)(1/T) + ln A
(2.2)
dimana: R = konstanta gas T= suhu pertumbuhan A= konstanta Arrhenius Ea = energy aktifasi
Gambar 2.1. Sinyal Kontrol On-Off.
III. METODE C. Heater Ketika arus listrik mengalir pada sebuah konduktor, maka konduktor tersebut dapat mengubah energi listrik yang melaluinya menjadi panas (heater listrik), cahaya (lampu neon), atau menjadi gerak (energi kinetik). Dari definisi perbedaan potensial, V, diketahui juga bahwa V=W/Q, dimana W adalah kerja yang diakibatkan oleh muatan Q. Oleh karena itu, W= VQ. Arus merupakan aliran dari muatan Q dalam waktu t yang bisa dirumuskan menjadi Q= It. Sehingga, W= VIt memberikan pengertian kerja yang
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai metodologi yang digunakan untuk melakukan penelitian dari tahap awal sampai tahap akhir dalam penelitian ini. Metodologi ini direpresentasikan dalam diagram alir seperti pada gambar 3.1 berikut ini.
3
3.
4.
5.
6.
Gambar 3.1. Diagram alir metodologi penelitian 7. A. Perancangan Dan Pembuatan Sistem Pengendalian Suhu
8.
b. Volum tabung ±25 liter (25.10-3 m3) c. Tebal dinding tabung = 0.25 cm d. Nilai ambang batas kerja suhu = 70 – 100 oC e. Konduktivitas termal bahan = 0.17 W/mK pada suhu 23oC Heater:digunakan sebagai sumber energi panas untuk menaikkan suhu permukaan dinding bioreaktor anaerob. a. Tegangan input AC 220 Volt b. Daya 60 Watt c. Frekuensi = 50 Hz d. Rentang suhu 75 - 80 oC e. Luas penampang = Panjang x lebar = 85x6 = 510 cm2 Sistem pendingin: digunakan untuk menurunkan suhu permukaan dinding ketika melebihi 35 oC. Tersusun dari: a. Pompa 220 V/50 Hz/12W dengan flowrate 960 l/h b. Selang air dengan diameter 1.562 cm, panjang 4m dan luas permukaan yang melingkupi tabung bioreaktor anaerob 660 cm2 Mikrokontroler Atmega 16: digunakan sebagai unit kontroler untuk mengaplikasikan kendali proporsional dan mengirim data sensor ke komputer untuk di-monitoringdengan resolusi ADC 10 bit. Relay: berfungsi sebagai actuator yakni komponen yang mengeksekusi perintah dari mikrokontroler untuk menghidupkan heater atau sistem pendingin (cooler)dengan tegangan masukan 12 V olt, 100 m A arus DC dan tegangan keluaran 250 V olt, 5A arus AC. RS 232 to USB adapter: digunakan sebagai jalur komunikasi serial antara komputer dengan mikrokontroler. Pada rangkaian serial terdapat Tx yang memungkinkan terjadinya komunikasi data keluar dan Rx yang memungkinkan data masuk ke dalam mikrokontroler. Komputer: sebagai penampil respon dari sistem (proses monitoring).
Gambar 3.2. Desain umum sistem pengendalian suhu pada dinding bioreaktor anaerob Spesifikasi dari rancang bangun sistem pengendalian suhu di atas ialah: 1. Sensor IC LM35: merupakan sensor suhu yang presisi, dimana tegangan outputnya adalah sebanding linier dengan input suhu yang diterimanya dan memiliki linieritas + 10 mV/oC 2. Tabung bioreaktor anaerob: sebagai plant utama dimana suhu permukaan dindingnya dijaga sebesar 350C. Spesifikasi tabung yang digunakan ialah sebagai berikut. a. Terbuat dari bahan plastik dengan kode daur ulang 7 (Polyacrylonitrile-butadienestyrendan/ABS )
Gambar 3.3. Hasil desain sistem pengendalian suhu pada dinding bioreaktor anaerob
4
B. Pengujian Kinerja Sistem Pengendalian Suhu Untuk mengetahui apakah sistem pengendalian yang dibuat bekerja dengan baik, maka dilakukanlah beberapa pengujian sistem pengendalian dengan cara: 1. Pengujian dilakukan dalam berbagai kondisi suhu ruangan yang berbeda-beda. Suhu sekitar yang terukur selama pengujian ialah 2. Pemgujian sistem pengendalian suhu juga dilakukan dengan mengganti parameter seperti nilai Gc (Kp) yang di ubah-ubah dari angka 2, 5, dan 10. 3. Kemudian untuk mengetahui posisi peletakan sensor yang ideal, maka peletakan sensor Twall dibuat tidak tetap untuk setiap kali pengujian seperti gambar 3.3 di bawah ini, yakni: posisi 1: sensor diletakkan di h= 5 cm (di bawah heater); posisi 2: sensor Twall diletakkan di h= 13.5 cm (di tengah-tengah heater dan cooler); dan posisi 3: sensor diletakkan di h= 21 cm (di atas cooler).
Gambar 4.1. Respon Uji Open Loop Sistem Pengendalian Dari grafik di atas dapat dilihat bahawa ketika tabung bioreaktor dipanaskan menggunakan heater yang ditempelkan pada sebagian permukaan tabung dengan suhu tertentu, akan menyebabkan naiknya suhu permukaan dinding tabung dan suhu di dalamnya. Hal ini bisa ditelusuri dari plot nilai Twall dan Tchamber pada grafik yang mengalami kenaikan sepanjang waktu pengukuran. Uji Close Loop Sistem Pengendalian Suhu Adapun hasil pengukuran suhu dari proses pengendalian suhu pada dinding bioreaktor anaerob menggunakan media air sebagai analogi dari substrat bioreaktor yang sebenarnya akan dibagi menjadi 5 jenis pengukuran sesuai dengan posisi peletakan sensor dan waktu pengukuran dlakukan seperti pada gambar 3.4.
Gambar 3.4. Gambar Peletakan Sensor pada Dinding Tabung
Pengujian1 Parameter: h sensor = 5 cm, waktu pengukuran pagi hari.
IV. HASIL PENELITIAN
Pengujian Kinerja Sistem Pengendalian Suhu Secara Online Tabel 4.1. Kesimpulan Hasil Pengujian Komponen Sistem Pengendalian Suhu
Gambar 4.2. Respon Uji Close Loop Sistem Pengendalian Suhu, h= 5 cm; Jam Pengukuran 06.30 WIB
Uji Open Loop Sistem Pengendalian Suhu
Dari gambar grafik di atas dapat dilihat bahwa ke tika dinding bioreaktor mula-mula berada pada kisaran suhu 32o C, maka seperti yang tertulis pada program kontrol dalam mikrokontroler, heater akan menyala untuk menaikkan suhu sampai mendekati atau sama dengan suhu set point 35o C. Setelah pada t = 106 de tik, Twall mencapai setpoint dan diikuti oleh matinya heater dan menyalanya sistem pendingin. Setelah itu nilai Twall berosilasi di sekitaran nilai set point sampai pengukuran pada detik ke-206. Sedangkan nilai suhu di dalam bioreaktor stabil berosilasi pada kisaran nilai 29o C
5 dengan catatan suhu lingkungan pada saat itu berkisar pada angka 27o C. Jadi dalam pengukuran ini memiliki karakteristik waktu naik (63.2% set point) 102 detik. Pada saat nilai suhu lingkungan turun, ternyata suhu air juga ikut rendah. Hal ini terjadi akibat proses perpindahan panas dari air di dalam tabung bioreaktor menuju ke lingkungan sekitar yang dipicu oleh adanya perbedaan suhu (Tchamber > Tambient). Pengujian 2 Parameter: h sensor = 5 cm, waktu pengukuran siang hari.
Pada saat dilakukan pengukuran berlangsung pada siang hari, suhu lingkungan yang diukur oleh IC LM35 ialah 30-32o C. Selain itu, suhu air di dalam bioreaktor anaerob 34-36o C. Ketika sistem pengendali suhu dinyalakan, maka terjadi pengendalian untuk mempertahankan suhu pada permukaan dinding bioreaktor anaerob sebesar 35o C. Dari gambar 4.11 di atas, terjadi osilasi nilai Twall dan Tchamber yang diakibatkan oleh beberapa kemungkinan seperti: perubahan pada tegangan AC atau DC sehingga mengurangi kecermatan pembacaan sensor. Dari gambar grafik diperoleh data bahwa untuk mencapai nilai set point 35o C diperlukan waktu sekitar 6 detik dari nilai suhu permukaan dinding awal 34o C. Pengujian 4 Parameter: h sensor= 14 cm, waktu pengukuran sore hari.
Gambar 4.3. Respon Uji Close Loop Sistem Pengendalian Suhu, h= 5 cm; Jam Pengukuran 13.30 WIB Dengan suhu awal sebesar 34.5o C, nilai Twall akan naik menjadi 35o C hanya dalam waktu 14 detik. Setelah itu, nilai Twall akan kembali turun dan naik kembali dalam selang waktu 2 s ampai 6 detik. Osilasi terjadi karena sistem pengendalian suhu dapat merespon perubahan suhu lingkungan yang relatif tinggi. Secara keseluruhan respon sistem pengendalian baik tapi memiliki kekurangan karena nilai Twall sedikit berosilasi dengan besar amplitudo 1o C. Pengujian 3 Parameter: h sensor= 5 cm, waktu pengukuran siang hari.
Gambar 4.5. Respon Uji Close Loop Sistem Pengendalian Suhu, h=13.5 cm; Jam Pengukuran 15.00 WIB Dengan mengubah posisi letakan sensor, maka terjadi pula perubahan respon sistem yang diakibtkan oleh lamanya waktu yang dibutuhkan dalam perambatan panas dari sumber panas (heater) menuju sensor (IC LM35). Semakin besar nilai h, maka smakin besar pula delay time yang diterima sensor ketika mengukur besar suhu pada permukaan dinding bioreaktor. Dari gambar grafik di atas, suhu air dan suhu permukaan dinding bioreaktor mula-mula berada pada 36o C dan 38o C dengan suhu lingkungan pada kisaran 30-32o C. Sesuai dengan program yang ditanamkan di mikrokontroler, maka fungsi pendinginan yang bekerja karena Twall melebihi set point. S etelah itu, grafik menunjukkan penurunan untuk nilai Twall dan Tchamber mendekati nilai Tset point. Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan tersebut ialah t = 88 detik. Kemudian, nilai Twall berosilasi di sekitar 35o C. Pengukuran dilakukan sampai pada t = 216 detik. Pengujian5 Parameter: h sensor= 21 cm, waktu pengukuran pagi dini hari.
Gambar 4.4. Respon Uji Close Loop Sistem Pengendalian Suhu, h= 5 cm; Jam Pengukuran 12.30 WIB
6
Gambar 4.6. Respon Uji Close Loop Sistem Pengendalian Suhu, h = 21 cm; Jam Pengukuran 01.00 WIB Gambar 4.6 menunjukkan respon sistem yang sangat lama. Dibutuhkan setidaknya waktu t = 446 detik untuk mencapai nilai set point bagi Twall dengan nilai suhu awal 30o C. Hal ini diakibatkan oleh peletakan sensor dengan h=21 cm dan suhu lingkungan yang rendah yakni 22-24o C. Dengan jarak peletakan suhu yang sangat jauh dari sumber panas yakni x= 9 c m (21 cm- 12 cm), maka waktu yang dibutuhkan oleh panas yang merambat dari heater menuju sensor LM35 adalah relatif lebih lama jika dibandingkan dengan peletakan sensor di h= 5 cm dan h=13.5 cm. Selain itu, faktor suhu lingkungan yang sangat rendah juga mengakibatkan suhu pada permukaan dinding bioreaktor lama untuk mencapai nilai set point. Dari nilai time constant = 446 detik tersebut, maka nilai waktu naik (tr) adalah 436 detik dan nilai offset sebesar 1o C yang masih bisa ditolerir.
V. KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan, maka dapat diperoleh beberapa kesimpulan yaitu: 1. Telah berhasil dibuat sistem pengendalian suhu pada permukaan dinding bioreaktor anaerob yang dapat menjaga Twall sebesar 35 °C. 2. Semakin jauh posisi letakan sensor Twall terhadap sumber pemanas, maka semakin besar nilai waktu penetapan t s yang dibutuhkan untuk mencapai nilai set point 350 C. 3. Sistem pengendalian suhu membutuhkan waktu antara 6-446 detik untuk mencapai set point bergantung pada kondisi lingkungan dan posisi peletakan sensor dengan offset sebesar 1°C. 4. Posisi letakan sensor yang dirokemendasikan adalah H ≤ 5 cm dari sumber panas (heater) VI. DAFTAR PUSTAKA 1. Bentley John P., “Principles of Measurement Systems, Third Edition”, London: Logman group limited, 1995. 2. Gunterus Frans, Falasafah Dasar: Sistem Pengendalian Proses,Jakarta:Elex MK, 1997.
3. Gerardi Michael H., The Microbiology Of Anaerobic Digesters, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.,2003. 4. Villadsen J, Lidén G.,Bioreactor Engineering Principles, New York: Plenum Press, 2003. 5. Drajat, Sistem Pengendalian Suhu Dan Kelembaban Pada Mesin Pengering Kertas,Transmisi, Jurnal Teknik Elektro, Jilid 10, Nomor 2, Juni 2008, hlm 82-88, Universitas Diponegoro,Semarang. 6. Wikipedia.org/wiki/Bioreaktor 7. Nurdiansyah, Syafrial. 2011, Perancangan Sistem Pengendalian Suhu Pada Jaket Tabung Bioreaktor Anaerob,Tugas Akhir Teknik Fisika, ITS, Surabaya. 8. Irwan, Sistem Pengendalian Suhu Menggunakan AT89S51 Dengan Tampilan Di PC, Teknik Elektro, UGM, Yogyakarta. 9. Fathu Riza, Faishol.,Perancangan Sistem Pengendalian Suhu Dan Memonitoering Kelembaban Berbasis ATmega8535 Pada Plant Inkubator, Teknik Elektro, Universitas Diponegoro, Semarang.
BIODATA Nama: Alfa Roby TTL: Sumenep, 27 Juli 1987 Alamat: Keputih Utara No. 12, Sukolilo, Surabaya, 60111. Email:
[email protected] Riwayat Pendidikan : SDN Prenduan 1 (1994 - 2000) SLTPN 2 Larangan (2000-2003 SMAN 2 Pamekasan( 20032006) S1 Teknik Fisika(2006 – sekarang)
