FIXED DOME SNV MENGGUNAKAN MODEL MATEMATIS MONOD TYPE KINETIC

Seminar Thesis

ANALISIS PRODUKTIVITAS BIOGAS PADA BIOREAKTOR TIPE

  FIXED DOME SNV MENGGUNAKAN MODEL MATEMATIS MONOD TYPE KINETIC Aminatus Sa’diyah Pembimbing : Dr. Ridho Hantoro, S.T., M.T.

  Dr. Ir. Sri Mulato, M.S.

  Program Studi S2 Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

  2014 Latar Belakang Biogas reaktor tipe fixed dome ditawarkan oleh SNV melalui IDBP yang menjalin kerjasama bilateral dengan pemerintah belanda (BIRU-Hivos) Bioreaktor skala rumah tangga yang terinstal di nongkojajar telah mencapai 1092 unit selang periode 2009-2014

  Sumber : SNV supported domestic biogas programmes in Asia and Africa (Prakash C.

  Ghimire,2012) Instalasi Bioreaktor di Nongkojajar Nepal Biogas Plant -- Construction

  Pasuruan (KPSP, 2012) Manual 1994 Sumber : JRI-SNV, 2011 Latar Belakang Biogas reaktor tipe fixed dome ditawarkan oleh SNV melalui IDBP yang menjalin kerjasama bilateral dengan pemerintah belanda (BIRU-Hivos) Bioreaktor skala rumah tangga yang terinstal di nongkojajar telah mencapai 1092 unit selang periode 2009-2014

Kelebihan

   3 1.

  Kebutuhan energi (gas) rumah tangga tercukupi (1,6 m ) 2. Menggantikan fungsi kayu bakar dan gas LPG 3. Ampas yang dihasilkan dari ruang bioreaktor (slurry) dapat digunakan sebagai pupuk alami

  Kompor Biogas Slurry yang dialirkan ke lahan apel Biogas reaktor tipe fixed dome ditawarkan oleh SNV melalui IDBP yang menjalin kerjasama bilateral dengan pemerintah belanda (BIRU-Hivos) Bioreaktor skala rumah tangga yang terinstal di nongkojajar telah mencapai 1092 unit selang periode 2009-2014

Kekurangan

   1. Gas yang dihasilkan fluktuatif 2. Kurangnya informasi mengenai karakteristik bioreaktor dan proses produksi biogas pada teknisi

  perawatan unit bioreaktor Latar Belakang

  Sumber : JRI-SNV, 2011

Perumusan Masalah

  1. Bagaimana produktivitas biogas pada bioreaktor SNV tipe fixed dome?

  2. Bagaimana pengaruh pertumbuhan mikroba dalam reaktor terhadap produksi biogas?

  3. Bagaimana pengaruh keadaan optimum pada produksi biogas terhadap pemenuhan kebutuhan energi masyarakat skala rumah tangga?

Batasan Masalah

  1. Bioreaktor yang diuji adalah tipe fixed dome SNV di wilayah Koperasi Peternakan Sapi Perah (KPSP) Setia Kawan Nongkojajar Pasuruan dengan bahan baku kotoran sapi.

  2. Kualitas biogas ditentukan berdasarkan kadar gas CH

  4 , dan CO

  2 yang dihasilkan oleh unit bioreaktor.

  3. Model matematis yang akan digunakan berupa monod-type kinetic berdasarkan perkembangan mikroba dalam reaktor.

Tujuan 1. Mengetahui produktivitas biogas bioreaktor SNV tipe fixed dome

  2. Mengetahui pengaruh jumlah mikroba dalam ruang bioreaktor terhadap produksi biogas yang dihasilkan.

  3. Mengetahui keadaan optimum biogas untuk menjaga agar produksi biogas dapat memenuhi kebutuhan masyarakat. Penelitian Sebelumnya 

  Analisis potensi biogas pada kelompok tani di Bogor (Widodo, 2009) 

  Analisis potensi biogas terhadap kemajuan ekonomi masyarakat Indonesia (Natsir, 2009) dan (Hasan, 2012)  SNV supported domestic biogas programmes in Asia and Africa (Prakash C.

  Ghimire,2012) Dasar Teori Mekanisme Produktivitas Biogas

  Monod Type Kinetic (Muha, 2012): = ∗

• ∗

  =

  1

  4 ( ) ( )

  Laju pertumbuhan mikroba (Lardon, 2011):

• 4
• 4

  4

  Input (substrat+air) Hidrolisis Acidogenesis Methanogenesis

  Biogas Asetogenesis iDynoMiCS individual-Based Dynamics of Microbial Communities Simulator, merupakan sebuah paket tools gratis berbasis open source (phyton&java) yang dikembangkan oleh Laboratorium Bioscience Kreft (Kreft Lab) Universitas Birmingham, Inggris. Telah digunakan di 6 Universitas untuk simulasi pertumbuhan mikroorganisme berdasarkan monod type kinetic, chemostat, dll.

  Hasil simulasi pertumbuhan mikroba menggunakan iDynoMiCS (Lardon, 2011). Terdapat 2 spesies yang berbeda dari suatu mikroba. Setiap lingkaran mewakili koloni

  5 mikroba dengan rasio 1 : 10 spesies. 1 spesies memiliki massa 1 femtogram (fg) atau setara

• 15

  dengan 10 gr Sumber : http://www.birmingham.ac.uk/generic/idynomics/projects/index.aspx Metodologi Penelitian

Start

• Kandungan TS (kg/m3)

Studi Literatur

  Bebas o

• Suhu (

  C)

• Hydraulic Retention Time (hari)

Pengambilan Data

• Efektivitas biogas [ ] Terikat

  (Sampling)

  3

• Produksi biogas (m /hari)

Analisis Data (GC)

• Waktu pengambilan data sampling (hari Interval ke-0, 21, 63) (Muha, 2012)

Data gas (produksi&kadar)

• Skala yang terukur pada manometer (cm) = Tergantung volume produksi biogas
• Penilaian masyarakat pengguna terhadap

Simulasi Model Matematis (Monod Type Kinetic)

  bioreaktor tipe fixed dome SNV (produksi Kualitatif gas & perawatan), pendapatan dan

Grafik Produktivitas & efektifitas

  keuntungan yang dihasilkan setelah memakai biogas.

Estimasi Parameter (jumlah mikroba) Keadaan optimum

  

Tidak?

Valid?

  Ya? Finish Profil Reaktor Data&Analisis

Lama Baru

  Pengguna : Pak Solihin Ukuran : 8 m

  3 Jumlah (feeding) kotoran : 60 kg Diameter : 1450 mm Tinggi : 1550 mm Ketebalan Bahan : 12 mm Jumlah Sapi : 4

  Pengguna : Pak Sugeng Ukuran : 8 m

  3 Jumlah (feeding) kotoran : 80 kg

  Diameter : 1450 mm Tinggi : 1550 mm Ketebalan Bahan : 12 mm Jumlah Sapi : 3 Data Hari ke- Total penggunaan Volume gas (lt)

  Jam Skala

  4,5 26 3120

  35 4200

  14 2,7

  32 3840

  15 3,75

  36 4320

  16 4,45

  31 3720

  17

  18 3,25

  27 3240

  18 2160

  19 2,5

  18 2160

  20

  3 19 2280

  21 2,5

  24 2880 ...

  ... ...

  60 Data Penggunaan Biogas Gambar Pencatatan skala manometer

  13 4,3

  12 2,5

  1

  6 3,5

  4 55 6600

  2 3,5

  40 4800

  3

  4 30 3600

  4

  3 45 5400

  5

  4 45 5400

  30 3600

  26 3120

  7 4,5

  40 4800

  8 4,85

  23 2760

  9 3,5

  31 3720

  10

  2 26 3120

  11 3,88

  Teknisi (kiri) mencontohkan pengisian form data pada pengguna (tengah) didampingi oleh QC BIRU (kanan) Produktivitas

  3 Tingkat produktivitas untuk bioreaktor baru (kanan) memiliki rata-rata produksi biogas 2,6 m /hari dengan lama waktu penggunaan sekitar 2 jam , HRT ke-15. Sedangkan bioreaktor lama (kiri) mampu memproduksi

  3 gas rata-rata 2,76 m /hari dengan lama waktu penggunaan sekitar 3,5 jam . Volume biogas tersebut telah

  3 cukup untuk memenuhi kebutuhan energi rumah tangga yaitu sebesar 1,6 m /hari (BIRU, 2010) Pengaruh Suhu Ketiga grafik tidak mengalami perbedaan yang signifikan (suhu

  o

  rata-rata 22

  C). Artinya, suhu lingkungan sama dengan suhu di dalam reaktor dalam kondisi setimbang, sehingga menjadikan interaksi thermodinamis [pindah panas] dari luar dan dalam reaktor dalam kondisi stabil. Secara teoritis, produksi gas = reaksi pertumbuhan mikroba yang meningkat dengan kenaikan suhu substrat [sampai batas tertentu sesuai dengan daya hidup

  o

  mikroba mesofilik yaitu 20-40 C]

Efektifitas

  Dalam waktu 60 hari, efektifitas bioreaktor semakin menurun (dengan kondisi tidak di-feeding). Efektifitas ini dipengaruhi oleh kadar substrat (input) dan jumlah methan yang dihasilkan (output) oleh bioreaktor. Efektifitas tertinggi dihasilkan oleh bioreaktor pada hari 5 [dihitung setelah HRT; 15 hari] yaitu 0,85. Pemodelan iDynoMiCS

  Jumlah Koloni Mikroba Aktif dalam reaktor

  Unit berwarna biru merupakan koloni mikroba aktif yang mampu mendegradasi substrat dan mengubahnya

  5

  menjadi gas methan. Setiap koloni setara dengan 1 x 10

  3

• 15 spesies. Setiap 1 spesies = 1 femtogram = 1 x 10 gr.

  5

  7

  microbial growth

  microbial growth Poly. (microbial growth)

  10

  5

  4

  3

  2 y = -0,0005x + 0,0511x - 1,9024x + 33,555x - 135,12x + 136,5

  13 R² = 0,9999

  17

  15 Colony of microbes

  21

  10

  20

  30

  40

  pertumbuhan mikroba aktif penghasil methan mengikuti persamaan polinomial (Angelidaki, 2008)

  30

  27 Pemodelan laju pertumbuhan

Microbial Growth Rate

  Laju pertumbuhan mikroba mengalami

  800

  5

  4

  3

  2 y = -0,0008x + 0,0629x - 1,7122x + 15,697x + 24,996x - 85,433 peningkatan pada hari ke-3 sampai hari ke-

  R² = 0,9332 9, hal ini dipengaruhi oleh ketersediaan

  700

  makanan (substrat) berupa asetat dalam

  600

  ] reaktor yang menyebabkan mikroba

  /h fg mengalami pertumbuhan pesat. Selang

   [ 500

  3 waktu hari ke-10 sampai 31 pertumbuhan

   10 x Microbial Growth

  400

  mikroba cenderung fluktuatif dan mencapai ate

  Rate titik maksimum pada kecepatan 670,8 fg/h

  300

  wth R Poly. (Microbial ro pada hari ke 13, titik ini merupakan titik

  G Growth Rate)

  200

  optimum pertumbuhan mikroba, sedangkan laju pertumbuhan mikroba

  100

  mengalami penurunan pada hari ke 32, hal ini disebabkan karena methan telah

  10

  20

  30

  40

  dihasilkan dan substrat dalam reaktor telah

• 100

  Day ter-degradasi, sehingga mikroba kekurangan makanan Kandungan Gas Hari ke- Kadar Gas 1 2% CH

  4 , 98% CO

  10

  6,37 3,34

  1,34

  98 97,5

  29,4 7,2

  3,4 31,4

  22,9 22,87 16,59

  20

  67,6 92,7

  30

  40

  50

  60

  70

  80 Kandungan Gas Kandungan metan (%) Kandungan CO2 (%)

  96,5 68,5

  2 2,48

  2 7 2,48% CH

  4 , 3,4% CO

  4 , 97,5% CO

  2 15 67,6% CH

  4 , 29,4% CO

  2 21 92,7% CH

  4 , 7,2% CO

  2 32 96,5% CH

  2 45 68,5% CH

  2

  4 , 31,4% CO

  2 51 6,37% CH

  4 , 22,9% CO

  2 60 3,34% CH

  4 , 22,87% CO

  2 67 1,34% CH

  4 , 16,59% CO

  Day

Berdasarkan analisis laboratorium, didapatkan kadar methan paling tinggi pada hari ke 32 dimana mikroba telah mendegradasi substrat menjadi gas terakumulasi dari sisa penggunaan selama 30 hari sebelumnya. Sementara karbon dioksida mulai tereduksi sebagai akibat dari reaksi kesetimbangan methanogenesis. Proses methanogenesis merupakan proses terlama dalam pembentukan methan (Radhiatmoko, 2007). Analisis Ekonomi

Grafik Pendapatan Pengguna Biogas

  Deskripsi Reference Costs Annual Costs Parameter

  6000000

  18

  8

  5000000

  Investment Cost (Rp) 18.448.000 5.000.000 Income (Rp/year) 7.051.800 25.704.000

  4000000

  Profit (Rp/year) 4.284.600 21.912.000 Economic Age (year)

  20

  15

  3

  3000000

  Gas Production (m /day) 6 2,8

  Pengeluaran

  2000000

  Interest Rate (%/year)

  12

  12 Pendapatan Result of economic feasibility

  Penghematan 1000000

  analysis Simple Payback (year) 4,3 2,5 Internal Rate Return (IRR)

  Sebelum Setelah

  (%) 23,7 35,4 NPV yang didapatkan dari hasil perhitungan aliran Kas selama 5 tahun adalah 63697368, atau > 1 sehingga investasi ini layak diterapkan. Setelah memakai biogas, pengeluaran (outcome) pengguna biogas mengalami penurunan 16,9% per tahun, dengan peningkatan pendapatan (income) sebesar 35% per tahun, sementara penghematan yang bisa didapatkan sebesar 38% per tahun

Kesimpulan

  Produksi biogas pada reaktor SNV tipe fixed dome ukuran 8 m

  3 memiliki masa retensi

hidrolik (HRT) selama 15 hari dengan nilai efisiensi unit reaktor tertinggi sebesar 0,8 pada

hari ke-5 dihitung setelah HRT.

  Produktivitas biogas yang berlangsung dalam ruang reaktor dipengaruhi oleh jumlah mikroba aktif penghasil methan yang mampu menghasilkan biogas dengan volume rata-rata 2,6 m

  3 /hari pada temperatur 23 o

  C (suhu ambient 21 o C).

  

Keadaan optimum produktivitas biogas tercapai jika volume gas yang dihasilkan mencapai

3,6 m

  3 dengan kadar Total Solid 13,125 kg/m

  

3

, jumlah mikroba dalam ruang bioreaktor 40,86 x 10

  7 fg pada hari ke 32 dengan laju pertumbuhan maksimum 670,8 fg/h. Kandungan methan yang dihasilkan mencapai 67,6% dan CO

  2 29,4%.

  

Memastikan campuran substrat ; kotoran sapi dan air berada dalam jumlah yang seimbang

1 : 1, agar mikroba aktif dapat berkembang dengan baik.

Melakukan pengadukan secara berkala (2 bulan sekali) pada unit bioreaktor agar substrat

dalam reaktor homogen, sehingga proses pembentukan methan dapat berlangsung lebih

cepat. Melakukan pembersihan reaktor dalam kurun waktu tertentu (5 tahun sekali), agar penumpukan sisa-sisa substrat hasil degradasi (menghambat pertumbuhan mikroba dan mengurangi volume reaktor) yang mengendap di dasar bioreaktor bisa berkurang. Volume biogas berlebih yang dihasilkan oleh unit bioreaktor dapat digunakan untuk

mendukung perekonomian masyarakat jika dimanfaatkan untuk usaha skala rumah tangga.

Penelitian selanjutnya

  Analisis produktivitas biogas berdasarkan fase awal pembentukan biogas, diantaranya Asetogenesis, Acidogenesis, atau Hidrolisis. Analisis proses pembentukan biogas dalam ruang bioreaktor yang meliputi analisis secara kimia dan biologi (simulasi). Analisis mengenai dampak penggunaan biogas dan ampasnya terhadap ekologi, baik lingkungan dan kesehatan. Analisis model reaktor SNV sehingga membuka peluang untuk diperbaiki atau modifikasi agar produksi biogas semakin meningkat. Publikasi SENENDO 2014 ; ISBN : 978-602-8817-58-5

ANALISIS PRODUKTIVITAS REAKTOR BIOGAS TIPE KUBAH TETAP [FIXED DOME] MENGGUNAKAN MODEL MATEMATIS MONOD TYPE KINETIC

  ICOSI 2014 : An Analysis of Biogas Productivity with Fixed Dome Type for Supporting Household- base Energy in Nongkojajar, East Java-Indonesia

  Terimakasih

  3 4.720.000 2.000.000 2.720.000 30.000 2,5

  6 m

  3 5.290.000 2.000.000 3.290.000 34.500 2,6

  8 m

  3 5.920.000 2.000.000 3.920.000 42.000 2,6

  10 m

  3 6.890.000 2.000.000 4.890.000 53.000 2,6

  12 m

  3 7.400.000 2.000.000 5.400.000 60.000 2,5

  Tabel Biaya Konstruksi Bioreaktor (Sumber : Buku BIRU, 2010)

Ukuran Total Biaya Konstruksi (Rp) Subsidi (Rp) Jumlah yang harus dibayar (Rp) Jumlah angsuran per 10 hari (Rp) Lama Waktu Pelunasan (Tahun) 4 m

  Tabel Konversi Energi Biogas Konversi Lama waktu Jumlah biogas Konversi energi energi ke Ukuran penggunaan

yang dihasilkan ke satuan daya skala

  3 reaktor m lampu gas (lt/hari) listrik (KWh) manometer (h) (lt/cm)

  4 1200 7,32 7,38

  60

  6 1800 10,98 11,11

  90 8 2400 14,64 14,76 120 10 3000 18,3 18,46 150

  12 3600 21,96 22,15 180 (Sumber : Buku BIRU&data lapangan)

  Source : Charles Bank, Anaerobic digestion and Energy, School of Civil Engineering and The Environment : University of Southampton Proses Kimia Biogas Sumber : (Sri Mulato, 2010)

  Sumber : (Sri Mulato, 2010) COD (Sasongko, 2010)

  Untuk menghitung kadar Berat Kering dalam Substrat : Jumlah kotoran (kg/hari) x 0,2 = volume berat kering (kg.BK) Sedangkan untuk menghitung potensi produksi biogas menggunakan rumus : Jumlah BK (kg.BK) x 0,04 = Volume gas (m

  3 )

  (Riliandi, 2010)

Hasil kalkulasi Monod kinetic pada Eclipse (Java)

  Corresponding with Dr. Jan-ulrich Kreft, Kreft Laboratory, University of Birmingham, UK

  Laurent Lardon, Laboratory of Environmental Biotechnology, INRA-

  LBE, France Data hasil kalkulasi Eclipse pada POV-Ray Hasil simulasi dengan iDynoMiCS menggunakan Eclipse Jumlah iterasi : real time  computing time It 0 = 10 It 2 = 40 It 7 = 700 It 15 = 2200 It 17 = 2500 It 21 = 3200 It 30 = 4800

  Gambar hasil kalkulasi dengan Eclipse pada POV-Ray (7) Path of Matlab

  Borang = ( ℎ ) −

  =1 Tahun Net C Flow Disc F (12) Net Pv 1 -3000000 0,892857143 -2678571,429 2 24528000 0,797193878 19553571,43 3 24528000 0,711780248 17458545,92 4 24528000 0,635518078 15587987,43 5 24528000 0,567426856 13917845,92 Total 95112000 63839379,26

Pre-Research

  Laporan Joint Research pada Mei 2013 tentang Analisis potensi Biogas dan Kebijakan Energi pada KPSP Setia Kawan, menghasilkan data :

  1. Penggunaan biogas untuk penghematan Energi (gas LPG&listrik)

  2. Peningkatan pendapatan masyarakat dengan memanfaatkan produk (gas&sludge) untuk pertanian maupun industri RT Publikasi

  Pengambilan data

Hasil GC

  1

  7

  15

  21