Otomatisasi Monitoring pH pada Produksi Biogas dari Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) Dengan Mikrokontroler Arduino Mega 2560
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
LATAR BELAKANG
Limbah cair yang dihasilkan dari ekstraksi minyak sawit pada proses di
dekanter, dikombinasikan dengan limbah dari air pendingin dan sterilizer yang
disebut sebagai Palm Oil Mill Effluent (POME) atau Limbah Cair Pabrik Kelapa
Sawit (LCPKS) [1]. LCPKS mengandung 0,6-0,7% minyak residu dan 2-4% dari
padatan tersuspensi, terutama dari bagian mesocarp buah, berupa suspensi koloid
berwarna kecoklatan [2], ditandai dengan nilai COD 50.000 mg/l, nilai BOD 25.000
mg/l dan 4-5% total padatan terutama puing-puing dari buah [3]. Limbah berupa
limbah perkotaan, sektor pertanian, sektor industri dan lain-lain dapat dimanfaatkan
untuk dikonversikan sebagai energi [4]. Salah satu pemanfaatan limbah cair pabrik
kelapa sawit adalah dapat dikonversikan menjadi biogas.
Dalam proses anaerobik, untuk memproduksi biogas diperlukan suatu kondisi
yang memungkinkan mikroorganisme pembentuk metana untuk dapat hidup dan
berkembang biak dengan baik. Salah satu kondisi yang harus dijaga adalah pH dari
sistem pengolahan anaerobik tersebut. Kondisi pH yang dibutuhkan oleh bakteri
metanogen adalah pada rentang nilai 6,5 hingga 7,2. Untuk mempertahankan kondisi
pH pada rentang yang dibutuhkan oleh mikroorganisme agar dapat hidup, maka
alkalinitas perlu dijaga dengan menambahkan NaHCO3 [5].
Lembaga Penelitian USU sedang mengembangkan metode pemanfaatan dan
pengolahan LCPKS. Metode yang dikembangkan adalah pengolahan LCPKS dengan
proses anaerobik secara termofilik untuk memperoleh biogas yang dapat
dimanfaatkan sebagai sumber energi. Penelitian ini menggunakan digester
berpengaduk dengan Hydraulic Retention Time (HRT) 6 hari dan temperatur
operasional 55oC. Dalam proses pengolahannya dilakukan penambahan NaHCO3
sebanyak 2,5 g/L LCPKS untuk menstabilkan alkalinitas dan penambahan larutan
FeCl2 25 mg/L, NiCl2 0,49 mg/L dan COCl2 0,42 mg/L LCPKS untuk meningkatkan
produksi biogas. Penelitian USU ini berupa pilot plant dengan menggunakan digester
yang dapat menampung 3 ton LCPKS untuk diolah secara anaerobik dan dapat
menghasilkan biogas [6].
1
Universitas Sumatera Utara
2
Terdapat beberapa metode dalam mengukur kadar keasaman (pH) dari suatu
larutan, diantaranya yaitu dengan metode konvensional yaitu menggunakan kertas
lakmus atau kertas pH. Metode ini kurang praktis dan hasil pengukuran dengan
metode konvensional ini kurang akurat dan hanya mampu digunakan untuk sekali
pengukuran saja. Hal ini berarti untuk pengukuran pH larutan yang banyak maka
membutuhkan kertas lakmus yang banyak sehingga biaya juga semakin besar.
Metode pengukuran lainnya yaitu dengan menggunakan alat elektronik (pH meter)
dengan sensor dari elektroda (probe) yang mampu mengukur kadar keasaman dengan
lebih cepat, akurat dan presisi dibanding dengan metode konvensional. Namun untuk
keperluan monitoring tidak efektif karena pemilik harus datang setiap saat untuk
mengecek kadar keasaman (pH). Oleh karena itu perlu adanya upaya untuk
merancang suatu sistem monitoring kadar keasaman (pH) yang efektif tanpa harus
datang ketempat yang mungkin memiliki jarak yang cukup jauh.
Pada proses produksi biogas saat ini sistem kendali yang digunakan adalah
sistem kendali semi otomatis, dimana dalam pengambilan data logger nya masih
menggunakan sistem manual. Pada penelitian ini sistem kendali dikembangkan
menjadi sistem kendali otomatis yang berbasis Human Machine Interface (HMI),
dimana sistem pengambilan data logger nya menggunakan sistem otomatis.
Arduino Mega 2560 adalah board mikrokontroler berbasis ATMega2560.
Memiliki 14 pin input dari output digital dimana 6 pin input tersebut dapat digunakan
sebagai output Pulse Widht Modulation (PWM) dan 6 pin input analog, 16 MHz
osilator kristal, koneksi USB, jack power, ICSP header, dan tombol reset. Untuk
mendukung mikrokontroler agar dapat digunakan, cukup hanya menghubungkan
board Arduino Mega 2560 ke komputer dengan menggunakan kabel USB dan AC
adaptor sebagai suplay atau baterai untuk menjalankannya [7].
Kelebihan Arduino diantaranya adalah tidak perlu perangkat chip programmer
karena didalamnya sudah ada bootloader yang akan membaca upload program dari
komputer, Arduino sudah memiliki sarana komunikasi USB, sehingga pengguna
laptop yang tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya. Bahasa
pemrograman relatif mudah karena software Arduino dilengkapi dengan kumpulan
program yang cukup lengkap, dan Arduino memiliki modul siap pakai (shield) yang
Universitas Sumatera Utara
3
bisa ditancapkan pada board Arduino. Misalnya shield GPS, Ethernet, SD Card, dan
lain-lain [7].
Program mikrokontroler terdiri dari dua modul, satu untuk kalibrasi awal dan
kedua untuk pengukuran waktu dan data logging. Semua unit pengukuran tersebut
akan terhubung melalui link nirkabel ke komputer pusat yang menampilkan data
logging. Dalam unit pengukuran modul yang menampilkan untuk pengukuran energi
dan data logging akan menjadi unit berbasis mikrokontroler dengan modul
pengukuran energi. Di sini, modul pengukuran energi melakukan pengukuran energi
dan parameter terkait terus menerus. Mikrokontroler akan mengambil data ini pada
interval reguler, menyimpan data dalam memori lokal dan juga nirkabel untuk
mentransfer data ke komputer pusat jika link nirkabel aktif. Komputer pusat akan
bertindak sebagai pusat jaringan dan akan berfungsi untuk mengaktifkan dan
menonaktifkan transfer data [8].
Universitas Sumatera Utara
4
Tabel 1.1 Rangkuman Hasil Penelitian Pembuatan Sensor Biogas yang Terdahulu
Peneliti (Tahun)
Judul Penelitian
Iwan Sugriwan, Ahmad
Jauhari Fuad, Slamet
Pengembangan Sistem Sensor
untuk Mengukur Parameter
Riadi, Rahmadiansyah,
dan Abubakar Tuhuloula Gas pada Produksi Biogas
(2012) [9]
Saidul dan Rozeff
Pramana (2014) [10]
Pengontrolan pH Air secara
Otomatis pada Kolam
Pembenihan Ikan Kerapu
Macan Berbasis Arduino
Metode
Monitoring parameter gas pada produksi
biogas
dalam
digester
anaerob,
menyiapkan
peralatan
dan
bahan
penelitian, perancangan dan pembuatan
perangkat keras serta perangkat lunak dan
implementasi sistem instrumen pada mini
digester skala lab Perangkat keras yang
telah dibuat adalah rangkaian catu daya
untuk sensor MPX2100GP, SHT11,
LM35, KE50, TGS4160 dan TGS2611.
pembuatan dan kalibrasi sensor temperatur
dengan LM35, sensor tekanan dengan
MPX2100GP, sensor kelembaban dan
temperatur dengan SHT11, sensor oksigen
KE-50, sensor karbondioksida dengan
TGS4160 dan sensor metana dengan
TGS2611.
Parameter pH air yang cocok untuk
pertumbuhan ikan kerapu macan pada
range 7,8 - 8,0. Proses pengontrolan
menggunakan ATMega 328P. Pembacaan
nilai pH menggunakan sensor Analog pH
meter V1.0.
Hasil
•
•
•
•
•
•
•
Sensor
SHT11
Persamaan
karakteristik MPX2100GP adalah V
= 0,0498P – 0,0816 volt.
Sensor
LM35
telah
mampu
mengukur perubahan temperatur
dalam sebuah sistem uji dengan
persamaan karakteristik sensor V =
0,0101T + 0,0004 volt.
Sensor Oksigen KE-50 sebagai
pengindera kadar oksigen telah
menunjukkan performa yang baik,
persamaan karakteristik untuk KE-50
adalah V = 50,419n -14,682 mV
TGS4160 adalah V = 0,3609n +
14,286 mV
Sensor TGS2611 telah menunjukkan
unjuk kerja yang sangat baik, dengan
persamaan
karakteristik
sensor
adalah V = 0,5059n + 1,7154 mV
Sistem pengontrolan pH air secara
otomatis dapat dirancang dengan
menggunakan Arduino dan sensor
Analog pH meter pada range pH 7,8
- 8,0.
Nilai
rata-rata
penyimpangan
pembacaan pH air adalah 4,86%.
Universitas Sumatera Utara
5
1.2
PERUMUSAN MASALAH
Beberapa masalah utama yang perlu diselesaikan dalam penelitian ini adalah:
(i) bagaimana dapat mewujudkan suatu sistem otomatisasi monitoring pH berbasis
mikrokontroler arduino untuk proses konversi LCPKS menjadi biogas, (ii)
Bagaimana pemilihan komponen-komponen berbasis mikrokontroler arduino yang
sesuai untuk proses konversi LCPKS menjadi biogas, (iii) Bagaimana merakit
komponen-komponen berbasis mikrokontroler arduino sehingga menjadi suatu
sistem monitoring pH yang terintegrasi, dan (iv) Pemograman Human Machine
Interface (HMI) sistem monitoring pH berbasis mikrokontroler arduino dengan
menggunakan software LabVIEW.
1.3
TUJUAN PENELITIAN
Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan suatu sistem
otomatisasi monitoring pH berbasis mikrokontroler arduino untuk proses konversi
LCPKS menjadi biogas. Oleh karena itu akan dilakukan serangkaian kegiatan dengan
tujuan untuk:
1. Memilih komponen-komponen berbasis mikrokontroler arduino yang sesuai
untuk proses konversi LCPKS menjadi biogas.
2. Perakitan komponen-komponen berbasis mikrokontroler arduino menjadi
sistem monitoring pH yang terintegrasi.
3. Mendapatkan HMI yang sesuai untuk proses konversi LCPKS menjadi biogas.
1.4
MANFAAT PENELITIAN
1. Memberikan informasi mengenai sistem otomatisasi monitoring pH berbasis
mikrokontroler arduino untuk proses konversi LCPKS menjadi biogas.
2. Memberikan
informasi
mengenai
komponen-komponen
berbasis
mikrokontroler arduino yang sesuai dalam proses konversi LCPKS menjadi
Biogas.
3. Memberikan informasi mengenai perakitan komponen-komponen berbasis
mikrokontroler arduino yang sesuai menjadi sistem monitoring pH yang
terintegrasi.
Universitas Sumatera Utara
6
4. Memberikan informasi mengenai HMI yang dapat digunakan untuk proses
konversi LCPKS menjadi biogas.
1.5
RUANG LINGKUP PENELITIAN
Kegiatan penelitian dilaksanakan di Departemen Teknik Kimia USU dan
Pusdiklat LP2M USU. Peralatan yang digunakan berupa:
1. Perangkat Hardware, terdiri dari pH Probe Sensor, Modul Akuisisi Data
pH sensor, jumper cable, dan Arduino Mega 2560.
2. Perangkat Software, terdiri dari Arduino dan National Instruments
LabVIEW 2014.
Sampel yang digunakan adalah limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) diambil
dari PKS Adolina PTPN IV dalam proses metanogenesis pada suhu ambient hingga
didapat waktu untuk pengkalibrasian ulang.
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1
LATAR BELAKANG
Limbah cair yang dihasilkan dari ekstraksi minyak sawit pada proses di
dekanter, dikombinasikan dengan limbah dari air pendingin dan sterilizer yang
disebut sebagai Palm Oil Mill Effluent (POME) atau Limbah Cair Pabrik Kelapa
Sawit (LCPKS) [1]. LCPKS mengandung 0,6-0,7% minyak residu dan 2-4% dari
padatan tersuspensi, terutama dari bagian mesocarp buah, berupa suspensi koloid
berwarna kecoklatan [2], ditandai dengan nilai COD 50.000 mg/l, nilai BOD 25.000
mg/l dan 4-5% total padatan terutama puing-puing dari buah [3]. Limbah berupa
limbah perkotaan, sektor pertanian, sektor industri dan lain-lain dapat dimanfaatkan
untuk dikonversikan sebagai energi [4]. Salah satu pemanfaatan limbah cair pabrik
kelapa sawit adalah dapat dikonversikan menjadi biogas.
Dalam proses anaerobik, untuk memproduksi biogas diperlukan suatu kondisi
yang memungkinkan mikroorganisme pembentuk metana untuk dapat hidup dan
berkembang biak dengan baik. Salah satu kondisi yang harus dijaga adalah pH dari
sistem pengolahan anaerobik tersebut. Kondisi pH yang dibutuhkan oleh bakteri
metanogen adalah pada rentang nilai 6,5 hingga 7,2. Untuk mempertahankan kondisi
pH pada rentang yang dibutuhkan oleh mikroorganisme agar dapat hidup, maka
alkalinitas perlu dijaga dengan menambahkan NaHCO3 [5].
Lembaga Penelitian USU sedang mengembangkan metode pemanfaatan dan
pengolahan LCPKS. Metode yang dikembangkan adalah pengolahan LCPKS dengan
proses anaerobik secara termofilik untuk memperoleh biogas yang dapat
dimanfaatkan sebagai sumber energi. Penelitian ini menggunakan digester
berpengaduk dengan Hydraulic Retention Time (HRT) 6 hari dan temperatur
operasional 55oC. Dalam proses pengolahannya dilakukan penambahan NaHCO3
sebanyak 2,5 g/L LCPKS untuk menstabilkan alkalinitas dan penambahan larutan
FeCl2 25 mg/L, NiCl2 0,49 mg/L dan COCl2 0,42 mg/L LCPKS untuk meningkatkan
produksi biogas. Penelitian USU ini berupa pilot plant dengan menggunakan digester
yang dapat menampung 3 ton LCPKS untuk diolah secara anaerobik dan dapat
menghasilkan biogas [6].
1
Universitas Sumatera Utara
2
Terdapat beberapa metode dalam mengukur kadar keasaman (pH) dari suatu
larutan, diantaranya yaitu dengan metode konvensional yaitu menggunakan kertas
lakmus atau kertas pH. Metode ini kurang praktis dan hasil pengukuran dengan
metode konvensional ini kurang akurat dan hanya mampu digunakan untuk sekali
pengukuran saja. Hal ini berarti untuk pengukuran pH larutan yang banyak maka
membutuhkan kertas lakmus yang banyak sehingga biaya juga semakin besar.
Metode pengukuran lainnya yaitu dengan menggunakan alat elektronik (pH meter)
dengan sensor dari elektroda (probe) yang mampu mengukur kadar keasaman dengan
lebih cepat, akurat dan presisi dibanding dengan metode konvensional. Namun untuk
keperluan monitoring tidak efektif karena pemilik harus datang setiap saat untuk
mengecek kadar keasaman (pH). Oleh karena itu perlu adanya upaya untuk
merancang suatu sistem monitoring kadar keasaman (pH) yang efektif tanpa harus
datang ketempat yang mungkin memiliki jarak yang cukup jauh.
Pada proses produksi biogas saat ini sistem kendali yang digunakan adalah
sistem kendali semi otomatis, dimana dalam pengambilan data logger nya masih
menggunakan sistem manual. Pada penelitian ini sistem kendali dikembangkan
menjadi sistem kendali otomatis yang berbasis Human Machine Interface (HMI),
dimana sistem pengambilan data logger nya menggunakan sistem otomatis.
Arduino Mega 2560 adalah board mikrokontroler berbasis ATMega2560.
Memiliki 14 pin input dari output digital dimana 6 pin input tersebut dapat digunakan
sebagai output Pulse Widht Modulation (PWM) dan 6 pin input analog, 16 MHz
osilator kristal, koneksi USB, jack power, ICSP header, dan tombol reset. Untuk
mendukung mikrokontroler agar dapat digunakan, cukup hanya menghubungkan
board Arduino Mega 2560 ke komputer dengan menggunakan kabel USB dan AC
adaptor sebagai suplay atau baterai untuk menjalankannya [7].
Kelebihan Arduino diantaranya adalah tidak perlu perangkat chip programmer
karena didalamnya sudah ada bootloader yang akan membaca upload program dari
komputer, Arduino sudah memiliki sarana komunikasi USB, sehingga pengguna
laptop yang tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya. Bahasa
pemrograman relatif mudah karena software Arduino dilengkapi dengan kumpulan
program yang cukup lengkap, dan Arduino memiliki modul siap pakai (shield) yang
Universitas Sumatera Utara
3
bisa ditancapkan pada board Arduino. Misalnya shield GPS, Ethernet, SD Card, dan
lain-lain [7].
Program mikrokontroler terdiri dari dua modul, satu untuk kalibrasi awal dan
kedua untuk pengukuran waktu dan data logging. Semua unit pengukuran tersebut
akan terhubung melalui link nirkabel ke komputer pusat yang menampilkan data
logging. Dalam unit pengukuran modul yang menampilkan untuk pengukuran energi
dan data logging akan menjadi unit berbasis mikrokontroler dengan modul
pengukuran energi. Di sini, modul pengukuran energi melakukan pengukuran energi
dan parameter terkait terus menerus. Mikrokontroler akan mengambil data ini pada
interval reguler, menyimpan data dalam memori lokal dan juga nirkabel untuk
mentransfer data ke komputer pusat jika link nirkabel aktif. Komputer pusat akan
bertindak sebagai pusat jaringan dan akan berfungsi untuk mengaktifkan dan
menonaktifkan transfer data [8].
Universitas Sumatera Utara
4
Tabel 1.1 Rangkuman Hasil Penelitian Pembuatan Sensor Biogas yang Terdahulu
Peneliti (Tahun)
Judul Penelitian
Iwan Sugriwan, Ahmad
Jauhari Fuad, Slamet
Pengembangan Sistem Sensor
untuk Mengukur Parameter
Riadi, Rahmadiansyah,
dan Abubakar Tuhuloula Gas pada Produksi Biogas
(2012) [9]
Saidul dan Rozeff
Pramana (2014) [10]
Pengontrolan pH Air secara
Otomatis pada Kolam
Pembenihan Ikan Kerapu
Macan Berbasis Arduino
Metode
Monitoring parameter gas pada produksi
biogas
dalam
digester
anaerob,
menyiapkan
peralatan
dan
bahan
penelitian, perancangan dan pembuatan
perangkat keras serta perangkat lunak dan
implementasi sistem instrumen pada mini
digester skala lab Perangkat keras yang
telah dibuat adalah rangkaian catu daya
untuk sensor MPX2100GP, SHT11,
LM35, KE50, TGS4160 dan TGS2611.
pembuatan dan kalibrasi sensor temperatur
dengan LM35, sensor tekanan dengan
MPX2100GP, sensor kelembaban dan
temperatur dengan SHT11, sensor oksigen
KE-50, sensor karbondioksida dengan
TGS4160 dan sensor metana dengan
TGS2611.
Parameter pH air yang cocok untuk
pertumbuhan ikan kerapu macan pada
range 7,8 - 8,0. Proses pengontrolan
menggunakan ATMega 328P. Pembacaan
nilai pH menggunakan sensor Analog pH
meter V1.0.
Hasil
•
•
•
•
•
•
•
Sensor
SHT11
Persamaan
karakteristik MPX2100GP adalah V
= 0,0498P – 0,0816 volt.
Sensor
LM35
telah
mampu
mengukur perubahan temperatur
dalam sebuah sistem uji dengan
persamaan karakteristik sensor V =
0,0101T + 0,0004 volt.
Sensor Oksigen KE-50 sebagai
pengindera kadar oksigen telah
menunjukkan performa yang baik,
persamaan karakteristik untuk KE-50
adalah V = 50,419n -14,682 mV
TGS4160 adalah V = 0,3609n +
14,286 mV
Sensor TGS2611 telah menunjukkan
unjuk kerja yang sangat baik, dengan
persamaan
karakteristik
sensor
adalah V = 0,5059n + 1,7154 mV
Sistem pengontrolan pH air secara
otomatis dapat dirancang dengan
menggunakan Arduino dan sensor
Analog pH meter pada range pH 7,8
- 8,0.
Nilai
rata-rata
penyimpangan
pembacaan pH air adalah 4,86%.
Universitas Sumatera Utara
5
1.2
PERUMUSAN MASALAH
Beberapa masalah utama yang perlu diselesaikan dalam penelitian ini adalah:
(i) bagaimana dapat mewujudkan suatu sistem otomatisasi monitoring pH berbasis
mikrokontroler arduino untuk proses konversi LCPKS menjadi biogas, (ii)
Bagaimana pemilihan komponen-komponen berbasis mikrokontroler arduino yang
sesuai untuk proses konversi LCPKS menjadi biogas, (iii) Bagaimana merakit
komponen-komponen berbasis mikrokontroler arduino sehingga menjadi suatu
sistem monitoring pH yang terintegrasi, dan (iv) Pemograman Human Machine
Interface (HMI) sistem monitoring pH berbasis mikrokontroler arduino dengan
menggunakan software LabVIEW.
1.3
TUJUAN PENELITIAN
Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan suatu sistem
otomatisasi monitoring pH berbasis mikrokontroler arduino untuk proses konversi
LCPKS menjadi biogas. Oleh karena itu akan dilakukan serangkaian kegiatan dengan
tujuan untuk:
1. Memilih komponen-komponen berbasis mikrokontroler arduino yang sesuai
untuk proses konversi LCPKS menjadi biogas.
2. Perakitan komponen-komponen berbasis mikrokontroler arduino menjadi
sistem monitoring pH yang terintegrasi.
3. Mendapatkan HMI yang sesuai untuk proses konversi LCPKS menjadi biogas.
1.4
MANFAAT PENELITIAN
1. Memberikan informasi mengenai sistem otomatisasi monitoring pH berbasis
mikrokontroler arduino untuk proses konversi LCPKS menjadi biogas.
2. Memberikan
informasi
mengenai
komponen-komponen
berbasis
mikrokontroler arduino yang sesuai dalam proses konversi LCPKS menjadi
Biogas.
3. Memberikan informasi mengenai perakitan komponen-komponen berbasis
mikrokontroler arduino yang sesuai menjadi sistem monitoring pH yang
terintegrasi.
Universitas Sumatera Utara
6
4. Memberikan informasi mengenai HMI yang dapat digunakan untuk proses
konversi LCPKS menjadi biogas.
1.5
RUANG LINGKUP PENELITIAN
Kegiatan penelitian dilaksanakan di Departemen Teknik Kimia USU dan
Pusdiklat LP2M USU. Peralatan yang digunakan berupa:
1. Perangkat Hardware, terdiri dari pH Probe Sensor, Modul Akuisisi Data
pH sensor, jumper cable, dan Arduino Mega 2560.
2. Perangkat Software, terdiri dari Arduino dan National Instruments
LabVIEW 2014.
Sampel yang digunakan adalah limbah cair pabrik kelapa sawit (LCPKS) diambil
dari PKS Adolina PTPN IV dalam proses metanogenesis pada suhu ambient hingga
didapat waktu untuk pengkalibrasian ulang.
Universitas Sumatera Utara