FIXED DOME SNV MENGGUNAKAN MODEL MATEMATIS MONOD TYPE KINETIC

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.

Seminar Thesis

Program Studi S2

Jurusan Teknik Fisika

Fakultas Teknologi Industri

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

Latar Belakang

Sumber : SNV supported domestic biogas programmes in Asia and Africa (Prakash C. Ghimire,2012)

Nepal Biogas Plant -- Construction Manual 1994

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



1.

Kebutuhan energi (gas) rumah tangga tercukupi (1,6 m

3

)

2.

Menggantikan fungsi kayu bakar dan gas LPG

3.

Ampas yang dihasilkan dari ruang bioreaktor (slurry) dapat digunakan sebagai

pupuk alami

Latar Belakang

Kompor Biogas

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

3.

Kurangnya pendampingan sehingga masyarakat minim pengetahuan mengenai

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.



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):

𝜇_𝑚 𝑠 = 𝜇∗ 𝑠

Laju pertumbuhan mikroba (Lardon, 2011):

𝜇_𝐻𝑚𝑎𝑥 𝑆𝐶𝑂𝐷

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

mikroba dengan rasio 1 : 10

5

_{spesies. 1 spesies}

memiliki massa 1 femtogram (fg) atau setara

Metodologi Penelitian

Variabel Besaran (satuan)

Bebas - Kandungan TS (kg/m3) - Suhu (o_C)

Terikat

- Hydraulic Retention Time (hari) - Efektivitas biogas [ ]

- Produksi biogas (m3_/hari)

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

Tergantung - Skala yang terukur pada manometer (cm) = volume produksi biogas

Kualitatif

- Penilaian masyarakat pengguna terhadap bioreaktor tipe fixed dome SNV (produksi gas & perawatan), pendapatan dan keuntungan yang dihasilkan setelah memakai biogas.

Start

Studi Literatur

Pengambilan Data (Sampling)

Analisis Data (GC)

Data gas (produksi&kadar)

Simulasi Model Matematis (Monod Type Kinetic)

Grafik Produktivitas & efektifitas

Valid?

Finish Estimasi Parameter (jumlah mikroba)

Keadaan optimum _Tidak?

Profil Reaktor

Data&Analisis

Lama Baru

Pengguna : Pak Solihin Ukuran : 8 m3

Jumlah (feeding) kotoran : 60 kg Diameter : 1450 mm

Tinggi : 1550 mm

Ketebalan Bahan : 12 mm Jumlah Sapi : 4

Pengguna : Pak Sugeng Ukuran : 8 m3

Jumlah (feeding) kotoran : 80 kg Diameter : 1450 mm

Tinggi : 1550 mm

Data

Hari ke- Total penggunaan Volume gas (lt)

Data Penggunaan Biogas

Gambar Pencatatan skala manometer

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

Produktivitas

Tingkat produktivitas untuk bioreaktor baru (kanan) memiliki rata-rata produksi biogas 2,6 m3_{/hari dengan}

lama waktu penggunaan sekitar 2 jam , HRT ke-15. Sedangkan bioreaktor lama (kiri) mampu memproduksi gas rata-rata 2,76 m3_{/hari dengan lama waktu penggunaan sekitar 3,5 jam. Volume biogas tersebut telah}

Pengaruh Suhu

Ketiga grafik tidak mengalami perbedaan yang signifikan (suhu rata-rata 22o_{C). Artinya, suhu lingkungan sama dengan suhu di}

Efektifitas

Pemodelan iDynoMiCS

Unit berwarna biru merupakan koloni mikroba aktif yang mampu mendegradasi substrat dan mengubahnya menjadi gas methan. Setiap koloni setara dengan 1 x 105

spesies. Setiap 1 spesies = 1 femtogram = 1 x 10-15 _gr. Jumlah Koloni Mikroba Aktif dalam reaktor

0 3

microbial growth

microbial growth Poly. (microbial growth)

Colony of microbes

Day

Pemodelan laju pertumbuhan

Microbial Growth Rate

Microbial Growth Rate

Poly. (Microbial Growth Rate)

Laju pertumbuhan mikroba mengalami peningkatan pada hari 3 sampai hari ke-9, hal ini dipengaruhi oleh ketersediaan makanan (substrat) berupa asetat dalam reaktor yang menyebabkan mikroba mengalami pertumbuhan pesat. Selang waktu hari ke-10 sampai 31 pertumbuhan mikroba cenderung fluktuatif dan mencapai titik maksimum pada kecepatan 670,8 fg/h pada hari ke 13, titik ini merupakan titik optimum pertumbuhan mikroba,

sedangkan laju pertumbuhan mikroba mengalami penurunan pada hari ke 32, hal ini disebabkan karena methan telah

dihasilkan dan substrat dalam reaktor telah ter-degradasi, sehingga mikroba

Kandungan Gas

Kandungan Gas

Kandungan metan (%) Kandungan CO2 (%)

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

Analisis Ekonomi

Grafik Pendapatan Pengguna Biogas

Deskripsi Reference Costs Annual Costs Parameter

Reactor size (m3₎

Investment Cost (Rp) Income (Rp/year) Profit (Rp/year) Economic Age (year) Gas Production (m3_/day)

Gas Production (m3_/year)

Interest Rate (%/year)

18 Result of economic feasibility

analysis

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%.

Kesimpulan

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

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 :

Ukuran

Total Biaya

Konstruksi

(Rp)

Subsidi

(Rp)

Jumlah

yang harus

dibayar

Tabel Biaya Konstruksi Bioreaktor

Ukuran

reaktor m

3

Jumlah biogas

yang dihasilkan

(lt/hari)

Konversi energi

ke satuan daya

listrik (KWh)

Lama waktu

penggunaan

Tabel Konversi Energi Biogas

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

₎

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,

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

Data hasil kalkulasi Eclipse pada POV-Ray

Borang

𝑁𝑃𝑉 = 𝑦𝑒𝑎𝑟𝑖(𝑛𝑒𝑡𝐶𝑎𝑠ℎ𝐹𝑙𝑜𝑤𝑥𝐷𝑖𝑠𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟) − 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑖𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑚𝑒𝑛𝑡

𝑛 𝑖=1

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

Hasil GC