BAB II LANDASAN TEORI

5 BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Pengertian Biogas

Biogas merupakan gas yang berasal dari proses fermentasi bahan organik yang terjadi dalam kondisi anaerob (tanpa udara). Proses menghasilkan biogas dengan jumlah dan kualitas tertentu terdapat beberapa parameter yang perlu diatur dan diperhatikan yaitu suhu, kelembaban, dan tingkat keasaman. Parameter tersebut perlu diperhatikan agar bakteri dapat berkembang dengan baik [4]. Bahan baku yang dapat dimanfaatkan untuk memproduksi biogas sendiri terdiri dari 4 jenis yaitu:

a. Sampah organik seperti kotoran sapi, kotoran babi, dan lumpur dari limbah instalasi pengolahan air limbah;

b. Tanaman energi seperti sorgum manis dan bunga matahari; c. Tanaman konvensional seperti jagung, gandum, dan bit gula; d. Bahan baku organik lainnya seperti tanaman air dan gliserol

Sumber energi biogas yang paling banyak dimanfaatkan di Indonesia sendiri bersumber dari kotoran hewan terutama kotoran sapi, hal ini disebabkan oleh bakteri metanogen yang terdapat dalam perut hewan ternak ruminasia tersebut [6]. Salah satu bakteri yang memiliki peran untuk mengubah asam lemak dan alkohol menjadi metan dan karbondioksida adalah bakteri metanogen [7]. Gas Metana (CH4) merupakan gas yang memiliki kalor cukup tinggi yaitu 50 MJ/kg. Pembakaran yang dihasilkan dari gas metana ini lebih ramah lingkungan karena memiliki rantai karbon yang pendek [4].

2.2 Biodigester

Biodigester atau merupakan tempat berlangsungnya fermentasi, di dalam digester inilah bakteri tumbuh dan bekerja untuk mencerna bahan organik.

Tujuan utama dari pembuatan digester adalah untuk mengurangi jumlah kotoran dan mendapatkan hasil biogas dengan kandungan CH4 yang tinggi.

6

Bentuk dan fungsi dari digester sendiri dapat diklasifikasikan dari konstruksinya, jenis aliran, dan posisi digester terhadap permukaan tanah. Jenis

digester yang akan digunakan tergantung pada tujuan pembuatan digester

tersebut.

Dari segi konstruksi, digester dapat dibedakan menjadi: a. Fixed dome (kubah tetap)

Digester ini memiliki volume yang tetap, dimana ketika terjadi peningkatan

tekanan maka gas yang berada di dalam digester akan langsung dialirkan menuju penampung biogas yang terletak di luar reaktor.

Gambar 2.1 Digester Fixed Dome (kubah tetap) Sumber: (Suyitno dkk., 2010) [4]

b. Floating Dome (kubah apung)

Pada digester ini bagian atas atau kubah reaktor dapat bergerak seiring dengan kenaikan tekanan di dalam reaktor. Pergerakan tersebut menandakan produksi biogas sedang berlangsung atau sudah terdapat hasilk produksi biogas di dalam digester.

7

Gambar 2.2 Digester Floatinng Dome (kubah apung) Sumber: (Suyitno dkk., 2010) [4]

Dari segi jenis aliran bahan baku reaktor biogas, digester dibedakan menjadi: a. Bak (batch)

Pada biodigester ini bahan baku diletakkan di dalam sebuah wadah mulai dari awal hingga dengan selesainya proses disgestion. Digester ini biasanya digunakan pada saat eksperimen guna mengetahui potensi gas yang dihasilkan dari limbah organik atau dengan kata lain digunakan dalam kapasasitas biogas yang kecil.

b. Mengalir (continous)

Pada biodigester ini aliran bahan baku dimasukkan dan residunya dikeluarkan dalam selang waktu tertentu. Lamanya bahan baku berada di dalam digester disebut dengan waktu retensi (retention time/RT).

Dari segi tata letak penempatan, digester dapat dibedakan menjadi: a. Seluruh biodigester di atas permukaan tanah.

Biodigester ini biasanya terbuat dari tong-tong bekas minyak tanah atau

aspal. Tipe ini memiliki volume yang kecil, sehingga hasil produksi biogas hanya dapat digunakan untuk kebutuhan sebuah keluarga.

8

b. Sebagian tangki biodigester diletakkan di bawah permukaan tanah

Biodigester ini dibuat dari campuran semen, pasir, kerikil, dan kapur yang

dibentuk seperti sumur kemudian di tutup dengan menggunakan plat baja atau konstruksi semen. Volume tangki dapat disesuaikan dengan kebutuhan baik itu skala kecil ataupun skala besar.

c. Seluruh tangki biodigester diletakkan di bawah permukaan tanah.

Jenis ini merupakan jenis biodigester yang paling banyak di Indonesia, dimana seluruh instalasi dari biodigester dibuat di dalam tanah dengan konstruksi yang permanen.

Biodigester memiliki komponen yang cukup banyak dan bervariasi. Komponen

yang akan digunakan dalam pembuatan biodigester ini disesuaikan dengan jenis dan tujuan pembangunannya. Komponen biodigester terdiri dari 2 kelompok yaitu komponen utama dan komponen pendukung. Komponen utama dari

biodigester adalah sebgai berikut:

a. Saluran masuk slurry (kotoran segar)

Saluran ini berfungsi untuk memasukkan slurry (campuran kotoran ternak dan air) ke dalam reaktor. Tujuan dari pencampuran adalah untuk mendapatkan hasil yang maksimal dalam proses produksi biogas, mempermudah mengalirnya bahan baku, dan menghindari terbentunya endapan pada sluran masuk.

b. Ruang digestion (ruang fermentasi)

Ruang fermentasi merupakan ruang terjadinya proses disgestion dan dibuat kedap terhadap udara. Ruang ini bisa dilengkapi dengan penampung biogas. c. Saluran keluar residu (sludge)

Saluran ini memiliki fungsi untuk mengeluarkan kotoran (sludge) yang telah mengalami proses disgestion. Saluran ini bekerja dengan menggunakan prinsip kesetimbangan tekanan hidrostatik.

d. Tangki penyimpan biogas.

Tangki ini berfungsi untuk menyimpan biogas yang telah dihasilkan dari proses disgestion. Jenis tangki penyimpanan untuk biogas sendiri ada 2 jenis yaitu, bersatu dengan reaktor (fixed dome) dan terpisah denga reaktor

9

Komponen pendukung dari biodigester juga perlu ditambahkan karena komponen ini dapat mendukung proses produksi dalam jumlah banyak dan aman. Komponen pendukung tersebut adalah [4]:

a. Katup pengaman tekanan (control valve) memiliki fungsi sebagai pengaman

biodigester dari tekanan biogas yang berlebihan. Jika tekanan di dalam

tabung penampung biogas lebih tinggi dari tekanan yang diizinkan, maka biogas yang berada di dalam tabung akan dibuang keluar.

b. Sistem pengaduk memiliki fungsi untuk mengurangi terjadinya pengendapan dan menyeragamkan populasi bakteri sehingga tidak terdapat zona mati dimana tidak terjadi proses disgestion karena tidak terdapat bakteri. Selain itu, pengadukan juga memiliki fungsi untuk mempermudah pelepasan gas yang dihasilkan bakteri menuju ke penampung biogas. Pengadukan dapat dilakukan dengan cara sebagai berikut:

1. Pengadukan mekanis dengan menggunakan poros dan baling-baling yang digerakkan oleh motor listrik secara berkala.

2. Mensirkulasi bahan yang ada di dalam digester dengan pompa dan dialirkan kembali melalui bagian atas digester.

c. Saluran biogas merupakan saluran yang bertujuan untuk mengalirkan hasil produksi biogas dari biodigester.

2.3 Proses Biologis Terbentuknya Biogas

Biogas memerlukan tempat yang berada dalam keadaan kedap udara atau tertutup agar proses fermentasi berlangsung secara stabil [8]. Proses pembentukan biogas sendiri memiliki tiga tahapan yaitu sebagai berikut [4]: a. Tahap pertama adalah tahap hidrolisis

Pada tahap ini, bahan organik yang memiliki kandungan selulosa, hemiselulosa dan bahan ekstraktif seperti protein, karbohidrat, dan lipida akan diuraikan menjadi senyawa dengan rantai yang lebih pendek.

b. Tahap kedua adalah tahap pengasaman

Pada tahap ini, bakteri akan menghasilkan asam yang memiliki fungsi untuk mengubah senyawa pendek hasil hidrolisis menjadi asam asetat CH3COOH,

10

H2, dan CO2. Bakteri ini adalah bakteri anaerob yang tumbuh pada keadaan asam dengan pH 5,5-6,5. Bakteri anaerob akan bekerja secara optimal pada temperatur 30°C untuk menghasilkan asam asetat, bakteri memerlukan oksigen dan karbon yang didapat dari oksigen terlarut di dalam larutan. Metabolisme secara merata dapat terjadi ketika pencampuran dengan konsentrasi air sekitar > 60%. Selain itu, bakteri anaerob juga dapat mengubah senyawa dengan molekul rendah menjadi alkohol, asam organik, asam amino, CO2, H2S dan sedikit gas CH4.

Gambar 2.3 Diagram proses terbentuknya biogas Sumber: (Suyitno dkk., 2010) [4]

c. Tahap ketiga adalah tahap pembentukan gas CH4

Pada tahap pembentukan gas CH4, bakteri yang bekerja adalah bakteri

methanogenesis (bakteri metana). Bakteri metana terdiri dari

methanobacterium, methanobacillus, methanosacaria, dan methanococcus.

Bakteri metan ini membutuhkan kondisi digester yang kedap udara dan gelap. Bakteri ini dapat bekerja secara optimum pada temperature 35°C dan sangat sensititif terhadap perubahan temperature. Kisaran pH adalah sekitar 6,5-7,5. Hasil metabolisme adalah CH4 dan CO2 dari gas H2, CO2, dan asam asetat yang dihasilkan dari tahap pengasaman.

11

2.4 Total Padatan Terlarut dan Total Padatan Tersuspensi

Total padatan terlarut atau biasa disebut dengan Total Dissolved Solid (TDS) merupakan indikator terlarutnya zat padat di dalam air. Zat padat tersebut bisa berupa ion, senyawa, ataupun koloid. Suatu materi dikatakan sebagai padatan terlarut jika memiliki ukuran diameter partikel kurang dari 10-3 μm dan koloid dengan diameter 10-3-1 μm yang dapat berupa senyawa kimia ataupun materi-materi lainnya yang tidak dapat disaring dengan menggunakan kertas saring berukuran 0,45 μm [9]. Pengukuran total padatan terlarut dapat menggunakan metode gravimetry dan konduktivitas listrik dengan alat TDS meter. Pada metode gravimetry pengukuran total padatan terlarut dilakukan dengan menggunakan filter yang berukuran 2 μm.

Konduktivitas listrik merupakan kemampuan suatu larutan dalam mengahantarkan arus listrik. Arus listrik suatu larutan dipengaruhi oleh ion yang ada pada larutan tersebut. Hubungan antara konduktivitas listrik dengan TDS adalah ion yang terkandung di dalam suatu larutan dipengaruhi oleh padatan terlarut di dalamnya. Ketika nilai total padatan terlarutnya semakin besar maka jumlah ion yang ada di dalam larutan akan semakin besar, sehingga nilai dari kondutivitas listriknya juga akan semakin besar [10].

Selain TDS (Total Dissolved Solid) yang merupakan parameter kelarutan zat padat di dalam air ada juga TSS (Total Suspended Solid) yang merupakan padatan tidak terlarut yang biasanya menyebabkan kekeruhan. Total padatan tersuspensi jika disaring dengan menggunakan milipore yang memiliki diameter pori-pori 0,45 μm akan tertahan. TSS berasal dari lumpur dan pasir halus serta mikroorganisme yang biasanya terbawa oleh kikisan tanah atau erosi tanah [9].

2.5 Mixers dan Agitators

Mixer merupakan alat yang dirancang untuk mencampurkan kombinasi cairan

12

berbagai ukuran dan konfigurasi yang dirancang untuk aplikasi tertentu.

Agitator menghasilkan kerja mekanis yang dibutuhkan untuk menjaga

kelarutan atau padatan tersuspensi di dalam larutan. Keduanya bekerja dengan prinsip yang sama, tetapi bervariasi dalam desain, kecepatan operasi dan penerapannya. Agitator biasanya bekerja sama kerasnya dengan mixer dan kedua istilah ini sering digunakan bergantian.

Setiap tipe mixer atau pengaduk yang berbeda memiliki fungsi dan pengaplikasian yang berbeda juga. Oleh karena itu, penting untuk memilih tipe

mixer atau pengaduk yang sesuai. Pengaduk tipe propeller dapat digunakan

pada kecepatan medium hingga tinggi dimana viskositas dari fluida tersebut relatif rendah [11]. Sedangkan untuk pengaduk dengan tipe paddle dan helical

ribbon digunakan sebagai pengaduk pada fluida dengan viskositas yang tinggi

(100 000 cP (100 Pa.s) dan lebih) dengan kecepatan putaran yang rendah [12].

Gambar 2.4 Agitator tipe propeller Sumber: (Mobley, 2001) [11]

Dalam sebuah penelitian untuk aplikasi pengadukan bahan baku biogas menunjukkan bahwa agitator yang menggunakan blade helical ribbon lebih efektif. Hasil pengadukannya lebih homogen bahkan dengan putaran yang rendah dan zona mati di dalam digester juga lebih sedikit jika dibandingkan dengan blade Rushton turbine (Gambar 2.4). Selain itu, pada blade helical

13

waktu pencampuran lebih cepat dibandingkan dengan blade Rushton turbine (Tabel 2.1) [5].

Gambar 2.5 Pengaruh laju agitasi terhadap velocity fields dengan menggunakan simulasi CFD (A. Helical ribbon dan B. Rushton turbine)

Sumber : (Lebranchu dkk., 2017) [5]

Tabel 2.1 Sintesis hasil eksperimen

Sumber : (Lebranchu dkk., 2017) [5]

2.6 Poros

Poros adalah suatu bagian terpenting dari mesin. Poros memiliki fungsi sebagai transmisi atau meneruskan gaya dengan putaran [13]. Dalam mendesain sebuah poros ada beberapa langkah-langkah yang harus diperhatikan termasuk dalam

14

mendesain sebuah poros untuk pengaduk. Pertama-tama adalah kekuatan, ketersediaan material di pasaran, dan terakhir frekuensi natural. Selain itu, ada beberapa langkah alternatif yang dapat dipertimbangkan jika terdapat masalah dalam frekuensi natural yaitu sebagai berikut [12].

a. Menentukan konstruksi dari material dan tegangan yang diizinkan untuk kombinasi antara tegangan tarik dan tegangan geser.

b. Menghitung ukuran poros minimum, yang berhubungan dengan batas tegangan geser dan tarik. Kemudian bulatkan ke diameter terdekat dengan diameter yang tersedia di pasaran.

c. Untuk ukuran poros standar, tentukan frekuensi natural dari poros dan sistem impellers. Jika sistem tersebut memenuhi kriteria dari frekuensi natural, maka desain selesai.

d. Jika kecepatan poros mendekati frekuensi natural, maka perbesar ukuran poros sebesar ½ in. kemudian ulangi kembali perhitungan critical speed. Jika critical speed ratio telah memenuhi kriteria frekuensi natural maka desain telah selesai. Jika perlu, ulangi kembali proses ini dengan menambahkan diameter sebesar ½ in. Jika diameter tambahan telah lebih dari 1 in daripada diameter yang dihitung, maka kekuatan yang diperlukan untuk memenuhi kriteria frekuensi alami dapat dilanjutkan ke langkah berikutnya.

e. Memilih poros berongga dengan ukuran standar pipa untuk memenuhi persamaan tegangan mekanis. Hitung critical speed dan bandingkan dengan kriteria frekuensi natural. Poros berongga biasanya dapat meningkatkan critical speed sekitar 20 %. Poros berongga memiliki diameter yang biasanya tidak lebih dua kali dari diameter poros padat dengan kekuatan yang sama. Salah satu kelemahan dari poros berongga adalah untuk pengaplikasian impellers dengan posisi aksial.

f. Jika poros berongga tidak dapat bekerja pada impeller dengan posisi aksial maka diperlukan bearing. Dalam mendesain poros dengan bearing, tentukanlah untuk poros minimum dengan kekuatan yang diinginkan dan gunakan persamaan poros dengan bantalan yang stabil untuk mengitung nilai critical speed.

15

Gambar 2.6 Skema poros dan impeller Sumber : (Atiemo-Obeng dkk., 2004) [12]

2.7 Motor Listrik

Motor listrik merupakan alat yang memiliki fungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Pada motor listrik terdapat magnet yang memiliki fungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik yang disebut sebagai elektromagnet. Magnet akan tolak menolak ketika kutubnya sama tetapi akan tarik menarik jika kutubnya berbeda. Berdasarkan fenomena inilah akan terjadi gerakan jika magnet ditempatkan pada sebuah poros yang dapat berputar sedangkan magnet yang lain ditempatkan dalam posisi yang tetap.

Motor listrik biasanya diaplikasikan ke dalam peralatan rumah tangga seperti kipas angin dan mixer. Pada dunia perindustrian motor listrik digunakan untuk menggenarakan blower, kompresor, dan mengangkat beban. Klasifikasi motor listrik ditunjukkan oleh Gambar 2.7. Secara umum motor listrik terdiri dua yaitu, motor AC dan motor DC tetapi jenis-jenis dari motor listrik sebenarnya cukup beragam dimana pengelompokkannya didasari pada pasokan input, konstruksi, dan mekanisme operasi.

16

Gambar 2.7 Klasifikasi motor listrik Sumber: (Bagia & Parsa, 2018) [14]

Motor DC menggunakan arus langsung yang tidak langsung/direct

unidirectional. Motor DC sendiri digunakan secara khusus untuk perangkat

yang membutuhkan torque tinggi atau percepatan tetap dengan kisaran kecepatan yang luas. Keuntungan dari penggunaan motor DC adalah kecepatannya mudah untuk dikendalikan dan tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor DC dibatasi untuk perangkat dengan kecepatan rendah, dapat digunakan dari daya rendah hingga sedang, hal ini karena motor DC memiliki permasalahan terhadap perubahan arah arus listrik mekanis jika digunakan untuk aplikasi ukuran yang lebih besar motor DC juga lebih murah jika dibandingkan dengan motor AC

Motor AC menggunakan arus listrik yang membalikkan arah secara teratur dalam rentang waktu tertentu. Motor AC memiliki dua komponen dasar listrik yaitu stator dan rotor. Rotor adalah komponen yang bergungsi untuk memutar as motor. Kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan dibandingkan dengan motor DC. Untuk mengatasi permasalahan tersebut motor AC dapat ditambahkan oenggerak frekuensi variable guna meningkatkan kecepatan sekaligus menurunkan dayanya. Motor ini lebih sering digunakan karena kehandalan dan perawatan yang lebih mudah. Motor AC dikelompokkan menjadi dua jenis berdasarkan karakteristik arus listriknya yaitu motor listrik AC 1 fasa dan motor listrik AC 3 fasa [14].

17 2.8 Gear

Gear atau roda gigi merupakan salah satu elemen mesin yang memiliki fungsi

sebagai transmisi. Ketika dua roda gigi saling dihubungkan akan menghasilkan momen torsi yang diteruskan ke poros untuk menggerakan, mentransmisikan daya, menghasilkan gaya dan momen yang akan mempengaruhi poros dan bantalannya. Gear terdiri dari beberapa jenis diantaranya yaitu [15]:

a. Spur gears, memiliki bentuk gigi yang sejajar dengan sumbu rotasi. Gear

jenis ini digunakan sebagai transmisi dari satu poros ke poros lainnya secara paralel.

b. Helical gears memiliki gigi yang miring ke arah sumbu rotasi. Spiral pada

roda gigi ini digunakan untuk aplikasi yang sama dengan spur gear. Jika roda gigi ini digunakan tidak berisik karena pertemuan antar gigi yang terjadi secara bertahap. Helical gear juga menyebabkan beban dorong dan momen bending yang tidakdihasilkan oleh spur gear. Terkadang roda gigi ini juga digunakan untuk transmisi gaya antar poros non paralel.

c. Bevel gears memiliki gigi yang berbentuk kerucut dan digunakan untuk

mentransmisikan gerakan antar poros yang berpotongan. Pada Gambar 2.10 menunjukkan bevel gear dengan gigi lurus. Bevel gears dengan gigi spiral dipotong sehingga giginya tidak ada yng lebih panjang tetapi membentuk busur melingkar. Hypoid gears sangat mirip dengan spiral

bevel gears, tetapi pada hypoid gears porosnya offset dan tidak

berpotongan.

d. Worms dan worm gears yang ditunjukkan oleh Gambar 2.12, merupakan

jenis roda gigi yang memiliki bentuk worm menyerupai sekrup. Roda gigi ini banyak digunakan ketika speed ratio dari dua poros cukup tinggi seperti 3 atau lebih.

18

Gambar 2.8 Spur Gears

Sumber: (Budynas & Nissbet, 2015) [15]

Gambar 2.9 Helical Gears Sumber: (Budynas & Nissbet, 2015) [15]

Gambar 2.10 Bevel Gears

19

Gambar 2.11 Worm Gearsets Sumber: (Budynas & Nissbet, 2015) [15]

2.9 Kopling

Kopling merupakan elemen mesin yang memiliki fungsi sebagai penerus putaran dan daya dari poros penggerak ke poros yang digerakkan tanda adanya slip, dengan keadaan kedua sumbu poros berada dalam satu garis lurus. Kopling terdiri dari dua jenis utama yaitu kopling tetap dan kopling tidak tetap. Perbedaan keduanya adalah pada kopling tidak tetap dapat dilepas dan dipasang kembali jika diperlukan, baik dalam keadaan diam maupun dalam keadaan berputar. Sedangkan untuk kopling tetap selalu berada dalam keadaan terhubung.

Kopling tetap terdiri dari kopling kaku, kopling luwes (fleksibel), dan kopling universal. Kopling kaku merupakan jenis kopling tetap yang tidak mengizinkan adanya ketidaklurusan pada kedua sumbu poros. Berbeda dengan kopling kaku, pada kopling luwes dan kopling universal masih memungkinkan terjadinya ketidaklurusan antar sumbu poros. Perbedaan antar keduanya adalah pada kopling luwes hanya mengizinkan sedikit ketidaklurusan, sedangkan pada kopling universal dipergunakan untuk menghubungkan kedua poros yang akan membentuk sudut cukup besar. Kopling kaku sendiri tediri dari kopling bus (Gambar 2.13 a-1), flens kaku (Gambar 2.13 a-2), dan flens tempa (Gambar 2.13 a-3). Kopling luwes terdiri dari kopling flens luwes (Gambar 2.13 b-1), kopling karet ban (Gambar 2.13 b-2), kopling karet bintang (Gambar 2.13 b-3) kopling gigi (Gambar 2.13 b-4), dan kopling rantai (Gambar 2.13 b-5). Kopling

20

universal terdiri dari 2 jenis yaitu kopling universal hook (Gambar 2.13 c) dan kopling universal kecepatan tetap.

Gambar 2. 12 Macam-macam Kopling Tetap Sumber : (Sularso & Suga, 2004) [13]

21

Dalam melakukan perencanaan kopling tetap ada beberapa hal yang perlu di pertimbangkan yaitu sebagai berikut [13].

a. Proses pemasangan yang mudah dan cepat b. Sederhana dan ringan

c. Aman digunakan untuk putaran tinggi dan juga aman dari getaran serta tumbukan kecil

d. Bagian kopling terpasang secara rata dan tidak ada bagian yang menonjol e. Dapat mengatasi apabila terjadi pembebanan lebih.

f. Memperkecil kemungkinan adanya gerakan aksial pada poros ketika terjadi pemuaian akibat panas

2.10 Teori Dasar Perhitungan

a. Perhitungan Gaya Pengaduk

Perhitungan gaya pengaduk dilakukan dengan menggunakan persamaan

drag force (persamaan 2.7). Drag force merupakan gaya yang menahan

gerakan suatu benda padat yang melalui fluida[16]. Ketika sebuah benda padat bergerak melalui fluida maka akan terjadi interaksi antara permukaan benda dengan fluida yang mengalir atau fluida yang dilewati. Interaksi tesebut adalah gaya momen dari tegangan geser (τw), yang disebabkan oleh adanya efek viskos dan tegangan normal akibat distribusi tekanan (P)[17].

Koefisien drag atau CD merupakan kuantitas non-dimensional yang dihitung berdasarkan tekanan total di atas suatu area dan dinormalisasi oleh tekanan dinamis[16]. Sebagian besar koefisien drag didapatkan dari hasil eksperimen melalui wind tunnel yang dilakukan berkali-kali. Nilai CD dapat ditentukan melalui Lampiran 1 dan dengan melihat nilai Reynold

22 𝐹_𝐷 =1 2∙ 𝐶𝐷∙ 𝜌 ∙ 𝑣 2_{∙ 𝐴 … … … . . … … … (2.7)} Keterangan: FD : Gaya (N) CD : Drag Coefficient Ρ : Massa jenis (kg/m3) V : Kecepatan pengaduk (m/s)

A : Luas blade yang menabrak slurry (m2)

Nilai massa jenis dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut [18]. 𝜌 =𝑚 𝑉 … … … . … … . … … … (2.8) Keterangan: Ρ : Massa jenis (kg/m3) m : Massa slurry (kg) V : Volume slurry (m3)

Bilangan Reynolds merupakan rasio antara gaya inersia dengan gaya viskos yang digunakan untuk memprediksi kondisi dari suatu aliran yang bisa berupa laminar, transisi, atau turbulen[16].

𝑁_𝑅𝑒 = 𝐷

2_{∙ 𝑛 ∙ 𝜌}

𝜇 … … … (2.9) Kecepatan pengadukan dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut [13]. 𝑣 = 𝜋 ∙ 𝐷 ∙ 𝑛 60 × 1000… … … . (2.10) Keterangan: D : Diameter poros (mm) n : Kecepatan putaran (rpm)

b. Perhitungan Momen Inersia

23

𝐼 = ∑ 𝑚𝑖 ∙ 𝑟𝑖2… … … … . … … … (2.11)

Beberapa bentuk benda yang berbeda memiliki persaman yang berbeda juga. Persamaan tersebut dapat dilihat dalam Tabel 2.2 berikut [19].

Tabel 2.2 Bentuk dan Persamaan untuk Momen Inersia

Sumber: (Halliday dkk., 2011) [19]

c. Perhitungan Kecepatan Sudut dan Percepatan Sudut

Sebuah benda yang berputar memiliki kecepatan sudut dan percepatan sudut. Ketika benda tersebut berputar dari posisi awal sebesar θ1 pada waktu t1 dan memiliki posisi sudut θ2 pada waktu t2 didefinisikan sebagai kecepatan sudut rata-rata. Persamaan yang digunakan untuk mengihitung kecepatan sudut adalah sebagai berikut.

𝜔 = lim ∆𝑡→0 ∆𝜃 ∆𝑡 = 𝑑𝜃 𝑑𝑡… … … (2.12)

24

Ketika kecepatan sudut dari benda yang berputar tersebut tidak konstan maka benda tersebut memiliki percepatan sudut. Persamaan yang digunakan untuk menghitung persecapatan sudut adalah sebagai berikut [19]. 𝛼 = lim ∆𝑡→0 ∆𝜔 ∆𝑡 = 𝑑𝜔 𝑑𝑡 … … … . . … … (2.13) Keterangan:

Ω : Kecepatan sudut (rad/s) Α : Percepatan sudut (rad/s2₎ T : Waktu (s)

d. Perhitungan Torsi

Torsi merupakan gaya yang diperlukan untuk memutar lengan poros yang memiliki jarak tertentu dengan sumbu dari putaran tersebut. Torsi memiliki persamaan sebagai berikut.

𝜏 = 𝐹 ∙ 𝑟 … … … . . … … (2.14) Torsi dapat menyebabkan rotasi pada benda tegar. Oleh karena rotasi pada poros maka rumus torsi menjadi sebagai berikut.

𝜏 = 𝐼 ∙ 𝛼 … … … . . … … … . (2.15) Sehingga persaman untuk torsi menjadi [19]

𝜏 = 𝐹 ∙ 𝑟 + 𝐼 ∙ 𝛼 … … … . . … … … . (2.16) Keterangan:

T : Torsi (N.m)

I : Momen inersia (kg.m3) α : Percepatan sudut (rad/s2) F : Gaya (N)

25 r : Jari-jari (m)

e. Perhitungan Daya

Perhitungan daya terbagi menjadi daya untuk mengaduk dan daya akibat adanya momen inersia. Persamaan yang digunakan untuk menghitung daya untuk mengaduk adalah sebagai berikut [18].

𝑃1 = 𝐹𝐷∙ 𝑣 … … … . . (2.17) Kemudian, persamaan yang dipergunakan untuk menghitung daya karena adanya momen inersia adalah sebagai berikut.

𝑃2 = 𝜏 ∙ 𝜔 … … … (2.18)

Keterangan:

P1 : Daya untuk mengaduk (Watt) P2 : Daya akibat momen inersia (Watt) FD : Gaya pengaduk (N)

v : Kecepatan pengaduk (m/s) T : Torsi (N.m)

ω : Kecepatan sudut (rad/s)

2.11 Penelitian Terdahulu

Tabel berikut ini menyajikan daftar-daftar penelitian terdahulu mengenai pengaruh pengadukan dan bentuk dari pengaduk (agitator).

Tabel 2. 3 Penelitian Terdahulu

No Nama Peneliti Judul Hasil Penelitian 1. R. Indrawati, W. Tinalan, and K. Gede Penurunan BOD Pada Biogas Kotoran Sapi

Pada penelitian ini menunjukkan bahwa perlakuan pengadukan dapat membantu pelepasan gas yang dihasilkan oleh bakteri

26

dan pada sampel dengan variasi kecepatan pengadukan 10 rpm selama 15 menit volume biogasnya lebih tinggi dibandingkan dengan variasi kecepatan pengadukan yang lain. 2. Mohammad R., F., Soeroso*, Pradana S., Akbar, Sudarno, Irawan Wisnu Wardhana Pengaruh Pengenceran Dan Pengadukan terhadap Produksi Biogas Pada Anaerobik Digestion dengan Menggunakan Ekstrak Rumen Sapi Sebagai Starter dan Limbah Dapur Sebagai Substrat Penelitian ini memperlihatkan bahwa perlakuan pengadukan menghasilkan biogas yang lebih rendah dibandingan dengan sampel yang tidak

diberi perlakuan pengadukan. 3. A. Lebranchu et al Impact of shear stress and impeller design on the production of biogas in anaerobic digesters

Jurnal ini memberikan gambaran tentang pengaruh pengadukan dengan menggunakan bentuk

agitator yang berbeda terhadap produksi biogas di dalam digester dan juga memperlihatkan keefektifan penggunaan agitator dengan dengan blade helical ribbon dibandingkan dengan blade

27

penggunaan agitator dengan

blade helical ribbon dapat

mempersingkat waktu pengadukan, menghemat pengeluaran daya, dan hasil pengadukan lebih homogen serta produksi biogas meningkat hingga 50%.