PERANCANGAN MESIN PENCACAH DAN PENGEMPA PELEPAH KELAPA
SAWIT
Design of Chopper for Cutting up and Trash Oil Palm Frond Waste Ramayanty Bulan1, Tineke Mandang2, Wawan Hermawan2, Desrial2
1Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Pertanian Universitas Syiah Kuala 2Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor
E-mail: rama_bulan@yahoo.com ABSTRACT
Oil palm frond waste is organic waste that could be processed into organic fertilizer in form of compost and mulch. It is also found from the study that to manage the oil palm frond waste in 1 ha area, oil palm frond waste were 11.9 ton and oil palm leaf waste were 2.86 ton. A chopper for cutting up and thrash oil palm frond waste has been designed. The machine was designed for chopping oil palm leaf into short pieces to the compost and thrashing oil palm frond waste to the mulch on the field. The machine consisted of cutting disk, thrashing cylinder, chopping cylinder and a main frame. The machine was designed that could be powered on 10 HP.
Keywords: Oil palm, frond, waste, chopper, thrash.
ABSTRAK
Limbah pembuatan minyak kelapa sawit yang berupa limbah organik dapat diproses menjadi pupuk organik dalam bentuk pelepah dan daun. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa dari 1 ha luas lahan dihasilkan limbah berupa pelepah sebesar 19.9 ton dan limbah berupa daun sebesar 2.86 ton. Untuk mengolah limbah tersebut telah dirancang sebuah mesin pencacah dan pengempa pelepah dan daun kelapa sawit. Mesin dirancang untuk mencacah dan mengempa daun dan pelepah menjadi bagian yang lebih kecil untuk dijadikan kompos yang kemudian disebarkan ke permukaan lahan perkebunan kelapa sawit. Mesin tersebut terdiri dari piringan pemotong, silinder pengempa, silinder pencacah, dan rangka utama. Mesin ini dirancang untuk dapat beroperasi pada daya 10 HP. Kata kunci: Minyak kelapa, pelepah, limbah, pencacah, pengempa.
PENDAHULUAN
Produksi minyak kelapa sawit memberikan potensi dan kontribusi yang cukup besar terhadap pencemaran lingkungan. Corley and Tinker tahun 2003 melaporkan bahwa 96 % dari total limbah biomassa berasal dari lahan perkebunan kelapa sawit (on farm). Salah satu limbah padat yang dihasilkan dari lahan perkebunan kelapa sawit adalah pelepah kelapa sawit (oil palm fronds/OPF). Pelepah kelapah sawit dihasilkan selama proses pemeliharaan tanaman (prunning), proses pemanenan buah dengan melepaskan pelepah disekitar buah dan peremajaan dengan cara menebang tanaman.
Setiap batang kelapa sawit memiliki jumlah pelepah lebih dari 60 pelepah dengan panjang mencapai 120 cm (Aholoukpe, et. al 2013)
Pelepah kelapa sawit terbagi atas 3 bagian yaitu petiole (pangkal batang), rachis (batang tempat munculnya daun) dan leaflets (daun). Sejak umur 4 tahun tanaman kelapa sawit menghasilkan 18-24 pelepah per tanaman per tahun. Pelepah kelapa sawit tumbuh dan berkembang selama 30 bulan. Pelepah kelapa sawit memiliki panjang 7-8 m dengan panjang petiole 1.5 m dan rachis 5.5 - 6.5 m. Jumlah biomassa yang diperoleh dari pelepah dapat diukur berdasarkan luas (lebar x ketebalan) dari petiole (Corley et al 1971).
Rata-rata umur ekonomis tanaman kelapa sawit mencapai 20-25 tahun (Rupani et al 2010). Pelepah akan terakumulasi dalam jumlah yang cukup banyak sebagai limbah biomassa di perkebunan kelapa sawit sehingga perlu adanya usaha pemanfaatan kembali. Mathius et al tahun 2004 telah melaporkan bahwa pelepah sebagai limbah biomassa yang dihasilkan dari proses produksi kelapa sawit di Indonesia. Lahan kelapa sawit seluas 1 ha dalam setahun akan menghasilkan 5.214 kg pelepah kering dan jumlah persentase bahan kering sebesar 46.18 %.
Pengecilan ukuran pelepah memudahkan dalam proses pemanfaatan kembali (daur ulang) secara biologis untuk pembuatan kompos. Untuk meningkatkan luas permukaan dapat dilakukan dengan memperkecil ukuran partikel bahan tersebut, dimana ukuran partikel yang optimal untuk pengomposan adalah 2-10 cm. (Intara et al, 2005) menjelaskan bahwa kompos bermanfaat sebagai bahan organik yang mempunyai kontribusi dalam mencegah erosi, pergerakan tanah dan retakan tanah. Selain itu pupuk kompos juga merupakan pemasok unsur hara mikro essensial. Syarat pada pembuatan pupuk organik (kompos) adalah bahwa bahan organik tersebut dipastikan sudah berbentuk potongan-potongan kecil sebelum terdekomposisi menjadi kompos. Tujuan dari penelitian ini adalah mengidentifikasi kondisi pelepah dari lahan kelapa sawit serta merancang mesin pencacah daun dan pengempa pelepah kelapa sawit. Mesin yang dirancang menggunakan sumber tenaga gerak 8 HP dan penelitian difokuskan pada analisis rancangan unit pencacah dan pengempanya.
BAHAN DAN METODE Penelitian dilaksanakan di:
1. Laboratorium kekuatan bahan Departemen Teknologi Hasil Hutan Fakultas Kehutanan IPB
2. Laboratorium AEDC Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fakultas Teknologi Pertanian IPB
3. Lahan perkebunan PT Agro Sinergi Nusantara Gampong Drien Rampak Meulaboh Aceh Barat
Penelitian ini berlangsung dari bulan Juli 2014 sampai dengan bulan Oktober 2014. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah pelepah kelapa sawit. Peralatan yang
digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Gerinda pemotong dan golok 2. Mistar dan meteran
3. Timbangan analitik
4. INSTRON tipe 3369P7905 5. Software Solid Work 2011
Pelepah kelapa sawit yang dipakai dalam penelitian ini berasal dari perkebunan PT Agro Sinergi Nusantara seperti tampak pada gambar 1.
Gambar 1. Pelepah kelapa sawit di perkebunan PT Agro Sinergi Nusantara, Aceh
Identifikasi Kondisi Pelepah Kelapa Sawit Kondisi pelepah kelapa sawit diidentifikasi secara langsung di Perkebunan PT Agro Sinergi Nusantara. Kondisi pelepah segar diidentifikasi dengan mengukur berat pelepah segar dan selanjutnya dipisahkan antara daun dan batang pelepah untuk diukur masing-masing berat daun dan batang pelepah. Dimensi luas batang pelepah diukur menggunakan mistar/meteran.
Gambar 2. Anatomi pelepah kelapa sawit ((Aholoukpe, et. al 2013)
Selain itu juga diukur kekuatan tekan rata-rata dari batang pelepah yang terdiri dari kekuatan tekan rachis dan petiole yang anatomi pelepah kelapa sawit seperti yang tampak pada gambar 2. Pengamatan penampang lintang dilakukan di laboratorium Teknologi Hasil Hutan IPB. Sampel uji kekuatan tekan dengan pengambilan 12 cm dari pangkal, tengah dan ujung dari masing-masing petiole dan rachis. Dasar-Dasar Perancangan
Mesin pencacah dan pengempa pelepah kelapa sawit dirancang dengan dasar-dasar sebagai berikut:
1. Mesin dioperasikan menggunakan sumber tenaga gerak 10HP dengan asumsi efisiensi penyaluran daya adalah 95%.
2. Mesin menggunting daun dari pelepah, mencacahnya dan menghasilkan potongan-potongan daun ukuran 2-10 cm.
3. Mesin mengempa batang pelepah yang terdiri dari rachis dan petiole untuk merusak komponen penyusun seperti kulit (epidermis), skelerenkhim, dan parenkim.
4. Pelepah ditangani dengan hasil pengukuran rata-rata panjang batang pelepah dan daun.
Gambar 3. Penampang potong melintang pelepah kelapa sawit
Fungsi utama dari pemotong adalah untuk melepaskan daun pada kedua sisi batang pelepah (kiri dan kanan). Untuk memenuhi fungsi utama maka diperlukan landasan penyangga pelepah yang terbuat dari besi plat. Unit pencacah berfungsi sebagai pengecilan ukuran daun pelepah kelapa sawit sebagai bahan kompos. Sepasang silinder pengempa yang berputar berlawanan arah berfungsi merusak ikatan jaringan serat pelepah, mengurangi ketebalan pelepah, memperbesar lebar pelepah sehingga lebih mudah terurai
ditanah dan dapat dimanfaatkan sebagai penutup tanah atau mulsa.
Daya Motor
Untuk memperoleh daya sumber tenaga gerak, maka digunakan persamaan sebagai berikut:
!=# % 2
'(60...(1) dimana:
P = daya motor (HP)
F = gaya tekan maksimal (N) n = torsi (rpm)
Diameter Poros
Perhitungan diameter poros dilakukan sesuai dengan standar ASME yang sebelumnya harus menghitung tegangan geser yang diizinkan dengan persamaan (Sularso dan Suga, 2004) yaitu sebagai berikut:
+,=-./01/02
...(2) dimana:
τa = tegangan geser (kg/mm2)
σb = kekuatan tarik (kg/mm2)
sf1 = faktor kelelahan puntir (5.6 - 6.0)
sf2 = faktor pengaruh konsentrasi tegangan
(1.3 – 3.0)
Torsi ditentukan untuk menahan beban daun pelepah pada saat pencacahan dengan nilai beban lentur (Cb) dan faktor koreksi tumbukan (Kt) maka diameter poros didekati dengan persamaan (Sularso dan Suga, 2004) yaitu:
2/=5.1+,567.813
...(3)
HASIL DAN PEMBAHASAN Kondisi Pelepah Kelapa Sawit di Lahan
Penelitian menunjukkan rata-rata berat segar pelepah kelapa sawit adalah 12.51 kg/pelepah. Potensi limbah pelepah kelapa sawit mencapai 11.9 ton/ha untuk setiap tahunnya. Jumlah daun yang dihasilkan dari limbah pelepah kelapa sawit mencapai 2.86 ton/ha per tahun, dengan rata-rata panjang daun 63.86 cm dan berat daun rata-rata per pelepah 3 kg. Pengukuran dimensi rata-rata panjang dari pelepah adalah 675.89 cm, rata-rata panjang daun yang ada pada pangkal dan ujung pelepah
adalah 103.89 cm dan 23.83 cm. Panjang daun bagian pangkal dan ujung rachis serta panjang rata-rata pelepah dapat dilihat pada gambar 4.
Gambar 4. Dimensi panjang batang pelepah dan daun kelapa sawit
Lebih lanjut batang pelepah yang terdiri dari rachis dan petiole memiliki potensi 9.04 ton/ha per tahun. Berat batang pelepah rata-rata 9.5 kg, lebar pangkal pelepah rata-rata 17 cm, tinggi pangkal pelepah rata-rata 6 cm. Batang pelepah memiliki persentase berat yang lebih tinggi dari keseluruhan bagian pelepah kelapa sawit sebesar 75.93 % dibandingkan persentase berat daun pelepah kelapa sawit sebesar 24.07 %.
Gambar 5. Pengujian tekan batang pelepah kelapa sawit
Jaringan tanaman yang diambil sebagai bahan uji mempunyai sifat mekanik yang khas. Kekuatan tekan rata-rata rachis pelepah kelapa sawit adalah 101925,98 kg.mm. Kekuatan tekan rata-rata petiole pelepah kelapa sawit 7571.95 kg.mm. Hal ini menunjukkan bagian rachis memiliki memiliki kekuatan tekan yang lebih tinggi dibandingkan kekuatan tekan di bagian petiole. Hal ini disebabkan bagian petiole
memiliki jaringan parenkhim yang lebih banyak dibandingkan pada bagian rachis karena jaringan parenkhim memiliki struktur yang paling lunak.
Penelitian ini telah melakukan identifikasi kondisi pelepah seperti pengukuran sifat fisik dan mekanik pelepah sawit. Data-data yang berkaitan dengan sifat fisik dan mekanik pelepah sawit sangat diperlukan dalam mempelajari mekanisme pengguntingan/pemotongan dan pengempaan sehingga memudahkan dalam perancangan mesin. Pengetahuan dari suatu struktur tanaman sangat diperlukan untuk mengetahui reaksi bahan tanaman terhadap gaya pemotongan dan deformasi. Hal tersebut akan mempermudah untuk menemukan logical solution untuk mengembangkan desain mesin.
Gambar 6. Skema rancangan tiga dimensi mesin pengempa dan pencacah pelepah kelapa sawit
Analisis perancangan mesin pencacah dan pengempa pelepah
Analisis rancangan mesin pencacah dan pengempa pelepah kelapa sawit dapat membangun skema rancangan 3 dimensi seperti yang tampak pada gambar 6. Konstruksi mesin pencacah dan pengempa tampak atas terlihat pada gambar 7, sedangkan konstruksi tampak samping dan depan terlihat pada gambar 8 dan 9.
Gambar 7. Skema rancangan mesin pencacah dan pengempa pelepah kelapa sawit tampak atas
Daya motor yang dibutuhkan mesin pencacah dan pengempa pelepah dengan diameter silinder pengempa yang ditentukan 0.25 m dan gaya tekan silinder 4353.48 N adalah sebesar 7.6 HP. Dalam hal ini sumber tenaga gerak dapat menggunakan motor dengan daya 10 HP. Diameter silinder pengempa yang ditentukan dapat mengempa rata-rata lebar batang pelepah sebesar 17 cm.
Efisiensi penyaluran daya oleh puli untuk poros diasumsikan 95%. Torsi pengempa yang diberikan 50 rpm sehingga bahan poros yang sesuai digunakan adalah S45C-D-tanpa dilunakkan dengan diameter poros (beserta bantalan) sebesar 85 mm. Diameter poros sebesar 85 mm sesuai digunakan karena konsentrasi tegangan pada poros bertangga yaitu 5.60 dan lebih besar dari konsentrasi tegangan pada poros dengan alur pasak yaitu 5.48.
Penentuan puli dan sabuk dari motor penggerak ke gearbox dapat dilakukan dengan menggunakan poros input gearbox 22 mm dan jarak antar poros 400.68 mm. Torsi motor penggerak sebesar 2000 rpm dan torsi gearbox 3000 rpm maka tipe sabuk yang sesuai adalah tipe B berpenampang V dengan standar nomor 50 dan panjang sabuk 1270 mm. Jumlah puli yang digunakan dalam perancangan adalah 2 buah dengan diameter luar masing-masing 126 mm dan 241 mm.
Gambar 8. Skema rancangan mesin pencacah dan pengempa pelepah kelapa sawit tampak samping
Pada penyaluran daya oleh puli dengan tingkat efisiensi yang sama 95%, torsi pemotong daun yang diberikan sebesar 450 rpm sehingga bahan poros penggunting yang sesuai digunakan adalah S45C-D-tanpa dilunakkan dengan diameter poros (beserta bantalan) sebesar 40 mm. Diameter poros sebesar 40 mm sesuai digunakan karena konsentrasi tegangan pada poros bertangga yaitu 5.40 dan lebih besar dari konsentrasi tegangan pada poros dengan alur pasak yaitu 4.87.
Gambar 9. Skema rancangan mesin pencacah dan pengempa pelepah kelapa sawit tampak depan
Torsi pencacah daun diberikan sebesar 1000 rpm sehingga bahan poros pencacah yang sesuai digunakan adalah S45C-D-tanpa dilunakkan dengan diameter poros (beserta bantalan) sebesar 30 mm. Diameter poros sebesar 40 mm sesuai digunakan karena konsentrasi tegangan pada poros bertangga yaitu 5.74 dan lebih besar dari konsentrasi tegangan pada poros dengan alur pasak yaitu 5.47.
Selanjutnya penentuan puli dan sabuk dari motor penggerak ke poros pencacah dilakukan dengan diameter 30 mm dan jarak antar poros 812.61 mm. Torsi motor penggerak sebesar 2000 rpm dan torsi poros pencacah 1000 rpm maka tipe sabuk yang sesuai adalah tipe B berpenampang V dengan standar nomor 86 dan panjang sabuk 2184 mm. Jumlah puli yang digunakan dalam perancangan adalah 2 buah dengan diameter luar masing-masing 126 mm dan 241 mm.
Penentuan rantai dan sproket dari gearbox ke poros pemotong, diameter poros input yang diberikan 40 mm dan jarak antar poros 389.61 mm. Panjang total alat reduksi 580 mm, torsi gearbox 150 rpm dan torsi pemotong 450 rpm maka tipe rantai yang sesuai adalah rantai rangkaian tunggal dengan standar nomor 60, panjang penampang offset 68 mm dan jarak sumbu rangkaian C adalah 974.35 mm.
Rantai dan sproket dari gearbox ke poros pengempa dapat ditentukan dengan diameter poros input 80 mm dan jarak antar poros 515.25 mm. Panjang total alat reduksi 720 mm, torsi gearbox 150 rpm dan torsi pengempa 50 rpm maka tipe rantai yang sesuai adalah rantai rangkaian tunggal dengan standar nomor 60, panjang penampang offset 81 mm dan jarak sumbu rangkaian C adalah 1291.2 mm.
KESIMPULAN
1. Potensi limbah pelepah kelapa sawit mencapai 11.9 ton/ha untuk setiap tahunnya dengan rata-rata panjang dari pelepah adalah 675.89 cm dan rata-rata panjang daun adalah 63.86 cm.
2. Bagian rachis pada batang pelepah memiliki memiliki kekuatan tekan yang lebih tinggi sebesar 101925,98 kg.mm
dibandingkan kekuatan tekan di bagian petiole sebesar 7571.95 kg.mm.
3. Dengan kebutuhan daya penggerak 7.6 HP maka sumber tenaga penggerak dengan daya 10 HP sesuai digunakan dalam perancangan mesin pencacah dan pengempa pelepah kelapa sawit.
4. Penyaluran daya pada mesin pencacah dan pengempa pelepah kelapa sawit dapat menggunakan sabuk dengan tipe V.
5. Tipe rantai komponen penggerak mesin pencacah dan pengempa pelepah menggunakan rantai rangkaian tunggal.
DAFTAR PUSTAKA
Aholoukpe H, Dubos B, Deleporte P, Amadji G, Chotte JL, Blavet D. 2013. Estimating Aboveground Biomass Of Oil Palm: Allometric Equations For Estimating Frond Biomass. Forest Ecology and Management 292: 122-129. Corley RHV, Gray BS, NG SK. 1971. Productivity of the oil palm (Elaeis guineensis Jacq.) in Malaysia. Expl. Agric., 7: 129-136.
Intara YI, Suastawa IN, Setiawan RPA. 2005. Physical and mechanical properties of parenchyma of leaf and fruits stem of palmoil. Jurnal Keteknikan Pertanian. 19(2): 117-126 (in english abstract) Rupani PF, Singh RP, Ibrahim MH, Esa N.
2010. Review of current palm oil mill effluent (POME) treatment methods: vermicomposting as a sustainable practice. World Applied Sciences Journal 10(10): 1190-1201, 2010. Sularso dan Suga K. 2004. Dasar Perancangan
dan Pemilihan Elemen Mesin. PT Pradnya Paramita. Jakarta.
