Pemodelan matematis digester kontinyu horisontal untuk produksi biogas dari kotoran sapi

SIREGAR, Nobel Christian, Wiratni, S.T.,M.T.,Ph.D

2008 | Tesis | S2 Teknik Kimia

Negara Indonesia terdiri atas banyak daerah (pedesaan) yang memiliki ternak dalam jumlah yang cukup besar. Kotoran ternak dibiarkan bertumpuk dekat kandang atau sekedar dijadikan kompos. Salah satu jenis kotoran ternak yang potensial dimanfaatkan untuk proses pembentukan biogas adalah kotoran sapi. Untuk memproduksi biogas dari kotoran sapi, digunakan suatu unit yang disebut digester. Digester berupa sumuran vertikal sudah dikenal masyarakat dan telah diaplikasikan di banyak tempat. Salah satu kelemahan sistem digester ini adalah perlunya investasi yang cukup besar dan kerepotan untuk mengeluarkan residunya jika suatu saat digester penuh. Variasi digester yang lebih praktis adalah digester horisontal dimana kotoran sapi dimasukkan pada satu ujung sementara dari ujung yang lain secara kontinyu diperoleh residu yang dapat dimanfaatkan sebagai pupuk. Penelitian ini bertujuan untuk menyusun model matematis yang menggambarkan secara kuantitatif kinerja digester horisontal kontinyu untuk proses pembentukan biogas. Dengan menggunakan model ini, seseorang dapat memperkirakan laju alir umpan optimum untuk digester dengan panjang tertentu atau menghitung panjang digester pada ketersediaan jumlah umpan tertentu. Disamping itu, model ini juga dapat memperkirakan selektivitas produksi metana terhadap pembentukan karbon dioksida. Data kinetik diperoleh dari digester yang terbuat dari pipa PVC dengan panjang 4m, 5m, dan 6m. Awalnya, digester diisi dengan slurry kotoran sapi hingga 80% dari volume digester tersebut telah terisi dan kemudian dijaga dalam keadaan tertutup selama 25 hari. Selama proses pencernaan awal ini, gas mulai terakumulasi dalam penampung gas. Sampel diambil secara periodik untuk mendapatkan data kinetik unsteady state. Setelah 25 hari, gas yang terakumulasi dalam penampung gas dikeluarkan dan operasi kontinyu pada digester dimulai dengan memasukkan umpan ke digester dengan laju alir slurry 15 kg/hari (5 kg/hari kotoran sapi dicampur dengan 10 kg/hari air pengencer). Sampel juga diambil selama operasi kontinyu ini untuk mendapatkan data kinetik steady state. Nilai konstanta pada model ini dihitung dengan menyesuaikan model dengan menggunakan data percobaan. Konstanta dalam model kecepatan peruraian substrat ditentukan dengan menggunakan data steady state. Model matematis menunjukkan bahwa kecepatan penguraian substrat mengikuti order satu terhadap konsentrasi substrat. Selektivitas ditentukan dengan menggunakan data unsteady state. Perhitungan dengan menggunakan model yang telah didapatkan menunjukkan bahwa selektivitas metana yang dihasilkan pada digester yang telah diinstalasi adalah masih relatif rendah yaitu sebesar 0,43. Hal ini menunjukkan bahwa konstruksi digester masih perlu dievaluasi untuk meningkatkan selektivitasnya. Selanjutnya, perhitungan dengan model matematis menunjukkan bahwa pada perbandingan kotoran sapi : air sebesar 1:2, dan panjang digester 6m, diperoleh laju alir umpan optimum adalah 30 kg/hari.

Indonesia comprises many villages in which people generally possess cattles as one form of their saving. Cattle manure is left accumulated in the surrounding of the penhouse or only used as fertilizer. One kind of cattle waste from which we can take advantage to produce biogas is cow manure. A unit used to produce biogas from cow manure is called digester. Vertical tank digester has been widely applied in many areas. One of disadvantage of this kind of biodigester is its expensive cost and difficulties to withdraw the residue. A more practically digester is the horizontal continuous digester where the manure is introduced at one end of the digester and exits as residue at the other end and can be directly used as fertilizer. The aim of this research is to develop a mathematical model to quantitatively describe the performance of continuous horizontal digester for biogas production. By mean of the model, ones can estimate the optimum flow rate for digester of certain length or calculate the required length of digester of certain amount of feed. Besides the model can also predict the selectivity of methane production over carbon dioxide formation. Kinetic data were obtained in the digesters made of 12” PVC pipe of 4m, 5m, and 6m long. Initially the digester was filled with slurry of cow manure until about 80% of its volume was filled and then it was kept closed for 25 days. During this initial digestion, gas started to accumulate in the gas holder. Samples were withdrawn periodically to obtain unsteady state kinetic data. After 25 days, the gas accumulated in the gas holder was purged and the continuous operation of the digester was started by feeding the digester with a constant flow rate of 15 kg/day which consist of 5 kg/day manure mixed with 10 kg/day diluted water. Samples were also taken during this continuous operation to get the steady state kinetic data. The values of constants in the model were determined by fitting the model using experimental data. The constants in the model of substrate consumption rate were determined using steady state data. The mathematical model indicated that substrate consumption followed first order reaction with respect of substrate concentration. Selectivity was determined by utilizing unsteady state data. Calculation using the obtained models indicated that the selectivity of the installed digester towards methane was as low as 0.43. This indicated that the digester construction still needed to be evaluated to improve its selectivity. Furthermore, calculation showed that the ratio of manure: water was 1:2, and length of 6m, the optimum flow rate was 30 kg/day.

Kata Kunci : biogas, metana, selektivitas, kinetik, biodigester kontinyu, biogas, methane, selectivity, kinetics, continuous biodigester