1

Abstract—Bioreaktor merupakan media terjadinya proses fermentasi dari limbah organik oleh bakteri pengurai anaerob yang akan menghasilkan gas metan (CH4) sebagai kandungan terbesarnya. Untuk mengetahui kondisi dari proses diperlukan monitoring dari besaran fisis terkait pada makalah ini pengukuran pH dan laju aliran biogas digunakan untuk mengetahui kondisi dari bioreaktor anaerob kontinyu. Sensor pH yang digunakan adalah sensor pH dengan metode potensiometri menggunakan jembatan garam. Sensor pH ini memiliki error pembacaan (RMSE) sebesar 0,1. Sedangkan untuk sensor laju aliran biogas menggunakan sensor ultrasonik sebagai pengukur variasi jarak dari permukaan air akibat biogas yang dihasilkan bioreaktor. Hasil validasi sensor laju aliran biogas terhadap volume gelas ukur diperoleh nilai RMSE sebesar 4,23 ml/jam. Teknik monitoring menggunakan metode SPC grafik kontrol individual yang dilengkapi indikator lampu apabila terjadi out of control. Telah dilakukan percobaan sistem monitoring secara on

line dengan diberi gangguan, sistem monitoring mampu merespon dengan menyalanya alarm indikator saat terjadi kondisi out of control pada nilai laju aliran biogas. Kata Kunci— Bioreaktor anaerob kontinyu, Bioreaktor anaerob batch, sistem monitoring on-line, potensiometri, out of control.

I. PENDAHULUAN Bioreaktor merupakan media berbentuk tangki yang sangat efektif untuk mengolah limbah organik suatu industri. Pengolahan limbah organik dapat dibedakan menjadi dua proses yaitu proses aerobik dan anaerobik. Pada proses aerobik proses sangat tergantung dari adanya oksigen, sedangkan dalam proses anaerobik justru sebaliknya karena oksigen akan menghambat jalannya proses. Hasil pengolahan limbah secara anaerob berupa gas metana (CH4). Bioreaktor anaerob dibedakan menjadi 2, yaitu bioreaktor tipe batch dan bioreaktor tipe kontinyu. Pada bioreaktor tipe batch limbah organik akan ditutup dalam bioreaktor selama waktu tertentu tergantung pada jumlah bahan yang dimasukkan. Bioreaktor tipe batch cocok digunakan ketika limbah organik tersedia pada waktu – waktu tertentu dan bila memiliki kandungan padatan tinggi (25%). Bila bahan berserat/sulit untuk diproses, tipe batch akan lebih cocok dibanding tipe aliran kontinyu (continuos flow), karena lama proses dapat ditingkatkan dengan mudah. Bila proses terjadi kesalahan, misalnya karena bahan beracun, proses dapat dihentikan dan dimulai dengan yang baru (AMARU, 2004).

Pada bioreaktor tipe kontinyu, bahan dimasukkan ke dalam digester secara teratur pada satu ujung dan setelah melalui jarak tertentu, keluar di ujung yang lain. Tipe ini mengatasi masalah proses pemasukan dan pengosongan yang terjadi pada tipe batch. Penelitian tentang pengolahan limbah cair organik industri sebagai bahan dalam menghasilkan biogas telah banyak dilakukan oleh pabrik-pabrik modern. Selain untuk menjaga agar tidak merusak lingkungan, juga untuk mendapatkan untung dengan hasil biogas yang dapat digunakan untuk bahan bakar. Namun bioreaktor yang digunakan hanya sebatas pada proses saja dan tidak tersedia alat untuk memonitor atau mengendalikan parameter-parameter dalam reaktor tersebut. Padahal mikroorganisme yang ada di dalam bioreaktor anaerob sangat peka terhadap perubahan debit limbah yang masuk karena dapat memprovokasi kematian mikro-organisme yang ada. Fenomena ini dikenal dengan fenomena pencucian atau “wash-out“. Disamping itu keberadaan oksigen merupakan racun bagi mikro-organisme anaerob. Proses yang terjadi pada bioreaktor kontinyu merupakan proses yang komplek, dimana kehidupan menjadi bagian dari sistem yang harus dimonitor dan dikendalikan. Monitoring ini ditujukan pada besaran fisis yang merepresentasikan kondisi dari bakteri, yaitu pH dan laju biogas yang dihasilkan. Statistical process control (SPC) adalah suatu teknik yang dapat digunakan untuk melakukan evaluasi terhadap performansi suatu proses yang memanfaatkan metode statistik untuk memonitor, menganalisa, mengontrol dan mempengaruhi perbaikan performansi produk dan proses menggunakan metode-metode statistik. SPC akan digunakan sebagai metode dalam sistem monitoring dari bioreaktor anaerob kontinyu. Pada penelitian ini, akan dilakukan perancangan dan pembuat sistem monitoring secara on-line dengan menggunakan metode SPC pada plant biogas anaerob kontinyu yang dapat memberikan informasi secara cepat dan tepat tentang kondisi operasi bioreaktor. Untuk menghindari melebarnya permasalahan dan melebarnya topik penelitian, diambil batasan masalah sebagai berikut:

1. Menggunakan mikrokontroler ATMEGA 8535 sebagai akuisisi data.

2. Variabel yang diukur adalah pH dan laju aliran biogas.

3. Metode SPC yang digunakan adalah grafik kontrol individual.

Rancang Bangun Sistem Monitoring Dengan Metode SPC (Statistical Process Control) Secara On-Line Pada Plant Bioreaktor

Anaerob Kontinyu Ariyanto, Katherin Indriawati, ST,MT

Jurusan Teknik Fisika FTI ITS Surabaya, Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Telp: +6231-5947188 Fax: +6231-5923626

Email: ariyanto@ep.its.ac.id

2

4. Pengukuran laju aliran biogas menggunakan prinsip perubahan ketinggian dalam 1 jam.

II. DASAR TEORI

A. Bioreaktor Anaerob

Bioreaktor anaerob merupakan suatu tangki yang sangat efektif untuk mengolah limbah organik pada industri, dimana hasil samping dari pengolahan limbah ini berupa gas metan (CH4). Pada bioreaktor anaerob, substrat yang masuk berupa limbah organik yang merupakan nutrisi bagi mikroorganisme untuk tumbuh dan berkembang pada kondisi lingkungan yang mendukung.

Bioreaktor Tipe Batch Pada tipe batch bahan organik ditempatkan di tangki

tertutup dan diproses secara anaerobik selama 2 – 6 bulan tergantung pada jumlah bahan yang dimasukkan. Isi dari bioreaktor biasanya dihangatkan dan dipertahankan suhunya. Selain itu kadangkala diaduk untuk melepaskan gelembung- gelembung gas dari sludge.

Gambar 2.1. Bioreaktor tipe batch [Amaru,2004]

Tipe batch memiliki keuntungan lain yaitu dapat

digunakan ketika bahan tersedia pada waktu – waktu tertentu dan bila memiliki kandungan padatan tinggi (25%). Bila bahan berserat/ sulit untuk diproses, tipe batch akan lebih cocok dibanding tipe aliran kontinyu (continuos flow), karena lama proses dapat ditingkatkan dengan mudah. Bila proses terjadi kesalahan, misalnya karena bahan beracun, proses dapat dihentikan dan dimulai dengan yang baru.

Bioreaktor Tipe Aliran Kontinyu (Continuos Flow) Pada tipe aliran kontinyu bahan dimasukkan ke dalam

digester secara teratur pada satu ujung dan setelah melalui jarak tertentu, keluar di ujung yang lain. Tipe ini mengatasi masalah pada proses pemasukan dan pengosongan pada tipe batch. Terdapat dua jenis dari tipe aliran kontinyu:

Vertikal, dikembangkan oleh Gobar Gas Institute, India

Horisontal, dikembangkan oleh Fry di Afrika Selatan dan California, selain itu dikembangkan oleh Biogas Plant Ltd. dengan bioreaktor yang terbuat dari karet Butyl (butyl ruber bag).

B. Proses Pada Bioreaktor Anaerob

Proses yang terjadi di dalam bioreaktor anaerob adalah proses fermentasi limbah oleh mikroorganisme dan dapat pula disebut sebagai anaerobic digestion (pencernaan anaerob). Proses fermentasi merupakan proses degradasi suatu komponen menjadi komponen lain yang berbeda sifat secara kimia dan fisika yang diakibatkan kinerja dari

mikroorganisme. Anaerobic digestion (AD) juga dapat didefinisikan sebagai konversi bahan organik menjadi gas metana, karbon dioksida, dan lumpur melalui penggunaan bakteri dalam lingkungan yang oksigennya banyak dikurangi. Dapat pula dikatakan bahwa AD adalah proses penguraian senyawa organik menjadi komponen kimia yang lebih sederhana tanpa menggunakan oksigen.

Bioreaktor anaerob dapat digunakan untuk mengolah limbah yang bersifat biodegradable dan menghasilkan biogas yang digunakan sebagai bioenergi. Biogas menghasilkan listrik dan panas yang dapat dijual ke bagian utilitas dalam suatu pabrik, selain itu juga dapat mensubstitusi kebutuhan minyak dan bahan bakar fosil.

Tahapan fermentasi pada bioreaktor anaerob dapat dikelompokkan menjadi empat tahapan proses, yaitu hidrolisis, acidogenesis, acetogenesis, dan methanogenesis. Deskripsi dari masing-masing proses dapat direpresentasikan seperti gambar 2.2.

Gambar 2.2. Skema fermentasi bioreaktor anaerob [Lansing, Martin,

Botero, Nogueira, Dias, 2010]

C. Parameter Dalam Proses Penguraian Anaerob

Laju pertumbuhan mikroorganisme adalah hal yang penting dalam penguraian anaerob ini. Parameter dari penguraian ini harus dikontrol untuk mempertinggi aktivitas mikroba dan menambah efisiensi penguraian anaerob pada sistem. Tabel 2.1. Kondisi Operasional yang dapat diterima oleh

bakteri untuk aktifitas produksi biogas

3

cBakteri yang memproduksi biogas merupakan bakteri anaerob yang sangat sensitif terhadap perubahan pH dan temperatur. Kondisi operasional di bioreaktor harus dipantau secara berkala dan dipelihara dalam rentang optimal. Temperatur

Gas metana dapat diproduksi pada tiga range temperatur sesuai dengan bakteri yang hadir. Bakteri psyhrophilic 5 – 27°C, bakteri mesophilic pada temperatur 13–40°C sedangkan thermophilic pada temperatur 55– 60°C. Temperatur yang optimal untuk digester adalah temperatur 30– 35°C, kisaran temperatur ini mengkombinasikan kondisi terbaik untuk pertumbuhan bakteri dan produksi methana di dalam digester dengan lama proses yang pendek.

Derajat Keasaman (pH) Derajat keasaman memiliki efek terhadap aktivasi

biologi dan mempertahankan pH agar stabil penting untuk semua kehidupan mikroba. Kebanyakan dari proses kehidupan mikroba memiliki kisaran pH antara 5 – 9. Nilai pH yang baik yang dibutuhkan untuk digester antara 6.5–7,5. Bila proses tidak dimulai dengan membibitkan bakteri methana, seperti memasukkan kotoran hewan ke dalam kolam, kondisi buffer tidak akan tercipta.

Saat karbondioksida dan metana diproduksi dan pH perlahan meningkat hingga 7. Ketika campuran menjadi berkurang keasamannya maka fermentasi metanalah yang mengambil alih proses pencernaan. Sehingga nilai pH meningkat diatas netral hingga 7,5 – 8,5. Setelah itu campuran menjadi buffer yang mantap (well buffered), dimana bila dimasukkan asam/basa dalam jumlah yang banyak, campuran akan stabil dengan sendirinya pada pH 7,5 – 8,5.

D. Sensor pH

Pada pembuatan sensor pH ini digunakan teknik potensiometrik, yaitu sebuah ilmu yang mempelajari perubahan potensial dari elektroda untuk mengetahui konsentrasi dari suatu larutan. Sensor pH dibuat dengan menggunakan jembatan garam. Sensor pH dengan jembatan garam ini dibuat dengan menggunakan campuran agar-agar dengan garam yang dimasukkan dalam selang plastik yang akan digunakan sebagai jembatan garamnya, atau media penghubung antara media cair yang satu dengan media cair yang lain. Elektroda dipasang dikedua cairan pH yaitu cairan pH referensi dan cairan pH yang diukur. Elektroda satu digunakan sebagai referensi dan elektroda satunya digunakan sebagai elektroda ukur.

E. Sensor Laju Aliran

Dalam pembuatan sensor laju aliran ini akan digunakan sensor pengukur jarak ultrasonik PING ))) dengan melakukan sedikit modifikasi. Sensor jarak ultrasonik PING))) buatan Parallax merupakan sensor jarak yang presisi, yang dapat melakukan pengukuran jarak 2 cm sampai 3 meter, pada kasus ini akan digunakan sebagai sensor laju aliran. Sensor PING))) bekerja dengan cara memancarkan sinyal ultrasonik sesaat dan menghasilkan pulsa output yang sesuai dengan waktu pantul sinyal ultrasonik sesaat kembali menuju sensor. Dengan mengukur lebar pulsa pantulan tersebut jarak target didepan sensor dapat diketahui. Konfigurasi Pin :

Gambar 2.3. Konfigurasi pin dari kaki sensor ultrasonik PING

Sensor ini akan digunakan sebagai sensor laju aliran dari biogas yang dihasilkan. Dengan mengetahui selisih jarak dari tinggi permukaan air dalam jangka waktu tertantu, akan diketahui nilai dari laju aliran biogas. Biogas yang dihasilkan akan masuk dalam gas kolektor melewati selang, dan mendorong air didalam gas kolektor turun. Air didalam gas kolektor yang turun akan memambah volume air di bak penampung, sehingga tinggi permukaan air akan naik. Dengan menggunakan sensor ultasonik, jarak permukaan air terhadap sensor dapat diketahui. Untuk periode tertentu sensor ultrasonik akan mensensing jarak permukaan air dan akan membandingkan dengan jarak permukaan air sebelumnya. Dari perbandingan jarak permukaan air tersebut dapat diketahui selisih dari jarak permukaan air, selisih jarak air persatuan waktu dari periode sensing jarak air akan menghasilkan laju aliran.

F. Statistical Process Control (SPC)

Tujuan utama dari metode SPC secara umum adalah untuk meningkatkan kualitas produk dan jasa. SPC ini menyajikan berbagai metode yang dapat digunakan untuk melakukan berbagai jenis analisis yang berkaitan dengan kualitas. Bagan kontrol kualitas secara luas digunakan dalam industri untuk berbagai tujuan termasuk untuk memperoleh informasi apakah proses berada dalam keadaan control atau tidak, dan untuk menyediakan informasi untuk keputusan-keputusan mengenai prosedur pemeriksaan atau spesifikasi produk. Sebuah bagan kontrol mungkin hanya dapat digambarkan sebagai pendekatan grafis yang digunakan untuk menentukan apakah suatu proses berada dalam sebuah "daerah kontrol statistik" atau di luar kendali.

GAMBAR 2.4. Sketsa kasar dari bagan kontrol.

Pembangunan bagan control didasarkan pada prinsip-prinsip statistik dan distribusi. Gambar dibawah menunjukkan bentuk dasar dari bagan kontrol. Pada dasarnya, tabel terdiri dari tiga item: mean, kontrol atas batas (UCL), dan batas kontrol bawah (LCL).

Biasanya, nilai-nilai sampel acak yang diambil dari sebuah proses yang digambarkan pada bagan kontrol. Ketika sebuah nilai sampel jatuh di luar atas dan bawah batas-batas kontrol, itu menandakan bahwa proses berada di luar kendali

4

statistik. Persamaan batas atas dan bawah adalah sebagai berikut.

UCL x + 3σ (2.1) LCL = x - 3σ (2.2)

Dimana : - UCL = Batas atas = Upper control limit - LCL = Batas bawah = Lower control limit - x = Data rata-rata

- = = Standart deviasi

III. METODE Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai metodologi

yang digunakan dalam penelitian ini. Metodologi ini direpresentasikan dalam diagram alir seperti pada gambar 3.1 berikut ini.

Gambar 3.1. Diagram alir metodologi penelitian

A. Pembuatan Sensor

Pada penelitian kali ini akan dibuat dua sensor yaitu sensor pH dan sensor laju aliran gas. Dalam pembuatan sensor ini dibutuhkan beberapa komponen yang mendukung berjalannya sensor. Mulai dari rangkaian catu daya, rangkaian pengkondisian sinyal, rangkaian pemrosesan sinyal dan tampilan. Sensor pH Pada pembuatan sensor pH ini digunakan teknik potensiometrik, yaitu sebuah ilmu yang mempelajari perubahan potensial dari elektroda untuk mengetahui

konsentrasi dari suatu larutan. Alat dan bahan yang digunakan dalam pembuatannya adalah:

- Catu daya 5 volt sebagai suplay rangkaian sensor - Aki 24 volt sebagai suplay elektroda referensi - Regulator 7805 sebagai penurun tegangan dari aki - Relay 5 volt sebagai pemutus tegangan untuk

menghindari polarisasi pada sensor - 2 buah karbon dari baterai sebagai elektroda. - Selang pelastik - 3 sendok makan garam dapur (75 gram) - ½ bungkus Agar-agar - Rangkaian minimum sistem mikrokontroler - LCD display

Adapun prosedur dari pembuatan sensor pH adalah dimulai dari pembuatan dua elektroda yang diperoleh dari karbon batang baterai. Karbon batang dari baterai dibungkus dengan kabel pada salah satu ujungnya dan dihubungkan dengan rangkaian lain. Elektroda dari karbon batang ini akan digunakan sebagai elektroda referensi dan elektroda pengukuran.

Elektroda referensi dihubungkan dengan suplay dari aki 24 volt yang telah diturunkan tegangannya oleh regulator 7805 menjadi 5 volt, dimana elektroda referensi akan diberi tegangan referensi dan akan dicelupkan pada cairan referensi dengan nilai pH 7 pada kasus ini. Relay difungsikan sebagai pemutus catu daya aki yang digunakan untuk menyuplai tegangan referensi. Penggunaan relay ini digunakan pada saat melakukan monitoring dimana relay akan digerakkan oleh mikrokontroler. Relay yang digunakan memiliki spesifikasi seperti kemampuan switching maksimal 2A dan sensitifitas tinggi (150 mW).

Sinyal keluaran sensor dari rangkaian sensor diumpan ke rangkain filter. Rangkaian filter yang digunakan pada rangkaian ini adalah low pass filter. Low pass filter akan menapis frekuensi tinggi dari tegangan dan melewatkan frekuensi yang rendah. Rangkaian low pass filter terdiri dari capasitor dan resistor yang dirangkai seperti gambar 3.2.

Gambar 3.2. Rangkaian low pass filter

Berdasarkan nilai resistor dan kapasitor dari rangkaian low pass filter dapat ditentukan nilai cut off. Nilai cut off ini merupakan nilai frekuensi untuk meloloskan frekuensi sinyal elektrik yang masuk ke rangkaian low pass

filter menuju ADC. Rumus untuk menghitung nilai cut off sebagai berikut :

(3.1)

Sehingga nilai cut off dari rangkaian low pass filter pada gambar 3.2 adalah :

5

Keluaran dari low pass filter akan menuju rangkaian minimum sistem mikrokontroler ATMega 8535. Rangkaian minimum sistem mikrokontroler ATMega 8535. Pada mikrokontroler ini masukan dari rangkaian sensor akan masuk ke ADC. Pada ADC sinyal analog pengukuran dari tegangan analog menjadi tegangan digital. Selanjutnya oleh mikrokontroler nilai tegangan ADC akan dikonversi menjadi nilai pH dengan persamaan :

pH = -0.0356 * ADC + 19.3 (3.2) Persamaan ini diperoleh dari hasil pengukuran dan grafik hubungan antara Ph dengan tegangan ADC sensor. Hasil dari konversi ini oleh mikrokontroler akan ditampilkankan pada LCD.

Sensor Laju Aliran Gas Dalam pembuatan sensor laju aliran digunakan

sensor pengukur jarak ultrasonik PING ))) dengan melakukan sedikit modifikasi. Sensor jarak ultrasonik PING))) buatan Parallax merupakan sensor jarak yang presisi, yang dapat melakukan pengukuran jarak 2 cm sampai 3 meter, pada kasus ini akan digunakan sebagai sensor laju aliran. Sensor PING))) bekerja dengan cara memancarkan sinyal ultrasonik sesaat dan menghasilkan pulsa output yang sesuai dengan waktu pantul sinyal ultrasonik sesaat kembali menuju sensor. Dengan mengukur lebar pulsa pantulan tersebut jarak target didepan sensor dapat diketahui. Fitur dari sensor ultasonik PING ))) sebagai berikut : • Tegangan suplay : 5 VDC • Konsumsi arus : 30 mA typ; 35 mA max • Jarak : 2 cm to 3 m (0.8 in to 3.3 yrds) • Input Trigger : positive TTL pulse, 2 uS min, 5 μs typ. • Echo Pulse : positive TTL pulse, 115 uS to 18.5 ms • Echo Hold-off : 750 μs from fall of Trigger pulse • Burst Frequency : 40 kHz for 200 μs • Burst Indicator LED shows sensor activity • Delay before next measurement – 200 μs • Size – 22 mm H x 46 mm W x 16 mm D (0.84 in x 1.8 in x

0.6 in) Konfigurasi Pin :

Gambar 3.3. Konfigurasi pin dari kaki sensor ultrasonik PING

Sensor ultrasonik yang akan memancarkan gelombang ultrasonik dari ultrasonik transmiter dan akan dihitung waktu pantulnya sampai ultrasonik receiver menerima ultrasonik yang dipancarkan ultrasonik transmiter dan telah dipantulkan oleh benda. Dari waktu pantul tersebut dapat diketahui jarak benda terhadap sensor tersebut. Dengan cara mengkalkulasi dengan persamaan :

(3.3)

Biogas yang dihasilkan oleh bioreaktor akan masuk dalam gas kolektor melewati selang, dan mendorong air didalam gas kolektor turun. Air didalam gas kolektor yang turun akan memambah volume air di bak penampung, sehingga tinggi permukaan air akan naik. Dengan menggunakan sensor ultasonik, jarak permukaan air terhadap sensor dapat diketahui. Untuk periode tertentu ( ∆t ) sensor ultrasonik akan mengukur jarak permukaan air dan akan membandingkan dengan jarak permukaan air pada waktu pengukuran sebelumnya.

Gambar 3.4. Peletaan sensor jarak pada gas kolektor

Dari dua data jarak permukaan air tersebut dapat diketahui selisih jarak permukaan air (∆X). Dinyatakan dalam bentuk persamaan sebagai berikut :

(3.4)

Dimana : Q = debit = laju volume (ml/jam) ∆V = volume gas kolektor (ml) ∆t = waktu sampel (jam) ∆X = selisih jarak (cm) A = luasan penampung air ( )

B. Uji Sensor

Sensor pH Pada tahap uji sensor ini bertujuan untuk

menentukan kelayakan dari sensor yang telah dibuat. Beberapa uji kinerja sensor pH yang akan dilakukan meliputi uji linearitas, uji sensitivitas, uji time response, uji perbandingan hasil pH meter dengan hasil pengukuran dari sensor pH dengan jembatan garam.

Pada uji linearitas dilakukan pengukuran beberapa sampel pH dan dibandingkan dengan nilai tegangan ADC. Dari data pH dengan ADC ini dapat digunakan untuk mencari sensitivitas yaitu dari nilai perubahan tegangan ADC menjadi pH. Sedangkan untuk uji time response dilakukan pengukuran terhadap nilai pH tertentu dan dilihat respon dari pembacaan pH-nya sampai respon pH mengalami steady. Untuk pembanding dari sensor yang dibuat digunakanlah pH meter.

Sensor Laju Aliran Biogas

6

Uji sensor laju aliran biogas untuk menentukan linieritas dilakukan dengan membuat grafik hubungan antara selisih jarak dari kenaikan permukaan air akibat produksi biogas dengan volume biogas didalam gas kolektor. Data ini diperoleh dengan memberikan gas masukan kedalam gas kolektor sebesar 10 ml, kemudian dilihat perubahan jarak yang terjadi pada permukaan air. Gas kolektor diberi masukan gas sebesar 10 ml sampai gas memenuhi semua volume gas kolektor, dan dilihat nilai selisih jarak tiap mendapatkan masukan gas pada gas kolektor. Dari hasil pengukuran selisih jarak dengan volume gas kolektor dapat digunakan untuk menghitung karakteristik statik lainnya.

C. Perancangan Sistem Monitoring

Pembuatan sistem monitoring dimulai dengan pembuatan sistem akuisisi data, peracangan software, dan integrasi sensor.

- Pembuatan Sistem Akuisisi Data

Pembuatan sistem akuisisi data akan menggunakan minimum sistem ATMega 8535. Minimum sistem ini dilengkapi dengan komunikasi serial ke PC dengan menggunakan RS-232 interfacing. Rangkaian serial digunakan untuk komunikasi antara mikrokontroler dengan software Labview. Untuk rangkaian serial ini digunakan rangkaian serial dengan TTL, selain itu ada juga rangkaian serial dengan menggunakan IC MAX 232. Rangkaian serial TTL ini mempunyai baud rate maksimal sebesar 9600 bit per second. Dengan baud rate sebesar 9600 bit per second ini, akan mempengaruhi besarnya frekuesi sampling dalam pengiriman data melalui komunikasi serial. Pada rangkaian serial terdapat Tx yang memungkinkan terjadinya komunikasi data keluar dan Rx yang memungkinkan data masuk ke dalam mikrokontroler.

- Perancangan Software

Program Pada Mikrokontroler Program mikrokontroler sebagai akuisisi data, yaitu

masukan analog ADC, masukan digital, komunikasi serial dengan USART, keluaran digital dan timer. Program mikrokontroler untuk akuisisi data dan sistem monitoring bila ditampilkan dalam bentuk flow char seperti pada gambar 3.5.

Masukan analog berupa ADC akan digunakan sebagai inputan dari sensor pH. ADC ini menggunakan resolusi konversi sebesar 10 bit, sampling rate dari ADC sebesar 1000 kHz, dan tegangan referensi konversi ADC adalah Vcc yaitu sebesar 5 volt.

Komunikasi serial USART untuk mengatur komunikasi serial pada mikrokontroler sehingga dapat melakukan komunikasi dengan software Labview. Komunikasi serial USART memiliki spesifikasi sebagai berikut : baut rate 9600, baut rate error 0,2 %, comunication

parameters = 8 data, 1 stop, no parity. Spesifikasi ini merupakan standart atau default dari komunikasi serial.

Program Pada Labview

Pada Labview program yang digunakan sebagai interface digunakan MsComm control dari Visul Basic 6. Ini merupakan kompunen tambahan yang dimasukkan ke dalam Labview. Dengan adanya MSComm control ini bisa digunakan

untuk mengirim dan menerima data dari dan ke mikrokontroler. Yang perlu diperhatikan dalam komunikasi antara mikrokontroler dengan Labview seperti baud rate, CommPort, input mode. Nilai-nilai diatas harus sesuai dengan yang tertera pada mikrokontroler.Dalam pembuatan program Labview untuk akuisisi data dan monitoring dapat dibuat flow chart seperti pada gambar 3.6.

Konversi Char to Int dari set point

Char=b Kirim Data Counter sensor PING

Char=c Kirim Data Detik

Char=d

Aktifkan PORTB.2

Stop baca

perintah Labview

Stop Koneksi Serial

Ya

Ya

Ya

Ya

Tidak

Tidak

Tidak

Tidak

Tidak

Inisialisasi serial Inisialisasi Timer 1

Inisialisasi pewaktu detik Inisialisasi ADC interrupt

Inisialisasi Counter sensor PING

Char=a

Pembacaan Perintah dari Labview

Kirim Data ADC=a0 ke Labview

Labview baca nilai pH

Labview baca nilai jarak

Labview baca nilai laju gas

Labview baca nilai detik

Labview mengendalikan

pembacaan sensor

Relay on

Selenoid valve on

Start

End

Gambar 3.5. Flow chart program mikrokontroler

- Integrasi Sensor Untuk Monitoring Sistem monitoring pada Labview menggunakan MSCoom control dari Visual Basic 6. MSCoom control ini merupakan komponen yang berfungsi sebagai pengatur dari data yang dikirim dan diterima oleh Labview. Selain itu menggunakan juga fungsi pencacah 0 sampai 3 yang dibangkitkan oleh for loop structure . Pemakaian 4 sebagai nilai dari N iterasi karena pada program monitoring ini memiliki 3 inputan dan dan 1 keluaran kendali, dimana tiap pemanggilan data Labview akan mengirimkan data karakter. Program Labview tentang akuisisi data akan dibuat sub program pada program labview monitoring. Program timer digunakan sebagai waktu kapan akan dilakukannya pengambilan data. Timer disetting untuk pengambilan data laju aliran tiap 1 jam atau 3600 menit sekali, untuk pengambilan data pH pada range 1 jam – 1 3/4 jam atau

7

4500 – 6300 menit sekali. Hal ini dilakukan karena pada sensor pH akan terjadi polarisasi apabila sensor dalam kondisi hidup terus. Catu daya elektroda pH akan hidup selama 1 ¾ jam atau 6300 menit dimaksudkan supaya pembacaan sensor akan mengalami kestabilan.

Inisialisasi serial Labview

Int = 0

Kirim Char = a Ke mikrokontroler

Int = 1

Set Point

Int = 2 Baca counter sensor PING

Int = 3

Stop

koneksi

Ya

Ya

Ya

Ya

Tidak

Tidak

Tidak

Tidak

Tidak

Pengkodean perintah

int

[0,1,2,3]

Baca ADC = a0 dari mikrokontroler

Char = d

Kirim Char = SK Ke mikrokontroler

Kirim Char = b Ke mikrokontroler

Kirim Char = c Ke mikrokontroler

Baca Timer 1= detik

Matikan Koneksi Serial

Start

End

Gambar 3.6. Flow chart program Labview untuk sistem

monitoring Dimana dalam uji sensor sebelumnya didapatkan waktu 1 jam atau 4500 menit merupakan waktu dimana sensor telah mengalami kestabilan dalam membaca nilai pH. Program untuk menghidupkan dan mematikan catu daya ini terdapat pada program mikrokontroler. Pada program Labview hanya mememrogram timer untuk pengambilan data saja. Nilai ADC yang masuk keprogram Labview merupakan nilai ADC dari pembacaan sensor pH. Dimana dari hasil kalibrasi sensor didapatkan persamaan sebagai berikut :

pH = -0.0356 * ADC + 19.3 (3.5) Pada sensor laju aliran gas data yang masuk ke Labview adalah data counter. Data counter ini merupakan data dari waktu tempuh gelombang ultrasonik dari transmiter menuju receiver setelah mengalami pantulan oleh benda. Data counter selanjutnya dihitung dengan persamaan :

Jarak = 0,0216 * counter + 0,1962 (3.6) Untuk mengkonversi menjadi besaran jarak. Kemudian untuk menghitung laju aliran dari jarak adalah dengan menghitung selisih jarak dulu kemudian masuk persamaan untuk mengkonversi dari selisih jarak menjadi volume dalam waktu 1 jam sekali.

Volume = 211.84 * ∆X (3.7)

Persamaan ini didapat dari hasil perbandingan antara kenaikan 10 ml dari volume gelas ukur dengan hasil kenaikan permukaan air pada penampung air gas kolektor.

Setpoint ini digunakan untuk setpoint pH, dimana Labview akan mengirim data karakter dan string ke mikrokontroler sebagai sinyal kendali. Data karakter desimal perlu dirubah dalam bentuk interger agar bisa digunakan sebagai kendali ke aktuator.

D. Pembuatan Grafik Kontrol

Grafik pada Labview digunakan untuk menampilkan perubahan yang terjadi pada laju aliran gas dan pH. Pada grafik ini terdapat nilai batas baik itu batas atas UCL ataupun batas bawah LCL. Penentuan nilai batas atas dan batas bawah ini berdasarkan metode statistical process control (SPC). Dimana untuk penentuan UCL dan LCL berdasarkan data yang diperoleh sebelumnya. Data hasil monitoring sebelumnya akan dikalkulasi dengan persamaan dibawah untuk menentukak UCL dan LCL nya.

UCL x + 3σ

LCL = x - 3σ

Dimana : - UCL = Batas atas = Upper control limit

- LCL = Batas bawah = Lower control limit

- x = Data rata-rata

- = = Standart deviasi

Untuk sensor pH penentuan batas atas dan batas bawah telah ditentukan dari nilai pH yang diizinkan beroperasi pada bioreaktor yaitu pada pH 6,5 – 7,5.

IV. HASIL PENELITIAN

A. Karakteristik Statik Sensor

Karakteristik Statik Sensor pH Berdasarkan hasil pengujian sensor didapatkan data hubungan antara tegangan ADC dengan pH. Hubungan pH dengan nilai ADC dinyatakan dalam gambar 4.1.

Gambar 4.1. Grafik hubungan antara pH dengan ADC

Dari gambar 4.1 grafik hubungan antara pH dengan tegangan ADC dapat diketahui karakteristik statis dari sensor pH adalah :

8

- Linearitas Linearitas merupakan hubungan antara nilai masukan

dan nilai keluaran yang kedua-duanya harus berada dalam satu garis lurus. Grafik linieritas ditunjukkan pada gambar 3.7, dengan nilai R2= 0.9728.

- Sensitivitas Sensitivitas merupakan hubungan antara perubahan

nilai keluaran akibat pengaruh dari masukan. Dan tiap penambahan 3 ADC, pH akan mengalami kenaikan 0,1.

- Range

Sensor pH dengan jembatan garam yang telah dibuat memiliki range 5 – 9.

- Span Span merupakan maksimum variasi dari masukan atau keluaran. Span Output = Omax – Omin = 9 – 5 = 4.

Sedangkan untuk validasi sensor pH metode potensiometri dengan jembatan garam dari campuran agar-agar dan garam seperti pada table 4.1.

Tabel 4.1. Validasi nilai pH Labview dengan pHmeter

pH meter pH labview Error

7.2 7.3 0.1 0.01 7.1 7.2 0.1 0.01 7.1 7.2 0.1 0.01 7 7.1 0.1 0.01 7 7.1 0.1 0.01

7.1 7.2 0.1 0.01 7.1 7.2 0.1 0.01 7.1 7.1 0 0 7.1 7.2 0.1 0.01 7.1 7.4 0.3 0.09 7 7.2 0.2 0.04

7.1 7.2 0.1 0.01 7.1 7.1 0 0 7.1 7.3 0.2 0.04 7.2 7.4 0.2 0.04

0.3

Dari data diatas akan digunakan untuk menentukan nilai Root

Mean Square Error ( RMSE ). Hasil dari perhitungan menunjukan nilai RMSE sebesar , yang menunjukkan bahwa nilai pembacaan dari Labview mempunyai variasi data antara + dari nilai pH meter.

Jadi pH yang ditampilkan pada LabVIEW akan mempunyai varian pH terhadap pH meter sebesar adalah %0.7

% 100%RSME

RMSE xspan

0,1% 100%

14 0RMSE x

% % 0.7RMSE Karakteristik Statik Sensor Laju Aliran Berdasarkan hasil pengujian sensor didapatkan data hubungan antara laju volume gas pada gelas ukur dan laju volume air didalam bak penampung, ditunjukkan pada gambar 4.2.

Gambar 4.2. Grafik hubungan antara laju volume gas pada

gelas ukur dan laju volume air didalam bak penampung

Dari gambar 4.2. grafik hubungan antara laju volume gas pada gelas ukur dan laju volume air didalam bak penampung dapat diketahui karakteristik statis dari sensor pH adalah:

- Linearitas Linearitas merupakan hubungan antara nilai masukan

dan nilai keluaran yang kedua-duanya harus berada dalam satu garis lurus. Dan grafik hubungan antara laju volume gas pada gelas ukur dan laju volume air didalam bak penampung adalah linear dengan nilai R2= 0.9955

- Range

Sensor laju aliran yang telah dibuat memiliki range 0- 250 ml

- Span Span merupakan maksimum variasi dari masukan

atau keluaran. Input dari sensor laju aliran berupa jarak dalam satuan cm sedangkan outputnya berupa laju aliran biogas dalam satuan ml/jam. Span Output = Omax – Omin = 250 – 0 = 250 ml/jam. Sedangkan Span Input = Imax – Imin = 1.17 - 0 cm.

- Sensitivitas Untuk menghitung sensitifitas dari sensor laju aliran

dengan menghitung masukan terkecil yaitu 0,1 mm, dan untuk menghitung keluaran yang di hasilkan dari persamaan : Volume (ml) = 213.07 * ∆X (cm). Volume = 213,07 * 0,01 cm = 2.13 ml/jam Sehingga besarnya sensitivitas dari sensor laju aliran adalah : 2.13 ml /jam tiap 0,1 mm.

B. Karakteristik Dinamik Sensor Karakteristik dinamis merupakan gambaran respon dari hubungan masukan dan keluaran sebagai fungsi waktu.

9

Karakteristik Dinamik Sensor pH

Grafik respon dinamik dari sensor pH hubungan antara tegangan ADC dengan waktu. Untuk pembuatan grafik pada gambar 4.3 dilakukan pengambilan data tiap menit ke 100 sampai mencapai menit ke 3600. Dari grafik menunjukkan bahwa sensor pH membutuhkan waktu 1500 detik untuk pembacaan sensor yang stabil.

Gambar 4.3. Grafik respon dinamik dari sensor pH

Karakteristik Dinamik Sensor Laju Aliran

Sensor laju aliran dengan sensor ultrasonik sebagai sensor utamanya merupakan sensor yang memiliki respon dinamis yang cepat. Hal ini dikarenakan sensor ultrasonik dalam merespon perubahan jarak yang terjadi, menggunakan gelombang ultrasonik yang memiliki kecepatan yang cepat. Dari grafik 4.4 dapat diketahui respon dari sensor laju aliran biogas, dimana waktu untuk merespon perubahan jarak membutuhkan 4 iterasi.

Gambar 4.4. Grafik respon dinamik dari sensor laju aliran

biogas Dimana waktu untuk satu iterasi yang digunakan adalah 10 ms. Sehingga sensor laju aliran biogas membutuhkan waktu 4*10 ms = 40 ms untuk merespon perubahan jarak yang terjadi. Grafik diatas seperti grafik step sehingga respon dinamik dari sensor laju aliran biogas merupakan grafik respon orde 0.

C. Sistem Monitoring Dengan SPC

Dari hasil pengukuran laju aliran biogas pada bioreaktor anaerob kontinyu diperoleh data pada tabel 4.2. Data dari tabel 2 ditentukan jenis distribusinya dengan menggunakan software Easyfit dan diperoleh distribusi data Pearson 5. Hasil ploting data dan jenis distribusi data ditampilkan pada gambar 4.5. Distribusi hasil dari Easyfit

masih mendekati distribusi normal dengan dengan kemiringan kekanan.

Tabel 4.2. Tabel data laju biogas pada proses kontinyu No Laju Biogas (ml/jam) No Laju Biogas (ml/jam) 1 21.6 16 20 2 16.77 17 10.8 3 11 18 10.38 4 12 19 8.82 5 13 20 10.69 6 33.54 21 10.2 7 10 22 9.53 8 12 23 11.49 9 21.6 24 5.66 10 27 25 10.8 11 24 26 10.2 12 13.84 27 18.3 13 9 28 15.73 14 5.66 29 18.3 15 6 30 14.82

Probability Density Function

Histogram Pearson 5

x

32302826242220181614121086

f(x)

0.48

0.44

0.4

0.36

0.32

0.28

0.24

0.2

0.16

0.12

0.08

0.04

0

Gambar 4.5. Distribusi Pearson 5 dari software easyfit pada

data biogas Distribusi normal merupakan syarat untuk membuat grafik kontrol. Dimana grafik kontrol yang digunakan adalah grafik kontrol individual. x = 14.09 σ 6.53 Batas atas = UCL = 33.70 Batas bawah = LCL = -5.51

Untuk data pH dalam menentukan batas atas dan batas bawah sensor tidak menggunakan data hasil pengukuran, melainkan nilai batas atas dan nilai batas bawah sudah ditentukan. Nilai batas atas dan batas bawah yang diperbolehkan antara pH 6,5 sampai pH 7,5. Nilai batas atas dan batas bawah pH ini akan disesuaikan dengan akurasi dari pembacaan sensor yang dibuat. Batas bawah = USL = 6,5 - 0,1 = 6,4 Batas atas = LCL = 7,5 + 0,1 = 7,6

Gambar 4.6. Grafik kontrol untuk monitoring pH

Hasil dari nilai batas atas dan batas bawah akan digunakan sebagai penentu apakah data sensor mengalami out

control atau dalam kondisi terkontrol. Selain itu akan digunakan sebagai alarm peringatan yang pada penelitian ini

10

digunakan lampu indikator pada LabView sebagai pengganti alarm.

Telah dilakukan monitoring bioreaktor secara on-line selama 24 jam dengan hasil tidak terjadi out control baik untuk monitoring pH maupun laju aliran biogas. Selanjutnya untuk monitoring kedua dilakukan gangguan pada pH bioreaktor dengan memasukan limbah dengan pH 5,6 hasilnya pH tidak mengalami out control dan hasil pengukuran dengan pH meter menunjukkan nilai pH disekitar 7. Sedangkan untuk gangguan pada laju aliran biogas dilakukan dengan memasukkan gas tambahan kedalam gas kolektor dan didapatkan hasil laju aliran biogas mengalami out control. Ditunjukkan dari grafik dan reaksi dari alarm sebagai berikut.

Gambar 4.7. Grafik kontrol untuk monitoring laju biogas

Gambar 4.8. Tampilan dari sistem monitoring saat lampu

indikator alarm hidup

D. KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan, maka dapat

diperoleh beberapa kesimpulan yaitu: 1 Telah berhasil dibuat sistem monitoring secara on-

line pada plant bioreaktor anaerob kontinyu yang menampilkan grafik kontrol pH dan laju aliran biogas.

2. Sensor pH metode potensiometrik dengan jembatan garam memiliki nilai Root Mean Square Error 0,1.

3. Sensor laju aliran memiliki nilai Root Mean Square

Error 4,23 ml/jam dengan kalibrasi menggunakan gelas ukur.

4. Karakteristik statis sensor pH: linear dengan nilai R2= 0.9728, sensitivitas 3 ADC/0,1pH, range 5- 9, Span Output = Omax – Omin = 9 – 5 = 4.

5. Karakteristik statis sensor laju biogas: linear dengan nilai R2= 0.9955, sensitivitas 2,13 ml/jam per 0.1

mm, range 0-250 ml/jam, Span Output = Omax – Omin = 250 – 0 = 250 ml/jam.

6. Karakteristik dinamis : - Sensor pH: respon dinamis/ time constant = 1500 s. - Sensor laju biogas: time constant = 40 ms.

7. Sistem monitoring pH dan biogas dengan metode SPC memiliki batas atas bawah - pH USL = 7,6 dan LSL = 6,4. - Laju biogas UCL = 33,70 ml/jam dan LCL = -5,51 ml/jam.

8. Telah dilakukan percobaan sistem monitoring secara on line dengan hasil tidak terjadi out of control dari plan bioreaktor. Saat diberi gangguan monitoring laju aliran merespon dengan alarm indikator.

Daftar Pustaka

BIODATA PENULIS Nama : Ariyanto TTL: Klaten, 17 Desember 1988 Alamat:Keputih, Gang 3A No. 12, Sukolilo, Surabaya,60111. Email: ariyanto@ep.its.ac.id Riwayat Pendidikan : SDN Pasung I (1994 - 2000) SLTPN I Wedi (2000-2003) SMAN 3 Klaten ( 2003- 2006) S1 Teknik Fisika(2006 –sekarang)

1. Bentley John P., “Principles of Measurement

Systems, Third Edition”, Logman group limited, london, 1995.

2. Filino Harahap, Muhidin, Serasi Ginting, Teknologi Gas Bio, Pusat Teknologi Pembangunan ITB 1980.

3. Kusanto, Didik, 2010, Perancangan Sistem Akuisisi Data Sebagai Alternatif Modul DAQ LabVIEW Menggunakan Mikrokontroler ATMEGA8535, Jurusan Teknik Fisika, ITS, Jurnal.

4. Rodhi, Ngafif, 2010, RANCANG BANGUN SIMULATOR BIOREAKTOR ANAEROB SKALA LABORATORIUM UNTUK STUDI LIMBAH ORGANIK, Jurusan Teknik Fisika, ITS, Jurnal.

5. Wibisono, Lucky, 2010, Perancangan Sistem Akuisisi DataSensor pH Berbasis Lapisan Silika Sol-Gel, Jurusan Teknik Fisika, ITS, Jurnal.

6. Alifiah, Intan, 2010, ANANALISIS EFISIENSI SISTEM PEMBAKARAN PADA BOILER DI PLTU UNIT III PT.PJB UP GRESIK DENGAN METODE STATISTICAL PROCESS CONTROL (SPC), Jurusan Teknik Fisika, ITS, Jurnal.