OPTIMASI PROSES DENSIFIKASI JERAMI PADI SEBAGAI BAHAN BAKAR ALTERNATIF

Transkripsi

1 Optimasi Proses Densifiasi Jerami Padi sebagai Bahan Baar Alternatif (Zulifli) OPTIMASI PROSES DENSIFIKASI JERAMI PADI SEBAGAI BAHAN BAKAR ALTERNATIF Zulifli Jurusan Teni Kimia, Politeni Negeri Lhoseumawe, Jl. Banda Aceh-Medan Km. 80 P.O. Box 90, Buetrata, Lhoseumawe 40 Abstract Indonesia is rich in rainforest and is one of oil producing countries. However, the availability of erosene and firewood as fuel sources for the rural community becomes scarce. In an effort to overcome the energy crisis, in particular to the rural community, agricultural biomass waste could be utilized as the source of energy. This research has been done to investigate the optimization of densification process of agricultural biomass waste using an experimental design of Box-Behnen with three factors and three levels. A laboratory scale hydraulic press was used to utilize the research. For the case of agricultural biomass waste, independent variables included operating pressure of 000 psi, 5000 psi, 7000 psi, particle size of 0 mesh, 40 mesh, 60 mesh and moisture content of 5%, 0% and 5%. The result of optimization showed that the briquette from rice straw was produced at a pressure of 00,8 psi, particle size of 4,9 mesh, and water content of 7,77% to enable to have a briquette with a density of,08 gr/cm. Key words: densification, optimization, agricultural biomass PENDAHULUAN Biomassa adalah bahan organi yang dihasilan melalui fotosintetis, bai berupa produ maupun buangan. Sebagai cantoh antara lain adalah tanaman, pepohonan, limbah pertanian, limbah hutan, otoran manusia dan terna. Selain digunaan untu tujuan primer serat, bahan pangan, paan terna, minya nabati, bahan bangunan dan lain sebagainya, biomassa juga dapat digunaan sebagai sumber energi (bahan baar). Limbah pertanian merupaan salah satu sumber biomassa penting di Indonesia, mengingat negara ini merupaan salah satu negara agraris yang pendudunya hampir 70 persen tinggal di daerah pedesaan. Diperiraan Indonesia menghasilan seitar 46,7 juta ton biomassa setiap tahun, dan ini setara dengan 470 GJ/tahun. Sumber utama biomassa berasal dari limbah egiatan penanaman padi, limbah ayu, dan limbah egiatan industri sawit []. Penggunaan biomassa curah secara langsung untu memasa biasanya menimbulan dampa negatif terhadap ualitas udara dalam ruangan sehingga dapat mempengaruhi esehatan. Oleh arena itu, diperluan metoda yang bersih dan efisien untu mengubah limbah biomassa curah menjadi sumber energi alternatif sehingga masyaraat pedesaan dapat memanfaatan energi dengan masimal untu eperluan rumah tangga atau untu menggeraan industri rumah tangga. Material biomassa memilii densitas curah rendah dan esulitan aan dihadapi dalam hal penanganan seperti transportasi, penyimpanan dan lain-lain. Selain biomassa, minya tanah merupaan sumber energi penting untu ebutuhan rumah tangga. Subsidi pemerintah terhadap minya tanah (erosene) sampai saat ini masih cuup besar. Dalam ranga mencabut subsidi dan mengatasi risis minya tanah, pemerintah telah mencanangan program onversi minya tanah e elpiji. Namun untu mengubah ebiasaan penggunaan minya tanah di masyaraat pedesaan tidalah mudah. Melimpahnya limbah biomassa di daerah pertanian, seperti jerami merupaan potensi energi besar yang selama ini hanya dibaar begitu saja tanpa dimanfaatan. Penyelesaian sebahagian permasalahan limbah pertanian dapat dilauan dengan proses densifiasi yang merupaan suatu metode untu memperlauan meterial lepas, mengubahnya menjadi briet/bahan baar padat []. Dengan cara ini, arateristi penanganan bahan seperti transportasi, penyimpanan, dan lain-lain juga meningat []. Densitas produ sangat tergantung pada tingat peneanan

2 Jurnal Tenologi, Vol., No., April 0 : -7 pada saat pencetaan. Berbagai penelitian menunjuan bahwa teanan memainan peranan penting dalam meningatan densitas bahan baar padat [4,5]. Proses densifiasi memberian nilai densitas briet lebih besar dari gr/cm [6]. Penelitian ini bertujuan mempelajari optimasi proses densifiasi biomassa limbah pertanian berupa jerami padi, menggunaan desain esperimen Box-Behnen. Dalam penelitian ini teanan yang digunaan diharapan pada teanan rendah sampai menengah (000 P < 5000 psi), sehingga dapat diterapan epada masyaraat. METODE Bahan Bau Bahan yang digunaan dalam penelitian ini yaitu limbah biomassa pertanian jerami padi, yang diperoleh dari sentra pertanian masyaraat di Kecamatan Blang Mangat Kota Lhoseumawe. Semua bahan yang telah diumpulan, dieringan terlebih dahulu sebelum dilauan pengeci-lan uuran. Uuran bahan dilasifiasian dalam tiga uuran yaitu 0 mesh, 40 mesh dan 60 mesh, andungan air 5%, 0%, 5% dan 0% amilum sebagai bahan pengiat. Variabel penelitian dalam penelitian ini dilasifiasian menjadi variabel tetap, variabel berubah dan variabel respon. Variabel tetap meliputi diameter dan tinggi silinder cetaan yang beruuran 0 mm dan 50 mm. Watu peneanan pada setiap percobaan ditetapan selama 5 menit. Variabel berubah atau variabel dimana β 0, β i, β ii, β ij, oefisien regresi; Y, nilai predisi; dan X, X, X merupaan variabel independen. Pada Tabel menunjuan nilai dalam bentu pengodean (+, 0, dan -) dan nilai asli untu masing-masing fator uji. Hubungan antara nilai-nilai tersebut independen terdiri atas teanan pembrietan 000 psi, 5000 psi, 7000 psi; uuran partiel 0 mesh, 40 mesh, 60 mesh dengan adar air sampel 5%, 0% dan 5%. Rancangan Percobaan Optimasi proses densifiasi limbah biomassa pertanian jerami padi dilauan mengunaan rancangan Box-Behnen tiga level dan tiga fator, yang masing-masing variabel menerima tiga level perlauan yaitu; level atas (+), level tengah (0) dan level bawah (), seperti yang diperlihatan pada Tabel. Peneanan dilauan mengunaan alat tean hidrauli sala laboratorium dengan apasitas 0 ton (Hydraulic Shop Press CMC ISO 900). Pencetaan dilau-an dengan menggunaan alat ceta yang terbuat dari baja padat (ST-60) dengan panjang 50 mm dan diameter dalam 0 mm. Rancangan percobaan menggunaan metoda tenggap permuaan yang dienal dengan response surface methodologi (RSM), merupaan seumpulan teni statisti dan matematia yang bermanfaat untu mengembangan, meningatan dan mengoptimasi suatu proses [7]. Penerapan metode tanggap permuaan terutama dilauan pada situasi dimana terdapat beberapa variabel yang potensial mempengaruhi inerja atau arateristi ualitas suatu proses atau produ yang disebut dengan variabel tanggap (respon). Pemodelan matematis digunaan model polinomial orde dua untu tiga variabel independen, seperti yang diperlihatan pada persamaan. = β + β + β + β + ε o i i ii i i< j ij i j j i= i= Y X X X X () dapat dihitung dengan menggunaan persamaan. o Z = X X / X () dengan Z merupaan nilai pengodean (-, 0 dan +), X adalah nilai asli dan X o adalah nilai tengah. Tabel. Fator dan level yang digunaan untu limbah biomassa jerami padi Fator Level Taanan, psi Uuran partiel, mesh Kandungan air, % 5 0 5

3 Optimasi Proses Densifiasi Jerami Padi sebagai Bahan Baar Alternatif (Zulifli) Untu eperluan optimasi suatu proses perlu ditetapan reteria atas dasar fungsi einginan desirability function (DF). Nilai tanggap minimum dan masimum harus ditentuan atas dasar tenis eonomis [8]. Fungsi einginan, untu setiap respon dionversian menjadi fungsi einginan masing-masing, d ( ˆ ) = h Y, nilai d berisar antara 0 dan, dimana d = 0, berarti respon berada dalam rentang yang tida dapat diterima, sedangan d = berarti respon berada pada ondisi optimum sehingga nilai d berada pada 0 < d <. Fungsi einginan untu respon masimum diberian oleh persamaan. 0 ji a yˆ ( x ) < y r yˆ ( x ) y d ( ) ji a ˆ x = y y ( x ) y y y ji a yˆ ( x ) > y () dimana y min dan y max menyataan tingat respon masimum dan minimum yang dapat diterima. Pada persamaan esponen r digunaan untu menentuan fungsi einginan, yang mengendalian respon pada penyelesaian optimal. Fungsi einginan untu respon minimum diberian oleh persamaan 4. ji a Y ˆ j =, ( x ) < Y r Y Yˆ ( x ) d x Yˆ x Y 0 ji a Y ˆ j =, ( x ) > Y j =, j =, ( ) = ji a Y j =, ( ) Y Y (4) Penyelesaian untu mendapatan nilai variabel independen, X i optimum dilauan sedemiian rupa sehingga persamaan di atas dapat memasimuman nilai rata-rata geometri dari masing-masing variabel tanggap. Fungsi einginan total, didefinisian sebagai rata-rata geometri dari setiap nilai fungsi einginan respon, d. Karena DF merupaan nilai rata-rata geometri dari d = h Y, maa nilai DF aan mendeati jia seluruh d = h Y, mendeati, demiian juga nilai DF aan ecil atau mendeati nol jia seluruh d = h Y,. Pernyataan secara matematis ditunjuan pada persamaan 4, oleh arena itu optimasi diarahan untu mencari nilai X i sedemiian rupa sehingga diperoleh DF, pada persamaan 5 masimum atau sama dengan. DF = d j = / HASIL DAN PEMBAHASAN j (5) Pelasanaan eperimen mengguna-an rancangan Box-Behnen yang terdiri dari 7 perlauan dijalanan secara aca seperti yang ditunjuan pada Tabel. Pada olom terahir dari tabel tersebut ditunjuan hasil pengujian metoda tanggap terhadap densitas dari jerami padi. Menggunaan persamaan dapat ditentuan orelasi masing-masing variabel tanggap terhadap variabel independen. Koefisien untu masing-masing variabel tanggap diselesaian menggunaan metode uadrat terecil memanfaatan perangat luna Design-Expert, 000 (Versi 6.06 State-Ease, Inc. Minneapolis, USA). Pada Tabel ditunjuan data hasil pengujian metode tanggap permuaan terhadap densitas briet jerami padi. Masing-masing

4 Jurnal Tenologi, Vol., No., April 0 : -7 variabel independen ditandai dengan X untu teanan; X untu uuran partiel dan X andungan air, variabel tanggap untu densitas ditandai dengan Y. Menggunaan persamaan orelasi variabel tanggap (densitas) bahan baar padat dari jerami padi terhadap variabel independen masing-masing dapat ditulis menurut persamaan 6. Y =, ,06X 0,06X X + 0,050X + 0,0X X + 0,009X 0,0070X X 0,04X. + 0,08X + 0,049X (6) Validasi model statisti Analisa varian dilauan untu mengevaluasi pengaruh variabel independen secara individu, uadrati maupun interasi pada model yang diusulan. Hasil analisa varian model uadrati densitas jerami padi ditunjuan pada Tabel. Secara eseluruhan bahwa model tida signifian, arena nilai probabiliti (Prob>F) besar dari 0,05. Sehingga dapat diataan bahwa variabel independen tida mempengaruhi variabel respon. Sehingga teanan, uuran partiel dan andungan air tida memberian pengaruh yang signifian terhadap densitas jerami padi. Ketidasignifian ini, tentu berbeda dengan ajian berbagai literatur yang menerangan bahwa edua variabel, teanan dan andungan air memberian peranan penting terhadap densitas yang dihasilan. Selain itu hubungan antara variabel independen dengan variabel tanggap ditunjuan dengan oefisien determinasi >0,8. Sehingga enyataan bahwa pada model uadrati variabel independen teanan dan uuran partiel tida mempengaruhi densitas briet dari jerami padi yang dihasilan. Tabel. Hasil pengujian metoda tanggap untu densitas jerami padi No. Run Teanan, X Uuran Partiel,X Kandungan Densitas (gr/cm ) (psi) (mesh) Air, % (X ) Respon, Y Pada tabel yang sama juga disajian analisa terhadap model orelasi variabel tanggap terhadap variabel independen. Model menunjuan oefisien determinasi relatif tinggi (R = 0,87) dan oefisien variasi rendah (CV =,). Semain deat oefisien determinasi terhadap nilai satu, semain tinggi esesuaian suatu model terhadap data percobaan, yang memperlihatan perbedaan yang ecil antara nilai teruur dan nilai hitung. Ketercuupan model dapat ditasir tida hanya dari R, tetapi juga dari R yang dipredisi dan esalahan penjumlahan dari R hitung, predisi error sum of squares 4

5 Optimasi Proses Densifiasi Jerami Padi sebagai Bahan Baar Alternatif (Zulifli) (PRESS). Suatu model yang bai ditandai oleh R yang besar dan PRESS yang rendah [7]. Dalam hal ini, dari data ditunjuan bahwa R = 0,87, adjusted R = 0,676 predicted R = -,6068, adeq precision = 7,76 dan PRESS = 0,4. Tabel secara eseluruhan menunjuan bahwa model tida signifian, arena nilai Prob>F secara eseluruhan variabel independen memberi hasil lebih besar dari 0,05. Sehingga dapat diataan variabel independen tida mempengaruhi variabel respon. Tabel. Analisa varian (ANOVA) model uadrati densitas briet jerami padi Source Sum of Mean DF Squares Square F, Value Prob>F Keterangan Model , ,7 0,064 td.signifian X 0,0079-0,0079 0,9047 0,7 td.signifian X 0,098 0,098 4,05 0,007 signifian X 0,000 0,000 0,95 0,656 td.signifian 0,0045 0,0045 0,8807 0,79 td.signifian X X X 0,0077 0,0077 5,0740 0,0590 td.signifian 0, , ,484 0,098 signifian X X 0,0076 0,0076,95 0,049 td.signifian X X 0,000 0,000 0,0855 0,7784 td.signifian X X 0, , ,9 0,70 td.signifian Residual 0, , Lac of Fit 0, , Pure Error Cor Total 0, R =0,87; adj.r =0,676; pred.r =-,6068; adeq precision =7,76; CV =, dan PRESS = 0,4 Grafi normal probabiliti (Gambar ) menunjuan gambaran distribusi suatu nilai residual yang didefinisian sebagai perbedaan diantara data predisi dengan data percobaan yang membentu suatu garis lurus, bahwa nilai residual terdistribusi secara normal pada edua sisi garis yang menunjuan bahwa data esperimen sangat bersesuaian dengan data predisi sebagaimana yang ditunjuan pada Gambar. Normal %Probability Normal Plot of Residuals Gambar menunjuan bahwa perbandingan nilai densitas dari jerami padi antara data esperimen dengan data hasil predisi tida ada perbedaan yang signifian. Garis lurus menggambaran nilai perhitungan yang didasaran pada model statisti sebagai mana yang ditunjuan pada persamaan 5, sedangan simbol persegi merupaan data esperimen. Densitas, gr.cm -,0,5,0,5,0 0,5 R = , Run Gambar Perbandingan antara nilai predisi dan esperimen Studentized Residuals Gambar. Normal probabiliti residual plot 5

6 Jurnal Tenologi, Vol., No., April 0 : -7 Kurva yang dihasilan memberian oefisien determinasi (R = 0,84 ) dan seluruh data pengamatan berada pada atau sangat berdeatan dengan garis, sehingga predisi sangat bersesuaian dengan data esperimen. Keseluruhan pembahasan di atas menunjuan etercuupan dari model uadrati yang diusulan untu densitas jerami padi dalam rentang teanan 000 psi 7000 psi, uuran partiel: 0 mesh 60 mesh dan andungan air 5% - 5% sesuai dengan parameter yang diusulan. Optimasi variabel proses Otimasi proses bertujuan untu mendapatan ondisi operasi yang dapat memberian ualitas bahan baar padat yang bai dengan biaya operasi yang minimum. Kualitas bahan baar padat ditentuan oleh densitas minimum gr/cm. Untu menean biaya operasi, maa taanan operasi harus seminimum mungin, arena semain besar teanan semain besar energi yang diperluan dan semain besar biaya yang dieluaran. Salah satu cara untu mendapatan ondisi optimum pada proses densifiasi jerami padi dengan menean harga andungan air X =, yang berarti X berada pada ondisi masimum. Dengan menetapan nilai X, dapat digambaran hubungan antara densitas (Y ) dengan teanan (X ) dan uuran partiel (X ) seperti yang ditunjuan pada Gambar. Dari Gambar terlihat bahwa etiga alternatif urva yang dihasilan oleh perangat luna Design Expert memberian nilai densitas lebih besar dari gr/cm, dimana urva paling bawah memberian nilai densitas =,097 gr/cm. Dengan demiian etiga urva pada gambar Nomor Penyelesaian tersebut laya digunaan untu tujuan optimasi. Gambar. Hubungan antara densitas Y dengan teanan X dan uuran partiel X, adar air diondisian X = untu jerami padi Pada Tabel 4 diperlihatan sepuluh pilihan alternatif, maa embali dipertimbangan reteria yang diterapan. Kreteria terhadap variabel tanggap termasu di dalamnya DF. Terhadap variabel independen perlu diterapan teanan X minimum (-< X < 0), uuran partiel X masimum ( X > 0 mendeati ) dan adar air X masimum (X > 0 mendeati ). Dari inspesi Tabel 4, ternyata hanya ada dua alternatif yang memenuhi riteria yang diterapan, sehingga paling potensial untu ditetapan sebagai ondisi variabel independen optimum. Pada olom terahir disajian alasan penolaan terhadap alternatif yang lain. Tabel 4. Alternatif penyelesaian parameter optimasi proses variabel independen, DF = untu jerami padi Teanan, X (%) Uuran Partiel, X (mesh) Kandungan Air, X (%) Desirability Function, DF Analisis Selesi Hasil Evaluasi 5877, 47,5,0 X,X >0; X <0 ditola ,86 5,4 X,X >0; X <0 ditola 44 58,08 4,6 diterima 4 657,6 40,40 4, X,X, X >0 ditola 5 00,8 4,90 7,77 diterima 6 9,4 48,9,77 X, X, X <0 ditola ,8 50,,75 X, X, X>0 ditola ,8 0,7,99 X,X>0;X<0 ditola ,0 6,9 X <0; X,X <0 ditola 0 548, 8,88,8 X >0;X <0 ditola B: Uuran (mesh) densitas (gr/cm-) A: Teanan (Psi) 6

7 Optimasi Proses Densifiasi Jerami Padi sebagai Bahan Baar Alternatif (Zulifli) Dari edua pilihan ini, maa alternatif nomor tiga ditetapan sebagai ondisi optimum proses untu menghasilan bahan baar padat dari jerami padi dengan ondisi teanan, X = (44 psi), uuran partiel, X = (58,08 mesh) dan andungan air, X = (4,6%). Sebagai perbandingan alternatif nomor 5 memberian hasil teanan, X = (00,8 psi), uuran partiel, X = (4,9 mesh) dan andungan air, X = (7,77%). Dari perbandingan e duanya, jelaslah bahwa alternatif nomor 5 merupaan ondisi optimum terbai untu bahan baar padat dari jerami padi, dengan nilai densitas yang diperoleh sebesar (,08 gr/cm ). KESIMPULAN Dari hasil penelitian dan analisis yang dilauan, dapat ditari esimpulan bahwa ondisi optimum densifiasi untu menghasilan bahan baar padat dari limbah biomassa jerami padi adalah pada densitas,08 gr/cm, teanan 444 psi, uuran partiel 58,08 mesh dan adar air 4,6%. DAFTAR PUSTAKA [] Abdullah, K., 009. A Biomass Energy Potentials and Utilization in Indonesia diases 5 Desember 009. [] Werther, J., Saenger, M., Hartge, EU., Ogada, T., dan Siagi Z., 000. Combustion of Agricultural Residues. Prog. Energy Combustion Sci, 6: 7. [] Hulscher, W., Clancy, J. dan Brandt, H., 99. Briquetting in South and East Asia: State of the Art Assessment. The International Conference on Biomass for Energy and Industry. 5-9 October, Florence, Italy. [4] Lindley, J. dan Vossoughi, M., 989. Physical Properties of Biomass Briquettes. Transaction of the ASAE, Volume (). pp 6-66.S. [5] ClauB, B., 00. Beitrag zur Kompatgierung von unzerleinertem Halmgut fur dieenergetische Nutzung (Contribution to the compacting of unchopped crop stals for energetic use) Ph.D. Thesis, TU Chemnitz. [6] Li, Y., dan Liu, H., 000. High Pressure Densification of Wood Residues to Form an Upgraded Fuel, Biomass & Bioenergy, 9, pp [7] Myers, R., dan Montgomery, D.C., 00. Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments, Wiley Series in Probability and Statistics, New Yor. [8] Derringer G. and Suich R., 980. Simultaneous Optimization of Seve-ral Response Variables, Journal of Quality Technology, :