## Rekayasa dan Pembuatan Mesin Pencacah Sampah Organik Dual Function untuk Mendukung Sistem Konversi Limbah Organik menjadi Biogas
Suparni Setyowati Rahayu 1 , Gatot Santoso 2 , Samuel Kristiyana 2 , Anak Agung Putu Susastriawan 3* , Satriawan Dini Hariyanto 3 , Dewi Wahyuningtyas 4 , Wisnu A. Pamungkas 3
1 Jurusan Teknik Lingkungan, Fakultas Sains Terapan, Institut Sains & Teknologi AKPRIND 2 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Sains & Teknologi AKPRIND
3 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Sains & Teknologi AKPRIND 4 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Sains & Teknologi AKPRIND Jl. Kalisahak No. 28 Komplek Balapan Yogyakarta 55222 *E-mail: agung589E@akprind.ac.id
Diterima: 19-11-2022; Direvisi: 24-03-2023; Dipublikasi: 20-04-2023

## Abstrak
Sampah  saat ini  menjadi permasalahan krusial,  karena tidak semua  sampah terkelola dengan baik.  Sampah organik berpotensi digunakan sebagai bahan baku produksi biogas. Sebelum proses fermentasi produksi biogas dalam digester, perlu  adanya  proses  pencacahan  sampah  organik  dengan  bantuan  mesin  pencacah  dan  penggiling.  Penelitian  ini bertujuan untuk membuat rancang bangun mesin yang memiliki fungsi sebagai penacah dan penggiling sampah organik untuk mendukung proses pengolahan sampah menjadi biogas. Penelitian dilakukan dengan pembuatan gambar design, fabrkasi, pengujian unjuk kerja, dan analisa unjuk kerja mesin. Penelitian ini mnghasilkan mesin pengolahan sampah organik  yang  dapat  berfungsi  dengan  baik  untuk  pencacahan  menggunakan  pisau  dan  penggilingan  menggunakan screw .  Mesin  memiliki  penngerak  motor  bensin  5,5  HP  dengan  sistem  transmisi  dua  jalur,  masing-masing  ke pennggiling dn perajang. Sistem transmisi pencacah  memiliki  ukuran pulley diameter 2  inch dan dan pulley 3 inch terpasang pada pencacah dengan hasil putaran 2400 rpm. Sistem transmisi penggiling menggunakan diameter pulley 12 inch dengan putaran 600 rpm. Kapasitas mesin adalah 150 kg/jam dengan ukuran hasil perajangan 1 cm.. Mesin dapat digunakan dengan baik dan mudah pengoperasiannya dengan efisiensi 80% serta dengan penggunaan mesin dual function tersebut, produktivitas perseiapan feedstock digester biogas meningkat sebesar 33,33%.
Kata kunci: fungsi ganda; mesin; penggiling; perajang; sampah organik

## Abstract
In recent years, domestic carbage become a serious problem since not all waste is managed properly.  The organic waste has a potential as a feedstock for biogas production. Before the fermentation process of biogas production, it is necessary to enumerate organic waste with the help of a multi-function chopper. In the present work, dual function machine (chopping and milling process) is designed and fabricated. The machine is driven with  a 5.5 HP gasoline engine  with  a  two-way  transmission  system  connecting  to  each  process.  The  first  line  transmission  system  on  the chopping with a pulley size of 2 inch diameter, two grooves mounted on the motor and a 3 inch pulley mounted on the chopper axis with a rotation speed of 2400 rpm. The second line transmission system on the  milling uses a 12 inch diameter pulley with a rotation of 600 rpm. The test results show that the capacity of the machine was 150 kg/h with 1 cm chopping size.The machine is easily used, has an efficiency of 80%, results  in increasing biogas production about 33.33%.
Keywords: Dual-function; chopper; machine; milling; organic waste,

## 1. Pendahuluan
Menurut  data  dari  Kementrian  Lingkungan  Hidup  dan  Kehutanan  tahun  2020  timbunan  sampah  di  Indonesia mencapai 72 ton per tahun. Belum semua sampah terkelola dengan baik, masih ada sekitar 36% atau sekitar 9 juta ton sampah  yang  tidak  terkelola  setiap  tahunnya.  Jenis  sampah  yang  mendominasi  timbulan  sampah  di  Indonesia  adalah sampah  rumah  tangga,  yaitu  32%.  Meninjau  dari  pertumbuhan  jumlah  penduduk  dan  jumlah  sampah  yang  semakin meningkat  mengharuskan  adanya  sebuah  teknologi  dimana  sampah  tersebut  dimanfaatkan  atau  diolah  kembali  untuk dijadikan biogas atau biasa disebut EBT (Energi Baru Terbarukan). Biogas adalah gas mudah terbakar yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri anaerob. Dengan kandungan utama berupa gas metana, biogas mempunyai potensi yang sangat besar untuk dikembangkan sebagai sumber energi alternatif [1].
Biogas sebagai sumber energi terbarukan tidak hanya mampu menghadapi masalah penyediaan energi tetapi juga mampu mengatasi masalah pencemaran limbah ke lingkungan [2]. Sampah organik domestik memiliki rasio C/N sekitar 63,13%.  Semakin  tinggi  rasio  C/N  limbah,  semakin  cocok  limbah  untuk  pembangkitan  biogas  melalui  pencernaan anaerobik  [3,  4].  Dalam  beberapa  tahun  terakhir,  penerapan  biodigester  dalam  konversi  biomassa  meningkat  karena kebutuhan akan produksi energi terbarukan yang lebih banyak dan solusi pengurangan limbah yang berkelanjutan [5].
Berdasarkan desain dan konstruksinya, digester biogas dapat dibagi menjadi tiga kategori utama, yaitu sistem pasif, sistem  laju  rendah,  dan  sistem  laju  tinggi.  Sistem  pasif  didefinisikan  sebagai  tanaman  di  mana  unit  pemulihan  biogas ditambahkan ke komponen pengolahan kotoran atau pencernaan limbah yang ada [6]. Sistem laju rendah didefinisikan sebagai  sistem  di  mana  bahan  baku  disimpan  dalam  digester  untuk  waktu  yang  lama  (biasanya  10-30  hari)  untuk memaksimalkan  hasil  biogas  [7].  Sistem  ini  dapat  beroperasi  baik  dalam  kisaran  suhu  mesofilik  maupun  termofilik. Sementara itu, sistem laju tinggi adalah sistem di mana fraksi densitas energi rendah dari bahan baku cair berada di dalam digester dalam waktu singkat, sedangkan padatan ditahan lebih lama [6]. Hal ini memberikan konsentrasi mikroorganisme yang lebih besar dalam reaktor per unit volume daripada yang mungkin terjadi, sehingga mengurangi waktu retensi, yaitu kurang dari 10 hari [8]. Pemilihan jenis sistem tersebut berdasarkan lokasi geografis, bahan baku yang tersedia, kondisi iklim dan maksud keseluruhan dari penggunaan reaktor [9,10].
Ada beberapa parameter operasi harus diperhatikan dengan baik untuk mendapatkan hasil biogas yang baik. Naik dkk. [11]  mengungkapkan bahwa ada empat  faktor kunci  yang  mengatur produktivitas  dan stabilitas produksi biogas, yaitu  variabilitas  bahan  baku,  waktu  retensi,  suhu  dan  keasaman  sistem.  Ukuran  bahan  baku  yang  lebih  kecil menghasilkan  hasil  biogas  yang  lebih  tinggi  daripada  ukuran  yang  lebih  besar.  Aktivitas  biologis  meningkat  seiring dengan berkurangnya ukuran bahan baku yang disebabkan oleh peningkatan luas permukaan [12, 13]. Dalam kaitannya dengan persiapan sampah sebelum dimasukkan ke dalam digester, diperlukan mesin yang dapat merajang sampah menjadi ukuran yang diinginkan.
Beberapa design dan konstruuksi  model  mesin perajang  maupun penggiling telah dilaporkan sebelumnya. Mesin penghancur tulang ikan kapaistas 3 kg dengan penggerak mesin diesel 8 HP telah berhasil dibuat oleh Sutrisno, dkk [14]. Kombinasi antara screw , pisau putar dan pisau tetap pada dinding silinder  mampu menghancurkan tulang ikan sampai halus. Mesin pencacah multi sampah dengan menggunakan motor bensin 6,5 HP telah dibuat oleh Harmawan, dkk. [15] Performa mesin tersebut dilaporkan mampu mencacah selama 5 menit dengan putaran mesin 140 rpm, 180 rpm, 220 rpm dengah bahan uji sampah kertas HVS (8 mm), sampah botol plastic (600 ml) dan kayu tripleks (6 mm). Sementara itu, Afizah, dkk. [16] membuat rancang bangun mesin dual function waste chopper dengan motor listrik 7,5 HP. Prosesnya dibagi menjadi dua yaitu proses perajangan sampah organik dan perajangan sampah anorganik. Proses perajangan pada sampah  organik  menggunakan  24  buah  mata  pisau  sedangkan  untuk  plastik  menggunakan  2  buah  mata  pisau  dimana keduanya  digerakkan  secara  bersamaan  melalui  tiga  transmisi.  Dilaporkan  bahawa  kapasitas  untuk  perajang  sampah organik  1200 kg/jam dengan putaran 372 rpm sedangkan untuk plastik 20 kg/jam dengan kecepatan putaran 297,4 rpm.
Selama ini  sampah organik  hanya dimasukkan begitu saja  kedalam digester biogas  tanpa  memperhatikan  ukuran dari sampah tersebut. Sehubungan dengan  faktor ukuran  feedstock digester,  maka dalam penelitian ini dibuat rancang bangun mesin perajang sekaligus penggiling ( dual function ) untuk proses perajangan dan penggilingan sampah organic sayuran  sebelum  digunakan  sebagai  feedstock  digester  KPP  Ngawu  Asri.  Dari  beberapa  rancangan  mesin  pengolah sampah  yang  telah  ada,  belum  ada  mesin  yang  memliki  kemampuan  untuk  merajang  sekaligus  menggiling  sampah organik  untuk  membantu  proses  pengolhan  sampah  menjadi  biogas.  Sehingga  dalam  penelitian  ini  dilakukan  rancang bangun dan fabrikasi mesin fungsi ganda merajang dan menggiling.

## 2. Material dan Metodologi
Penelitian ini dibagi menjadi tahap perancangan, fabrikasi, pengujian, dan analisa seperti tampak dalam Gambar 1. Fabrikasi mesin dilakukan di laboratorium Teknik Mesin Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta.

## Gambar 1. Tahapan penelitian
Dalam tahap perancangan dilakukan perhitungan daya penggerak, panjang v-belt, dan diameter poros. Persamaan (1) –(3) digunakan untuk merencankan daya penggerak yang dibutuhkan, panjang v-belt, dan diameter poros perajang dan penggiling. Dalam tahap ini juga dilakukan pemilhan material yang sesuai.
P = T x V (1)
L = 2C + 𝜋 2 (dp + Dp) + 1 4𝐶 (Dp − dp) 2 (2)
𝑑 𝑠 = [ 5,1 𝜏𝛼 𝑥 𝐾 𝑡 𝑥 𝐶 𝑏 𝑥 𝑇] 1/3 (3)
Fabrikasi mesin dilakukan di Laboratorium Teknik Mesin Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta, yang dilanjutkan dengan pengujian lapangan di KPP Ngawu Asri Kalurahn Ngawu, Kecamatan Playen, Kabupaten Gunung Kidul.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Gambar 2 menampilkan gambar 3D mesin perajang dan penggiling sampah organik hasil dari penelitian ini. Mesin berhasil difabrikasi dan diuji coba untuk penggilingan dan perajangan sampah organik berupa limbah sayur sayuran dari pedagang sayur di kalurahan Ngawu, Playen, Gunung Kidul, D.I. Yogyakarta.  Sedangkan Tabel 1 menujukkan spesifikasi dan  material  dari  mesin  tersebut.  Mesin  memiliki  panjang  770  mm,  lebar  550  mm,  dan  tinggi  800  mm.  Penggerak menggunakan mesin bensin 5,5 HP. Kapasitas mesin actual adalah 60 kg/jam dengan ukuran rajangan rata rata 10 mm.
Keterangan: 1. Rangka 2. Penggiling 3. Hopper pengiling 4. Trasmisi Pulley-V Belt 5. Penggerak 6. Hopper perajang 7. Perajang 8. Outlet perajang
Gambar 2. Gambar 3D mesin
Tabel 1. Spesifikasi mesin
No Spesifikasi Keterangan 1 Dimensi p x l x t (mm) 770 x 550 x 800 2 Kapasitas mesin 60 kg/jam 3 Penggerak Motor Bensin 5,5 HP 4 Material poros ST 37
Dari data penggunaan mesin di KPP Ngawu Asri, Playen, Gunung Kidul, didapatkan bahwa mesin dapat digunakn secara bersamaan untuk menggiling sekaligus merajang limbah sayuran. Hasil rajangan memiliki ukuran rata rata 10 mm sehingga  dapat  mempercepat  proses  pembentukan  biogas  di  gester.  Gambar  3  menampilkan  perbandingan  kapasitas design  mesin  dengan  kapasitas  aktual  mesin.  Dari  hasil  pengujian  didapatkan  bahwa  kapasitas  perajangan  dan penggilingan  adalah  60  kg/jam.  Jika  kapasitas  aktual  tersebut  dibandingkan  dengan  kapastas  design  mesin  sebesar  75 kg/jam, maka didapatkan efisiensi mesin sebesar 80%. Adanya penurunan kapasitas aktual dari kapasitas design mesin disebabkan karena adanya faktor slip pada trasnmisi daya dari penggerak ke poros perajang dan poros penggiling, serta adanya jeda waktu untuk proses loading sampah ke hopper.
Dari  hasil  penggunaan  mesin  di  KPP  Ngawu  Asri,  dapat  diketahui  pula  bahwa  produktifitas  kerja  persiapan feedstock  meningkat  sebesar  33.33%  setelah  menggunakan  mesin  perajang  dan  penggiling  jika  dibandingkan  dengan persiapan secara manual seperti ditunjukan oleh Gambar 4. Perajangan secara manual untuk 2,5 jam mampu merajang 100 kg sampah sayuran, sedangkan untuk 2,5 jam perajangan dengan mesin dapat menghasilkan rajangan sebanyak 150
kg. Dengan penggunaan mesin hasil rancang bangun ini sangat membantu porses pengolahan sampah organik menjadi potongan potongan kecil sehingga saat digunakan sebagai feedstock digester biogas, proses pembentukan biogas mejadi lebih singkat karena reaksi pembentukan biogas berlangsung lebih cepat dengan ukuran feedstock yang lebih kecil.
Gambar 3. Kapasitas dan efisiensi
Gambar 4 . Jumlah perajang per 2.5 jam dan produktifitas

## 4. Kesimpulan
Mesin dual function perajang dan penggiling sampah organic berhasil difabrikasi dan digunakan oleh KPP Ngawu Asri Playen Gunung Kidul. Mesin  memiliki dimensi panjang  770 mm, lebar 550 mm,  dan tinggi 800  mm. Penggerak menggunakan mesin bensin 5,5 HP dengan menggunakan system trasmisi pulley-V belt. Dari data uji di lapangan dapat disimpulkan bahwa mesin dapat digunakan dengan baik dan mudah pengoperasiannya dengan efisiensi 80% serta dengan penggunaan mesin dual function tersebut, produktivitas perseiapan feedstock digester biogas meningkat sebesar 33,33%.

## Ucapan terima kasih
Penuliskan mengucapkan terima kasih yang sebesar besarnya kepada Kemdikbudritek yang telah mendanai kegiatan ini  melalui  Program  Pilot  Project  KOSABANGSA  tahun  2022.  Penulis  juga  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Tim
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Kapasitas Design Kapasitas Aktual Efisiensi Kap asit as (k g /j am ); E fis is en si (%) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Manual Mesin Produktifitas Ju m lah p er aj an g an ( k g ); ef ek tif itas (%)
Pendamping dari UNS (Dr. Suminah, M.Si.,  Dr. Edi Kurniadi, M.Pd., Dr. Ir. Joko Riyanto, M.P.), Ketua LPPM UNS (Prof. Dr. Okid Parama  Astirin, M.S.), dan Ketua  LPPM IST AKPRIND (Prof. Dr. Ir. Sudarsono, M.T.)    yang telah berkenan mendampingi kegiatan KOSABANGSA ini mulai dari pengusulan proposal, monitoring, sampai pelaporan.

## Daftar Pustaka
[1] Megawati,  M.  Pengaruh  Penambahan  Em4  (Effective  Microorganism-4)  Pada  Pembuatan  Biogas  Dari  Eceng Gondok Dan Rumen Sapi. Jurnal Bahan Alam Terbarukan. 2014; 3 (2): 42–49
[2] Sari  A.I.,  Suwarto,  Suminah,  Purnomo  S.H.  Community  Participation  in  Utilizing  Livestock  Waste  Biogas  to Support Sustainable Energy Development. International Journal of Sustainable Development and Planning. 2022; 17 (3): 841-848.
[3] Damanhuri  T.P.,  Hakim  N.,  Nurtiono  S.  The  Role  Effluent  Resirculation  in  Increasing  Efficiency  of  Straw. Proceeding of the Indonesion Biotechnology Conference. 2015; February: 102 -116.
[4] Chong,  Siewhui,  Sen  T.K,  Kayaalp  A.,  Ang  H.M.  The  Performance  Enhancements  of  Up/low  Anaerobic Sequenching Batch (AnSBR). 2012
[5] O’Connor, S., Ehimen, E., Pillai, S. C., Black, A., Tormey, D., & Bartlett, J. (2021). Biogas production from small- scale  anaerobic  digestion  plants  on  European  farms.  Renewable  and  Sustainable  Energy  Reviews.  2021;  139: 110580.
[6] Hamilton D.W. Types of anaerobic digesters - anaerobic digestion course series. 2007
[7] Tchobanoglous G, Burton FL, Stensel D. Wastewater engineering: treatment and reuse. McGraw-Hill Education. Inc M&E, 2003. Burton FL.
[8] Tauseef S.M, Abbasi T, Abbasi SA. Energy recovery from wastewaters with high-rate anaerobic digesters. Renew Sustain Energy Rev. 2013; 19:704–41.
[9] Fagbohungbe M.O. Optimisation of small-scale anaerobic digestion technology. 2015. Lancaster University.
[10] Wilkie A.C. Anaerobic digestion of dairy manure: design and process considerations. Dairy manure manag. Treat. Handl. Community relations, natural resource. Agriculture, and Engineering Service. 2005: 301–312.
[11] Naik,  L.,  Gebreegziabher,  Z.,  Tumwesige,  V.,  Balana,  B.  B.,  Mwirigi,  J.,  &  Austin,  G.  Factors  determining  the stability and productivity of small scale anaerobic digesters. Biomass and Bioenergy. 2014; 70:51–57.
[12] Igoni A.H., Abowei M.F.N., Ayotamuno M.J., Eze C.L. Effects of municipal solid waste on the biogas produced in an anaerobic continuous digester, 2011; http://www.cigrjournal.org/index.php/
[13] Agwunwamba J.C. Waste and engineering management tools. 1 st ed. Nigeria, 2001; Immaculate Publication Ltd.
[14] Sutrisno, M. A., Subastyan, R. E. S. T., Nadirsyah, Z.  Modifikasi rancang bangun mesin penghancur tulang ikan untuk  meningkatkan  kapasitas  produksi  dengan  daya  8  HP.  2017:  Program  Studi  D3  Teknik  Mesin  Fakultas Teknologi Industri Politeknik Negeri Semarang.
[15] Harmawan, M. R. Rancang bangun mesin pencacah multi sampah dengan daya motor bensin 6,5 HP. 2020: Program Studi D3 Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Politeknik Negeri Surabaya.
[16] Afizah, Bella N.T, Miftachul M, Munir, R. I. Perancangan Mesin Dual Function Waste Chopper. Journal Teknik. 2020; 2654–8631, 55–58