## ANALISIS UNJUK KERJA AGITATOR BLADE HELICAL RIBBON UNTUK PENGADUKAN BAHAN BAKU BIOGAS

## PERFORMANCE ANALYSIS OF AGITATOR BLADE HELICAL RIBBON FOR MIXING BIOGAS SLURRY
Ilham Dwi Arirohman 1)* , Shintha Sarmila A.S Yahya 2) , dan Lathifa Putri Afisna 3) 1 Program Studi Teknik Sistem Energi, Institut Teknologi Sumatera, Lampung Selatan, Indonesia
2,3 Program Studi Teknik Mesin, Institut Teknologi Sumatera, Lampung Selatan, Indonesia email:, ilham.arirohman@tse.itera.ac.id 1) *, shintha.17117030@student.itera.ac.id 2) putri.afisna@ms.itera.ac.id 3) Received: 24 Desember 2022 Accepted: 30 Desember 2022 Published: 30 Desember 2022 © 2022 SJME
Kinematika All Rights Reserved.

## Abstrak
Biogas  adalah  sumber  energi  alternatif  yang  sangat  terjangkau.  Untuk meningkatkan  hasil  produksi  biogas,  beberapa  penelitian  menerapkan  proses pengadukan,  salah  satunya  adalah  proses  pengadukan  secara  mekanis. Penelitian ini bertujuan untuk merancang, membangun dan menguji efektivitas dari agitator blade  helical  ribbon terhadap  homogenitas  bahan  baku  biogas. Parameter  desain  yang  diperhatikan  antara  lain  torsi,  gaya,  dan  daya  untuk menggerakkan agitator .  Parameter  unjuk  kerja agitator adalah  kestabilan kecepatan putaran dan total dissolved solid (TDS) dari campuran kotoran sapi dan air ( slurry ). Agitator yang telah dirancang memiliki torsi 8 , 203 N.m, gaya pengadukan 372,849 N, dan daya yang diperlukan untuk menggerakkan agitator adalah  sebesar  143,491  watt  atau  0,192  HP.  Nilai  rasio  TDS  rerata  pada kecepatan  putaran  10  rpm  adalah  1,35  dengan  simpangan  baku  0,20;  pada kecepatan putaran 30 rpm nilai rasio TDS rerata adalah 1,37 dengan simpangan baku 0,07; dan pada kecepatan putaran 50 rpm nilai rasio TDS rerata adalah 1,80 dengan simpangan baku 0,04. Semakin tinggi kecepatan putaran agitator maka rasio  TDS slurry juga  akan  semakin  tinggi.  Semakin  tinggi  nilai  rasio  TDS, maka semakin efektif proses pengadukan. Semakin kecil simpangan baku nilai rasio TDS, maka semakin homogen slurry di dalam biodigester.
Kata Kunci: biogas, agitator , blade helical ribbon , TDS

## Abstract
Biogas is an affordable source of alternative energy. Regarding to increase the yield of biogas production, several studies have implemented a stirring process, one  of  which  is  a  mechanical  stirring  process.  This  study  aim  to  design, manufacture and determine the effect of the agitator blade helical ribbon on the homogenity of biogas slurry. The design parameters considered include force, torque, and power to drive the  agitator. Parameters for agitator performance tests  were  stability  of  rotation  speed  and  total  dissolved  solids  (TDS)  from  a mixture manure and water. The designed agitator has a stirring force of 372.849 N, a stirring torque of 8.203 N.m, and the power required to drive the agitator is 143.491 watts or 0.192 HP. The average TDS ratio at 10 rpm rotational speed is 1.35 with a standard deviation of 0.20; at a rotational speed of 30 rpm, the
average  TDS  ratio  was  1.37  with  a  standard  deviation  of  0.07;  and  at  a rotational  speed  of  50  rpm  the  average  TDS  ratio  is  1.8  with  a  standard deviation  of 0.04. The higher  the  agitator  rotation  speed,  the  higher  the  TDS slurry ratio. The higher the value of the TDS ratio, the more effective the stirring process.  The  smaller  the  standard deviation of  the TDS  ratio  value,  the more homogeneous the slurry in the biodigester.
Keywords: biogas, agitator, blade helical ribbon, TDS
DOI:10.20527/sjmekinematika.v7i2.239 How to cite : Arirohman, I., D., Yahya, S., S., A., S., & Afisna, L., P. , “Analisis Unjuk Kerja Agitator Blade Helical  Ribbon  Untuk  Pengadukan  Bahan  Baku  Biogas” .  Scientific  Journal  of  Mechanical  Engineering Kinematika, 7(2), 120-126, 2022.

## PENDAHULUAN
Beberapa  dekade  terakhir,  perhatian  terhadap  perkembangan  energi  terbarukan semakin  meningkat.  Hal  ini  disebabkan  beberapa  faktor,  antar  lain  menipisnya  cadangan energi  fosil,  perubahan  iklim,  desentralisasi  ekonomi-energi,  ketersediaan  sumber  daya energi terbarukan, dan kemudahan akses serta modularitas dari teknologi energi terbarukan [1]. Menurut data Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral pada tahun 2019 produksi energi fosil terus menurun selama 1 dekade terakhir, khusunya pada sektor migas. Dampak penurunan  produksi tersebut  menyebabkan  pemerintah  Indonesia  harus  menambah  impor minyak  dan  gas  untuk  pemenuhan  energi  dalam  negeri.  Pemerintah  sebenarnya  telah mengeluarkan kebijakan untuk meningkatkan produksi energi dari sumber energi terbarukan guna  menjaga  ketahanan  dan  kemandirian  energi  Indonesia,  yaitu  dalam  Peraturan Pemerintah No. 79 tahun 2019 tentang kebijakan energi nasional (KEN) [2].
Biogas merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang dapat menjadi alternatif substitusi bahan bakar fosil. Biogas adalah produk berupa gas yang dihasilkan dari proses fermentasi  bahan  organik  oleh  bakteri  metanogen..  Komposisi  biogas  terdiri  dari gas-gas yaitu CH 4 , CO 2 , H 2 S, dan gas lainnya. Gas metana (CH 4 ) sendiri merupakan senyawa yang mempunyai  nilai  kalor  yang  tinggi  sehingga  dapat  digunakan  sebagai  bahan  bakar  [3]. Beberapa penelitian sebelumnya telah dilakukan untuk meningkatkan produksi dan kualitas biogas, antara lain dengan melakukan variasi starter ragi pada bahan  baku biogas, aktivasi kimia  dan  fisika  dari  arang  kayu  sebagai  pemurni  biogas,  maupun  dengan  proses pengadukan [3]–[8]. Proses pengadukan merupakan suatu cara yang paling banyak dipakai untuk  meningkatkan  homogenitas  campuran  organik  bahan  baku  biogas.  Pengadukan dilakukan  di  dalam  reaktor  biogas  atau  disebut  biodigester.  Komponen  pengaduknya, disebut agitator , merupakan komponen utama dari sistem pengadukan bahan baku biogas ini. Geometri agitator secara tidak langsung memengaruhi laju produksi biogas. Selain itu juga diketahui bahwa laju agitasi yang terlalu tinggi akan menurunkan laju produksi biogas [8].
Proses pengadukan diperlukan untuk mengurangi gradien temperatur, pH, maupun zat terlarut di dalam biodigester. Pencampuran yang tidak merata dapat menyebabkan tingginya gradien parameter-parameter tersebut yang dapat memengaruhi reaksi biologi, ketersediaan substrat, dan distribusi spasial dari populasi bakteri sehingga laju produksi biogas berkurang [8]. Penelitian – penelitian sebelumnya yang terkait dengan proses pengadukan di instalasi produksi biogas telah jamak dilakukan. Beberapa peneliti menggunakan axial flow impeller [9] ,  Rushton  turbine [10] ,  helical  ribbon [8] , dan  lainnya.  Namun  demikian,  hasil-hasil penelitian yang pernah dilakukan belum dapat menggambarkan secara utuh dan kuat terkait hubungan  antara  kinerja  pengadukan  dan  efisiensi  sintesis  bakteri  metanogen.  Hal  ini dikarenakan  sifat  rheologi  campuran  bahan  baku  biogas  yang  bukan  tergolong  fluida
Newtonian, sehingga sulit untuk memperoleh karakterisasi campuran bahan baku biogas itu sendiri.
Berdasarkan  pemaparan  permasalahan  sebelumnya,  dimana  proses  pengadukan berpengaruh  terhadap  produksi  biogas,  maka  penelitian  ini  bertujuan  untuk  menganalisis efektivitas agitator blade helical ribbon sebagai bagian sistem pengaduk bahan baku biogas. Parameter  desain agitator adalah  gaya,  torsi,  kecepatan  putaran,  dan  daya  sistem pengadukan. Kemudian parameter rasio total dissolved solid (TDS) campuran bahan baku biogas sebagai indikator kinerja agitator . Sebuah biodigester berukuran 1000 L digunakan sebagai  tempat  uji  pengadukan.  Bahan  baku  biogas  yang  digunakan  berasal  dari  limbah kotoran  sapi  peternakan  CV  Sanjaya  Farm  Bandar  Lampung  yang  dicampur  dengan  air dengan rasio 1:2.

## METODE PENELITIAN
Metode penelitian yang digunakan adalah metode ekperimental. Metode ini digunakan untuk  menemukan  pengaruh  sebab  akibat  dari  sebuah  perlakukan  yang  diberikan melalui pengamatan empiris. Penelitian dilaksanakan di CV. Sanjaya Farm Jl. Pulau Singkep no. 59, Sukabumi, Bandar Lampung.

## Bahan dan Alat
Bahan  baku  biogas  yang  digunakan  pada  penelitian ini  berasal  dari  limbah  kotoran sapi dari peternakan CV Sanjaya Farm yang dicampur dengan air dengan perbandingan 1:2. Bahan pembuatan agitator antara lain hollow pipe SS400 dan plat SS400 tebal 2 mm dan lebar  45  mm.  Alat  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  antara  lain,  motor  AC  0,5  HP, Gearbox WPX  1:10,  AC dimmer 4000  watt,  TDS    meter,  dan tachometer .  Sementara peralatan tambahan untuk pembuatan agitator adalah mesin bubut, mesin las, mesin drilling , dan kunci set.

## Skema Alat Pengaduk Bahan Baku Biogas
Skema dari alat pengaduk bahan baku biogas yang didesain, dibuat, serta diuji pada penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Skema Alat Pengaduk Bahan Baku Biogas
Komponen-komponen yang ditunjukkan pada Gambar 1 yaitu:  1) Biodigester tangki IBC 1000 L, 2) Frame biodigester, 3) Frame dudukan motor, 4) Gearbox speed reducer, 5)
Kopel poros motor- gearbox, 6) AC motor , 7) AC dimmer, 8) Kopel poros gearbox - agitator,
9) Shaft agitator, 10) Penyangga agitator, 11) Agitator blade helical ribbon

## Variabel Penelitian
Beberapa parameter yang menjadi variabel penelitian ini antara lain sebagai berikut.
a. Variabel bebas dalam penelitian ini adalah  laju agitasi atau kecepatan putaran dari agitator . Nilai kecepatan putaran divariasikan dari 10 rpm, 30 rpm, dan 50 rpm.
b. Variabel  terikat  dalam  penelitian  ini  adalah  rasio total  dissolved  solid (TDS)  dari campuran  kotoran  sapi  dan  air  ( slurry) yang  telah  diberi  perlakuan  pengadukan dengan sebelum pengadukan.
c. Variabel  kontrol  dalam  penelitian  ini  adalah  tekanan  pengadukan  1  bar,  rasio campuran  kotoran  sapi  dan  air  1:2,  material agitator SS400,  titik  pengambilan sampel  bahan  baku  biogas  5  titik,  dan  pengambilan  data  sampel slurry, masing- masing variasi dilakukan sebanyak 3 kali.

## Prosedur Penelitian
Tahapan dalam penelitian ini terdiri dari 3 bagian, yaitu:
1. Tahap persiapan pengujian Langkah  ini  dilakukan  setelah  semua  bagian agitator terpasang.  Kemudian, agitator dicek  untuk  mengetahui  apakah  sudah  berfungsi  dengan  baik.  Pengecekan  dilakukan dalam tiga tahap yaitu no-load test dimana agitator dinyalakan tanpa beban, water-load test dimana digunakan air dan diaduk di dalam reaktor tempat agitator akan dipasang; dan terakhir, slurry-load test dengan menggunakan slurry sebagai bahan uji.
2. Tahap pengujian dan pengambilan data
Pada  bagian  ini  dilakukan  proses  pengadukan  serta  pengujian  dan  pengambilan  data sampel, rincian kegiatannya adalah sebagai berikut:
a) Campuran kotoran sapi dan air dimasukkan ke dalam tangki biodigester dengan volume total 750 L dengan perbandingan 1:2.
b) Campuran slurry kemudian diaduk selama 30 menit dengan kecepatan putaran terendah yaitu 10 rpm.
c) Setelah proses (b) selesai, selanjutnya dilakukan pengambilan data sampel untuk mengukur homogenitas slurry dengan menggunakan TDS meter pada 5 titik di dalam biodigester, masing-masing sebanyak 3 sampel.
d) Langkah  a-c  diulang  secara  berurutan  dengan  variasi  kecepatan  putaran  yang berbeda yaitu 30 rpm dan 50 rpm.
3. Tahap pengolahan dan analisis data Bagian terakhir adalah pengolahan dan analisis data sampel. Data yang diperoleh antara lain:
a) Parameter yang berkaitan dengan spesifikasi agitator, yaitu gaya, torsi, dan daya yang diperlukan untuk mengaduk slurry.
b) Rasio total dissolved solid (TDS) slurry
c) Kecepatan putaran agitator (rpm)
Hasil  pengolahan  data  kemudian  dianalisis  menggunakan  teknik  statistik  deskriptif untuk  mengetahui  pengaruh  laju  agitasi  terhadap  kehomogenan slurry biogas  yang ditunjukkan dari nilai rasio TDS slurry dengan pengadukan dan tanpa pengadukan.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil pengujian unjuk kerja agitator blade helical ribbon sebagai alat pengaduk bahan baku biogas dari limbah kotoran sapi adalah sebagai berikut.
1. Gaya Pengadukan, Torsi, dan Daya pada Berbagai Variasi Kecepatan Putaran Fluida viskos memiliki nilai shear stress tertentu yang bergantung kepada viskositas dan kecepatan  aliran. Slurry biogas  dapat  dimodelkan  sebagai  fluida  viskos  non-Newtonian. Besarnya gaya pengadukan dapat dihitung dengan menggunakan gaya hambat [11]. Gaya hambat adalah gaya yang menghambat suatu benda yang bergerak di dalam fluida. Ketika sebuah benda padat bergerak melalui fluida maka akan terjadi interaksi antara permukaan benda dengan fluida yang mengalir atau fluida yang dilewati. Interaksi tesebut adalah gaya momen dari shear stress , yang disebabkan oleh adanya efek viskos dan tegangan normal akibat distribusi tekanan [12].
Besar  gaya  pengadukan,  torsi,  dan  daya  minimum  yang  diperlukan agitator untuk masing-masing kecepatan putaran diberikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Parameter desain agitator blade helical ribbon No. Parameter Kecepatan Putaran (rpm) 10 30 50 1 Gaya pengadukan (N) 4,6 36,0 95,1 2 Torsi (N.m.) 0,1 0,8 2,1 3 Daya (watt) 0,2 4,2 18,3
Besarnya gaya pengadukan, torsi, dan daya agitator sangat tergantung dari kecepatan putaran agitator .  Semakin  cepat  putaran agitator ;  gaya,  torsi,  dan  daya  yang  diperlukan untuk memutarnya juga semakin besar. Perhitungan parameter-parameter ini sangat penting dilakukan  saat  perancangan  sistem  pengadukan.  Dari  nilai  parameter-parameter  ini kemudian dapat ditentukan spesifikasi motor dan gearbox dari sistem pengadukan.

## 2. Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Rasio TDS
Berdasarkan pengujian dan pengolahan data yang telah dilakukan mengenai rasio total padatan  terlarut  didapatkan  hasil  seperti  pada  Gambar  2.  Grafik  tersebut  menunjukkan hubungan  antara  kecepatan  putaran  dan  rasio  total  padatan  terlarut  rata-rata  pada  setiap sampel yang berbeda. Pengujian ini menggunakan 3 variasi kecepatan yaitu 10 rpm, 30 rpm, dan 50 rpm.
Kecepatan  putaran  merupakan  variabel  bebas,  namun  pada  kenyataannya  kecepatan putaran dari agitator tidak stabil, hal ini dikarenakan pada awal pengadukan bagian agitator dapat mengenai padatan di dalam slurry yang mengakibatkan kecepatan putar bisa berubah- ubah. Nilai rata-rata kecepatan putaran pada variasi perencanaan 10 rpm adalah 10,53 rpm, untuk variasi perencanaan 30 rpm rata-ratanya adalah 34,28 rpm, dan untuk variasi 50 rpm memiliki nilai rata-rata 50,71 rpm.
Penelitian tentang pengaruh pengadukan terhadap total padatan terlarut masih sangat terbatas terutama yang berhubungan dengan biogas. Gambar 2 memperlihatkan sebaran data rasio total padatan terlarut di setiap variasi kecepatan putaran yang berbeda. Berdasarkan grafik  tersebut  dapat  dilihat  bahwa  semakin  besar  nilai  kecepatan  putarannya  maka diskrepansi nilai rasio TDS antar sampel juga semakin kecil. Semakin kecil diskrepansi nilai rasio TDS, maka semakin homogen campuran slurry. Semakin tinggi nilai rasio TDS, maka semakin efektif proses pengadukan yang dilakukan.
Gambar 2. Grafik Hubungan Kecepatan Putaran dengan Rasio TDS Slurry
Hasil perhitungan rasio TDS untuk tiap variasi TDS dapat dilihat pada Tabel 2. Jika diperhatikan diskrepansi rasio TDS maksimal dengan minimal pada kecepatan putaran 10 rpm memiliki rentang yang paling besar dibandingkan dengan 30 rpm dan 50 rpm (yaitu 1,09 – 1,64) dengan rata-rata rasio TDS 1,35 dengan simpangan baku 0,20; pada kecepatan putaran 30 rpm nilai rasio TDS rerata adalah 1,38 dengan simpangan baku 0,07; dan pada kecepatan putaran 50 rpm nilai rasio TDS rerata adalah 1,79 dengan simpangan baku 0,04. Di antara 3 variasi tersebut yang memiliki diskrepansi rasio TDS paling kecil adalah variasi 50  rpm  (yaitu  1,74  –  1,83)  dengan  nilai  rerata  rasio  TDS  tertinggi  serta  simpangan  baku terkecil. Dapat disimpulkan bahwa kecepatan putar 50 rpm adalah laju agitasi optimal untuk agitator blade helical ribbon . Peningkatan laju agitasi yang terlalu tinggi dapat menurunkan laju produksi biogas serta kandungan CH 4 di dalam biogas [8].
Tabel 2. Perbandingan rasio TDS pada tiap variasi kecepatan putaran agitator No Sampel Kecepatan Putaran(rpm) 10 30 50 1 A 1,64 1,48 1,83 2 B 1,41 1,33 1,83 3 C 1,35 1,39 1,74 4 D 1,28 1,30 1,78 5 E 1,09 1,39 1,78 Rerata 1,35 1,38 1,79 Simpangan baku 0,20 0,07 0,04
1,64 1,46 1,83 1,74 1,30 1,09 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0 10 20 30 40 50 60 Ras io T DS Kecepatan Putaran (rpm) Rata-rata Sampel A Sampel B Sampel C Sampel D Sampel E

## KESIMPULAN
Hasil penelitian ini dapat menyimpulkan bahwa agitator blade helical ribbon cukup efektif sebagai alat pengaduk bahan baku biogas. Pada laju agitasi atau kecepatan putaran agitator 10 rpm, 30 rpm dan 50 rpm berturut-turut memberikan nilai rasio TDS rerata untuk adalah 1,35; 1,38; dan 1,79; dengan simpangan baku 0,20; 0,07; dan 0,04.  Semakin kecil simpangan baku rasio TDS, maka semakin homogen slurry biogas. Semakin besar nilai rasio TDS,  maka  semakin  baik  efektivitas  proses  pengadukan  yang  dilakukan.  Sehingga  dapat disimpulkan bahwa kecepatan putaran agitator paling optimal dalam hal ini adalah 50 rpm.

## REFERENSI
[1] M. J. Burke and J. C. Stephens, “Political power and renewable energy futures: A critical review,” Energy  Res.  Soc.  Sci. ,  vol.  35,  no.  October,  pp.  78–93,  2018,  doi: 10.1016/j.erss.2017.10.018.
[2] Tim  Sekretaris  Jenderal  Dewan  Energi  Nasional,  “Indonesia  Energy  Out  Look  2019,” J. Chem. Inf. Model. , vol. 53, no. 9, pp. 1689–1699, 2019.
[3] M.  Mu’ammar  and  A.  Ghofur,  “Pengaruh  Aktivasi  Fisika  Arang  Kayu  Laban  Terhadap Efektivitas  Pemurnian  Biogas  &  Unjuk  Kerja  Mesin  Generator-Set,” Sci.  J.  Mech.  Eng. Kinemat. , vol. 1, no. 1, pp. 11–24, 2016, doi: 10.20527/sjmekinematika.v1i1.24.
[4] R. Subagyo and R. Wijaya, “Pembuatan Biogas Dengan Variasi Starter Ragi Dan Kotoran Sapi Berbahan Baku Sampah Organik,” Sci. J. Mech. Eng. Kinemat. , vol. 2, no. 1, pp. 53–65, 2017, doi: 10.20527/sjmekinematika.v2i1.36.
[5] A. Rianur and A. Ghofur, “Pengaruh Aktivasi Kimia Arang Kayu Laban Terhadap Efektivitas Pemurnian Biogas & Unjuk Kerja Generator-Set,” Sci. J. Mech. Eng. Kinemat. , vol. 2, no. 1, pp. 27–35, 2017, doi: 10.20527/sjmekinematika.v2i1.34.
[6] A.  K.  Samlawi  and  H.  Sajali,  “Efektivitas  Penggunaan  Arang  Tempurung  Kelapa,  Arang Amerika, Arang Kayu Laban Dan Arang Kayu Galam Terhadap Pemurnian Biogas,” Sci. J. Mech. Eng. Kinemat. , vol. 6, no. 2, pp. 162–173, 2021, doi: 10.20527/sjmekinematika.v6i2.200.
[7] B. Singh, Z. Szamosi, and Z. Siménfalvi, “Impact of mixing intensity and duration on biogas production in an anaerobic digester: a review,” Crit. Rev. Biotechnol. , vol. 40, no. 4, pp. 508– 521, 2020, doi: 10.1080/07388551.2020.1731413.
[8] A. Lebranchu et al. , “Impact of shear stress and impeller design on the production of biogas in  anaerobic  digesters,” Bioresour.  Technol. ,  vol.  245,  pp.  1139–1147,  2017,  doi: 10.1016/j.biortech.2017.07.113.
[9] R. Mohammadrezaei, S. Zareei, and N. Behroozi-Khazaei, “Improving the performance of mechanical stirring in biogas plant by computational fluid dynamics (CFD),” Agric. Eng. Int. CIGR J. , vol. 19, no. 4, pp. 91–97, 2017.
[10] B.  Singh,  Z.  Szamosi,  and  Z.  Siménfalvi,  “Comparison  of  mixing  efficiency  of  different impellers  for  agitation  of  slurry  in  anaerobic  digester,” AIP  Conf.  Proc. ,  vol.  2273,  no. November, 2020, doi: 10.1063/5.0024243.
[11] N. N. Aiman and S. Samion, “Evaluation of Drag and Lift Forces of Grooved Cylinders in Wind Tunnel,” no. June, pp. 1–8, 2020.
[12] M. Yogatama and R. Trisno, “Studi Koefisien Drag Aerodinamika pada Model Ahmed Body Terbalik  Berbasis  Metode  Numerik,” J.  Tek.  Mesin ,  vol.  7,  no.  1,  p.  10,  2018,  doi: 10.22441/jtm.v7i1.2235.