Sistem Real time monitoring dan controlling proses pemurnian biodiesel berbasis sensor suhu dan dielektrik

Abstract

Bahan baku yang sangat prospek di Indonesia untuk pembuatan biodiesel adalah kelapa sawit. Secara umum proses produksi biodiesel melalui proses transesterifikasi. Biodiesel yang diperoleh masih mengandung pengotor seperti sisa katalis, metanol yang tidak bereaksi, sisa gliserol dan sabun. Proses pemurnian biodiesel dilakukan dua tahap yaitu pencucian menggunakan air kemudian penghilangan kadar air dengan evaporasi. Pencucian bertujuan untuk membebaskan biodiesel dari pengotor. Air yang digunakan pada proses pencucian menyebabkan kadar air biodiesel meningkat. Penghilangan kadar air menggunakan teknik evaporasi yaitu pemisahan komponen berdasarkan titik didih. Analisis kualitas biodiesel umumnya dilakukan pada akhir proses dan pengambilan sampel pada interval waktu tertentu. Pengukuran ini memerlukan waktu yang lama, rumit dan mahal untuk digunakan secara rutin selama proses pabrikasi biodiesel. Selain itu, evaporasi suhu tinggi harus dihindari untuk mencegah perubahan warna biodiesel. Pemantauan real time dan kendali proses evaporasi secara otomatis diharapkan dapat mengatasi kendala di atas. Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan sistem pemantauan real-time dan kendali proses evaporasi biodiesel berbasis sensor suhu dan dielektrik. Pada penelitian ini dilakukan proses pembuatan sensor dielektrik dan perancangan sistem kendali melalui beberapa tahapan. Tahapan penelitian dilakukan melalui tahap satu, pemilihan variabel sifat listrik yang paling sensitif dan klasifikasi biodiesel berbasis sensor meliputi: 1) identifikasi sifat listrik biodiesel menggunakan LCR meter menghasilkan 14 parameter, 2) menentukan parameter listrik yang paling sensitif terhadap perubahan komposisi biodiesel dari 14 parameter menggunakan metode feature selection Relief, 3) klasifikasi kualitas biodiesel berdasarkan hasil feature selection menggunakan metode klasifikasi Support Vector Machine (SVM), 4) pengujian dielektrik berdasarkan kandungan asam lemak jenuh dan pengotor biodiesel. Tahap dua yaitu membuat prototipe pemantauan real time suhu dan dielektrik biodiesel. Penelitian tahap tiga yaitu merancang kendali feature selection Relief, 3) klasifikasi kualitas biodiesel berdasarkan hasil feature selection menggunakan metode klasifikasi SVM, 4) pengujian dielektrik berdasarkan kandungan asam lemak jenuh dan pengotor biodiesel. Tahap dua yaitu membuat prototipe pemantauan real time suhu dan dielektrik biodiesel. Penelitian tahap tiga yaitu merancang kendali Proportional-Integral-Derivative (PID) menggunakan simulasi MATLAB melalui tahapan: 1) pembuatan model matematika proses pencucian biodiesel untuk simulasi menggunakan alat bantu LabVIEW, 2) perhitungan transfer function (fungsi alih) sistem plant evaporasi, aktuator heater, sensor suhu, sensor dielektrik dan sistem kendali, 3) perhitungan parameter kendali PID terdiri dari penguatan proporsional (kp), integral (ki) dan derivatif (kd), 4) simulasi sistem kendali PID pada Simulink MATLAB, 5) evaluasi hasil simulasi dengan adanya gangguan pada sistem evaporasi. Penelitian tahap empat merancang kendali Fuzzy PID melalui tahapan 1) perancangan derajat keanggotaan input (masukan) dan output (keluaran), basis aturan kendali Fuzzy parameter PID pada Fuzzy inference system (FIS) MATLAB, 2) simulasi sistem kendali Fuzzy PID pada Simulink MATLAB dan 3) evaluasi kinerja kendali PID dan Fuzzy PID. Parameter dielektrik terbaik yang paling sensitif terhadap perubahan komposisi biodiesel adalah kapasitansi sejajar (Cp), resistansi deret (Rs), dan impedansi (Z). Hasil seleksi parameter dielektrik dan frekuensi digunakan untuk dasar formulasi desain sensor. Klasifikasi kualitas biodiesel menggunakan SVM menggunakan tiga masukan data parameter dielekrik terpilih dari hasil pembacaan sensor. Akurasi klasifikasi yang dihasilkan sebesar 88 %. Model klasifiaksi SVM digunakan pada sistem kendali on-off. untuk mengkhiri proses evaporasi pada saat tercapai kualitas biodiesel yang diinginkan. Seleksi fitur dan klasifikasi ini berkontribusi pada temuan variabel listrik yang paling berpengaruh terhadap perubahan komposisi pengotor biodiesel dan prediksi kualitas biodiesel. Pendekatan rancangan alat yang dianggap sesuai dengan hasil seleksi adalah rangkaian RC. Prototipe yang dihasikan dinamai dengan Biodiesel Real Time Monitoring (BRM). Kinerja sistem BRM yang didesain memiliki akurasi tinggi sebesar 98 %. Prototipe BRM berkontribusi pada sistem pemantauan real time proses evaporasi biodiesel. Prototipe BRM dibangun dengan mengintegrasikan sensor suhu, sensor dielektrik dan mikrokontroler. Pengintegrasian ini dimaksudkan agar pengukuran nilai suhu dan dielektrik biodiesel pada proses evaporasi dapat secara real time diketahui. Keluaran sensor suhu dan dielektrik menjadi umpan balik pada model sistem kendali proses evaporasi biodiesel. Biodiesel hasil proses pencucian menjadi kondisi awal biodiesel pada proses evaporasi. Perhitungan fungsi alih plant evaporasi Gp (s) = ((0.0006/(15.2 s +1)) × e -3s, sensor suhu H(s) = 1/(10s+1), heater Ga(s) = (4.2/(60s+1))× e -3s. Parameter kendali PID yang diperoleh kp = 450, ki = 7 dan kd = 15 900. Kendali PID membutuhkan waktu steady state (400 detik) dan overshoot (10%). Respon waktu steady state kendali Fuzzy PID lebih lambat (500 detik) tetapi overshoot (5 %) lebih rendah dibandingkan kendali PID. Respon kendali open loop tidak mampu mengembalikan suhu ke nilai setpoint saat sistem evaporasi mendapat gangguan. Pada kendali Fuzzy PID, t = 0, kp = 3×104, ki = 0 dan kd = -11.5 dan berubah sepanjang waktu mengikuti gangguan yang terjadi. Fungsi kendali PID dan Fuzzy PID mampu merespon gangguan dengan cepat dalam waktu 68.6 detik. Kendali on off menggunakan sensor dielektrik untuk mengkhiri proses evaporasi pada saat tercapai kualitas biodiesel yang diinginkan. Perancangan kendali ini berkontribusi pada sistem kendali otomatis proses evaporasi biodiesel. Hasil pengukuran telah divalidasi dengan LCR meter dan termometer standar menunjukkan BRM memiliki akurasi pengukuran yang tingi. Kinerja respon waktu sistem kendali PID mampu mereduksi gangguan, namun persyaratan overshoot perancangan tidak terpenuhi. Fungsi kendali PID dan Fuzzy PID memberikan respon yang cepat sehingga gangguan dapat diatasi dengan cepat. Namun demikian, kendali Fuzzy PID lebih dipilih karena menghasilkan overshoot kurang dari 10 %. Sistem pemantauan real time dan kendali ini layak dikembangkan pada proses evaporasi biodiesel untuk pengembangan agroindustri biodiesel.