BAB II DESKRIPSI PROSES SECARA UMUM

2.1 Pemilihan Proses

Etanol dapat diproduksi memalui proses hidrasi etilen dan fermentasi (Kirk & Othmer,1951), kedua metode ini paling sering digunakan dala pembuatan etanol. Tetapi di Indonesia proses pembuatan etanol dari hidrasi etilen tidak cocok untuk dikembangkan mengingat cadangan minya yang semakin menipis. Sedangakan proses fermentasi sangat mungkin dikembangkan di Indonesia karena proses ini berbahan baku biomassa. Indonesia termasuk negara agraris dimana pemililahan perkebunan yang luas dan memiliki hasil kebun yang bervariasi. Dalam metode fermentasi etanol dihasilkan dari fermentasi bahan baku yang mengandung gula monosakarida/disakarida, pati, dan bahan-bahan yang mengandung selulosa. Proses fermentasi dapat dilakukan secara batch maupun kontinyu, namun proses batch jarang digunakan Karena memiliki beberapa kelemahan yaitu : produktivitas rendah, waktu produksi lama,biaya tenaga kerja tinggi, perawatan lebih susah. Berdasarkan hal tersebut, mala proses yang lebih sering digunakan adalah proses kontinyu dimana memiliki produktivitas tinggi, biaya perawatan juga lebih ringan, biaya tenaga kerja rendah, serta produk yang dihasilkan seragam.

2.1.1 Proses pembuatan etanol dari etilen

Etanol dari etilen dapat diproduksi melalu hidrasi (esterifikasi-hidrolisis), dimana proses tersebut memiliki tiga tahapan proses yaitu sebagai berikut (Kirk & Orthmer,1951):

a. Absorpsi etilen dengan kehadiran asam sulfat pekat untuk membentuk monoetil sulfat dan dietil sulfat menurut reaksi :

Absorbsi etilen dengan asam sulfat pekat (95-98%) merupakan reaksi eksotermis dengan suhu mencapai 800C dan tekanan antara 180-200 psig, sehingga diperlukan pendingin untuk menjaga suhu .

b. Hidrolisis etil sulfat membentuk etanol

Reaksi hidrolisis dapat berlangsung pada dua kondisi, yaitu pada kondisi dimana suhu operasi 700C dan pada suhu mendekati 1000C. Pada proses ini ditambahkan air sampai konsentrasi asam sulfat 40-55%. Penambahan air dilakukan untuk menekan reaksi samping yaitu pembentukan dietil eter.

c. Mengkonsentrasikan Asam sulfat yang terencerkanProses ini merupakan salah satu proses yang membutuhkan biaya mahal dalam

pembuatan etanol dari hidrasi etilen.

2.1.2 Proses pembuatan etanol dari fermentasi tebu

Secara garis besar dua proses utama pembuatan etanol dengan bahan baku tebu adalah fermentasi dan pemurnian produk. Pada saat fermentasi terjadi proses hidrolisis untuk mengubah gula disakarida (sukrosa) menjadi monosakarida (glukosa dan fruktosa) yang selanjutnya digunakan oleh ragi untuk membentuk etanol dan karbon dioksida CO2. Secara singkat proses tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :

Tabel 2.1 Perbandingan Proses Sintetik dan Proses Fermentasi dalam Pembuatan EtanolNo. Proses Sitetik Proses Fermentasi 1. Bahan baku Tidak Terbaharukan Terbaharukan2. Suhu Tinggi Rendah3. Tekanan Tinggi Rendah4. Konversi Tinggi Rendah

Dari tabel diatas, kami memilih proses pembuatan etanol melalui fermentasi dengan mempertimbangkan hal berikut :

Ketersediaan bahan baku biomasa Jumlah atau yield yang dihasilkan pada proses fermentasi besar Limbah yang dihasilkan masih bisa dimanfaatkan, misal : untuk pakan ternak, pupuk,

atau bahan baku pembuatan etanol Metode fermentasi lebih efisie dari pada metode sintetik Suplai energi pada proses fermentasi lebih kecil dari pada proses sintetik

2.1.2-1 Proses Fermentasi

Pada dasarnya pembuatan etanol melalui fermentasi tebu dapat dilakukan dengan cara batch dan kontinyu. Pada fermentasi batch dilakukan secara konvesional, dimana substrat, mikroba dan nutrient diinkubasi selama waktu tertentu. Semakin lama waktu inkubasi maka semakin berkurang nutrien dan substrat di dalam fermentor karena selama proses fermentasi batch tidak ada proses penambahan nitrien atau substrat. Selain itu pada proses batch ada akumulasi produk yang dapat mengganggu pertumbuhan mikrba(Supriyanto, 2010).

Pada industri etanol, fermentasi batch dapat menghasilkan kadar etanol tinggi. Namun demikian fermentasi batch memiliki beberapa kekurangan, seperti membutuhkan waktu operasi yang lama, butuh sterilisasi setelah proses fermetasi berlangsung, dan biaya tenaga kerja yang tinggi.

Tebu (batang) Fermentasi Etanol Pemurnian

Lain halnya pada proses kontinyu, dimana pada proses ini memiliki produktifitas 3 kali lipat dari pada proses batch sehingga dengan hasil yang sama maka diperlukan reaktor batch sebanyak tiga kali lipat reaktor kontinyu. Selain itu pada fermentasi kontinyu polulasi mikroba dapat dipertahankan dalam keadaan eksponensial dalam waktu yang relatif lama. Berikut merupakan table perbandingan system batch dan kontinyu.

Tabel 2.2 Perbedaan batch dan Kontinyu

2.1.2-2 Jenis Reaktor yang Digunakan

a. CSTR (Continuously stirred Tank Reactor)

Merupakan jenis reaktor berpengaduk dengan asumsi pengadukan sempurna sehingga konsentrasi komponen dalam reaktor sama besar dengan konsentrasi komponen yang keluar

No Jenis PerbedaanSystem

Batch Kontinyu1 Operasi penggunaan Sistem yang sederhana

dan mudah digunakanSistem dapat digunakan secara otomatis

2 Efisiensi Efisiensi yang rendah Efisiensi yang tinggi3 Chance for

contaminationKemungkinan kecil terjadi kontaminasi

Besar kemungkinan terjadi kontaminasi

4 Kestabilan lingkungan pada mikroba

Changing environment for yeast

Stable environment for microbes

5 Kosentrasi etanol yang dihasilkan

Lebih besar Lebih kecil

6 Kapasitas Produksi Lebih baik untuk volume produksi yang kecil

Lebih baik untuk produksi yang panjang dari satu jenis produk

7 Banyak jenis produk Lebih mudah memproduksi berbagai jenis produk

Lebih sulit memproduksi berbagai jenis produk

8 Proses control Proses control dan perolehan kualitas produk yang sejenis lebih sulit karena kondisi operasi unsteady

Proses control dan perolehan kualitas produk yang sejenis lebih mudah karena kondisi operasi steady

9 Capital cost Relative rendah Relative tinggi10 Maintanance Mudah untuk shut down

dan serviceSangat memperhitungkan biaya dan waktu untuk shut down

reaktor. Reaksi di dalam reaktor ini bias terjadi secara eksptermis dan endotermis. Reaktor ini merupakan jenis reaktor yang paling banyak digunakan dalam sekala industri.

Gambar 2.1 Simulasi CSTR (Continuous Strirred Tank Reactor)

Sumber : (Dutta,2008)

b. ICR (Immobilised Cell Reactor)

Proses ini dikembangkan dengan tujuan untuk menghilangkan inhibitor yang disebabkan oleh tingginya konsentrasi substrat(Najafpour dkk,2004). Pada metode ini, Ragi akan diperangkap di dalam suatu supporting matrice yang di tempatkan pada kolom reaktor. Metode ini mengurangi biaya produksi pada tahap pemisahan sel yang biasanya terdapat pada proses pemurnian serta memperoleh konsentrasi etanol yang cukup tinggi.

C. MBR (Membrane Reactor)

Proses MBR merupakan proses yang terintegrasi antara fermentasi dan pemisahan, dimana proses ini diharapkan dapat mengurangi inhibisi produk, dan mengurangi beban pemisahan pada proses berikutnya.

Dari penjelasan di atas, maka pabrik kami memilih untuk menggunakan proses fermentasi kontinyu dengan menggunakan Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) dengan mempertimbangkan alasan – alasan yang sudah di jelaskan di atas.

2.1.2-3 Tahap Pemurnian Tahap pemurnian digunakan untuk mendapatkan etanol dengan kadar lebih tinggi. Umumnya

pemurnian etanol dengan maksimal kadar 96% dilakukan dengan cara distilasi fraksional bertingkat dimana digunakan 4 kolom seperti pada gambar berikut :

Pada distilasi bertingkat, kolom distilasi beroperasi pada tekanan 133,8 – 152,5 kPa dan pada kolom rectifikasi 116-135,7 kPa. Di dalam kolom distilasi aliran yang kaya akan etanol mengandung 40

wt.% etanol dimana larutan ini akan di umpankan ke kolom distilasi berikuitnya sampai membentuk etanol hydrous dan beberapa produk samping lain seperti residu phlegmasse dan fuel oil yang di dapatkan pada kolom rektifikasi.

Pada dasarnya pembuatan etanol dengan kadar maksimal 96% melewati beberapa tahap proses, yaitu cleaning of sugarcane, extraction of sugars, juice treatment, concentration and sterilization, fermentation,Evaporation, dan distillation. Proses –proses tersebut akan dijelaskan lebih rinci sebagai berikut :

Gambar 2.1-1 Diagram alir pembuatan etanol dari tebuSumber : (Dias et all,2009)

a. Cleaning Sugarcane dan Eztraction of sugars Tahap ini bertujuan untuk membersihkan sekitar 70% kotoran dari tebu sebelum masuk

ke unit penggilingan. Setelah itu tebu masuk ke tahap penggilingan untuk mendapatkan ekstrak gula atau yang biasa disebut nira mentah. Pada proses ini ditambahkan air untuk meningkatkan gula recovery pada saat proses imbibisi. Selain itu penambahan air ini juga untuk tujuan hidrolisis gula disakarida (sukrosa) yang ada di ekstrak tebu menjadi gula monosakarida (glukosa dan fruktosa). Hasil dari unit penggilingan ini adalah nira (ekstrak gula) dan Bagase.

Tabel 2.1-2 Komposisi dari Tebu yang Diterima Sebagai Bahan Baku.

No Komponen Isi (wt.%)1. Sukrosa 13,302. Selulosa 4,773. Hemiselulosa 4,534. Lignin 2,625. Gula Tereduksi 0,626. Mineral 0,207. Pengotor 1,798. Air 71,579. Tanah atau Lumpur 0,60

Sumber : Dias,et al,2009b. Juice Treatment

Pada dasarnya nira mentah hasil dari proses penggilingan tebu mengandung pengotor seperti mineral, garam, asam, kotoran lain dan serat. Oleh karena itu diperlukan treatmen kusus untuk menghilangkan pengotor-pengotor ini dengan tujuan meningkatkan efektifitas pada proses fermentasi. Unit ini dilakukan dengan menggunakan dua cara yaitu treatmen secara fisik untuk menghilangkan partikel pengotor dan serat serta treatmen secara kimia dengan menambahkan asam pospat.

c. Concentration dan StrelitizationUnit ini bertujuan untuk mengkonsentrasikan larutan nira setelah mengalami

pemurnian. Hal ini mempengaruhi kadar etanol yang dihasilkan dan mengurangi konsumsi energi pada saat pemurnian produk. Sterilisasi dilakukan karena mengingat bahwa proses fermentasi berhubungan dengan mikroba yang sangat dipengaruhi oleh kondisi lingkungannya. Mikroba akan bekerja dengan baik jika dalam kondisi lingkungan yang cocok begitupun sebaliknya. Sehingga proses sterilisasi beguna untuk menghilangkan mikroba lain yang dapat mengganggu kinerja ragi pada saat proses fermentasi.

d. FermentationFermentasi merupakan proses utama penghasil etanol, dimana pada proses ini ragi

Saccaromices cereviseae ditambahkan untuk mengkonversi gula monosakarida menjadi etanol dan CO2 melalui reaksi berikut :

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 ΔH = -116 kJ/mol

Sumber : (Dias,et al,2009)

Selain menghasilkan kedua produk utama di atas, juga menghasilkan produk-produk samping seperti alcohol yang lebih tiggi, asam organik, gliserol, dan ragi. Gas hasil fermentasi akan dialirkan ke tangki absorber untuk recovery etanol. Sementara alkohol yang masih mengandung ragi akan dialirkan ke evaporator. Fermentasi akan dilakukan pada

29oC mengingat ragi Saccaromices cereviseae beroperasi optimum pada suhu 28-300C. Suhu ini dipertahankan dengan cara menggunakan absorpsi dengan litium bromida atau dengan menggunakan jet steam ejektor. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan konsentrasi etanol lebih tinggi sekitar 10 wt.%, sehingga mengurangi konsumsi energi pada saat pemurnian.

Gambar 2.1.2 Grafik Konsentrasi Etanol yang DidapatkanTerhadap Waktu Fermentasi Sumber : (Puspita et all ,2010)

e. Evaporation dan CentrifugasiEvaporasi bertujuan untuk memisahkan larutan etanol dan air dengan produk samping

lain seperti asam organik, gliserol, dan ragi. Selain itu Evaporasi juga bertujuan sebagai pre-heated sebelum masuk pada kolom distilasi. Sedangkan sentrifugasi digunakan untuk recoveri ragi.

f. Destilation dan RectificationPada proses distilasi akan menghasilkan etanol hydrous dengan kadar antara 92,8-93,5

wt.%. Larutan etanol yang sebelumnya dipanaskan terlebih dahulu diumpankan ke dalam tangki distilasi dimana akan memproduksi secon grade ethanol , vinasse dan phlemgs.

Gambar 2.3 Daftar Titik Didih minimum Aezotrop Beberapa KomponenSumber : (Castellan,1983)

Berikut merupakan blok diagram pembuatan etanol dengan bahan baku tebu, dimana terdapat dua proses utama yaitu fermentasi dan pemurnian produk.

a. Proses Fermentasi

b. Pemurnian