bab ii pemilihan dan uraian proses.doc

BAB II

PEMILIHAN DAN URAIAN PROSES

II.1 DASAR TEORI

Ethanol atau bioethanol dapat diperoleh dengan bermacam-macam proses,

yaitu :

1) Dengan cara sintetis dari etilen.

2) Melalui fermentasi langsung karbohidrat (gula, nira, tetes, buah) atau bahan

lain yang harus diubah menjadi bahan yang dapat difermentasi: starch

(jagung, ketela, sweet sorghum, kentang) dan selulosa (kayu).

3) Hasil samping dari industri tertentu.

(Kirk Othmer, 342)

Cassava (Manihot Esculenta)

Cassava (Manihot esculenta), juga disebut manioc, tapioca, atau yuca,

adalah salah satu tanaman terpenting di daerah tropik, karena sesuai dengan

kondisi dengan kandungan nutrient yang rendah dan mampu untuk bertahan

dalam kekeringan (Burrell,2003). Di Indonesia tanaman ini disebut singkong.

Cassava tumbuh dengan tinggi 1 – 3 meter dan beberapa akarnya dapat ditemukan

di tiap tanaman. Meskipun daun cassava kadang dikonsumsi, bagian utama yang

dipanen adalah akar umbinya yang merupakan swollen root. Tanaman ini

dikembangbiakkan dengan cara stem cutting (batangnya dipotong-potong

kemudian ditanam kembali). Keterbatasan utama dari produksi cassava adalah

cepatnya pembusukan bagian akar pasca panen dimana biasanya dicegah dengan

menjaga tempat penyimpanan dalam kondisi segar untuk lebih dari beberapa hari

(Okezie dan Kosikowski,1982).

Cassava memiliki produksi karbohidrat sekitar 40% lebih tinggi dari padi

dan 25% lebih tinggi dari jagung, yang menghasilkan bahwa cassava adalah

sumber kalori yang termurah untuk nutrisi manusia dan makanan ternak.

Bab II Pemilihan dan Uraian Proses

Lebih dari dua pertiga dari total produksi cassava digunakan sebagai

sumber makanan manusia, dan sisanya digunakan untuk makanan ternak

(Nwokoro et al,2002) dan keperluan industri. Permintaan akan cassava di masa

datang ditentukan oleh metode penyimpanan yang harus dikembangkan, namun

pasar untuk cassava sebagai pengganti tepung sereal dalam produksi roti dan

sebagai sumber energi di makanan ternak akan semakin meluas.

Cassava juga digunakan sebagai produsen pati untuk keperluan industri

dan produk lain yang digunakan dalam makanan proses. Pati cassava dapat

berperan dalam sebagian besar fungsi yang telah dilakukan oleh pati dari jagung,

gandum, dan padi. Pati cassava dapat berperan di berbagai macam industri antara

lain industri farmasi, karet, semen, tekstil, dan lainnya. Pati cassava dapat

dikonversi menjadi maltotriose, maltose, dan glukosa sebaik gula dan asam

organik (Tan et al.1984). Pati dari cassava dapat digunakan untuk sirup fruktosa

(Vuilleumier,1993) dan formula untuk kapsul gelatin (Nduele et.al.1993).

Penggunaan cassava sebagai etanol untuk sumber bahan bakar juga telah

dieksploitasi dan sangat menjanjikan.

II.2 MACAM PROSES

Proses pembuatan Ethanol diperoleh ada berbagai macam, diantaranya

adalah :

Sintetis dari etilen.

Fermentasi gula, pati atau selulosa.

II.2.1. Ethanol sintetis

Ethanol sintetis dibuat dari hidrasi etilen, baik dengan hidrasi etilen secara

langsung ataupun hidrasi etilen secara tak langsung. Sekarang ini, sebagian besar

ethanol sintetis dibuat dengan hidrasi etilen secara langsung.

Hidrasi etilen secara langsung

Dalam industri kimia, ethanol biasanya dibuat dengan cara hidrasi etilen

dengan katalis asam. Reaksinya adalah sebagai berikut :

Pra Desain Pabrik Bioethanol dari Ubi kayu dengan menggunakan dehidrasi Molekular Sieve

II-2


H3PO4

C2H4 (g) + H2O (g) CH3CH2OH (l)

300oC, 6,8 MPa

Pada umumnya katalis berupa asam phospat, yang diserap pada permukaan

berpori seperti arang. Katalis ini pertama kali digunakan untuk industri ethanol

berskala besar oleh Shell Oil Company pada tahun 1947. Reaksi ini terjadi dengan

excess steam tekanan tinggi pada suhu 300oC.

Hidrasi etilen secara tak langsung

Pada proses yang lebih kuno, etilene dihidrasi secara tidak langsung

dengan cara mereaksikannya dengan asam sulfat pekat untuk menghasilkan ethyl

sulfat. Kemudian ethyl sulfat ini dihidrolisis menjadi ethanol dan menghasilkan

ulang asam sulfat. Proses ini pertama kali digunakan untuk scala industri pada

tahun 1930 oleh perusahaan Union Carbide, tetapi sekarang hampir tidak pernah

digunakan lagi. Reaksinya adalah sebagai berikut :

C2H4 + H2SO4 → CH3CH2SO4H

CH3CH2SO4H + H2O → CH3CH2OH + H2 SO4

Sumber: www.wikipedia.org

Fermentasi ethanol dengan bakteri

Sejumlah besar bakteri dapat digunakan untuk pembentukan ethanol.

Banyak dari mikroorganisme ini, menghasilkan banyak produk akhir selain dari

ethanol. Produk tersebut antara lain alkohol lain (butanol, isopropyl alkohol, 2,3-

butanediol) asam organik (asam asetat, asam format, dan asam laktat), keton

(aseton) atau bemacam-macam gas (metana, karbondioksida, hidrogen).

Banyak bakteri (yaitu Enterobacteriaceaeas, Spirochaeta, Bacteroides,

dsb.) melakukan metabolisme terhadap glukosa dengan Embden-Meyerhof

pathway. Path ini menggunakan 1 mol glukosa untuk menghasilkan 2 mol

pyruvate yang kemudian di-dekarboksilat menjadi asetaldehid dan menurukan

etanol.


II-3

http://www.wikipedia.org/


Berdasarkan P. Gunasekaran (1999), yeast Saccharomyces cerevisiae dan

bakteri fakultatif Zymomonas mobilis adalah kandidat yang terbaik untuk industri

alkohol. Z.mobilis memiliki kelebihan dapat mengkonversi heksosa menjadi

ethanol dengan yield yang tinggi dan waktu yang lebih singkat. Namun kelemahan

dari bakteri ini adalah :

1. Tidak mampu untuk mengkonversikan polimer karbohidrat komplek seperti

selulosa, hemiselulosa, dan pati menjadi etanol.

2. Menghasilkan by-product seperti sorbitol, acetoin, gliserol, dan asam asetat.

3. Pembentukan dari polimer ekstraselular levan

Dalam fermentasi batch, konsentrasi gula sebesar 223 g/l dapat

difermentasikan menjadi 105 g/l etanol dalam 70 jam dengan yield teoritis dalam

persen sebesar 92%. Dalam fermentasi kontinyu menggunakan campuran biakan

Z.mobilis dan S.cerevisiae, produksi 54,3 g/L etanol diobservasi selama 3 hari.

Fermentasi ethanol dengan yeast.

Mikroorganisme utama dari industri etanol pada proses fermentasi antara

lain Saccharomyces cerevisiae, S. uvarum, Schizosaccharomyces pombe, dan

Kluyueromyces sp. Yeast, pada kondisi anaerobik, merubah glukosa menjadi

etanol utamanya melalui Embden-Meyerhof pathway. Net reaksi overall

melibatkan produksi masing-masing 2 mol etanol, namun yield yang diperoleh

dalam fermentasi praktisnya tidak dapat mencapai 90 – 95 % dari teoritis. Hal ini

sebagian disebabkan kebutuhan akan beberapa nutrient yang digunakan dalam

sintesis biomassa baru dan pemeliharaan sel lain yang terkait dengan reaksi.

S. cerevisiae mengandung enzim yang menghidrolisis disakarida menjadi

gula sederhana dan menjadi katalis dalam fermentasi 4 heksosa yaitu glukosa,

mannose, fruktosa, dan galaktosa. Selain dari produk utama etanol dan

karbondioksida, sejumlah kecil by-product terbentuk antara lain gliserol, asam

asetat, asam laktat, dan minyak fusel yang merupakan campuran dari amil alkohol

aktif dan isoamil alkohol. Beberapa karbon substrat yang dikonsumsi juga

dikonversikan menjadi sejumlah kecil sel yeast baru.


II-4


Yeast sangat mudah dimasuki oleh inhibition etanol. Konsentrasi sebesar

1 – 2% (berat/volume) mampu memperlambat pertumbuhan mikroba dan pada

10% (berat/volume) alkohol, laju pertumbuhan organisme hampir berhenti.

II.2.2 Etanol dari fermentasi

Etanol digunakan dalam minuman dan sekarang banyak digunakan

sebagai bahan bakar adalah hasil fermentasi. Sacharomyces cereviseae mengurai

gula tanpa kehadiran oksigen dan menghasilkan etanol dan carbon dioksida.

Reaksinya adalah sebagai berikut :

C6H12O6 2 CH3CH2OH + 2 CO2

Pada proses fermentasi, bahan baku untuk pembuatan etanol dapat berupa

molasses, pati (starch) ataupun selulosa.

Pembuatan ethanol dari molasses

Pada proses fermentasi molasses, pertama-tama molases dilarutkan menjadi

bubur hingga kandungan gulanya 10-20 %. Setelah itu pH diatur menjadi 4-5 dan

ke dalam larutan ini ditambahkan yeast. Proses fermentasi ini berlangsung pada

suhu 20-32 oC selama 1-3 hari. Larutan hasil fermentasi ini mengandung 6-10 %

berat etanol.

Pembuatan etanol dari pati

Proses fermentasi pati lebih komplek daripada proses fermentasi molases,

karena pati harus diubah menjadi glukosa lebih dahulu. Pati diubah secara

enzimatis menjadi gula dengan enzim amylase (α-amylase dan glukoamylase).

Penambahan enzim -amylase ini digunakan untuk menghasilkan sirup glukosa.

Glukosa yang dihasilkan, difermentasikan menjadi ethanol dengan penambahan

yeast “Saccharomyces cerevisiae” pada suhu 30 - 40oC dan pH 4,5 – 5. Untuk

mencapai pH 4,5 – 5 ditambahkan asam sulfat. Kemudian dilakukan pemurnian

pada kolom distilasi yang menghasilkan etanol dan CO2 sebagai produk samping.

Pembuatan etanol dari selulosa

Bila digunakan selulosa sebagai bahan baku, maka bahan selulosa tersebut

dihidrolisa terlebih dahulu menjadi glukosa dengan penambahan enzim cellulase


II-5


sebagai bio katalisator.. Selanjutnya glukosa ini dapat difermentasikan menjadi

etanol dengan penambahan yeast.

II.3 PEMILIHAN PROSES

Dari ketiga proses pembuatan etanol di atas, perlu dilakukan suatu

pemilihan proses untuk menentukan proses yang paling efisien agar dapat

memperoleh hasil yang maksimal dalam waktu yang seminimal mungkin. Seleksi

prosesnya adalah sebagai berikut:

Tabel II.1 Seleksi berdasarkan proses

Dasar seleksi Proses Hidrasi Etilen Proses Fermentasi

1. Bahan baku Tidak dapat diperbaharui Dapat diperbaharui

2. Harga bahan baku Mahal Murah

3. Proses Hidrolisa (sulit) Fermentasi (mudah)

4. Alat utama Reaktor, absorber, stripperFermentor, kolom

distilasi

Tabel II.2 Seleksi berdasarkan bahan baku

Dasar seleksi Gula Selulosa Pati

1. Pretreatment Tidak perlu

Perlu (selulosa

diubah menjadi

glukosa dahulu)

Perlu (pati diubah

menjadi glukosa

dahulu)

2. Ketersediaan

bahan baku

Mudah

(tebu, sorghum,

molasses)

Mudah

(kayu, bagasse)

Mudah

(jagung, ubi kayu,

kentang)

3. Yield

160-187 L/t (tebu)

280-288 L/t

(molasses)

259 L/t355-370 L/t

(jagung)


II-6


Tabel II.3 Seleksi berdasarkan jenis bahan pati

Dasar seleksi Jagung Singkong

1. Ketersediaan bahan Mudah Lebih mudah

2. Yield 355-370 L/t 180 L/t

3. Harga Mahal (Rp500/kg) 1) Murah (Rp. 200/kg) 1)

4. Nilai hasil samping Tinggi Rendah

www.deptan.go.id

Berdasarkan seleksi yang dilakukan terhadap berbagai proses dan bahan

baku ethanol di atas, maka dipilih proses pembuatan ethanol melalui proses

fermentasi dengan menggunakan bahan baku ubi kayu.

II.4 URAIAN PROSES

Proses pembuatan ethanol dari ubi kayu dengan proses fermentasi dibagi

menjadi tiga tahap :

1. Tahap Pengolahan Bahan

2. Tahap Fermentasi

3. Tahap Pemurnian

II.4.1 Tahap Pengolahan Bahan

Ubi kayu yang akan digunakan sebagai bahan baku proses diletakkan pada

gudang. Ubi kayu dibawa dari gudang melewati belt conveyor dan menuju ke

peeler untuk dikuliti. Selanjutnya dengan menggunakan belt conveyor ubi kayu

dibawa ke rotary knife cutter. Potongan ubi kayu ini dihancurkan sampai halus

dengan menggunakan hammer mill. Ubi kayu yang sudah halus kemudian

diencerkan hingga 15% padatan pada tangki mixing. Selanjutnya slurry dialirkan

ke tangki cooking dan dipanaskan dengan menggunakan steam agar dicapai suhu

1050C. Pada tangki cooking ini tejadi reaksi hidrolisa pati menjadi dextrin dengan

menggunakan enzim amylase. Selanjutnya slurry masuk ke “Cooler” dengan

tujuan untuk menurunkan suhu dari 105oC menjadi 60oC dengan menggunakan


II-7


cooling water. “Slurry” pati yang keluar dari “Cooler” ini akan dimasukkan ke

dalam tangki sakarifikasi. Kemudian enzim glukoamylase ditambahkan untuk

merubah dextrin menjadi glukosa, sehingga dapat difermentasikan menjadi etanol.

Dalam proses sakarifikasi ditambahkan juga H2SO4 agar pH turun menjadi 4 - 5.

Proses ini berlangsung selama 2 hari pada suhu 600C.

II.4.2 Tahap Fermentasi

Setelah dihidrolisa pada tangki sakarifikasi, slurry disterilkan dalam Heat

Exchanger sampai suhu mencapai 1200C, setelah itu dialirkan menuju cooler

untuk didinginkan, dari proses pendinginan itu slurry dialirkan menuju tangki

seeding dan Fermentor dengan perbandingan 1/9. Dalam Tangki seeding, yeast

(Saccharomycer cerevisiae) dibiakkan pada suhu 320C dengan penambahan

nutrien dan NH3. Yeast yang telah dibiakkan dipompa menuju Fermentor untuk

memfermentasikan glukosa menjadi etanol dan karbondioksida pada suhu 320C

selama 48 jam. Untuk mencegah terbentuknya buih dalam Tangki Fermentor,

maka ke dalam tangki tersebut ditambahkan antifoam. Pada proses fermentasi ini

akan dihasilkan 8 - 10% ethanol. Kemudian dilakukan pemisahan dengan Screen

Filter. Filtrat yang dihasilkan ditampung dalam dalam tangki penampung Filtrat.

II.4.3 Tahap Pemurnian (Distilasi)

Setelah proses fermentasi selesai tahapan selanjutnya adalah pemurnian

ethanol pada kolom distilasi.

“Beer Still”

Pada “beer still” ethanol hasil fermentasi dipisahkan dari zat lainnya

berdasarkan volatilitasnya. Ethanol, asam asetat, aldehid, air, dan propanol ini

dimurnikan lagi dalam “Predistilasi” , sedangkan sisa glukosa, antifoam, dan

dextrin sebagai fraksi berat akan menjadi “bottom product” dan dialirkan ke

unit pengolahan limbah. Beer Still akan menghasilkan ethanol sebesar 50 %

v/v.

“Predestilasi”

Pada “Predestilasi”, top product dari “beer still” yang terdiri dari

ethanol, asam asetat, air, aldehid dan propanol ini akan dimurnikan lagi


II-8


dengan proses pemisahan berdasarkan volatilitasnya. Dari “ Predestilasi” ini

akan dihasilkan ethanol dengan tingkat kemurnian 90 % v/v.

“Rectifying Column”

Pada “Rectifying column” “top product” dari “beer still” yang terdiri dari

ethanol, asam asetat, air, dan C3H8O3 ini akan dimurnikan lagi dengan proses

pemisahan berdasarkan volatilitasnya. Dari “ Rectifying column” ini akan

dihasilkan ethanol dengan tingkat kemurnian ±96 %.

Uap ethanol yang berasal dari kolom stripper/rectifier sebagian

dikondensasi di kondensor dan dikirim kembali ke kolom sebagai reflux. Sisa

uap dilewatkan melalui superheater dan dibawa ke unit molecular sieve untuk

didehidrasi. Uap lewat melalui bed butiran-butiran molecular sieve dan air yang

terkandung dalam uap tersebut diadsorpsi pada material molecular sieve tersebut

dan ethanol anhydrous keluar dari unit molecular sieve.

Uap etanol panas dari unit molecular sieve dikondensasi di kondensor

molecular sieve. Ethanol anhidrat sebagai produk kemudian didinginkan lebih

lanjut dalam unit pendingin produk sampai produk mencapai mendekati suhu

lingkungan.

Unit molecular sieve ada 2 buah dan dioperasikan berurutan (sequentially)

dimana salah satu beroperasi (menabsorbsi air dari uap ethanol) dan yang satu

dilakukan regenerasi. Proses regenerasi dilakukan dengan bantuan pompa

vakum dan dimana material adsorbed dari molekular sieve dilepaskan dan

diuapkan bersama sisa uap etanol. Campuran ethanol dan air lalu dikondensasi

dan didinginkan dalam cooling tower water dalam molecular sieve regenerant

condenser. Sedangkan uap yang tidak terkondensasi dan liquid yang terikut dari

molecular sieve regenerant condenser akan masuk molecular sieve regenerant

drum dimana keduanya itu akan dikontakkan dengan liquid pendingin

regenerant.

Liquid pendingin regenerant mengandung sedikit ethanol dan mengandung

semua air yang dilepaskan dari molecular sieve bed. Lalu ada liquid yang

mengandung sedikit ethanol itu direcycle ke kolom striping untuk mendapatkan


II-9


lagi ethanol. Air yang meninggalkan kolom stripping sebagai bottom produk dan

mengandung hanya sedikit ethanol.

KEUNTUNGAN METODE MOLECULAR SIEVE

1. Proses utamanya sangat sederhana sehingga dapat dilakukan secara otomatis

sehingga mengurangi tenaga kerja.

2. Prosesnya inert. Tanpa menggunakan tambahan bahan kimia sehingga tidak

perlu adanya tenaga kerja yang menanganinya.

3. Molecular sieve dapat dengan mudah memproses ethanol yang mengandung

kontaminan,yang mengganggu sistem distilasi azeotrop. Sebagai tambahan,

molecular sieve didesain sedemikian rupa untuk dapat mendehidrasi secara

luas berbagai bahan kimia yang lain, dengan cara memberikan peningkatan

fleksibilitas pemlihan operasi di masa yang akan datang.


II-10


4. Molecular sieve tipe dessicant memiliki waktu pemakaian yang lama dengan

hampir mencapai 5 tahun.

5. Dapat difungsikan sebagai suatu sistem pemurnian ethanol sendiri atau

digabungkan dengan sistem destilasi. Sehingga dapat dilihat dan

dibandingakan performa antara keduanya baik dari segi operasi yang

maksimal atau effisiensi energi yang tinggi.

6. Jika digabungkan dengan sistem destilasi secara langsung maka konsumsi

steam dapat diminimalkan karena adanya recovery dan penggunaan kembali

energi panas.


II-11


II.4 Skema Sederhana

Gambar II.1 Skema sederhana pembuatan ethanol dari ubi kayu


II-12

bab ii pemilihan dan uraian proses.doc

Documents