MAKALAH PEMBUATAN BIO-OIL DARI LIMBAH TONGKOL JAGUNG DENGAN PROSES PIROLISIS

Disusun oleh:Arini Hidayat AssalimahI0511008Ariska Rinda AdityariniI0511009

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SEBELAS MARETSURAKARTA2015

A. PENDAHULUANKelangkaan bahan bakar minyak yang sering terjadi selalu diikuti dengan kenaikan harga minyak dipasar adalah karena jumlah ketersediaan yang tidak seimbang dengan jumlah kebutuhan. Diperkirakan bahwa cadangan minyak saat ini hanya untuk 10-20 tahun ke depan, lebih buruk lagi penggunaan bahan bakar minyak akan menghasilkan polusi berupa sulfur. Selain itu, CH4 dan N2O juga dapat merusak lingkungan dimana ikut andil menyebabkan pemanasan global. Momentum krisis energi seperti ini adalah saat paling tepat untuk mempromosikan limbah biomassa seperti tongkol jagung, sebagai salah satu sumber energi alternatif. Potensi biomassa yang berlimpah di Indonesia sebagai akibat usaha pertanian dan residu dari agroindustri akan menjadi masalah jika tidak dimanfaat. Tongkol jagung biasanya oleh masyarakat dibuang begitu saja atau dijadikan makanan ternak oleh masyarakat. Tongkol jagung sebenarnya bisa di manfaatkankan dengan baik, dan pada akhirnya akan menjadi limbah yang tidak berguna dan berpotensi mencemari lingkungan. Pemanfaatan limbah biomassa akan memberikan pilihan kepada masyarakat menyangkut pemenuhan sumber energi yang ekonomis dan menguntungkan. Limbah biomassa mengandung bahan organik yang tinggi (selulosa, hemiselulosa, dan lignin) dan memiliki kadar energi yang tinggi. Oleh karena itu, limbah biomassa sangat tepat dimanfaatkan sebagai sumber energi potensial yang dapat diperbarui berdasarkan keuntungan rekoveri energi dan proteksi lingkungan (Lehman.J, 2007). Ketersediaan bahan bakar biomassa yang cukup melimpah tersebut masih memerlukan perlakuan khusus, karena kandungan energi yang dimiliki oleh biomassa untuk langsung digunakan masih rendah sehingga perlu diubah menjadi energi kimia biochar terlebih dahulu (Bridgwater.A, 2003). Berdasarkan data yang diperoleh, energi yang dikandung oleh batu bara kualitas tertinggi (antrasit) adalah sebesar 31.400 kJ/kg, sedangkan energi yang terkandung dalam sekam padi sebesar 14.400 kJ/kg dan tongkol jagung 15.400 kJ/kg (Annonymous, 2005). Rendahnya kandungan energi yang dimiliki oleh biomassa ini diperlukan teknik pemanfaatan energi biomassa yang tepat. Salah satu cara untuk menaikkan energi biomassa secara efektif adalah dengan pirolisis. Pirolisis adalah peristiwa kompleks, dimana senyawa organik dalam biomassa didekomposisi melalui pemanasan tanpa kehadiran oksigen (James.G, Speight, 1994). Produk pirolisis dapat berupa: padatan, gas, cairan, dan biochar (sebagai hasil samping). Perkembangan terakhir dari pirolisis biomassa telah terbukti mampu menjadi salah satu pilihan yang bisa memberikan kontribusi yang substansial sebagai sumber energi. Faktor yang berpengaruh pada proses pirolisis adalah: kondisi operasi (temperatur, refluks, dan waktu reaksi) dan kondisi umpan (jenis, ukuran dan kadar air) (Sulistyanto.A, 2006).

B. LANDASAN TEORIBiomassa merupakan bahan yang dapat berasal dari sayuran, buah-buahan, gulma, rumput, limbah hasil pertanian dan kehutanan, yang berpotensi menjadi sumber energi alternatif, yaitu dengan mengubahnya menjadi bio-oil melalui proses pirolisis dengan katalis. Bio-oil dapat digunakan untuk bahan dasar pembuatan bio-fuel untuk keperluan transportasi dan power plant industri, selain itu bio-oil juga dapat diperbaharui dan bersifat ramah lingkungan. Salah satu biomassa yang dapat digunakan yaitu tongkol jagung. Tongkol jagung merupakan limbah makanan yang mudah diperoleh dengan jumlah yang berlimpah. Teknologi konversi biomassa menjadi bio-oil dapat dilakukan dengan teknologi pirolisa. Teknologi pirolisis merupakan pembakaran biomassa pada kondisi tanpa oksigen. Tujuannya dalah melepaskan zat terbang (volatile matter) yang terkandung pada biomassa. Secara umum, kandungan zat terbang dalam biomassa cukup tinggi. Produk proses pirolisis ini berbentuk cair, gas dan padat. Produk padat dari proses ini berupa arang, dan produk gasnya dikondensasi menjadi bio-oil, dan produk cairnya berupa tar (Sahan, 2013).

C. DISKRIPSI PROSESBerikut ini adalah diagram alir pembuatan bio-oil dengan proses pirolisis menggunakan bahan baku tongkol jagung.

Pada proses persiapan biomassa dilakukan dengan alat knife cutter untuk memotong-motong tongkol jagung kemudian digunakan vibrating screen untuk menyaring tongkol jagung yang telah dihaluskan. Proses selanjutnya adalah dalam reaktor pirolisis yang berfungsi mengurai remah tongkol jagung (corn stover) dalam proses pemanasan pada suhu 480 oC sehingga terbentuk bio-oil, gas, dan karbon aktif. Reaksi pada reaktor pyrolysis :

480oC(C10H12O4)10 6,203C3H8O + 66,976C + 6,404CO2 + 3,852CO + 4,159CH4 + 9,734H2 + 17,136 H2O(Simulation of Olive Pits Pyrolysis in a Rotary Kiln Plant thermal science, 2011)Proses selanjutnya sebagai proses pemurnian bio-oil yaitu pemisahan arang (C) yang masih ada gas yang berasal dari reaktor pirolisis menggunakan cyclone. Gas setelah melewati cyclone kemudian dipisahkan dari cairan bio-oil, terjadi pemisahan gas dan cair secara langsung (Paul, 2000).Berikut ini adalah proses pembuatan bio-oil dengan pirolisis tongkol jagung dalam skala laboratorium :

D. NERACA MASSAProses pirolisis dengan bahan tongkol jagung dapat dilakukan dengan ketentuan sebagai berikut, diasumsikan bahwa :Kapasitas produksi: 2.250 ton/tahunBasis perhitungan: 1 jam operasiWaktu kerja per tahun: 330 hariSatu hari operasi: 24 jamSatuan perhitungan: kg/jam dan kmol/jamKapasitas produksi per jam = = 284,0909 kg/jamKemurnian Produk: 96 % Bio-oil sebagai produk = 96% x 284,0909 kg/jam = 272,7272 kg/jamDari perhitungan arus mundur, untuk meghasilkan 272,7272 kg/jam Bio oil dibutuhkan bahan baku tongkol jagung halus sebanyak 637,3188 kg/jam. Jumlah tongkol jagung daur ulang 159,3297 kg/jam, massa molekul realatif (kg/kmol):Bio-oil (C3H8O)= 60,0333kg/kmol Lignoselulosa (C10H12O4)10= 1960 kg/kmolC= 12,0111 kg/kmolCO= 28,0105 kg/kmolCO2= 44,0147 kg/kmolCH4= 16,0427 kg/kmolH2= 2,0016 kg/kmolO2= 32 kg/kmolN2= 28,02 kg/kmolH2O= 18,0016 kg/kmol(Perry,1999)Mol Bio-oil= = 4,5429 kmolKomposisi Tongkol Jagung dalam % massa (Basis:100)- Lignoselulosa= 84%- Impuritis= 16 %(Hambali, dkk.,2007)Berikut neraca massa pada alat yang digunakan pada pembuatan Bio-oil :1. Knife cutter Fungsi: mengecilkan ukuran tongkol jagung menjadi ukuran dengan diameter 1 mm sebelum masuk kedalam vibrating screen (vs).

Efisiensi pengecilan ukuran tongkol jagung oleh Knife Cutter = 80%. (Walas, 1988). Dalam knife cutter ini hanya 80% tongkol jagung yang berhasil dikecilkan menjadi ukuran diameter 0,1 mm.Arus masukTongkol jagung yang harus disuplay setiap jam adalah 796,6485 kg/jamDi dalam knife cutter hanya berhasil dihaluskan 80 % sehingga 20 % lagi akan di recycle kembali dari VS ke Knife cutter.Tongkol jagung yang harus disuplai dari penyimpanan: Tongkol jagung yang direcycle :

Arus keluar knife cutter (arus 3)F2 = F1 + F4F2 = (637,3188 + 159,3297) kg/jamF2 = 796,6485 kg/jam

Tabel.1 Neraca Massa pada Unit Persiapan Bahan BakuKomponenMasuk (kg/jam)Keluar (kg/jam)

arus 1arus 4arus 2

Tongkol jagung637,3188159,3297796,6485

Total796,6485796,6485

2. Vibrating ScreenFungsi : Menyaring tongkol jagung yang telah dihaluskan oleh Knife Cutter (KC) yang berukuran 1 mm

Asumsi efisiensi penyaringan tongkol jagung pada vibrating screen adalah 80%. Dalam vibrating screen akan dipisahkan semua tongkol jagung yang ukurannya 1 mm dari tongkol jagung yang ukurannya lebih besar dari 1 mm.Persamaan Neraca Massa pada Vibrating Screen F2 = F3 + F4F2 = 796,6485 kg/jamF4 = 159,3297 kg/jamF3 = F3 F4 = (796,6485 159,3297) kg/jam = 637,3188 kg/jam

Tabel.2 Neraca Massa pada Vibrating Screen (VS-104)Komponenmasuk (kg/jam)keluar (kg/jam)

arus 2arus 3arus 4

Tongkol jagung796,6485637,3188159,3297

Total796,6485796,6485

3. Reaktor Pyrolysis Fungsi: mengurai remah tongkol jagung (corn stover) dalam proses pemanasan pada suhu 480 oC sehingga terbentuk bio-oil, gas, dan karbon aktif.

Persamaan Neraca Massa pada Reaktor Pyrolysis F3 + F5 = F7

480oCReaksi pada Reaktor Pyrolysis(C10H12O4)10 6,203C3H8O + 66,976C + 6,404CO2 + 3,852CO + 4,159CH4 + 9,734H2 + 17,136 H2O(Simulation of Olive Pits Pyrolysis in a Rotary Kiln Plant thermal science, 2011)

Konversi Lignoselulosa = 100 % (Hambali,2007)Massa remah jagung masuk ke raktor sama dengan jumlah remah jagung yang keluar di arus 4 vibrating screen sehingga F3 = 637,3188 kg/jam.Arus 3Massa (C10H12O4)10= 637,3188 kg/jamMol (C10H12O4)10= = 0,3323 kmol/jamHasil reaksi :Alur 7Mol Bio oil= 4,5429 kmolMol C= x 0,3323 = 22,2561 kmolMol CO2= x 0,3323 = 2,128 kmolMol CO= x 0,3323 = 1,28 kmolMol CH4= x 0,3323 = 1,382 kmolMol H2= x 0,3323 = 3,2346 kmolMol H2O= x 0,3323 = 5,6942 kmolF7 Bio-oil= 4,5429 x 60,0333 = 272,7272 kg/jamF7 Arang (C)= 22,2561 x 12,0111 = 267,3202 kg/jam

Tabel.3 Komposisi Produk Gas Sintesis (Syngas) serta Berat MolekulnyaKomponen GasKomposisi (% mol)Berat Molekul (kg/kmol)

H256,42,016

N233,128,020

CH47,116,040

H2O1,718,016

CO1,328,010

CO20,444,010

(Sumber : Subekti, 2005 dan Perry and Green, 1999)F7 CO2 = 2,128 x 44,0147 x 0,4% = 0,3746 kg/jamF7 CO = 1,28 x 28,0105 x 1,3% = 0,4660 kg/jamF7 CH4 = 1,382 x 16,0427 x 7,1% = 1,5741 kg/jamF7 H2 = 3,2346 x 2,0016 x 56,4% = 3,6515 kg/jamF7 H2O = 5,6942 x 18,0016 x 1,7% = 3,6515 kg/jamArus 5Kebutuhan gas N2 sebagai pendorong partikelpartikel yang terdapat pada reaktor pyrolisis (RP) 10% dari jagung yang masuk.F5 = 10% dari jagung yang masuk = 10% x 637,3188 kg/jam = 63,7319 kg/jamF5 = 63,7319 kg/jam x 33,1% = 21,5586 kg/jamArus 6Arus 15

Tabel.4 Neraca Massa Pada Reaktor Pyrolysis KomponenMassa Masuk (kg/jam)Massa Keluar (kg/jam)

Arus 3Arus 5Arus 6Arus7Arus 15

LignoselulosaImpuritis Bio-oil Arang (C) CO2COCH4H2H2O N2553,1067104,2121---------------------------------------------------21,5586

43,3957

24,2210---104,2121272,7272267,32020,37460,46603,65156,47433,6515---

43,3957

24,2210

Sub total657,318821,558667,6167678,877467,6167

Total746,4941746,4941

4. Cyclone Fungsi : Memisahkan Arang (C) yang masih ada gas yang berasal dari reaktor pirolisisAsumsi efisiensi peyisihan Arang (C) 100% (hasil maksimum).

Persamaan Neraca Massa pada CycloneF8 + F9 = F10Arus 9F9 Arang (C) = F10 Arang (C) = 267,3202 kg/jamArus 10F8 Bio-oil= F10Bio-o= 272,7238 kg/jamF8 CO2= F10 CO2= 0,3746 kg/jam F8 CO= F10CO= 0,4660 kg/jam F8 CH4= F10 CH4= 3,6515kg/jam F8 H2= F10 H2= 6,4743 kg/jam F8 H2O= F10 H2O= 3,6515 kg/jam

Tabel.5 Neraca Massa pada Cyclone KomponenMassa Masuk (kg/jam)Massa Keluar (kg/jam)

Arus 8Arus 9Arus 10

Bio-oil Arang (C) CO2COCH4H2H2O272,7238267,32020,37460,46603,65156,47433,6515---267,3202------------272,7238---0,37460,46603,65156,47433,6515

Sub Total547,8527267,3202287,3451

Total547,8527

5. Knock Out Drum Fungsi : memisahkan gas dari cairan bio-oil. Dalam Knock Out Drum ini terjadi pemisahan Gas dan cair secara langsung (Paul, 2000).Asumsi efisiensi alat terpisah 100%

Out Drum (KO) Persamaan Neraca Massa Pada Knock Out Drum (KO)F11 = F12 + F16Arus 11F14 Bio-oil = F12 Bio-oil = 272,7238 kg/jamArus 10F13 CO2= F11 CO2= 0,3746 kg/jam F13 CO= F11CO= 0,4660 kg/jam F13 CH4= F11 CH4= 3,6515kg/jam F13 H2= F11 H2= 6,4743 kg/jam F13 H2 O = F11 H2O = 3,6515 kg/jam

Tabel.6 Neraca Massa pada Knock Out Drum KomponenMassa Masuk (kg/jam)Massa Keluar (kg/jam)

Arus 11Arus 12Arus 13

Bio-oilCO2COCH4H2H2O272,72720,37460,46603,65156,47433,6515272,7272------------3,6515---0,37460,46603,65156,4743----

Sub Total287,3451276,375310,9664

Total287,3451

E. PERHITUNGAN NERACA PANASBasis perhitungan : 1 jam operasi.Temperatur referensi : 25 oC (298,15 K).Satuan perhitungan : kJ/jam

Tabel 7 Kapasitas Panas GasKomponenCp(J/mol.K)

ab x 10-2Tc x 10-5T2d x 10-9T3e x 10-12T5

(J/mol.K)

H2g : 17,6386l : 58,86636,7006-23,0694-13,1485-8.042,1300105,88301.377,7600-29,18030

N2g : 29,4119l : 14,7141-0,3007220,25700,5451-3.521,46005,1319179,9600-42,53080

CH4g : 38,3870l : -7,7071-7,3664102,562029,0981-166,5660-263,849019.750,7000-42,53080

H2Og : 34,0471l : 18,2964-0,965147,21183,2998-133,8780-20,44671.314,24004,30230

COg : 29,0063l : 14,96730,2492214,3970-1,8644-3.247,030047,9892158,0420-28,72660

CO2g : 19,0223l : 11,04177,9629115,9550-7,3707-723,130037,457215.501,9000-8,13300

O2g : 5,98650,0558 0,1400-1,09380,2300

Cc : 11,18001,0950 -0,489100

Perry and Green, 1997 (kal/g.oC), untuk S satuan (kal/mol.oC); Stanley, 1989(J/mol.K); Richard and Rousseau, 1986 (J/mol.K); Reklaitis, 1983 (J/mol.K)

Tabel 8 Panas PembentukanKomponenHf0

Panas LatenTemperatur

Hvl ()HmBekuDidih

(kkal/mol)(kal/mol)(kal/mol)(oC)(oC)

H201.334,600029-259,04-252,61

N205.577,5000172-209,86-195,80

CH4-17,89008.179,5000225-182,60-161,40

H2Og : -57,7960l : -68,31509.729,00001.4360100,00

CO-26,42006.065,3000200-207,00-192,00

CO2-94,050016.560,90001.991-56,60-78,50

O20-183,00-218,40

Cc : 0g : 171,291010.994>3.500,004.200

Holtz, 1988 (kkal/mol); Richard and Rousseau, 1986 (kkal/mol), Perry and Green,1997 (kkal/mol)

Tabel 9 Kapasitas Panas EstimasiGugusHarga (J/mol.0K)Harga (kkal/mol.0K)

CHONSNaK10,867,5613,4218,7412,3631,468,782,60091,80563,20524,47582,9727,56,8737

Perry and Green, 1997Data estimasi kapasitas panas (Cp) dalam kkal/kmol.K (Metode Hurst dan Herrison)Cp Lignoselulosa = 189,9126 kkal/kmol.0KCp impuritis = 63,3042 kkal/kmol.0KCp Bio-oil = 49,5874 kkal/kmol.0KData estimasi H0f(298) dalam kkal/mol (Tabel 3.335, Perry)H 0f(298 K) Bio-oil = -196,8300 kkal/molH0f(298 K) Lignoselulosa = -778,3875 kkal/molH0f(298 K) Impuritis= -280,1946 kkal/mol1 kkal = 4,184 kj (Geankoplis,1993)

Reaktor Pyrolisis dan Combuster

Neraca Panas Total

Kapasitas panas arus 3 (298 K sampai 303 K)

= 189,9126 kkal/kmol.0K x (303 298) K= 496,8740 kkal/kmol

= 63,3042 kkal/kmol.0K x (303 298) K= 316,5210 kkal/kmol

Kapasitas panas arus 6 (298 K sampai 303K)

Kapasitas panas arus 7 (298 K sampai 753K)

= 49,5874 kkal/kmol.0K x (753 298) K= 22.607,7670 kkal/kmol

Neraca Panas Komponen

Lignoselulosa

Impuritis

Bio-oil

Arang (C)

CO

H2O

CO2

CH4

H2

Panas pembentukan pada temperatur 298 K (referensi) Reaksi Umum:480 0C(C10H12O4)10 6,203C3H8 O (l)+ 66,976 C(s)+ (6,404 CO2 + 3,852 CO +4,159 CH4+ 9,734 H2) (g) + 17,136 H2O

2 x (-196,8300 kkal/mol) + (5 x 0) + 3 x (-26,4200 kkal/mol) + 3 x (-94,0500 kkal/mol) + 3 x (-17,8900 kkal/mol) + 0 + (-1) x (-553,9200 kkal/mol + (-224,4675 kkal/mol) + (-280,1946 kkal/mol))= 249,8421 kkal/mol x 1000 mol1kmol= 249.842,1 kkal/kmol

Qproduk = H= 81.728,5002 kkal/jamQout = Qreaksi + Qproduk= 630.351,6183 + 81.728,5002= 712.080,1185 kkal/jamPanas reaksi yang terjadi secara keseluruhan ( Qreaktor ) Q= Qout + Qin Qreaktor = 630.351,6183 + 38.026,2566 + 7.087,5181 + 8.255,1595 + 65,8633 + 12.424,8578 + 13.176,2074 + 2.692,6375= 711.034,5701 kkal/jam

Kapasitas panas arus CH4 (298 K sampai 303K)

Kapasitas panas udara (O2 dan N2) (298 K sampai 303K)

Kapasitas panashasil pembakaran (298 K sampai 823 K)

(H2O) (H2O) = 9,729 kkal/kmol

1.355,5567 kkal/kmol + 9,729 kkal/kmol + 3.909,4883 kkal/kmol= 5.274,7740 kkal/kmol

Reaksi pembakaran CH4 : Udara yang dibutuhkan untuk membakar 1 kmol CH4 (udara 20% berlebih)Mol O2= (kmol CH4 + (20% kmol CH4)) x O2= (1+ 0,2) x 2= 2,4 kmolMol N2= x 2,4 kmol= 9,0286 kmol

= (-94,0500 + 2 x (-68,3150) (-17,8900) 2 x 0) kkal/kmol= -212,7900 kkal/mol= -212.790 kkal/kmol

H reaktan

= 1 kmol/jam x 43,0451 kkal/kmol= 43,0451 kkal/jam

= 2,4 kmol/jam x 7,4723 kkal/kmol= 17,9334 kkal/jam

= 9,0286 kmol/jam x 34,4084 kkal/kmol= 310,6587 kkal/jam

H produk (kmol O2 : 0,4; kmol CO2 : 1; kmol N2 : 9,0286; kmol H2O : 2)

= 0,4 kmol/jam x 824,2986 kkal/kmol= 329,7195 kkal/jam

= 9,0286 kmol/jam x 3.085,0795 kkal/kmol= 27.853,8610 kkal/jam

= 1 kmol/jam x 5.732,5174 kkal/kmol= 5.732,5174 kkal/jam

= 2 kmol/jam x 5.274,7740 kkal/kmol= 10.549,5481 kkal/jamPanas yang dihasilkan dari pembakaran 1 kmol CH4QCH4 = r. Hr(298) + H produk - H reaktan= (-212.790 + 329,7195 + 27.853,8610 + 5.732,5174 + 10.549,5481- 43,0451 - 17,9334 310,6587) kkal/jam= 168.695,9913 kkal/jam

= 4,2148 kmol

= 4,2148 kmol x 16,0427 kg/kmol= 67,6167 kg/jam

Tabel 10 Neraca Panas pada Reaktor PyrolisisKomponenArus masuk(kkal/jam)

(kkal/jam)Arus keluar(kkal/jam)

Umpan(C10H12O4)101.045,5484-

Bio-oil (C3H8O)-38.026,2566

Arang (C)7.087,5181

CO28.255,1595

CO65,8633

CH412.424,8578

H213.176,2074

H202.692,6375

Panas yang dibutuhkan711.034,5701-

Total712.080,1185712.080,1185

F. DAFTAR PUSTAKAPrarancangan Pabrik Pembuatan Bio-oil dengan Proses Fast Pyrolysis Menggunakan Bahan Baku Tongkol Jagung, 2012, Universitas Sumatera UtaraIskandar, Taufik, 2012, Identifikasi Nilai Kalor Biochar dari Tongkol Jagung dan Sekam Padi pada Proses Pirolisis, Jurusan Teknik Kimia Vol.7 No.1, Universitas Tribhuwana TunggadewiSahan, Yusnimar, 2013, Konversi Tongkol Jagung Menjadi Bio-Oil dengan Katalis Zeolit Alam, Universitas Riau Pekan Baru