rancang-bangun alat produksi bioetanol design of...
TRANSCRIPT
1
Rancang-bangun Alat Produksi Bioetanol
Design of Bioethanol Production Mechine
Budy Rahmat
1, Eri Cahrial
2 , dan Betty Rofatin
2
1 Dosen Program Studi Agroteknologi Universitas Siliwangi
2 Dosen Program Studi Agribisnis Universitas Siliwangi
Abstrak
Bioetanol (alkohol) biasa digunakan sebagai bahan baku industri farmasi,
bahan dasar industri turunan bioetanol, parfum, minuman keras, dan untuk
substitusi bahan bakar minyak bumi. Memperhatikan prospek strategis bioetanol
seperti itu, maka teknologi produksinya menjadi penting untuk dikuasai dan terus
dikembangkan oleh peminat di Indonesia, terutama perguruan tinggi sebagai
pengembang dharma penelitian. Oleh karena itu perlu terbangun sebuah alat
produksi bioetanol sebagai sarana penelitian di perguruan tinggi. Penelitian ini
bertujuan merancang-bangun sebuah alat produksi bioetanol skala laboratorium.
Metode penelitian yang digunakan adalah metode rekayasa rancang-bangun alat.
Penelitian yang telah dilakukan berhasil membuat rancangan konfigurasi mesin
produksi alkohol skala laboratorium. Konfigurasi mesin produksi alkohol tersebut
terdiri dari : (i) reaktor fermentasi untuk mengonversi nira menjadi alkohol; dan
(ii) alat distilasi berfungsi memisahkan bioetanol dari broth, yang terdiri dari:
tabung boiler dan kondensor. Reaktor fermentasi mampu menghasilkan broth
yang mengandung 4,52 % bioetanol. Sedangkan ekstraksi bioetanol dari broth
oleh proses distilasi mampu menghasilkan 180,8 mL dari setiap 4 L hasil
fermentasi.
Kata kunci : bioetanol, rancang-bangun, fermentasi.
Abstract
Bioethanol is used as pharmaceuticals, alcohol-derived industrial basic
materials, perfume, liquor, and for the substitution of petroleum fuels. Due to the
strategic prospects of bioethanol, the production technology is essential to be
developed in Indonesia, especially in university. Therefore, a mechine to produce
bioethanol is needed as a research tool. This study aims to design a lab-scale
bioethanol production tools. The method used is the method of engineering design
tools. The configuration of alcohol production machine consists of: (i)
fermentation reactor to convert sap into alcohol, and (ii) distillation tool serves to
separate bioethanol of broth, which consists of: boiler and condenser tubes. The
fermentation reactor is capable of producing broth containing 4.52% bioethanol.
Then the extraction of bioethanol from the broth by distillation process is able to
produce 180.8 mL bioethanol of each 4 L broth.
Key words: bioethanol, design, fermentation
_______________________________________________
* Corresponding author : phone 0265 323531;
Fax. 0265 325812; email adress : [email protected]
2
Pendahuluan
1. Latar Belakang
Bioetanol merupakan bahan kimia yang diproduksi dari bahan baku
tanaman yang mengandung pati seperti ubi kayu, ubi jalar, jagung, dan sagu.
Alkohol memiliki nama kimia etanol (C2H5OH), karena dibuat dari bahan hasil
tumbuhan maka sering disebut dengan bioetanol (Allen et al., 2001; BPPT, 2005).
Alkohol atau bioetanol biasa digunakan sebagai bahan baku industri
farmasi, kosmetik, parfum, bahan dasar turunan alkohol, minuman keras, dan
bahan bakar. Mengingat pemanfaatan bioetanol beraneka ragam, sehingga grade-
nya yang dimanfaatkan harus berbeda sesuai dengan penggunaannya. Etanol yang
mempunyai grade 90-96,5% dapat digunakan pada industri, sedangkan grade 96-
99,5% dapat digunakan sebagai campuran untuk minuman keras dan bahan dasar
industri farmasi. Bioetanol yang dimanfaatkan sebagai bahan bakar untuk
kendaraan harus betul-betul kering (anhydrous) supaya dapat bercampur dengan
bensin dan tidak korosif, sehingga etanol harus mempunyai grade sebesar 99,5-
100% (Departemen ESDM, 2005).
Memperhatikan prospek strategis alkohol seperti diuraikan di atas, maka
teknologi pengolahan hasil-hasil pertanian karbohidrat menjadi alkohol menjadi
penting untuk dikuasai terus dikembangkan oleh segenap stake holder di
Indonesia. Hal ini dengan pertimbangan bahwa, banyak aktivitas produksi
pengolahan bahan hasil bumi Indonesia yang sudah ada namun semua perangkat
teknologinya hasil impor sehingga sangat ketergantungan kepada tenaga ahli dari
luar dan tuntutan biaya purna beli yang tinggi. Hal ini semua akan berujung
kepada rendahnya profit usaha produksi alkohol atau menurunkan kompetitif
produk alkohol.
Perguruan tinggi dengan dharma penelitiannya harus di barisan terdepan
dalam upaya mencari solusi permasalahan lambat dan tidak berkembangnya
penguasaan teknologi produksi bioetanol, agar bangsa ini tidak selalu tertinggal
oleh kermajuan iptek bangsa lain.
3
2. Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian di atas dapat diidentifikasi masalah: perlu terbangun
sebuah alat produksi alkohol sebagai sarana penelitian di perguruan tinggi.
3. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah merancang-bangun sebuah alat produksi
bioetanol skala laboratorium.
4. Manfaat Hasil Penelitian
Alat hasil rancang-bangun penelitian ini memiliki manfaat sebagai berikut:
1) Sebagai sarana praktikum, penelitian, dan pelatihan masyarakat.
2) Upaya rintisan untuk memperoleh hibah penelitian Ditjen Dikti
Kemendikbud, bahkan untuk membuat mesin skala produksi
3) Sarana pengembangan iptek produksi alkohol
Tinjauan Pustaka
1. Proses Produksi Bioetanol
Proses produksi bioetanol yang selama ini sudah dikembangkan dan
diterapkan secara umum meliputi dua tahap, yaitu proses sakarifikasi dan
fermentasi. Proses sakarifikasi bertujuan untuk memecah karbohidrat (seperti
gula, selulosa dan hemiselulosa) menjadi monomer gula (Allen et al., 2001).
Pada bahan baku molase, gula bit, dan gula tebu yang selama ini sudah
digunakan secara luas sebagai bahan baku etanol, proses pembuatan etanol lebih
sederhana karena bahan baku tersebut dapat langsung disakarifikasi dengan
menambahkan glukoamilase (Be Miller et al., 1996; Agu et al., 1996).
Sedangkan untuk bahan baku berpati, sebelum proses sakarifikasi harus
dilakukan proses liquefaksi terlebih dahulu, proses dengan bahan baku berpati ini
sudah diterapkan secara luas terutama di Brazil dan di Amerika untuk
menghasilkan bioetanol, tetapi di Indonesia masih dilangsungkan pada skala
rumah tangga (Albrecht et al., 2007; Prihandana et al., 2008). Proses liquefaksi
4
dilakukan karena mikroorganisme fermentasi etanol tidak dapat mengkonversi
pati menjadi etanol secara langsung, diperlukan enzim untuk mengkonversi
oligosakarida pada pati menjadi maltosa, kemudian melalui proses sakarifikasi
diubah menjadi gula sederhana yang mudah difermentasi.
2. Komponen Mesin Produksi Bioetanol
Komponen utama mesin produksi etanol adalah berfungsi mengubah gula
menjadi bioetanol (Albrecht et al., 2007; Prihandana et al., 2008), terdiri dari :
(1) Tangki Fermentasi
Tangki fermentasi ialah tangki yang berfungsi mengubah glukosa menjadi
alkohol dengan bantuan ragi yang mengandung cendawan Saccaromyces
cerevisae di bawah kondisi anaerob. Hasil proses pada alat ini ialah broth yang
mengandung alkohol 6-12%.
(2) Boiler Distilasi
Boiler Distilasi ialah alat untuk memisahkan alkohol dari broth dengan
pemanasan 78 oC yang akan menguapkan alkohol menuju ke kondensor.
(3) Kondensor
Kondensor ialah tempat mengebunkan kembali uap alkohol yang berasal
dari boiler. Hasil yang keluar dari kondensor ini berupa alkohol 95%.
Sedangkan bila sumber karbohidrat berupa pati, seperti singkong, gadung,
ubi jalar dll., maka harus dilengkapi dengan alat tambahan untuk perlakuan
pendahuluan mengubah pati menjadi gula, meliputi alat :
(1) Tangki Likuefakasi
Tangki likuefakasi atau gelatinisasi ialah tangki yang berfungsi mengolah
hancuran ubi singkong menjadi bubur, yaitu mengubah pati menjadi maltosa
dengan bantuan enzim alfa amilase.
(2) Tangki Sakarifikasi
Tangki sakarifikasi ialah tangki yang berfungsi mengolah bubur menjadi
gula sederhana (glukosa) dengan bantuan enzim gluko-amilase.
5
Bahan dan Metode
1. Waktu dan Lokasi
Penelitian ini berlangsung dari Juni 2012 hingga September 2012, yang
dilaksanakan di Laboratorium Kimia Fakultas Pertanian Universitas Siliwangi
Tasikmalaya.
2. Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan dalam penelitian adalah nira gula, pupuk Urea,
pupuk NPK, ragi roti Fermipan, dan air bersih. Alat yang digunakan dalam
perancangan adalah : alat tulis dan satu unit komputer. Peralatan yang digunakan
adalah: perlengkapan las asetilen, las listrik, gergaji besi, mesin bubut, gerinda
duduk, gerinda tangan, perkakas umum (palu, tang, jangka, gunting pemotong
plat, penggaris siku, kunci baud), mesin bor, dan pemotong plat. Pada
pelaksanaan uji mesin digunakan juga alat-alat umum labortorium seperti gelas-
gelas kimia, timbangan analitis, statip, selang, pemanas, termometer, dll.
3. Metode Penelitian
Penelitian ini menggunakan metode penelitian rekayasa rancang-bangun,
yaitu penelitian ini bersifat tidak rutin sehingga di dalamnya terdapat kontribusi
baru, baik dalam proses maupun produk (Kastaman et al., 2005). Tahapan
Penelitian ini adalah seperti yang disajikan pada Gambar 1.
Rancangan adalah kegiatan pembuatan rencana untuk menyelesaikan suatu
masalah dengan menggunakan perpaduan beberapa prinsip. Pemecahannya dapat
menggunakan kombinasi beberapa komponen yang ada, agar diperoleh hasil yang
efisien atau menghasilkan pengembangan dari mesin yang sudah ada. Tahapan
perancangan ialah: (i) identifikasi masalah (ii) ide awal; (iii) problem refinement;
(iv) pengambilan keputusan; dan (v) pelaksanaan. Umumnya perancang bekerja
secara berurutan menurut tahapan-tahapan tersebut, tetapi tidak menutup
kemungkinan akan kembali ke tahap sebelumnya jika ada kesalahan.
6
Gambar 1. Diagram Alir Proses Rancang-bangun Mesin Produksi Bioetanol
4. Prosedur Percobaan
4.1. Dasar Perancangan
4.1.1. Rancangan Fungsional
Komponen fungsional (Gambar 2) dari sebuah mesin produksi alkohol
adalah :
7
1) Tangki Fermentasi
Tangki fermentasi ialah tangki bertutup terbuat dari bejana logam 15 L
yang berfungsi mengubah glukosa menjadi alkohol dengan bantuan ragi roti yang
mengandung cendawan Saccaromyces cerevisae di bawah kondisi anaerob. Hasil
proses pada alat ini ialah broth yang mengandung alkohol 6-9 %
2) Boiler Distilasi
Boiler ialah alat untuk memisahkan alkohol yang terkandung dalam broth
hasil fermentasi dengan pemanasan 78 oC yang akan menguapkan alkohol menuju
ke kondensor.
3) Kondensor Distilasi
Kondensor ialah tempat mengebunkan kembali uap alkohol yang berasal
dari boiler. Hasil yang keluar dari kondensor ini berupa alkohol 90-95%
4.1.2. Rancangan Struktural
Analisis rancangan alat dibuat didasarkan atas skala kapasitas proses alat
adalah 15 L. Rancangan struktural terdiri dari :
(1) Tangki fermentasi terdiri dari: (i) bejana stainless steel kedap udara
berukuran diameter 19 cm x tinggi 50 cm sebagai tempat berlangsungnya proses
fermentasi; (ii) ventilasi untuk pengeluaran produk samping CO2 yang berakhir
pada botol berisi air; (iii) termometer payung Wieke kisaran kerja 0-100 oC
sebagai pengukur suhu substrat; (iv) elemen pemanas listrik SG-1103 berdaya 1
Kwatt; dan (v) termostat EGO 55-13022 kisaran kerja 30-110 oC.
(2) Tangki boiler distilasi, yang terdiri dari: (i) bejana stainless steel
tertutup berukuran diameter 19 cm x tinggi 50 cm tempat memisahkan alkohol
dalam broth hasil fermentasi;(ii) kompor LPG sebagai pemanas; (iii) pressure
gauge MP skala 0-10 kg/cm2; (iv) termometer payung Wieke kisaran kerja 0-100
oC; dan (v) pipa pengeluaran uap alkohol menuju kondensor.
(3) Tabung kondensor distilasi terbuat dari silinder logam berdiameter 8
cm dan panjang 27 cm. Bagian utama kondensor ini adalah : koil (spiral) yang
dibentuk oleh pipa tembaga diameter 0,8 cm x panjang 75 cm. Pangkal pipa ini
8
terhubung ke pipa luaran dari boiler, sedang ujungnya merupakan tempat
keluarnya alkohol (distilat). Spiral berada dalam tabung berpendingin air mengalir
(counter current).
4.2. Pengujian Mesin
Sebenarnya ada teknik pangolahan gula untuk dijadikan bioetanol cukup
mudah diterapkan pada masyarakat dan hanya membutuhkan alat yang sederhana.
Proses pengolahan gula, yang ditargetkan menghasilkan 0,7 L bioetanol
dilaksanakan sebagai berikut :
1) Disiapkan air bersih dan matang sebanyak 20 L.
2) Ditimbang 2,1 kg gula pasir sebagai substrat fermentasi; 10,5 g urea dan 2,1 g
pupuk NPK untuk nutrisi Saccharomyces; dan 4,2 g ragi roti (Fermipan).
3) Semua bahan yang telah ditimbang tersebut dilarutkan dengan air matang
hingga volume mencapai 15 L.
4) Larutan yang terbentuk diinkubasikan ke dalam reaktor fermentasi dan suhu
dijaga pada kisaran 30- 35 oC selama tiga hari.
5) Proses fermentasi gula dapat diindikasi dengan terbentuknya gelembung-
gelembung CO2 terus-menerus pada ujung selang ventilasi dalam air.
6) Setelah tiga hari fermentasi, cairan (broth) dipindahkan ke boiler.
7) Selama pelaksanaan distilasi suhu boiler dijaga 78 oC hingga uap alkohol
keluar menuju kondensor. Aliran air pendingin kondensor dinyalakan agar
terjadi kondensasi secara maksimal.
8) Distilat alkohol yang keluar ditampung dan diukur setiap 10 menit, lalu dicatat
dalam tabel pengamatan. Pengamatan dihentikan hingga tidak ada tetesan
distilat lagi.
Hasil dan Pembahasan
1. Konfigurasi Alat
Konfigurasi alat produksi bioetanol skala laboratorium seperti ditunjukkan
pada Gambar 2 dengan komponen sebagai berikut.
9
A adalah reaktor fermentasi, terdiri dari : (1) saluran keluar CO2; (2)
substrat fermentasi; (3) termometer; (4) pemanas elektrik dan termokopel; dan (5)
saluran pengeluaran produk.
B adalah boiler, terdiri dari : (1) bir/broth hasil fermentasi; (2) termometer;
(3) kompor pemanas; dan (4) saluran uap alkohol ke kondensor. C ialah
kKondensor, terdiri dari : (1) koil pipa; (2) pipa keluar air pendingin; (3) pipa
Gambar 2. Diagram Konfigurasi Mesin Pengolah Alkohol
2. Pengujian Kinerja Mesin
Untuk menguji mesin pengolah yang telah dirancang-bangun di atas
dilakukan percobaan fermentasi terhadap 15 L nira dengan kadar gula 14%.
Setelah selama tiga hari, mula-mula teramati ialah terbentuk gas CO2 pada botol
air, sebagai indikasi terjadi proses fermentasi dengan persamaan reaksi :
C6H12O 2 C2 H5 OH + 2 CO2 Ragi
10
Alkohol yang masih tercampur dalam broth hasil fermentasi harus
dipisahkan dengan proses distilasi. Broth setelah di pindah ke boiler distilasi
dipanaskan sampai suhu 78oC, lalu uap yang terjadi dialirkan ke kondensor.
Kondensat yang keluar ditampung dan diukur, yang hasilnya seperti tersaji pada
Tabel 1.
Laju kondensasi hasil pengamatan seperti tersaji pada Tabel 1 dan Gambar
5 menunjukkan banyak alkohol yang dapat dipisahkan oleh proses distilasi setiap
interval 10 menit. Puncak tertinggi diperoleh pada distilasi menit ke-80, yaitu
21,6 mL. Setelah itu secara gradual perolehan menurun hingga 0 mL pada menit
ke-170.
Tabel 1. Laju pertambahan volume alkohol selama proses distilasi
Waktu Pengamatan
(menit) Volume Alkohol per
Pengamatan (mL ) Volume Akumulasi
(mL)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
0
5,4
6,8
7,9
9,8
15,3
16,9
19,5
21,6
20,5
18,7
12,7
9,6
7,7
4,8
2,4
1,2
0
0
0
5,4
12,2
20,1
29,9
45,2
62,1
81,6
103,2
123,7
142,4
155,1
164,7
172,4
177,2
179,6
180,8
180,8
180,8
Fakta ini memberikan informasi bahwa, proses distilasi cukup dilakukan
tiga jam saja, karena kondensat alkohol hasil telah terekstraksi seluruhnya.
Informasi ini penting untuk dijadikan acuan untuk penelitian ataupun untuk tujuan
efisiensi proses produksi.
11
Gambar 5. Grafik laju pertambahan volume alkohol selama proses distilasi.
Dalam suatu industri, baik itu dilakukan dengan teknik fermentasi,
kimiawi maupun fisik, yang perlu diperhatikan adalah stabilitas semua komponen
pendukung kegiatan proses tersebut. Industri akan berkembang bila ditinjau dari
aspek teknis, sosial, dan finansial saling mendukung. Industri fermentasi untuk
menghasilkan alkohol, tetapi penelitian masih perlu dilakukan khususnya dalam
upaya meningkatkan efisiensi.
Rendemen alkohol dari proses yang telah dilakukan, dapat dihitung
dengan rumus berikut:
Rendemen alkohol = %100xV
V
bahan
hasil
V hasil = banyaknya volume alkohol hasil distilasi (180,8 mL)
V bahan = banyaknya volume nira yang diproses (4.000 mL)
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Vo
lum
e A
lko
ho
l (m
L)
Waktu Pengamatan (menit)
12
Menggunakan rumus itu, maka proses pembuatan alkohol yang dilakukan
dengan alat pengolah yang telah dirancang-bangun, memiliki nilai rendemen
sebesar: 180,8 mL / 4.000 mL x 100 % = 4,52 %.
Nilai rendemen ini masih kurang dari 6-12 % seperti dikemukanan dalam
beberapa penelitian sebelumnya. Oleh karena itu, masih dimungkinkan upaya
perbaikan hasil rancang-bangun alat dan kerja proses ini untuk ditingkatkan
efiesiensinya melalui beberapa perbaikan stuktur alat dan kondisi proses. Hal ini
hanya bisa dilakukan dengan melakukan rangkaian percobaan lanjutan.
Banyaknya alkohol yang dihasilkan dapat ditentukan dengan cara analisis
atau dari pustaka sesudah destilasi. Ekonom dan manajemen mengutamakan hasil
yang memberikan keuntungan dari produk yang terjual tiap unit bahan baku.
Demikian pula kelompok teknik rekayasa harus mmpertimbangkan efisiensi
aplikasi alat agar menjadi pilihan pelaku industri.
Kesimpulan
1) Penelitian yang telah dilakukan berhasil membuat rancangan konfigurasi
mesin peroduksi alkohol skala laboratorium.
2) Konfigurasi mesin produksi alkohol terdiri dari : (i) reaktor fermentasi
untuk mengkonversi nira menjadi alkohol dalam broth; dan (ii) alat
distilasi, yang terdiri dari: tabung boiler dan kondensor berfungsi untuk
mengekstraksi alkohol dari broth.
3) Reaktor fermentasi mampu menghasilkan broth yang mengandung 4,52
% alkohol. Sedang alat distilasi mampu mengekstraksi alkohol
sebanyak 180,8 mL per 4 L broth.
Daftar Pustaka
Agu, R.,C., Amadife, A., E., Ude, C., M., Onyia, A.,1997, Combined Heat
Treatment and Acid Hydrolysis of Cassava Grate Waste (CWG)
Biomass for Ethanol Production, Vol. 17, Elsevier Science Ltd,
Britain, pp. 91-96.
Albrecht, A., Grondin, O., Le Berr, F., Le Solliec, G. 2007. Towards a stronger
13
Simulation support for engine control design, a methodological point
of view, Oil & Gas Science and Tecnology – Rev. IFB, 62(4), 437-456.
Allen, S. G., Schulman, D., Lichwa, J, 2001. A comparison between hot liquid
water and steam fractionation of corn fiber. Ind. Eng. Chem. Res., 40,
2934-2941.
BeMiller, J. N. &Whistler, R. L. 1996. Carbohydrates. In Food Chemistry (3rd
ed., 157-223). New York; New York, Marcel Deker.
BPPT, 2005, Kajian Lengkap Prospek Pemanfaatan Biodiesel Dan Bioethanol
Pada SektorTransportasi Di Indonesia. Balai Besar Teknologi Pati-
BPPT, Jakarta.
Departemen ESDM, 2005, Blue Print Pengelolaan Energi Nasional2005-2025,
Pola Pikir Pengelolaan Energi Nasional.
Dhewanto, W., 2007, Bioetanol dan Swasembada Energi, Harian Bisnis
Indonesia, Jakarta
Kastaman, R., Herwanto, T., dan Iskandar, Y., 2005, Rancang Bangun danUji
Kinerja Reaktor Kompos Skala Rumah Tangga. Jurnal Agrikultura
April 2006. Vol. 17: 1-10.
Hidayat, N.; Padaga, M.C.; Suhartini, S.. Mikrobiologi Industri. Andi Penerbit.
Yogyakarta
Hikmiyati, N., Sandrie, N., 2008, Pembuatan Bioetanol dari Limbah Kulit
Singkong Melalui Proses Hidrolisis Asam dan Enzimatis. Jurusan
Teknik Kimia, Fak. Teknik, Universitas Diponegoro, Semarang.
Prihandana, Rama, Roy Hendroko. 2008. Bioetanol Ubi Kayu Bahan Bakar Masa
Depan. Jakarta: AgroMedia Pustaka, Jakarta.
Prihandana, Rama, Roy Hendroko. 2008. Energi Hijau. Jakarta : Penebar
Swadaya.
Ranola, Roberto F. 2009. Enchancing The Viability of Cassava Feedstock for
Bioethanol In The Philipphines. Jurnal (terhubung berkala).