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 : budy_unsil@yahoo.com

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).