ReactorTugas: memfermentasikan gula menjadi etanol (C6H12O6) dan karbondioksida (CO2) dengan bantuan yeast Saccharomyces cereviceaeJenis alat: reactor tangki berpengadukKondisi operasi:- temperature: 35o C Tekanan: 101.325 kPa = 1 atmreaksi yang terjadi:glukosa etanol + karbondioksidaC6H12O6 2C2H5OH 2CO2

Pembuatan etanol dari nira aren dengan proses fermentasi diawali dengan reaksi hidrolisis dengan enzim invertase jenis D-fructofuranosidase untuk memecah kandungan sukrosa dalam nira aren menjadi glukosa dan fruktosa. Sedangkan, reaksi fermentasi menggunakan Yeast/ragi Saccharomyces cerevisiae. Reaksi yang terjadi sebagai berikut :1. Hidrolisisenzim invertase

C12H22O11 + H2O 2C6H12O6 (Bowski, 1971)1. Fermentasiyeast

C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2(Hart, 2003)Tinjauan Kinetika1. Reaksi HidrolisisPembentukan produk pada proses hidrolisis mengikuti model Michaelis-Menton :k2k1

E + S [ES]E + Pk-1

Dari hasil penelitian Bowski (1971), diperoleh persamaan kecepatan reaksi : (II-1)Dengan :R1: kecepatan reaksi mula-mula (mol/L.menit)S: konsentrasi substrat (mol/L)Vm: kecepatan maksimum reaksi (mol/L.menit)Km: konstanta Michaelis Menton (mol/L)Nilai parameter:Vm= 0,0164 mol/L.menitKm= 0,160 mol/L

1. Reaksi FermentasiPembentukan produk pada proses hidrolisis mengikuti metode persamaan Monod, dengan persamaan kecepatan reaksi (Farah, 2011) : (II-2) .. (II-3) (II-4)

Dengan :: specific growth rate (/jam)S/X: konsentrasi substrat/biomass (g/L)Ks: konstanta Monod: maksimum growth rateYxs: biomass yield (g biomass/g glucose)Nilai parameter :Ks= 213,6 g/L= 0,084/jam

Neraca massa di reactor

Dasar perhitungan: 24250 kg/hari larutan glukosa umpan reactorLarutan mengandung 20% glukosa dan 80% air.Maka umpan :Glukosa : Air: Yeast yang digunakan sebanyak 0.004% dari massa total yang masuk reactor.Yeast: Menentukan aliran umpan masukKomponenmassa (kg/day)fraksi (xi)densitas (kg/m3)debit (m3/day)xi/i

Gula4850.000.200015403.14940.000130

H2O19400.000.8000100019.40000.000800

Etanol0.000.000000.00000.000000

CO20.000.000000.00000.000000

Yeast0.970.00006500.00150.000000

total 24250.971.000022.55080.000930

Neraca panasReaksi yang terjadi :C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2Kondisi operasi: suhu = 35oC, tekanan = 1 atm.Data panas reaksi pembentukan komponen yang terlibat dalam reaksi fermentasi ditunjukkan dalam tabel II.4 berikut.Tabel II.4 Data Panas Reaksi PembentukanSenyawaHof (kJ/mol)Gof (kJ/mol)Sumber

C6H12O6 (glukosa)-1.273,3-904,9Dean, 1998

C2H5OH-277,69-174,78Smith, 2001

CO2-393,51-394,359

Dari data di atas diperoleh parameter-parameter termodinamika sebagai berikut.Tabel II.6 Parameter Termodinamika Reaksi FermentasiParameterNilai

Panas reaksi pembentukan standar, HR- 69,100 kJ/mol

Energi pembentukan Gibbs standar, GR-227,878 kJ/mol

Konstanta kesetimbangan reaksi (25 C), K8,409.1039

Konstanta kesetimbangan reaksi (35 C), K3,439.1039

Alasan pemilihan:a. Fase reaktan adalah cair sehingga memungkinkan penggunaan reaktor jenis RATB.b. Menghindari adanya bagian yang suhunya sangat tinggi sebab dengan adanya pengadukan diharapkan suhu di semua titik di reaktor adalah sama.Kondisi operasi :a. Suhu: 35 Cb. Tekanan: 101,325 kPac. Fase reaksi: cair cairAsumsi-asumsi yang diambil :a. Fermentasi berlangsung selama 72 jam (3 hari) dalam fermentor, sehingga diperlukan 3 buah fermentor yang berjalan secara pararel agar produksi dapat berjalan setiap hari.b. Dalam setiap operasi membutuhkan waktu 75 jam dengan rincian :Tabel D.1Waktu Operasi ReaktorProsesWaktu (jam)

Pengisian1

Fermentasi72

Pengosongan 1

Pembersihan1

c. H = D diambil dari rase hal 342 untuk kapasitas tangki dibawah 400 bblSesuai dengan hasil perhitungan neraca massa (Tabel B.4) dan neraca panas (Tabel C.5) dapat dihitung dimensi reaktor.

1. Menghitung dimensi reactora. Menentukan dimensi utama tangkiDensitas campuran = = 1075.269Massa = 24250.97Volume= = 22.55 m3Overdeign= 20%Volume perancangan= volume operasi x (1 + over design)= 22.55 m3 (1 + 0.2) = 27.06 m3Bentuk : silinder tegak dengan atap dan bottom berbentuk torisphericalVolume silinder= Volume head= 0,000049D3Asumsi H = DVolume total= volume silinder + (2 x volume head)= + (2 x 0,000049D3)D= D= 3.25 mH= 3.25 mb. Menghitung tebal dinding reactor (shell)Tebal shell (ts) diperoleh dengan persamaan 13.1 BrownellTs= Dengan bahan konstruksi Carbon steel SA-283 grade C, dengan spesifikasi :Allowance stress (f)= 12.650 lb/in2 (Tabel 13-1 Brownell)Corrosion allowance (C)= 0.125 in (Tabel 13-2 Brownell)Efisiensi pengelasan (E)= 0.8 (Tabel 13-1 Brownell)Pada :P desin= 1.45 barRi= 1.63 mT shell= 0.26 inDiambil t shell standar 0.44 in untuk OD = 132c. Menghitung tebal headTebal head (th) diperoleh dengan persamaan 7.77 BrownellTh= W= OD = IDs + 2 tsDengan :Icr: inside corner radius, inr: radius of dish, inrc = rtabel 5.7 Brownell untuk OD = 132 in dan ts = 0.44 inicr = 8 inr = 130 insehingga diperoleh :W = 1.76 inTh = 0.368 m (Tabel 5.8 Brownell), diambil th standar 0.375 in = 0.0095 md. Menghitung tinggi head (OA)Tinggi head diperoleh deengan perhitungan :

Tinggi head = th + b + sfa= AB= a icrBC= r icrAC= b= r ACharga sf diperoleh dari tabel 5.6 Brownell, dan diperoleh :a= 64.45 inAB= 56.45 inBC= 122.00 inAC= 108.16 inb= 21.84 in

maka diperoleh tinggi head (OA) = 24.22 in = 0.62 me. Menghitung tinggi reactorTinggi reactor = H + (2 x OA)= 4.50 m2. Menentukan ukuran dan daya pengaduka. Menentukan dimensi pengaduk campuran = = 0.7713 cPDipilih pengaduk jenis turbin impeller dengan 6 flat blades dan 4 baffleDengan pertimbangan : Range viskositas pengaduk jenis ini sesuai dengan viskositas bahan di reactor 4000)dari fig. 88 Rase, diperoleh Np = 5,5Besarnya daya yang dibutuhkan untuk pengadukan diperoleh dari persamaan Rase hal 349dimana :N = kecepatan putar pengaduk, rpmNp = power numberDi = diameter pengaduk, m = densitas campuran, lb/ ft3Sehingga diperoleh : P = 17,72 hpDari Rase hal 249 untuk perancangan daya pengadukan ditambah 10% dari daya yang diperoleh dan ditambah 0,5 hp.P = 11,24 hp, dari standar NEMA dipakai daya pengadukan 20 hp.3. Merancang Jaket Pendingina. Menghitung kebutuhan air pendinginDari neraca panas (Tabel B. ) panas yang harus diserap air pendingin sebesar 1.412.839,07 kJ/hari = 58.909,96 kJ/jam = 55.835,65 Btu/jamMedia pendingin digunakan air dengan spesifikasi :Tin bahan = 35 C= 308,15 KTout bahan= 35 C= 308,15 KTin = 30 C= 303,15 KTout= 34 C = 307,15 KTav= 32 C = 305,15 KCp air pendingin = 4,18 kJ/kg.K air pendingin = 1000 kg/m3Jadi, kebutuhan air pendingin :m = = 3.520,74 kg/jam= 3,52 m3/jamb. Menentukan lebar jaketLebar jaket dirancang = 20,83 in= 0,53 mDiameter jaket = Dt + (2 x lebar jaket)= 3,27 m + (2 x 0,53 m)= 4,35 mc. Menghitung koefisien transfer panas air dalam jaket ke dinding reaktor (ho)Nilai ho diperoleh dengan persamaan 20.1 Kern halaman 718 : dengan : k= konduktivitas termal air= 1,065 Btu/hr.ft.F= densitas air = 62,386 lb/ft3w= viskositas air = 0,78 lbm/ft.hrCp= kapasitas panas air= 1,00Btu/lbm.FN= rotasi pengaduk= 3.464,67 rphA = luas aliran= 68,29 ft2G= kecepatan aliran massa= 113,65 lb/hr.ft2De= diameter ekuivalenDe= (Dj2- ODt2)/ODt = 8,06 ftSehingga diperoleh nilai ho = 4,76 Btu/hr.ft2. Fd. Menghitung koefisien perpindahan panas fluida dari dalam reaktor ke dinding reaktor (hi) dan dari dinding reaktor dalam ke reaktor luar (hio)Nilai hi diperoleh dengan persamaan 20.2 Kerndengan : k= konduktivitas termal = 0,56 Btu/hr.ft.FL= panjang blade= 0,89 ftN= rotasi pengaduk= 3.464,67 rph= densitas cairan= 67,11 lb/ft3= viskositas cairan= 0,77 lbm/ft.hrCp= kapasitas panas = 0,98 Btu/lbm.Fw = viskositas air pada 32 C= 0,78 lbm/ft.hrDiperoleh bilangan Reynold (Re) = = 99.837,911, dari fig 20.2 diperoleh Jh = 200Sehingga diperoleh nilai hi = 25,70 Btu/j.ft2.FNilai hio diperoleh dengan persamaan 6.5 Kern :hio = 25,60 Btu/j.ft2.Fe. Menentukan nilai Uc (koefisien transfer panas overall/clean) dan Ud (koefisien transfer panas overall/dirt)Nilai Uc diperoleh dengan persamaan 6.38 Kern : = 4,35 Btu/ft2.hr.FRd yang diijinkan menurut table 12 Kern = 0,001sehingga diperoleh Ud := 4.33 Btu/ft2.hr.Ff. Menghitung luas perpindahan panasLuas perpindahan panas yang dibutuhkan :dengan Tin pendingin = 30 CTout pendingin = 34CTreaktor = 35Cdiperoleh TLMTD = 36,47 FAj = = 353,41 ft2= 32,83 m2Luas transfer yang tersedia= 453,07 ft2= 42,09 m2Karena At yang tersedia > Aj yang ingin dipindahkan maka jaket bisa digunakan sebagai media pemindahan panas.g. Menentukan dimensi jaket pendingin Menghitung tinggi jaketTinggi jaket = tinggi cairan dalam reactor= 2,38 m Menghitung tebal jaketDengan bahan konstruksi Carbon Steel SA-283 grade C, dengan spesifikasi :Allowance stress (f)= 12.650 lb/in2 (Tabel 13-1 Brownell )Corrosion allowance (C)= 0,125 in (Tabel 13-2 Brownell)Efisiensi pengelasan (E)= 0,8 (Tabel 13-1 Brownell)Jari-jari jaket (rj) = 83,86 inP design= 17,64 psidiperoleh tebal jaket = 0,26 in, dari Brownell tabel 5.7 diambil th standar 0,3125 in = 0,0079 m4. Menentukan Lama Pemanasan dengan Air PemanasPanas yang harus dilepaskan (Q) = 371.771,74 kJ/hariPemanas yang dipakai adalah condensate/air keluaran RE-01Tin pemanas = 109,5C = 382,65 KTout pemanas = 97C = 370,15 KCp pemanas = 4,228 kJ/kg.K pemanas = 1000 kg/m3Asumsi :Luas perpindahan panas pada proses pemanasan = luas perpindahan panas pada pendinginan di jaketa. Menentukan lama pemanasan dan debittpemanasan = 0,94 jamMassa air pemanas yang dibutuhkan = = = 7.466,79 kg/jamDiperoleh debit = massa/densitas = 7,47 m3/jamb. Menghitung koefisien transfer panas air dalam jaket ke dinding reaktor (ho)Nilai ho diperoleh dengan persamaan 20.1 Kern halaman 718 : dengan : k= konduktivitas termal air= 1,169 Btu/hr.ft.F= densitas air = 62,39 lb/ft3w= viskositas air = 0,65 lbm/ft.hrCp= kapasitas panas air= 1,00Btu/lbm.FN= rotasi pengaduk= 3.464,67 rphA = luas aliran= 62,07 ft2G= kecepatan aliran massa= 265,19 lb/hr.ft2De= diameter ekuivalenDe= (Dj2- ODt2)/ODt = 7,33 ftSehingga diperoleh nilai ho = 9,82 Btu/hr.ft2. Fc. Menghitung koefisien perpindahan panas fluida dari dalam reaktor ke dinding reaktor (hi) dan dari dinding reaktor dalam ke reaktor luar (hio)Nilai hi diperoleh dengan persamaan 20.2 Kerndengan : k= konduktivitas termal = 0,56 Btu/hr.ft.FL= panjang blade= 0,89 ftN= rotasi pengaduk= 3.464,67 rph= densitas cairan= 67,11 lb/ft3= viskositas cairan= 1,95 lbm/ft.hrCp= kapasitas panas = 0,98 Btu/lbm.Fw = viskositas air = 0,65 lbm/ft.hrDiperoleh bilangan Reynold (Re) = = 95.392,49,dari fig 20.2 diperoleh Jh = 190Sehingga diperoleh nilai hi = 25,52 Btu/j.ft2.FNilai hio diperoleh dengan persamaan 6.5 Kern :hio = 24,41 Btu/j.ft2.Fd. Menentukan nilai Uc (koefisien transfer panas overall/clean) dan Ud (koefisien transfer panas overall/dirt)Nilai Uc diperoleh dengan persamaan 6.38 Kern : = 7,08 Btu/ft2.hr.FRd yang diijinkan menurut table 12 Kern = 0,001sehingga diperoleh Ud := 7,03 Btu/ft2.hr.Fe. Menghitung luas perpindahan panasLuas perpindahan panas yang dibutuhkan :diperoleh TLMTD = 158,72 FAj = 353,41 ft2= 32,83 m2Luas perpindahan panas pemanas dalam jaket = luas perpindahan panas pendingin dalam jaket sehingga diperoleh t pemanas yang sesuai

5. Merancang Pipa Pemasukan dan Pipa PengeluaranDalam menentukan spesifikasi pipa digunakan persamaan 6.32 WallasDi opt = 3,9 . Q0,43 . 0,13dengan :Di opt = Diameter pipa optimum, inQ= Debit aliran, ft3/s= Densitas , lb/ft3a. Merancang pipa pemasukan umpan larutan gula dari mixerQ= 800,18 ft3/jam= 66,73 lb/ft3diperoleh Di opt = 3,42 inBerdasarkan item 2 Apendix K Brownell, dipakai pipa standar dengan spesifikasi :ID= 3,44 inOD= 4 inNominal pipe size, IPS= 3,5 inSchedule number, SN= 40b. Merancang pipa pemasukan dari seeding tankQ= 725,24 ft3/jam= 57,50 lb/ft3diperoleh Di opt = 0,52 inBerdasarkan item 2 Apendix K Brownell, dipakai pipa standar dengan spesifikasi :ID= 0,54 inOD= 0,675 inNominal pipe size, IPS= 0,375 inSchedule number, SN= 40c. Merancang pipa pemasukan NPKQ= 0,38 ft3/jam= 69,74 lb/ft3diperoleh Di opt = 0,11 inBerdasarkan item 2 Apendix K Brownell, dipakai pipa standar dengan spesifikasi :ID= 0,22 inOD= 0,41 inNominal pipe size, IPS= 0,125 inSchedule number, SN= 40d. Merancang pipa pemasukan ureaQ= 3,23 ft3/jam= 82,76 lb/ft3diperoleh Di opt = 0,30 inBerdasarkan item 2 Apendix K Brownell, dipakai pipa standar dengan spesifikasi :ID= 0,30 inOD= 0,54 inNominal pipe size, IPS= 0,25 ine. Merancang pipa pemasukan bufferQ= 0,38 ft3/s= 144,44 lb/ft3diperoleh Di opt = 0,12 inBerdasarkan item 2 Apendix K Brownell, dipakai pipa standar dengan spesifikasi :ID= 0,22 inOD= 0,41 inNominal pipe size, IPS= 0,125 inf. Merancang pipa pengeluaran produk Q= 820,23 ft3/jam= 60,95 lb/ft3diperoleh Di opt = 3,42 inBerdasarkan item 2 Apendix K Brownell, dipakai pipa standar dengan spesifikasi :ID= 3,55 inOD= 4 inNominal pipe size, IPS= 3,5 inSchedule number, SN= 40g. Merancang pipa pengeluaran CO2Q= 41.546 ft3/jam= 0,11 lb/ft3diperoleh Di opt = 8,78 inBerdasarkan item 2 Apendix K Brownell, dipakai pipa standar dengan spesifikasi :ID= 10,02 inOD= 10,75 inNominal pipe size, IPS= 10 inSchedule number, SN= 40h. Merancang pipa pemasukan = pipa pengeluaran air pendinginQ= 124,33 ft3/jam= 62,39 lb/ft3diperoleh Di opt = 1,47 inBerdasarkan item 2 Apendix K Brownell, dipakai pipa standar dengan spesifikasi :ID= 1,53 inOD= 1,66 inNominal pipe size, IPS= 1,25 inSchedule number, SN= 40i. Merancang pipa pemasukan = pipa pengeluaran air pemanasQ= 263,69 ft3/jam= 62,39 lb/ft3diperoleh Di opt = 1,65 inBerdasarkan item 2 Apendix K Brownell, dipakai pipa standar dengan spesifikasi :ID= 2,47 inOD= 2,88 inNominal pipe size, IPS= 2,5 inSchedule number, SN= 40

Desain Reaktor Fermentasi (R-01)

Gambar D.1 Desain Reaktor Fermentasi (R-01) OD

b

icr

B

A

ID

a

sf

OA

rC

C

th