Bioetanol merupakan salah satu jenis biofuel (bahan bakar cair dari pengolahan tumbuhan) di samping biodiesel. Bioetanol adalah etanol yang dihasilkan dari fermentasi glukosa (gula) yang dilanjutkan dengan proses distilasi. Proses distilasi dapat menghasilkan etanol dengan kadar 95% volume, untuk digunakan sebagai bahan bakar (biofuel) perlu lebih dimurnikan lagi hingga mencapai 99% yang lazim disebut fuel-gradeetanol (FGE).
Secara umum, proses pengolahan bahan berpati seperti ubi kayu, jagung dan sagu untuk menghasilkan bioetanol dilakukan dengan beberapa urutan proses. Pertama adalah proses hidrolisis, yakni proses konversi pati menjadi glukosa. Prinsip dari hidrolisis pati pada dasarnya adalah pemutusan rantai polimer pati menjadi unit-unit dekstrosa (C6H12O6). Pemutusan rantai polimer tersebut dapat dilakukan dengan berbagai metode, misalnya secara enzimatis, kimiawi ataupun kombinasi keduanya.
Hidrolisis secara enzimatis memiliki perbedaan mendasar dibandingkan hidrolisis secara kimiawi dan fisik dalam hal spesifitas pemutusan rantai polimer pati. Hidrolisis secara kimiawi dan fisik akan memutus rantai polimer secara acak, sedangkan hidrolisis enzimatis akan memutus rantai polimer secara spesifik pada percabangan tertentu. Tahap kedua adalah proses fermentasi untuk mengkonversi glukosa (gula) menjadi etanol dan CO2. Fermentasi etanol adalah perubahan 1 mol gula menjadi mol etanol dan 2 mol CO2. Reaksi yang terjadi pada proses produksi etanol/bio-etanol secara sederhana ditujukkan pada reaksi 1 dan 2.
H2O + (C6H10O5)n nC6H12O6………. (1) Enzim(pati) (glukosa)
(C6H12O6)n 2 C2H5OH + 2 CO2 ……… (2) Ragi(glukosa) (etanol)
Pemurnian bioetanol
Setelah proses fermentasi selesai, dilakukan distilasi untuk memisahkan etanol. Distilasi merupakan pemisahan komponen berdasarkan titik didihnya. Titik didih etanol murni adalah 78oC sedangkan air adalah 100oC (Kondisi standar).Dengan memanaskan larutan pada suhu rentang 78 – 100oC akan mengakibatkan sebagian
besar etanol menguap, dan melalui unit kondensasi akan bisa dihasilkan etanol dengan konsentrasi 95% volume. Namun pada prakteknya proses distilasi biasa mengalami kendala pada terbentuknya kondisi campuran azeotrop.
Azeotrop adalah campuran dari 2 atau lebih komponen yang saling terikat sangat kuat dan sulit untuk dipisahkan dengan distilasi biasa, disamping itu campuran komponen tersebut memiliki titik didih yang konstan atau sama, sehingga ketika campuran azeotrop dididihkan, maka fasa uap yang dihasilkan memiliki titik didih yang sama dengan fasa cairnya. Campuran azeotrop ini sering disebut sebagai constant boiling mixture karena komposisinya yang senantiasa tetap jika campuran tersebut dididihkan, maka dari itu campuran azeotrop ini sulit untuk dipisahkan dengan metode distilasi biasa, sehingga hasil dari distilasi yang didapatkan yaitu etanol dengan campuran sedikit air, jadi etanolnya yang dihasilkan tidak murni. Kondisi azeotrop dapat dijelaskan melalui Gambar 2.9.
Gambar 2.9. Kurva kondisi azeotrop.
Titik A pada pada kurva merupakan titik didih campuran pada kondisi sebelum mencapai azeotrop. Campuran kemudian dididihkan dan uapnya dipisahkan dari sistem kesetimbangan uap cair (titik B). Uap ini kemudian didinginkan dan terkondensasi (titik C). Kondensat kemudian dididihkan, didinginkan, dan seterusnya hingga mencapai titik azeotrop. Pada titik azeotrop, proses tidak dapat diteruskan karena komposisi campuran akan selalu tetap. Pada gambar di atas, titik azeotrop digambarkan sebagai pertemuan antara kurva saturated vapor dan saturated liquid (ditandai dengan garis vertikal putus-putus).
Salah satu contoh azeotrop yaitu terdiri dari alkohol yang berkadar 96%, dimana sekitar 4%-nya adalah air membentuk suatu kondisi/campuran yang disebut azeotrop. Pada tahap ini, molekul alkohol dan air saling terikat dengan erat dan tidak bisa dipisahkan dengan distilasi biasa. Karena itu, untuk meningkatkan dari kadar 96% menjadi 99,5% dibutuhkan bantuan zeolit /molecular sieve /karbon aktif. Bahan-bahan tersebut mempunyai molekul dengan rongga yang sangat kecil
dan sangat banyak sehingga dapat menyerap molekul air yang lebih kecil daripada molekul alcohol. Sehingga hasil yang didapatkan nantinya adalah etanol murni. Distilasi Azeotrop
Distilasiazeotrop merupakan teknik pemisahan dari campuran azeotrop(terdiri dari alkohol yang berkadar 96%, dimana sekitar 4%-nya adalah air membentuk suatu kondisi/campuran). Campuran tersebut saling terikat dan sulit untuk dipisahkan dan salah satu cara untuk memisahkan 2 komponen tersebut yaitu dengan cara penambahan komponen lain untuk menghasilkan azeotrop heterogen yang dapat mendidih pada suhu lebih rendah, misalnya dengan penambahan benzenaatau dapat juga dengan garam, kedalam campuran air dan alkohol. Benzena berfungsi untuk memisahkan ikatan antara metanol dan air, sehingga ketika dipanaskan maka metanol akan menguap terlebih dahulu. Hal ini dikarenakan metanol memiliki titik didih yang rendah, sedangkan benzena dan air memiliki titik didih yang berdekatan dengan menggunakan distilasi bertingkat metanol, air dan benzena dapat dipisahkan secara sempurna. Hal ini disebabkan bentuk fisik kolom fraksional yang mampu menampung senyawa-senyawa yang mengalami penguapan dan pencairan dengan baik, sehingga ketika etanol menguap dan siap untuk dikondensasi, baik benzena maupun air dapat lebih dahulu dicairkan oleh kolom fraksional dan ditampung dengan baik di kolom ini, sehingga etanol yang didapat akan murni. Skema proses distilasi azeotrop dapat dilihat pada Gambar 2.10.
Terdapat dua tipe proses distilasi yang banyak diaplikasikan, yaitu continuous-feed distillation column system dan pot-type distillation system. Selain tipe tersebut, dikenal juga tipe distilasi vakum yang menggunakan tekanan rendah dan suhu yang lebih rendah untuk menghasilkan konsentrasi alkohol yang lebih tinggi. Namun teknologi ini sangat rumit dan hanya dapat dipakai pada pabrik skala besar.
Pervaporasi
Prinsip dasar pemisahan dengan teknologi membran pervaporasi adalah pemisahan berdasarkan metoda pervaporasi, dimana proses pemisahan suatu campuran dengan perubahan bentuk dari cair menjadi uap pada sisi membran. Cara kerjanya adalah etanol berkadar 95 % dipanaskan pada suhu 75 oC, air dalam etanol berubah menjadi uap air. Dengan tekanan vakum, etanol dan air masuk ke membran dengan kecepatan 1,5 x 10-4 m/s. Dalam teknik pervaporasi ini uap air akan melewati membran, sedangkan etanol ditolak. Selektivitas dan laju pemisahan pervaporasi sangat tergantung pada karakteristik membran, konfigurasi modul dan desain proses, itu artinya jenis membran yang digunakan mesti berkarakter mampu menyeleksi gas dan etanol yang masuk. Di ujung membran, uap air diserap oleh vakum, selanjutnya uap air dimasukkan dalam botol penampung yang berisi nitrogen cair. Nitrogen cair dipilih karena memiliki titik didih pada suhu -195,8 oC, dengan suhu yang sangat dingin, nitrogen cair mempunyai kemampuan membekukan bahan organik lebih efektif dari pada pendinginan berbahan ammonia ataupun freon. Saat menyentuh larutan nitrogen cair maka uap air kembali menjadi air, sedangkan etanol tidak melewati membran, cairannya langsung dialirkan ke botol penampung etanol murni.
Membran pervaporasi merupakan salah satu penerapan yang dapat digunakan untuk memisahan bioetanol. Didalam membran pervaporasi, proses pemisahan dilakukan berdasarkan ukuran partikel dengan driving force perbedaan tekanan. Ketika gaya dorong bekerja pada sisi umpan yang mengandung komponen pelarut dan zat terlarut, maka beberapa bagian padatan terlarut akan tertahan pada sisi membran disebut retentate, sedangkan pelarut akan lolos menembus membran disebut permeat. Hal ini menunjukkan bahwa membran yang kita gunakan mempunyai resistensi terhadap padatan sedangkan pelarut dapat lebih bebas menembus membran.
Untuk meningkatkan kadar etanol, teknologi membran lebih efektif. Dibandingkan dengan cara konvensional berupa distilasi dan dehidrasi. Ketika proses distilasi, bioetanol membentuk azeotrop. Artinya, antara etanol dan air yang terkandung sulit dipisahkan, sehingga perlu penambahan komponen senyawa kimia untuk memisahkan campuran azeotrop, senyawa tambahan tersebut seperti benzene dan garam. Distilasi dengan meninggikan kolom sekali pun, air sulit
diceraikan dari etanol. Memang masih ada sebuah cara untuk menarik air yaitu dengan menambahkan zat toluen. Toluen dikenal sebagai pelarut air. Ketika zat tersebut ditambahkan sesuai dengan kadar air yang terkandung, air akan tertarik. Namun, tetap saja masih ada air tersisa. Namun, sebagian zat toluen itu juga bercampur dengan bioetanol menjadi kontaminan.
Sebaliknya, teknologi membran mempunyai beberapa keistimewaan seperti menghasilkan bioetanol berkualitas tinggi, dalam proses pemisahannya pun tanpa bantuan tambahan dari komponen senyawa kimia lain, Selain itu produsen juga mudah mengoperasikan, ramah lingkungan, dan ukuran alat yang lebih kecil. Satu lagi keistimewaan membran: hemat energi. Alat berkapasitas 50 liter per hari, membran hanya membutuhkan energi listrik sebesar 1.000 watt. Contoh gabungan proses pervaporasi dan distilasi terlihat pada Gambar 2.11.
III. PROGRAM KEGIATAN
Kegiatan tahun 2016 terdiri dari 4 (empat) tahapan, yaitu persiapan, pengambilan contoh, proses penelitian, dan pembuatan laporan akhir. Rincian masing-masing tahapan sebagai berikut: