BEBERAPA ENERGI ALTERNATIF YANG TERBARUKAN DAN
PROSES PEMBUATANNYA
Melvin Emil Simanjuntak
*)*)
Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan
Abstrak
Pada saat ini sangat dibutuhkan energi alternatif yang merupakan pengganti bahan bakar minyak yang cadangannya terus berkurang dan akan lebih baik bila lebih ramah lingkungan. Beberapa jenis tanaman ternyata telah terbukti dapat digunakan sebagai sumber energi. Selain mempunyai nilai kalor yang cukup tinggi, terbarukan, memiliki nilai ekonomis untuk dibudidayakan juga lebih ramah lingkungan. Dengan mengubah kandungan lemak yang ada pada beberapa tanaman melalui proses transesterifikasi dapat diperoleh senyawa ester yang dapat menggantikan minyak solar, dengan fermentasi gula dapat diperoleh etanol sebagai pengganti bensin, dan dengan memproses kotoran dengan bakteri anaerob dapat diperoleh biogas. Dengan pengolahan yang baik akan dapat diperoleh hasil yang memadai.
Kata-kata kunci: Biodiesel, Minyak jarak, Ethanol, Biogas
1. Pendahuluan
Indonesia merupakan salah satu negara yang paling kaya sumber keanekaragaman hayatinya dan didukung dengan iklim yang sangat baik merupakan tempat tumbuhnya berbagai tanaman termasuk tanaman yang dapat menghasilkan energi alternatif. Tanaman-tanaman itu sudah cukup dikenal seperti sawit, kelapa, jarak, singkong, tebu dan lain-lain. Dengan kondisi itu juga otomatis akan mempengaruhi makhluk hidup lainnya seperti ternak dan manusianya. Beberapa proses pembuatan bahan bakar alternatif telah banyak diketahui tetapi belum cukup luas secara detail diketahui oleh masyarakat kita. Beberapa proses itu dapat diuraikan seperti yang ada di bawah ini: Biodiesel dari minyak goreng bekas
Biodiesel dari minyak nabati baik CPO, CPKO/CNO ataupun minyak goreng baru/ bekas dengan proses transesterifikasi, yaitu mereaksikannya dengan alkohol (methanol atau ethanol) dengan katalis basa kuat.
Reaksi Transesterifikasi:
CH2COOR
CHCOOR + 3CH3OH CH2OH2CH-OH
4. Setelah 60 menit hentikan pemanasan dan pengadukan.
CH2COOR + 3CH3COOR 6. Pisahkan gliserin yang bentuknya seperti
agar-agar berwarna coklat Trigliserida+Metanol Metil ester+Gliserol
Metode yang dapat dilakukan adalah sebagai berikut:
Tahap Pertama:
1. Bersihkan minyak bekas dari kotoran padat dengan cara menyaring.
2. Buang kandungan airnya dengan cara memanaskan minyak sampai sekitar 120 C selama ± 10 menit sampai gelembung air tidak ada lagi.
0
3. Dinginkan kembali minyak
4. Ukur volume minyak yang akan diproses 5. Tuang minyak ke dalam tabung reaksi yang
terbuat dari stainless steel ataupun polypropilen yang dilengkapi mixer yang dapat berputar pada 500 ~ 600 rpm.
6. Panaskan pada temperature 45~520C selama ± 60 menit sambil terus diputar
7. Tuang ¾ bagian methoxide pada pertengahan proses perlahan-lahan
8. Setelah 60 menit hentikan pengadukan dan pemanasan serta endapkan campuran minyak selama ± 12 jam
9. Pisahkan gliserin yang terbentuk Tahap Kedua:
1. Masukkan kembali minyak ke tabung reaksi
2. Panaskan kembali minyak pada suhu 48~550C dan aduk selama 60 menit
3. Pada pertengahan proses tuang ¼ bagian sisa methoxide dan terus aduk selama 60 menit.
5. Endapkan selama ± 12 jam
7. Cuci minyak dari sabun dan sisa katalis dengan air bersih caranya tuang air bersih ke dalam tabung dengan jumlah volume yang sama dengan minyak dan aduk terus sampai ± 3 jam kemudian diendapkan. Minyak akan mengambang di atas air buang airnya.
8. Lakukan pemanasan sampai 120 C sampai gelembung air habis. Setelah itu ukur pH minyak, di mana harus berada pada angka 7± 0,25.
0
Pembuatan methoxide:
Methoxide merupakan campuran methanol dengan KOH atau NaOH, lakukan titrasi terlebih dahulu untuk mengetahui berapa KOH yang dibutuhkan.
Cara titrasi:
1.Buat larutan 0,1 % volume KOH yaitu larutkan 1 gram KOH ke dalam 1 liter air distilasi.
2.Larutkan 1 ml minyak bekas ke dalam 10 ml isoprophyl alcohol murni dan 0,1 ml phenolphthalein untuk memudahkan pengukuran gunakan jarum suntik kecil
3.Masukkan larutan nomor 1 di atas ke dalam larutan nomor 2 di atas ml demi ml sambil diaduk dan catat banyaknya kemudian hentikan setelah larutan berwarna pink diam selama beberapa saat. 4.Jumlah KOH yang digunakan adalah 3,5 +
jumlah mililiter larutan 0,1 % KOH yang dicampur ke larutan minyak-isoprophyl alkohol dan phenolphthalein
Setelah jumlah KOH yang harus dibuat diketahui maka dibuat methoxide dengan cara: Larutkan jumlah KOH yang dibutuhkan sesuai titrasi ke dalam methanol dan aduk dalam tempat yang tertutup. Jumlah methanol yang dibutuhkan untuk tiap liter minyak adalah 0,25 liter. Simpan di tempat yang tertutup sebelum dipakai
Untuk pembuatan biodiesel dengan minyak goreng yang masih baru maka tidak dibutuhkan titrasi, jumlah katalis basa yang dibutuhkan adalah 3,5 gram per liter minyak sedang langkah proses-prosesnya sama. Proses ini juga dapat dilakukan tanpa pemanasan tetapi akan membutuhkan waktu lebih lama.
Gambar 1: Biodiesel setelah proses pencucian
Sedangkan untuk bahan baku yang berasal dari CPO/CPKO/CNO maka harus didahului dengan proses pretreatment yaitu pengkondisian minyak supaya siap direaksikan. Proses pretreatment ini adalah:
1.Degumming: yaitu penghilangan getah (gum) di mana bahan baku minyak dicampur dengan larutan H3PO4 dan diaduk selama ± 30 menit
2.Bleaching: di mana bahan baku minyak dicampur dengan bleaching earth untuk memucatkan warna menjadi agak kuning dengan cara pengadukan
3.Deodorizing: penghilangan bau dengan beberapa tahap pemanasan
Setelah itu dilanjutkan dengan proses transesterifikasi. Perlu diketahui bahwa reaksi ini bersifat reversible maka jumlah alkoholnya diusahakan lebih supaya kesetimbangan reaksi bergeser ke kanan dan reaksi dapat berlangsung secara komplit. Sisa alkohol dapat diambil dengan penyulingan yaitu pemanasan minyak pada temperatur sekitar 67 ~ 70 0C, kemudian dievaporasikan dan sisa alkohol ini dapat digunakan kembali.
2. Minyak Jarak Pengganti Solar
Tanaman Jarak (Jatropha Curcas L) sangat potensial dikembangkan untuk mendapatkan biodiesel, tanaman ini merupakan tanaman semak yang tumbuh subur pada daerah beriklim panas/tropis dan curah hujan 200~1500 mm/tahun. Biji jarak mengandung sekitar 35 – 45% berbagai trigliserida yang berasal dari asam asam lemak risinoleat, palmitat, stearat, dan kurkolat. Kandungan yang terbesar adalah asam risinoleat yang dapat mencapai 90% dari bermacam-macam trigliserida tadi dan merupakan bahan dasar dari minyak jarak. Wujud minyak jarak ini seperti minyak goreng, kental, licin dan baunya tidak mencolok.
Gambar 2: Jarak pagar (Jatropha urcas)
Beberapa keuntungan dari tanaman jarak pagar adalah:
Biodiesel
1. Tahan terhadap kekeringan sehingga dapat ditanami pada daerah beriklim gurun dan dapat tumbuh pada berbagai tipe tanah, sekalipun berpasir, berbatu atau memiliki kadar garam.
2. hanya membutuhkan sedikit pengelolaan/ perawatan
3. tidak membutuhkan pengawasan khusus terhada gulma/hama
4. tumbuh dengan cepat dan stabil setelah beberapa bulan
5. mulai menghasilkan buah pada tahun kedua sampai berumur sekitar 40 tahun.
6. Daging buah setelah ekstraksi minyak merupakan pupuk organik yang unggul (38% protein dengan rasio NPK: 2,7:1,2:1) 7. dapat menghasilkan buah sepanjang tahun 8. selain menghasilkan minyak, daun dan kulit
dapat digunakan untuk berbagai keperluan industri dan farmasi.
9. minyak yang dihasilkan dari biji dapat digunakan untuk mesin diesel tanpa modifikasi, vernish, penerangan, lilin, sabun, anti hama,
10. untuk keperluan industri lainnya: bijinya yang ditumbuk juga dapat untuk penyamaan kulit dan akar untuk keperluan pewarnaan tekstil. 11. untuk keperluan farmasi: biji sebagai obat
pencahar, antihelminithic dan sebagai bahan pengisi pada obat – obatan untuk: reumatik, gatal dan penyakit kulit, demam, sakit kuning dan gonorrhoea, diuretic, pencuci mulut; daun sebagai haemostatic agent, penutup luka. Proses pembuatan minyak jarak:
1. Biji jarak kering dikukus selama ± 1 jam 2. Kemudian diblender/giling supaya menjadi
seperti bubur dan mudah untuk diperas 3. Dipress untuk mengeluarkan minyaknya 4. Disaring untuk membuang kotoran
Gambar 3: Skema proses pembutan minyak jarak
Spesifikasi minyak jarak:
Kandungan Energi 39600~41800 kJ/kg Berat spesifik (40 0C) 0,91 ~ 0,92 kg/ ltr Titik beku (0C) 2,0
Flas point (0C) 110 ~ 240 Cetana value 51,0 Sulphur content 0,13 ppm Pour point (0C) 8
Proses di atas dapat dipersingkat dengan menggabungkan proses penghancuran dan pengepresan sekaligus dengan menggunakan satu alat yaitu ekspeller. Alat ini digerakkan oleh motor listrik/mesin diesel. Alat ini juga melakukan penghancuran dan pengepresan secara kontinu sehingga dapat menyederhanakan kerja sekaligus memaksimalkan output proses pembuatan minyak jarak. Minyak jarak ini dapat langsung dipakai ke mesin atau dengan membuatnya menjadi biodiesel melalui proses transesterifikasi, sebagaimana halnya pada pembuatan biodiesel dari minyak sawit.
Gambar 4: Expeller sederhana
Pengupasan kulit biji
Perebusan
Penghancuran
Gambar 5: Potongan expeller tampak samping (Blender)
3. Bioethanol
Pengepresan Proses pembuatan ethanol ada 2 jenis yaitu: 1.Sintesa alkohol dengan bahan baku ethylene
2.Proses biokimia melalui fermentase produk pertanian seperti singkong atau tebu, ethanol ini dikenal dengan nama bioethanol.
Secara praktis hanya sekitar 95% glukosa yang dirubah menjadi alkohol sedang sisanya 5% terdiri dari beberapa unsur:
Proses biokimia ini terdiri atas 4 langkah yaitu: 1. Persiapan bahan baku untuk fermentase
Hal ini bergantung pada bahan baku. Untuk molasses (tebu) persiapannya lebih sederhana yaitu penambahan air sesuai dengan yang diinginkan. Untuk singkong lebih kompleks lagi di mana singkong terlebih dahulu harus dirubah ke bentuk gula dengan menggunakan asam atau enzim sehingga diperoleh kondisi yang cocok untuk proses fermentasi. Proses pengubahan singkong ke bentuk gula/monosakarida (glukosa) dengan menggunakan enzim α amilase pada fasa liquefaction dan Glukoamilase atau β amilase untuk fasa saccarification.
Acetaldehid 0,0 ~ 0,03 % Acetic acid 0,05 ~ 0,25 % Glycerine 2,4 ~ 3,6 % Lactic acid 0,0 ~ 0,2 % Succinic acid 0,5 ~ 0,77 % Fusel oil 0,25 ~ 0,5 %
Furfural sangat kecil
3. Pemisahan dan pemurnian ethanol
Pada tahap ini ethanol yang berkadar 8~12% volume dipisahkan dari larutan fermentasi dengan pencucian, atau partial transformation di mana kemurnian ethanol yang diperoleh mencapai 95,6%. Sedang untuk bahan bakar kemurniannya harus mencapai 99,5% dan proses pemurnian selanjutnya adalah extractive transformation. 2. Persiapan agen fermentase dan fermentase
Persiapan agen fermentase:
tahap ini disebut juga inoculum yaitu untuk memperoleh jumlah mikroba yang cukup sesuai dengan kemampuan mikrobanya dan harus bebas dari mikroba yang tidak diinginkan. Pada saat ini dilakukan penyesuaian untuk mengontrol kondisi fermentase seperti laju aerasi, laju agitasi, nilai pH dan temperatur. Untuk fermentasi singkong dibutuhkan ragi saccharomyces cerevisiae.
4. Pemanfaatan hasil samping dan limbah pabrik ethanol
- Air pencucian dapat dikonversi menjadi pupuk biologis, makanan ternak, dan biogas.
- Karbon dioksida dapat dimurnikan dan ditransformasi untuk pendingin soft drink, soda, es kering, dan industri pemadam kebakaran, insektisida, dan herbisida.
Fermentasi: bahan baku yang sudah siap dituangkan ke dalam fermentor. Fermentasi adalah proses biokimia di mana ragi mengubah glukosa (gula) menjadi alkohol pada lingkungan yang bersifat anaerobik murni. Proses ini membutuhkan waktu 2 -3 hari dengan yield alkohol yang diperoleh adalah 8 – 12% volume. Secara teoritis ragi dapat mengkonversi sampai 51,1% alkohol dan 48,9% karbon dioksida dan ini merupakan suatu reaksi yang bersifat eksotermis.
Spesifikasi Ethanol:
Rumus kimia CH3-CH2-OH
Berat molekul 46
Persen massa oksigen 34,8
Titik didih 78,3
Bilangan setana 8
Gambar 6: Skema proses pembuatan bioethanol
Biogas dari Kotoran Ternak
Biogas merupakan merupakan hasil fermentasi dari bahan organik dalam kondisi anaerob, karena diproses secara alami, gas ini merupakan campuran beberapa gas yang tergolong sebagai bahan bakar di mana gas yang dominan adalah CH4 dan yang lain
yang jauh lebih kecil adalah CO2, NO2, SO2, dan
lain-lain. Biogas ini memiliki nilai kalor yang cukup tinggi yaitu pada kisaran 4800~6700 kkal/m3, sedang gas methana murni nilai kalornya 8900 kkal/m3.
Bahan-bahan yang dapat menghasilkan biogas diantaranya adalah: kotoran hewan, kotoran manusia, dan limbah pertanian. Untuk kotoran sapi misalnya memiliki kandungan seperti tabel di bawah.
Tabel 1: Komposisi gas dari kotoran sapi
Sedang potensi energi yang berasal dari kotoran mahluk hidup di Indonesia yang dapat menghasilkan biogas dapat dilihat seperti tabel di bawah.
Tabel 2: Potensi energi yang berasal dari kotoran hewan di Indonesia Jenis
hewan
Populasi (juta)
Tinja Energi (106 kcal
sehari) Biogas
(m3/kg BK) (TBK
sehari)
Sapi/ 13,233 68,80 0,25 86,018 Kerbau
Kuda 0,675 2,43 0,25 3,038
Kambing Domba
16,431 4,93 0,25 6,146
Babi 6,484 4,53 0,44 9,971
Itik, 117,654 4,11 0,60 12,330 Ayam
Manusia 185,000 112,44 0,40 24,880
Total 339,387 142,389
Faktor–faktor yang dapat mempengaruhi pembentukan biogas:
1. Bahan baku
Biogas akan terbentuk bila bahan baku berupa padatan berbentuk bubur halus atau butiran kecil
Jenis Gas %
Methana (CH4) 54 - 70
Karbondioksida (CO2) 27 - 45
2. Derajat keasaman (pH)
Bakteri anaerob akan giat bekerja pada pH 6,8 – 8 bila pH terlalu asam dapat ditambahkan bahan yang bersifat basa seperti kapur dan sebaliknya
Nitrogen (N2) 0,5 – 3,0
Karbonmonoksida (CO) 0,1
Oksigen (O2) 0,1
Hidrogen Sulfida (H2S) Sangat sedikit
3. Temperatur
Suhu pembentukan biogas yang baik adalah sekitar 30–55 oC sesuai dengan lingkungan yang cocok untuk bakteri.
4. Pengenceran bahan baku
Metode Pembuatan Biogas
Siapkan kotoran sapi dan air dalam jumlah yang sama di mana volumenya hampir sama dengan digester.
1. Kedua bahan tersebut dicampur dalam wadah terpisah agar cepat tercampur rata dapat dilakukan dengan pengaduk
2. Bila campuran masih tampak agak kental dapat ditambahkan sedikit lagi air.
3. Masukkan bahan kotoran ke dalam tangki pencerna dan biarkan selama 1 – 2 minggu. Gas yang diperoleh pada minggu pertama ini harus dibuang karena masih bercampur dengan udara.
Gambar 7: Instalasi biogas
Keterangan gambar: 1. Saluran masuk kotoran
2. Digester ( tangki pemroses biogas) 3. Saluran masuk biogas (satu arah) 4. Tangki penampung biogas) 5. Sal uran keluar biogas ( satu arah) 6. Katup distribusi gas.
7. Tangki air (pemberi tekanan ke tangki 4) 8. Saluran air
9. Saluran keluar kotoran
5. Biogas dari Sampah Kota
Untuk menghasilkan biogas dari sampah kota pada prinsipnya sama seperti membuat biogas dari kotoran. Sampah diletakkan dalam suatu lubang raksasa yang sisi-sisinya kedap udara dan pada beberapa tempat dipasang sistem perpipaan. Pipa– pipa ini memiliki lubang-lubang sebagai jalan masuk gas yang dihasilkan bakteri kemudian ditempatkan di suatu tempat penampungan kemudian dimanfaatkan. Untuk sampah organik dalam jumlah yang sangat besar dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan listrik.
Gambar 8: Instalasi pembuatan biogas dari sampah kota.
5. Kesimpulan dan Saran
Kesimpulan:
1. Bahan bakar alternatif dapat diperoleh dari beragam mahluk hidup
2. Sebagai pengganti bahan bakar minyak dapat dibuat biodiesel dan bioethanol. Sedang pengganti gas dapat dibuat dari biogas
3. Proses produksi bahan bakar ini tidak membutuhkan teknologi yang rumit dan hasilnya lebih ramah terhadap lingkungan. Saran:
1. Diperlukan usaha yang lebih giat untuk mensosialisasikan pemakaian energi alternatif untuk mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar fosil.
2. Perlu dukungan dari semua pihak untuk menggali teknologi dan potensi untuk pemanfaatan dan pengembangan energi dari alternatif yang terbarukan.
Daftar Pustaka
B. Rice, W. Korbitz, 1997, Biodiesel Production Based on Waste Cooking Oil: Promotion of the Establishment of an Industry in Ireland, Oak Park Research Center
Graham Solomon, T. W, 1996., Organic Chemistry, University of South Florida 6th edition, John Wiley and Son Inc
Marek Walisewicz, 2002, Energi Alternatif, Erlangga
Paimin, Farry B., 1999, Alat Pembuat Biogas dari Drum, Penebar Swadaya
Ponten M. Naibaho, 2000Teknologi Pengolahan Kelapa Sawit, Pusat Penelitian Kelapa Sawit Medan.
Widiarto, Ir dan F.X Sudarto C, 2004, Membuat Biogas, Kanisius
Wiranto Arismunandar, 2002, Penggerak Mula Motor Bakar Torak, ITB.
Yan Fauzi, Ir, Kelapa Sawit, 2004, edisi revisi, Penebar Swadaya
www.Biodiesel today.com www.bppt.go.id
www.dede.gov.th www.jatropha.org www.HKTI.org
www.journey to forever/Mike Pelly’s recipe
www.journey to forever/Two Stage biodiesel process
www.journey to forever/Biodiesel in Hongkong www.journey to forever/Bubble Washing
Lampiran: Tumbuhan Indonesia penghasil minyak lemak
No Nama Tumbuhan Nama Latin Kadar (%-bk) P/NP
1 Akar kepayang Hodgnosia macrocarpa ~ 65 P
2 Alpukat Persea Gratissima 40 - 80 P
3 Bidara Ximenia Americana 49 - 61 NP
4 Bintara Cerbera manghas/odollam 43 - 64 NP
5 Bulungan Gmelina asiatica n/a NP
6 Cerakin/Kratan Croton tiglium 50 - 60 NP
7 Coklat Theobroma cacao 54 - 58 P
8 Gatep pait Samadera indica ~ 35 NP
9 Jagung Zea mays ~ 33 P
10 Jarak kaliki Ricinus communis 45 - 50 NP
11 Jarak pagar Jatropha curcas 40 - 60 NP
12 Kacang Suuk Arachis Hypogea 35 - 55 P
13 Kampis Hernandia peltata n/a NP
14 Kapuk randu Ceiba petandra 24 - 40 NP
15 Karet Hevea brasiliensis 40 - 50 NP
16 Kayu manis Cinnamomun burmanni ~ 30 P
17 Kecipir Psophocarpus tetrag 15 - 20 P
18 Kelapa Cocos nucifera 60 - 70 P
19 Kelor Moringa oleifera 30 - 49 P
20 Kemiri Aleurites moluccana 57 - 69 NP
21 Kemiri Cina Aleurites trisperma n/a NP
22 Kenaf Hibiscus cannabinus 18 - 20 NP
23 Kepah Sterculia foetida 45 - 55 NP
24 Ketiau Madhuca mottyleyana 50 - 57 P
25 Kopi Arab Hibiscus esculentus 16 - 22 NP
26 Kusambi Scleichera trijuga 55 - 70 NP
27 Labu Merah Cucurbitha moschata 35 - 38 P
28 Malapari Ponggapia pinnata 35 - 40 NP
29 Mayangbatu Madhuca cuneata 45 - 55 P
30 n/a Taractogenos kurzii 48 - 55 NP
31 n/a Vernonia anthelmintica ~ 19 NP
32 Nagasari Mesua ferrea 35 - 50 NP
33 Nimba Azadirachta indica 40 - 50 NP
34 Nyamplung Callophyllum inophyllum 45 - 70 NP
35 Padi Oryza sativa ~ 20 P
36 Pepaya Carica papaya 20 - 25 P
37 Pulasan Nephelium mutabile 62 - 72 P
38 Rambutan Nephelium lappaceum 37 - 43 P
39 Randu alas Bombax malabaricum 18 - 26 NP
40 Rosela Hibiscus sabdariffa ~ 17 NP
41 Saga utan Adenanthera pavonina 14 - 28 P
42 Sawit Elais guineensis 45 - 70 P
43 Seminai Madhuca utilis 50 - 57 P
44 Sirsak Annona muricata 20 - 30 NP
45 Siur Xanthophylum lanceatum 35 - 40 P
46 Srikaya Annona squamosa 15 - 20 NP
47 Tangkalak Litsea sebifera ~ 35 P
48 Teng. Terindak Isoptera borneensis 45 - 70 P 49 Tengkawang tungkul Shorea stenoptera 45 - 70 P
50 Wijen Sesamun orientale 45 - 55 P
Sumber: KOMPAS 18 Agustus 2005 hal 13
