PERHITUNGAN NERACA MASSA
1. shredder (S-101) Kapasitas Produksi 74.000/ton
Kapasitas Bahan Baku 178.207 ton/tahun Masa Aktif Produksi 330 hari/tahun
Bahan Baku TKKS F1
Produk Bioetanol 99,5% Bahan
Waktu Operasi/tahun 330 hari baku
waktu operasi/hari 24 Jam
basis perhitungan 1 hari F2
Limbah TKKS kapasitas bahan baku (kg/jam) 22500.88 Neraca massa total
F1 = F1 + F2 =
asumsi bahan baku yang hilang pada shred F2 = 0,1% * 22500.88
Serbuk TKKS
-Jumlah 22500.88
komposisi kimia dari Tandan Kosong K
No komponen
1 Lignin
2 selulosa
3 hemiselulosa
2. Digester
H2O sebagai cairan pemasak yang digunakan adalah 5 kali F3 + F4 = F5
22500.88 kg/jam F3 = 22478.38 kg/jam
pada shredder sebesar 0,1 % F4 = 112391.9 kg/jam
sehingga laju alir masuk = F3 + F4 =
kg/jam F3 + F4 =
untuk mencari F5, maka digunakan persamaan F5 = F3 + F4
F5 = 134870.28 kg/jam
kg/jam aliran F3
Rumus laju komponen :
F No aliran = W no aliran komponen × F no aliran
F2 F3 selulosa : F3 selulosa = W3 selulosa
= 10452.45
22.50 22478.38
hemiselulosa : F3 hemiselulosa = W3 hemiselulosa
= 5821.90
ng Kelapa Sawit
komposisi (%) komposisi × bahan baku lignin : F3 lignin = W3 lignin
27.6 6207.14
=
6204.03
46.5 10457.68
25.9 5824.81
aliran F5
100 22489.63 komponen TKKS %komponen keluaran F5
selulosa 44.78
hemiselulosa 35.99
lignin 19.23
keluar (kg/jam)
Total 100 Laju massa komponen pada TKKS
selulosa : F5 selulosa = W5 selulosa × F3 10065.82
hemiselulosa : F5 hemiselulosa = W5 hemiselulosa 8089.97
cairan steam : Pulp
komponen masuk (kg/jam)
3. Tangki delignifikasi
F6
F5 F5
massa masuk aliran F5 pulp
selulosa :
5 kali berat bahan baku hemiselulosa :
lignin :
air :
total F5 pulp
22478.38 + 112391.90
134870.28 kg/jam Penambahan NaOH 10% dengan rasio solid liquid 1 : 5 operasi berlangsung 1 jam dengan suhu 100° C F6 = 5 × 22478.38 kg/jam = 112391.9 sehingga laju alir keluarnya :
F7 = F5 + F6
F7 = 247262.18 kg/jam
× F3
kg/jam Neraca Massa komponen
Proses delignifikasi dapat menghilangkan lignin 68.86 × F3
kg/jam PULP
- lignin : F7 lignin = (F5 × W5 lignin) ×
× F3 = 2976.54
kg/jam
W5 lignin = F5 lignin/F5 0.032 W7 lignin = F7 lignin/F7
0.012
3 chip TKKS - Hemiselulosa :
kg/jam F7 × W7 hemiselulosa = F5 × W5 hemi + F6 × W6 hem
247262.18 × W7 hemi = 8089.97
W7 hemi = 0.033
AIR sehingga, F7 hemi = F7 × W7 hemi
kg/jam = 8089.97
W5 hemi = 0.06
- air :
F7 ×W7 air = F5 × W5 air + F6 × W6 air
W7 air = 0.455 sehingga, F7 air = F7 × W7 air
112391.90 kg/jam - larutan NaOH :
kg/jam F7 × W7 larutan NaOH = F6 × W6 Larutan NaOH
W7 larutan NaOH = 0.455
× F3 Sehingga, F7 Larutan NaOH = F7 × W7 NaOH
kg/jam 112391.9
- selulosa :
kg/jam W7 selulosa = 1-(W7 lignin + W7 hemi + W7 NaOH +
0.046
keluar (kg/jam) sehingga F7 selulosa = F7 × W7 Selulosa
F5 11411.874
F5 F6
Selulosa 10065.82
Hemiselulosa 8089.97
lignin 4322.59
10065.82 Air 112391.90
8089.97 Cairan pengencer
4322.59 larutan NaOH 10% 112391.9
112391.90 Pulp
134870.28 Selulosa
Hemiselulosa Air
larutan NaOH 10% Lindi hitam lignin
total 247262.18
Pulp
4. Rotary Filter F8
F7 F7
F10 aliran F7 pulp :
10065.82 kg/jam data didapat dari aliran F7 pulp
8089.97 kg/jam selulosa :
4322.59 kg/jam hemiselulosa :
112391.90 kg/jam lignin :
134870.28 kg/jam air :
larutan NaOH 10% :
1 : 5
neraca massa total pada rotary filter
kg/jam F7 + F8 = F9 +F10
Diketahui
- air pencuci yang dibutuhkan 2 kali berat holoselulosa sehingga air yang dibutuhkan
F7 Holo = F7 selulosa + F7 hemi
= 19501.84 kg/jam
8.86 % (derman,2018) F8 AIR = 2 × F7 holoselulosa
= 39003.69 kg/jam
Aliran F10
in) × 0.6886 - Hasil yang diinginkan dari rotary fiter yaitu selulosa dan
kg/jam dimana diasumsikan untuk komponen lain tetap terikut k
akan tetapi dalam presentasi yang sangat kecil - diasumsikan : - hemiselulosa yang terikut dalam pulp
- selulosa yang terikut pu - 5 % air terikut pada pu - lignin yang terikut pu - larutan NaOH yang t hemi
Jumlah massa komponen F10 :
- hemiselulosa : F10 hemi = 0.5 ×
(F7 × W7 hemi)
= 4044.98
- selulosa : F10 selulosa = 0.999 × (F7 × W7 selulosa)
= 11400.46
F10 = F10 air + F10 larutan NaOH + F10 lignin + F10 Hem
kg/jam 23071.72 kg/jam
Karena laju alir massa total F10 sudah diketahui, maka dap
OH + W7 Air fraksi masing - masing komponen
- air : W10 air = F10 air/ F10 = 0.328
- Larutan NaOH : W10 larutan NaOH = F10 Lar.NaOH /
keluar (kg/jam) =
F7 - Lignin : W10 lignin = F10 lignin / F10
= 0.000013
- Hemiselulosa : W10 hemiselulosa = F10 hemi / F10 = - selulosa : W10 selulosa = F10 selulosa / F10
= F7 + F8 = F9 + F10
F9 = F7 + F8 - F10
11411.87 263194.15 kg/jam
8089.97
112391.90 Aliran F9 :
112391.90 Neraca massa komponen :
- Air : W9 lignin = 0.0113
- F9 lignin = F9 × W9 lignin 2976.24 kg/jam - Larutan NaOH :
- F9 Lar.NaOH = F9 × W9 Lar.NaOH 112335.70 kg/jam - Hemiselulosa :
(F9 × W9 hemiselulosa) = (F7 × W7 hemi) - (F10 × W W9 selulsoa = 0.000043
- F9 selulosa = F9 × W9 selulosa
F9 selulosa = 11.41 kg/jam
F7 F8 F9
Selulosa 11411.87
Hemiselulosa 8089.97
lignin 2976.54
Air 112391.90
larutan NaOH 10% 112391.90
Air (H2O) 39003.69
Hemiselulosa 4044.98
Air 143825.81
larutan NaOH 10% 112335.70
Selulosa 11.41
larutan NaOH 10% Total
Pulp
286265.87 286265.87
Cairan Pencuci Lindi hitam
komponen masuk (kg/jam) keluar (kg/
5. Tangki Penampung
F11
F9 F10 F12
Massa masuk Aliran F10
Air : 7569.78
11411.87 kg/jam selulosa : 11400.46
8089.97 kg/jam hemiselulosa : 4044.98
2976.54 kg/jam Lignin : 0.298
112391.90 kg/jam Larutan NaOH : 56.20
112391.90 kg/jam 23071.72
247262.18 kg/jam
Neraca Massa F10 + F11 = F12
Air yang ditambahkan untuk pengenceran pulp adalah 20%
selulosa dari berat pulp pada aliran masuk
Air : F11 = 0.2 × F10 pulp
F11 = 4614.34 kg/jam sehingga, dapat dihitung keluaran F12 F12 = F10 + F11
F12 = 27686.06 kg/jam
losa dan hemiselulosa Massa keluar
terikut ke dalam pulp, neraca massa komponen
- Air : F12 × W12 air = (F11 × W11 air )+( F10 × W10 air)
pulp yaitu 50% W12 air = 0.440
erikut pulp yaitu 99.9 % - selulosa : F12 × W12 selulosa = ( F10 × W10 selulosa)
ada pulp W12 selulosa = 0.412
erikut pulp sebesar 0.01 % - hemiselulosa : F12 × W12 hemi = ( F10 × W10 hemi)
ang terikut dalam pulp 0.05% W12 hemi = 0.146
- Larutan NaOH : F12 × W12 NaOH = ( F10 × W10 NaOH) W12 NaOH = 0.00203 - Lignin = F12 × W12 lignin = ( F10 × W10 lignin)
kg/jam W12 Lignin = 0.0000108
× W7 lar.NaOH) untuk komponen larutan NaOH dan lignin terlarut dalam pulp kg/jam dengan konsentrasi yang sangat kecil ketika dilakukan pengenceran
dengan air sehingga diasumsikan komponen tersebut sudah tercampur kedalam komponen air sehingga dianggap tidak ada
Menghitung laju massa keluar
W7 hemi)
- Air : F12 air = F12 × (W12 lignin + W12 lar.NaOH + W12 air)kg/jam = 12240.62 kg/jam
losa) holoselulosa : F12 holoselulosa = F12 × (W12 selulosa + W12 hemiselulo
= 15445.45
F10 Hemi + F10 selulosa keluar (kg/jam)
F10 F11 F12
i, maka dapat dihitung Selulosa 11400.46
Hemiselulosa 4044.98
lignin 0.30
Air 7569.78
larutan NaOH 10% 56.20
aOH / F10 Air pengencer
0.002 Air (H2O) 4614.34
air 12240.62
F10 holoselulosa 15445.45
0.175 Total 27686.06
0.494
× W10 hemi)
W10 selulosa)
F10
11400.46 4044.98 0.299 7569.78 56.20 65.87
6. Reaktor saccharafication and fermentation
kg/jam Massa Masuk
kg/jam aliran F12 :
kg/jam - Holoselulosa : F12 holoselulosa = 15445.45 kg/jam kg/jam Air : F12 air = 12240.62 kg/jam 27686.06 kg/jam aliran F13 enzim cellulast dan F14 enzim novozym
- pada proses hidrolisa digunakan cellulast 1.5 L dan novozym 188 - dosis enzim cellulast 15 FPU/gr biomassa
- dosis enzim novozym 15 IU/gr biomassa
- 1 FPU (filter paper unit) setara dengan 0.0016 kg - 1 IU (International unit) setara dengan 0.0000001 kg
- suhu hidrolisis 48°C, Ph sekitar 4.8 dan proses dilakukan selama 24 jam enzim cellulast yang dibutuhkan = 15 × 0.0016 × F12
664.47 kg/jam enzim novozym yang dibutuhkan = 15 × 0.0000001 × F12
0.042 kg/jam
Aliran F15 S.cerevisiae
- pada fermentasi digunakan khamir s.cerevisiae - kecepatan putaran pengaduk 150 rpm
- suhu fermentasi 32° C
- Proses tersebut dilakukan selama 24 jam
- S.cerevisiae yang dibutuhkan = 0.5 % total substrat
F15 cerevisiae = 138.43 kg/jam
aliran F16
- Nutrien ditambahkan untuk menjaga kebutuhan nutrisi S.Cerevisiae yaitu dengan menambahkan (NH4)2SO4
pur - Banyaknya (NH4)2SO4 yang dibutuhkan 0.4 % total substrat
aliran F17 - pengaturan Ph
untuk menurunkan Ph dari 7 menjadi 4.8, ditambahkan asam sulfat 95% iselulosa) dimana Ph yang dikehendaki reaktor adalah 4.8. Diketahui :
kg/jam ρ H2SO4 = 1.84 kg/ml BM H2SO4 = 98 g/mol persamaan reaksi
H2SO4 2H + SO4
Pada PH 7 H2SO4 ekuivalen dengan [H+] [H+] = 2 × 10^-7
m H2SO4 = [H+] × BM H2SO4 / ρ H2SO4 × massa pulp m H2SO4 = 0.29 kg/jam
Pada PH 4.8 H2SO4 ekuivalen dengan [H+] [H+] = 2 × 10^-7
m H2SO4 = [H+] × BM H2SO4 / ρ H2SO4 × massa pulp m H2SO4 = 46.74 kg/jam
H2SO4 yang harus ditambahkan = 46.45 kg/jam Massa keluar
F12 + F13 + F14 + F15 + F16 + F17 = F18 + F19 reaksi yang terjadi pada reaktor
C6H10O5 + H20 2C2H5OH + 2CO2 Aliran F18
Konversi selulosa sebesar 97 % membentuk etanol BM selulosa = 162 gr/kmol
menghitung laju reaksi
menghitung laju reaksi dan laju alir molar komponen menggunakan persamaan - persamaan pada reklaitis
N in Holoselulosa = Fin holoselulosa / BM
N in Holoselulosa = 95.34 kmol/jam N out holoselulosa = Nin holo - (Nin holo × X holo)
2.86 kmol/jam F out holoselulosa = N out holoselulosa × BM
F out holoselulosa = 463.36 kg/jam R holoselulosa = Nout holo - Nin holo
r holoselulosa = R holoselulosa / σ holoselulosa 92.48 kg/mol
keterangan :
BM : berat molekul komponen N : laju alir molar komponen F : laju alir massa komponen
R : laju pembentukkan molar komponen r : laju reaksi
menghitung laju alir massa komponen F out = Fin + σ × r × BM
CO2 : F18 CO2 = 0 + (2 × 92.48 × 44)
= 8138.42 kg/mol
air : F19 H2O = 10575.94 kg/jam etanoL : F19 etanol = 8508.34 kg/jam
enzim cellulast : F19 enzim cellulast = 664.47 kg/jam enzim novozym : F19 Novozym = 0.042 kg/jam S. cerevisiae : F19 cerevisiae = 138.43 kg/jam holoselulosa : F19 holo = 463.36 kg/jam
H2SO4 : F19 H2SO4 = 46.45 kg/jam
(NH4)2SO4 : F19 = 110.74 kg/jam
Total F19 20507.78 kg/jam
F12 F13 F14 F15 F16
Air 12240.62
CO2
7. Centrifuge
F19
F20 Massa masuk
aliran F19
Neraca massa komponen
- air :
- etanol :
- enzim celluclast :
- enzim novozym :
- S.cerevisiae :
- (NH4)2SO4 :
- H2SO4 :
- holoselulosa :
massa keluar F19 = F19 + F20 Diasumsikan :
- komponen akan terpisah cake (holoselulosa, celluclast, novozym, s. cerevisiae, (NH4)2SO4 sebesar 99.995 % dan terikut (air dan etanol sebesar 10%) pada unit ini.
- ampas akan keluar dari unit pada laju alir F20, sedangkan cairan akan melalui laju alir F21
Jumlah massa komponen F20
- holoselulosa : F20 holo = (F19 × W19 holoselulosa) × 0.99995 463.34 - enzim celluclast : F20 celluclast =
- enzim novozym : F20 novozym = - s.cerevisiae : F20 cerevisiae = - (NH4)2SO4 : F20 (NH4)2SO4 =
- AIR : F20 air = 1057.59
- ETANOL : F20 etanol = 850.83
F20 = 3331.85 kg/jam
- holoselulosa : W20 holo = (F20 holo / F20)
0.14 - enzim celluclast : W20 celluclast = (F20 celluclast / F20)
- enzim novozym : W20 novozym = (F20 novozym / F20) - s.cerevisiae : W20 cerevisiae = (F20 cerevisiae / F20)
0.042 aliran F21 cairan
- Air :
(F21 * W21 air) = (F19 * W19 air) - (F20 * W20 air)
W21 air = 0.55
F21 air = 9518.35 kg/jam
- etanol
(F21 * W21 etanol) = (F19 * W19 etanol) - (F20 * W20 etanol)
W21 etanol = 0.45 kg/jam
F21 etanol = F21 × W21 etanol 7657.51 kg/jam enzim selulase
(F21 * W21 selulase) = (F19 * W19 selulase) - (F20 * W20 selulase)
W21 selulase = 0.0000019
F21 selulase = 0.03 kg/mol
(F21 * W21 novozym) = (F19 * W19 novozym) - (F20 * W20 novo W21 novozym = 0.000000000121
F21 Novozym = 0.00000208 kg/jam
(NH4)2SO4
(F21 * W21 (NH4)2SO4) = (F19 * W19 (NH4)2SO4) - (F20 * W20 (
W21 novozym = 3.22E-07
F21 (NH4)2SO4 = 5.54E-03 kg/jam
s.cerevisiae
(F21 * W21 cerevisiae) = (F19 * W19 cerevisiae) - (F20 * W20 cerev W21 cerevisiae = 4.03E-07
F21 cerevisiae = 0.00692 kg/jam
H2SO4
(F21 * W21 H2SO4 ) = (F19 * W19 H2SO4) - (F20 * W20 H2SO4) W21 cerevisiae = 0.00000014 kg/jam
F21 H2SO4 = 0.0023
holoselulase
(F21 * W21 cerevisiae) = (F19 * W19 cerevisiae) - (F20 * W20 cerev W21 Holoselulase = 1.35E-06
F21 holoselulase = 0.023 kg/jam
masuk (kg/jam) F19
F17 F18 F19 etanol 8508.34
air 10575.94
8138.42 celluclast novozym s.cerevisiae (NH4)2SO4 H2SO4
total 20507.78
8. MENARA DISTILASI
0.042 kg/jam F23
138.43 kg/jam
110.74 kg/jam Massa masuk (aliran F21)
46.45 kg/jam - Air : 9518.35 kg/jam
463.36 kg/jam - etanol : 7657.51 kg/jam
20507.78 kg/jam 17175.86 kg/jam
massa keluar : F21 = F22 + F23
17175.86
zym, F22 = 17175.86 kg/jam - F23
Persamaan neraca massa komponen pada distilasi etanol :
kan cairan Xe.F21 = Xe.F22 + Xe. F23
7657.48 = 0.96*F22 + 0.04* F23 7657.48 = 0.96 (17175.86 - F23) + 0.04
7657.48 = 16488.822
-- 0.92 F23 = -8831.34
kg/jam F23 = 9599.29 kg/jam
664.43 kg/jam F22 = F21 - F23
= 7576.57 kg/jam
0.042 kg/jam
Aliran F23
138.42 kg/jam F 23 air = Xe 23 . F23
= 9215.32 kg/jam
110.74 kg/jam F23 etanol = Xe 23. F23
= 383.97 kg/jam
kg/jam Aliran F22
kg/jam = 303.06 kg/jam F22 Etanol = Xe 22. F22
kg/jam = 7273.51 kg/jam
Masuk (kg/jam)
F21 F22 F23
air 9518.35
0.20 etanol 7657.51
0.0000125 etanol 7273.51
air 303.06
etanol 383.97
air 9215.32
total 17175.86
untuk menentukan temperatur umpan masuk, tergantung dari kὶ = Ῥ*/ Ῥ
dimana : Ῥ* = tekanan uap murni komponen Ῥ = tekanan operasi total
distilasi dilakukan pada tekanan operasi 1 atm persamaan antoine, ditemukan harga tekanan penentuan dew point pada distilat
komponen A B C
Etanol 16.1952 3423.53 -55.7154
Air 16.5362 3985.44 -38.9974
(sumber : G.V Reklaitis, p.649) persamaan tekanan uap :
untuk etanol dan H2O : ln PA = A - B/T+C NERACA MASSA MOLAR PADA DISTILASI
N (kmol) xf N (kmol)
etanol 166.47 0.45 158.12
air 528.80 0.55 16.84
jumlah 695.26 1 174.96
lulase)
Mol = n / mr Mr H2O = 18 Mr C2H5OH = 46
F22 (distila komponen F21 (aliran masuk)
distilat :
bottom
17175.86
komponen keluar (kg/jam)
novozym) Temperatur dew point dilakukan dengan cara trial and error dan trial temperatur dew point =
tekanan = trial titik embun :
20 (NH4)2SO4) komponen
9. MOLECULAR SIEVE F22
F25
MASSA MASUK (aliran F22)
- etanol : 7273.51 kg/jam
- air : 303.06 kg/jam
7576.57 kg/jam etanol yang keluar dari kolom adsorpsi mencapai kemurnia 99.5 % pada aliran F25
Persamaan neraca massa total F24 + F25 = F22
ALIRAN F24 : asumsi :
- etanol yang terjerap 0%
- air yang terjerap 99.5 % dari kandungan air yang masuk massa komponen aliran F24
- etanol : 0%
+ 0.04 F23 - air : (F22 × W22 air) × 0.995
0.96*F23 + 0.04 F23 301.547486
ALIRAN F25
0.04 masuk (kg/jam)
F22 F24 F25
etanol 7273.51 0 7275.02
air 303.06 301.5475 1.51
7576.57 301.5475 7276.54
Komponen Keluar (kg/jam)
7578.08
produksi liter/jam = 7276.54 kg/jam = 9218.97 liter/jam 0.7893
produksi ton/jam = 9218.97 liter/jam × 24 jam/ 1 hari × 330 hari / 1 tahun 73014.26254 ton/jam
73000 ton/jam
tung dari harga k
atm. Berdasarkan
anan uap murni komponen
yi N (kmol) xi
0.96 8.35 0.04
0.04 511.96 0.96
1 520.31 1
(distilat) F23 (Bottom)
total
