PEMURNIAN BIOETANOL DARI BAGAS TEBU MENGGUNAKAN MOLECULAR SIEVES ADSORPTION-DISTILLATION.

(1)

LAPORAN AKHIR

PENELITIAN UNGGULAN PERGURUAN TINGGI

PEMURNIAN BIOETANOL DARI BAGAS TEBU

MENGGUNAKAN

MOLECULAR SIEVES ADSORPTION-DISTILLATION

Oleh :

Dr. Megawati, S.T., M.T. NIDN. 0006117203 Drs. Said Sunardiyo, M.T. NIDN. 0012056509 Astrilia Damayanti S.T., M.T. NIDN. 0008097306

Penelitian ini dibiayai oleh

Daftar Isian Pelaksanaan Anggaran (DIPA) Universitas Negeri Semarang, Nomor: DIPA-042.04.2.400052/2015 Tanggal 15 April 2015 dan Revisinya.

Sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Penelitian Dosen Tahun Anggaran 2015, Nomor: 2.18.5/UN37/PPK.3.1/2015 Tanggal: 18 Mei 2015

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

NOVEMBER 2015

(2)

(3)

RINGKASAN

Tujuan jangka panjang penelitian ini ialah mengkonversi biomassa lignoselulosa menjadi etanol, supaya dapat dimafaatkan menjadi bahan bakar cair untuk substitusi sebagian atau keseluruhan bahan bakar fosil yang persediaannya sudah menipis. Beberapa tahapan pembuatan bioetanol, yang dipakai sebagai peta jalan penelitian, di antaranya praperlakuan bahan baku, hidrolisis, detoksifikasi, fermentasi, dan pemurnian. Tahapan mulai praperlakuan sampai fermentasi sudah pengusul lakukan, sedangkan tahapan yang belum adalah pemurnian etanol. Kemurnian etanol untuk bahan bakar cair di atas 99,95% (hampir absolut). Sementara itu, tingkat kemurnian dari industri etanol berbasis tetes tebu hanya 95% (etanol teknis). Hal ini disebabkan karena etanol-air memiliki titik azeotrop sekitar 95%, sehingga memerlukan teknologi tambahan yang lebih rumit untuk memurnikannya kembali. Target utama dari penelitian ini adalah akan memurnikan etanol dari hasil fermentasi hidrolisat bagas tebu sampai kadar di atas azeotropnya dan target tambahannya adalah melakukan analisis eksploratif dan deskriptif tentang distilasi etanol di PT Madubaru, yang masih menghasilkan etanol teknis, sehingga hasil penelitian ini nantinya dapat diaplikasikan di industri tersebut.

Cara-cara yang dapat dilakukan untuk memurnikan etanol melampaui kadar azeotropnya adalah pressure swing-distillation, dehidrasi, distilasi ektraktif, serta distilasi dengan penjerap molekul (molecular sieves adsorption-distillation). Penelitian ini akan memilih metode distilasi menggunakan penjerap molekul karena lebih efisien, tidak memerlukan tekanan dan suhu yang bervariasi, sehingga kondisi operasinya lebih stabil. Pada proses ini, setelah kadar etanol mendekati kadar azeotropnya, distilasi dilanjutkan dalam kolom yang dilengkapi dengan bahan penjerap, yaitu karbon aktif dan gel silika dengan variasi ukuran pori.

Pemurnian bioetanol pada penelitian ini akan diawali dengan merancang dan membuat perangkat distilasi dengan penjerap molekul pada skala laboratorium. Data percobaan yang diperoleh akan digunakan untuk mempelajari apakah metode

adsoptive-distillation dapat digunakan untuk memurnikan etanol. Selain itu, nilai

parameter perpindahan massa uap air dalam penjerap dan persamaan kesetimbangan penyerapan uap air oleh gel silika dapat dicari menggunakan metode curve-fitting. Parameter tersebut sangat diperlukan untuk mendesign kolom distilasi lengkap dengan sistem pengendaliannya.

(4)

PRAKATA

Laporan akhir Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi dengan judul

“Pemurnian Bioetanol dari Bagas Tebu Menggunakan Molecular Sieves

Adsorption-Distillation” ini dapat kami selesaikan dengan baik. Rancang bangun

alat distilasi-adsorpsi untuk memurnikan etanol-air sampai kadar melebihi

azeotropnya sudah disusun dan dijalankan. Alat ini dicoba menggunakan adsorben

gel silika dan konsentrasi etanol dapat ditingkatkan kemurniannya

Keseluruhan laporan penelitian ini, mulai dari penyusunan proposal,

melakukan penelitian, penyusunan karya ilmiah publikasi dan buku ajar, dan

penyusunan laporan akhir dapat tercapai atas kerjasama dari semua tim peneliti:

Drs. Said Sunardiyo, M.T. dan Astrilia Damayanti, S.T., M.T., dibantu oleh Reni

Ainun Jannah.

Penyusun juga menyampaikan terima kasih kepada Lembaga Penelitian dan

Pengabdian Universitas Negeri Semarang yang telah mengijinkan dan memberikan

dana sehingga penelitian ini dapat berjalan dengan lancar.

Akhir kata, semoga laporan penelitian ini dapat bermanfaat bagi nusa dan

bangsa dalam mengembangkan ilmu pengetahuan khususnya di bidang

pengembangan energi hijau.

(5)

DAFTAR ISI

1.2. Permasalahan 3

1.3. Tujuan

1.4. Urgensi Penelitian

3

4

II. TUNJAUAN PUSTAKA

2.1. Konversi Biomassa menjadi Energi

2.2. Potensi Bagas Tebu dan Lignoselulosa menjadi Etanol

2.3. Kinetika Reaksi Hidrolisis Bagas Tebu

2.4. Distilasi Etanol

2.5. State of The Art

2.6. Gel Silika sebagai Penjerap

5

III. METODE PENELITIAN

3.1. Bagan Alir Penelitian

(6)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis Bagas Tebu pada Suhu 60 oC 7 Tabel 2.2. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis Bagas Tebu pada Suhu 70 oC 7 Tabel 2.3. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis Bagas Tebu pada Suhu 80 o_C ₇

Tabel 2.4. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis Bagas Tebu pada Suhu 90 oC 8 Tabel 2.5. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis pada Suhu 100 oC 8 Tabel 2.6. Kadar Etanol Hasil Fermentasi dari Berbagai Jenis Bahan Baku 8 Tabel 4.1. Kadar Etanol Hasil Pemurnian Menggunakan Metode

Molecular Sieve Adsorption-Distillation

22

Tabel 4.2. Profil Kadar Etanol Sepanjang Kolom selama Proses Pemurnian

(7)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Proses Konversi Biomassa sebagai Sumber Energi Hijau (Demirbas, 2008)

5

Gambar 2.2. Diagram Proses Pembuatan Etanol dari Lignoselulosa Berbasis Hidrolisis secara Kimiawi (Taherzadeh dan Karimi, 2009)

6

Gambar 2.3. Perbandingan Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kinetika Reaksi pada Suhu 70 oC dan Konsentrasi Katalis 0,6 mol/L

9

Gambar 2.4. Perbandingan Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kinetika Reaksi pada Suhu 80 o_{C dan Konsentrasi Katalis}

0,5 mol/L

10

Gambar 2.5. Perbandingan Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kinetika Reaksi pada Suhu 90 o_{C dan Konsentrasi Katalis}

0,4 mol/L

10

Gambar 2.6. Perbandingan Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kinetika Reaksi pada Suhu 100 oC dan Konsentrasi Katalis 0,3 mol/L

10

Gambar 2.7. Distilasi Menggunakan Pressure Swing-Distillation (Strand, 2001)

12

Gambar 2.8. Distilasi Menggunakan Extractive-Distillation (Strand, 2001)

12

Gambar 2.9. Elemen Volum Distilasi dengan Penjerap Molekul 13 Gambar 2.10. Grafik 1/x versus 1/y* pada Kesetimbangan Adsorpsi

Etanol-Air (dengan y* = komposisi jenuh uap air di fase uap)

14

Gambar 2.11. Gel Silika Berwarna Putih Bening, Biru, dan Merah Muda 16

Gambar 3.1. Bagan Alir Penelitian 17

Gambar 4.1. Rancang-bangun Molecular Sieve Adsorption-Distillation

untuk Memurnikan Etanol

19

Gambar 4.2. Kromatogram Etanol Hasil Distilasi Larutan Fermentasi (Kadar Etanol 90%)

20

Gambar 4.3. Kromatogram Etanol Hasil Distilasi Menggunakan

Molecular Sieve Adsorption-Distillation selama 5 menit

(Kadar Etanol 92,348%)

21

Gambar 4.6. Pengaruh Waktu terhadap Kadar Etanol Hasil Pemurnian (Aufar dkk. (2011)-1 untuk zeolit dan Aufar dkk. (2011)-2 untuk CaO)

(8)

Gambar 4.7. Pengaruh Waktu terhadap Kadar Etanol Hasil Pemurnian Menggunakan Molecular Sieve Adsorption-Distillation

23

Gambar 4.8. Perbandingan antara Data dan Hasil Perhitungan (Kadar etanol awal 90%)

24

Gambar 4.9. Profil Kadar Etanol Sepanjang Kolom Adsorber (Kadar etanol awal 90%)

24

Gambar 4.10. Kolom Distilasi di PT Madubaru 25

Gambar 4.11. Perkiraan Peningkatan Kadar Etanol selama Pemurnian di PT Madubaru (Kadar etanol awal 96%)

26

Gambar 4.12. Profil Kadar Etanol Sepanjang Kolom Adsorber (Kadar etanol awal 96%)

(9)

DAFTAR LAMPIRAN

(10)

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 1 BAB 1. PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang

Krisis bahan bakar minyak telah memberikan tanda bahwa cadangan energi

fosil yang dimiliki Indonesia sudah menipis (BP Migas, 2009). Sebaliknya,

konsumsi BBM (dalam negeri) sudah lama meningkat dari tahun ke tahun (Ditjen

Migas, 2012). Terbatasnya sumber energi fosil menyebabkan perlunya

pengembangan energi terbarukan dan konservasi energi. Salah satu bentuk dari

energi terbarukan adalah energi biomassa (Khoo, 2015). Teknologi pemanfaatan

energi biomassa terdiri dari pembakaran langsung dan konversi biomassa menjadi

bahan bakar. Hasil konversi ini dapat berupa biogas, bioetanol, biodiesel, arang,

dan sebagainya. Penelitian ini akan menghasilkan etanol dari biomassa bagas

tebu, yang merupakan limbah industri gula dan minuman sari tebu di kota, untuk

bahan bakar hijau pengganti energi fosil. Oleh karena itu, penelitian ini

bermanfaat untuk kemajuan negara karena bioetanol yang dihasilkan dapat

digunakan sebagai pengganti atau substitusi bakar bakar cair (Kompas, 2015) dan

sesuai dengan Renstra Unnes di bidang Konservasi pada bahan kajian Bioetanol.

Beberapa tahapan untuk membuat etanol dari lignoselulosa adalah

praperlakuan, hidrolisis, detoksifikasi, fermentasi, dan purifikasi (Megawati,

2011). Hidrolisis merupakan tahap awal untuk mendegradasi selulosa menjadi

gula. Gula yang terbentuk ini memerlukan detoksifikasi sebelum difermentasi

menjadi etanol. Etanol diperoleh dengan mendistilasi hasil fermentasi sampai

kadar tertentu. Etanol untuk bahan bakar cair kendaraan bermotor harus memiliki

kemurnian tinggi (+99,98%), sehingga setelah didistilasi sampai kadar

azeotropnya, etanol perlu dimurnikan lagi sampai kadar hampir absolut

(Megawati, 2015). Tahapan mulai dari praperlakuan sampai fermentasi sudah

banyak dilakukan, sedangkan tahapan yang realtif belum adalah pemurnian etanol.

Adapun perkembangan penelitian tentang pemurnian etanol dapat diuraikan

sebagai berikut. Hlaing (2007) melakukan dehidrasi etanol dengan gel silika untuk

memurnikan etanol hasil fermentasi. Jadi, etanol didistilasi hanya sampai kadar

azeotropnya, kemudian didehidrasi sampai kadar 99%. Penelitian yang hampir

(11)

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 2

menggunakan karbon aktif dan molecular sieves tipe 3A dan 4A untuk

menggantikan gel silika sebagai penjerap air. Penelitian di atas kurang efektif

karena membutuhkan banyak adsorber untuk meningkatkan kemurnian etanol dari

95 sampai 99,95%. Sedangkan Bastidas dkk. (2010) melakukan tiga cara

pemurnian, yaitu distilasi azeotropik menggunakan cyclohexane, distilasi

ekstraktif menggunakan ethyleneglycol, dan dehidrasi menggunakan zeolit. Hasil

penelitian tersebut menunjukkan bahwa distilasi ekstraktif lebih efisien

dibandingkan dua cara yang lain, namun kurang ekonomis karena membutuhkan

penambahan pelarut dan akan menyebabkan limbah baru (Gil dkk., 2008).

Penelitian lebih lengkap dan menarik dilakukan oleh Bowen dkk. (2010), yaitu

distilasi menggunakan pressure-swing, distilasi ekstraktif dengan benzena dan

trichloroethylene, distilasi dengan penjerap molekul menggunakan butiran jagung

kering, dan dehidrasi menggunakan garam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa

distilasi ekstraktif lebih efisien tetapi hanya sesuai untuk industri-industri besar

karena memerlukan proses pemurnian tambahan.

Uraian di atas menunjukkan bahwa cara yang paling efektif dan ekonomis

adalah distilasi dengan penjerap molekul (molecular sieves

adsorption-distillation). Pada cara ini, proses penjerapan diperlukan untuk melampaui kadar

azeotropnya saja, setelah itu distilasi biasa dapat dilanjutkan lagi, sehingga

kebutuhan penjerap akan lebih sedikit dibandingkan dengan cara distilasi

dilanjutkan dehidrasi. Selain untuk mengetahui kemampuan bahan penjerap, nilai

parameter perpindahan massa dan persamaan kesetimbangan distilasi-adsorpsi

pada sistem pemisahan etanol air ini juga perlu dipelajari. Hal ini penting untuk

mendesain peralatan distilasi dengan penjerap molekul pada skala industri.

Penelitian lanjutan ini memilih etanol dari bagas tebu selain karena jumlah bagas

tebu melimpah juga karena rendemen gula yang didapatkan dari proses hidrolisis

lebih tinggi dibandingkan bahan baku lainnya, sehingga etanolnya juga lebih

banyak. Jenis bahan penjerap yang akan dipilih adalah gel silika dengan ukuran

pori divariasikan dan diharapkan dapat meningkatkan kinerja pemurniannya

(Bowen dkk., 2010). Di samping untuk mengkonversi bagas tebu menjadi etanol

(12)

yang belum dapat menghasilkan etanol dengan kadar di atas azeotropnya, seperti

unit-unit usaha etanol di Bekonang dan PT Madubaru. Aplikasi sebuah penemuan

teknologi hasil penelitian untuk industri memerlukan parameter-parameter desain

peralatan proses yang dapat dicari melalui simulasi berbasis data percobaan.

I.2. Permasalahan

1. Bagaimanakah desain alat untuk distilasi etanol dengan penjerap molekul skala

laboratorium yang dapat digunakan untuk mencari parameter-parameter

prosesnya, sehingga dapat dirancang untuk skala pilot plant.

2. Apakah etanol dapat dimurnikan menggunakan metode molecular sieve

adsortion-distillation menggunakan gel silika sebagai adsorben.

3. Berapakah nilai koefisien perpindahan massa uap air dalam sistem etanol-air

pada proses distilasi etanol dengan penjerap molekul.

4. Bagaimanakah persamaan kesetimbangan penjerapan uap air pada sistem

distilasi etanol dengan penjerap molekul.

5. Bagaimana kondisi di lapangan tentang distilasi etanol yang sudah diterapkan

di PT Madubaru untuk mendapatkan etanol sampai kadar azeotropnya.

6. Bagaimanakah langkah-langkah tepat membangun instalasi tambahan untuk

memurnikan etanol sampai kadar di atas azeotropnya menggunakan distilasi

dengan penjerap molekul di PT Madubaru.

I.3. Tujuan

1. Rancang bangun alat distilasi dengan penjerap molekul skala laboratorium.

2. Melakukan proses pemurnian etanol menggunakan metode molecular sieve

adsorption-distillation menggunakan gel silika sebagai adsorben.

3. Mencari koefisien transfer massa dan persamaan kesetimbangan adsorpsi yang

sesuai untuk distilasi etanol dengan penjerap molekul menggunakan gel silika.

4. Melakukan analisis eksploratif dan deskriptif tentang distilasi etanol di PT

Madubaru dalam rangka menyusun langkah-langkah tepat untuk melakukan

proses pemurnian lanjut sampai kadar di atas etanol teknis yang sudah

(13)

I.4. Urgensi Penelitian

Penelitian ini menghasilkan alat distilasi dengan penjerap molekul skala

laboratorium dan diaplikasikan untuk melakukan pemurnian etanol dari hasil

fermentasi hidrolisat bagas tebu sampai mencapai kadar etanol di atas kadar

teknisnya (95%). Jadi, hasil penelitian ini akan memberikan jawaban nyata bahwa

biomassa lignoselulosa dapat dikonversi menjadi etanol, yang dapat dimanfaatkan

untuk bahan bakar kendaraan bermotor. Target dari penelitian ini adalah untuk

membuat etanol memiliki tingkat kemurnian di atas kadar azeotrop menggunakan

cara distilasi dengan penjerap molekul.

Nilai-nilai parameter distilasi bioetanol dengan penjerap molekul, seperti

koefisien perpindahan massa serta persamaan kesetimbangan penting untuk

dihitung guna perhitungan desain perancangan sistem pemurnian etanol hingga

mencapai kadar kemurnian tinggi untuk skala industri. Berarti, hasil penelitian ini

dapat diaplikasikan untuk industri etanol yang masih menghasilkan etanol teknik

(95%), seperti Bekonang dan Madubaru-Yogyakarta. Jadi, bagi ilmu pengetahuan

dan teknologi, penelitian ini akan memberikan manfaat untuk melakukan rekayasa

(14)

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Konversi Biomassa menjadi Energi

Biomassa dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi terbarukan. Bila

dikelola dengan baik, sumber energi ini tidak akan habis. Bentuk sumber energi

biomassa yang telah banyak dibicarakan adalah pengembangan bioetanol dan

biodiesel. Kedua bahan bakar ini dalam jangka panjang diharapkan dapat

digunakan sebagai pengganti bahan bakar minyak. Adapun proses konversi

biomassa menjadi sumber energi dapat dilihat pada Gambar 2.1. Biomassa yang

dapat dimanfaatkan menjadi etanol adalah lignoselulosa, yang keberadaannya

selain berlimpah juga belum dimanfaatkan dengan baik, sehingga pemakaiannya

sebagai bahan baku pembuatan etanol merupakan strategi yang tepat.

Gambar 2.1. Proses Konversi Biomassa sebagai Sumber Energi Hijau (Demirbas, 2008)

Lignoselulosa merupakan senyawa polisakarida yang terdiri atas selulosa,

hemiselulosa, dan lignin. Hemiselulosa merupakan ikatan polimer heterogen dari

polisakarida dan susunan ikatannya lebih mudah dipecah pada hidrolisis daripada

selulosa. Sedangkan lignin merupakan senyawa yang berfungsi sebagai pengikat

komponen penyusun tanaman (hemiselulosa dan selulosa). Proses pertama yang

dibutuhkan dalam rangka produksi etanol dari lignoselulosa ialah hidrolisis, yaitu

reaksi perpecahan polimer selulosa oleh molekul air dengan bantuan asam sebagai

katalis.

Hidrolisis lignoselulosa dengan asam encer merupakan proses hidrolisis

(15)

proses pembuatan etanol dari lignoselulosa secara kimiawi yang dipaparkan oleh

Taherzadeh dan Karimi (2009) dan Chandel dkk. (2012). Bagan ini dapat dilihat

pada Gambar 2.2 dan bagan ini pula yang dipakai sebagai peta jalan penelitian

untuk proses pembuatan etanol dari lignoselulosa. Pada peta jalan penelitian ini,

kegiatan dari tahap persiapan bahan baku, hidrolisis, detoksifikasi, sampai

fermentasi sudah sering dilakukan.

Gambar 2.2. Diagram Proses Pembuatan Etanol dari Lignoselulosa Berbasis Hidrolisis secara Kimiawi (Taherzadeh dan Karimi, 2009)

Hasil penelitian tersebut sudah dipublikasikan pada seminar dan jurnal pada

lingkup nasional dan internasional juga buku ajar ber-ISBN (Megawati, 2007;

Sediawan dkk., 2007; Megawati dkk., 2008; Megawati dkk., 2009a_{; Megawati}

dkk., 2009b_{, Megawati dkk., 2010; Damayanti dan Megawati, 2011; Megawati}

dkk., 2011; Sediawan dan Megawati, 2013; Megawati dkk., 2014; dan Megawati,

2015). Penelitian-penelitian tersebut sudah mengkaji secara rinci tentang potensi

jenis bahan baku selulosa (sekam padi, serbuk gergaji kayu, tongkol jagung, daun,

ranting, rumput gajah, bagas tebu, dan kulit jeruk), proses persiapan bahan baku

yang ekonomis, kinetika hidrolisis dengan pendekatan reaksi homogen dan

heterogen padat-cair, teknik perhitungan neraca massa depolimerisasi, pemilihan

proses detoksifikasi berdasarkan jenis senyawa penetral, dan fermentasi untuk

membuktikan bahwa gula hidrolisat dapat dikonversi menjadi etanol. Bagas tebu

merupakan salah satu jenis bahan baku yang prospek untuk dijadikan etanol

(16)

2.2. Potensi Bagas Tebu dan Lignoselulosa menjadi Etanol

Analisis komposisi bagas tebu yang sudah dilakukan menggunakan prosedur

seperti yang dilakukan oleh Datta (1981) dengan hasil sebagai berikut;

oligosakarida 16,69%, hemiselulosa 25,66%, selulosa 51,27%, dan lignin 6,38%.

Kadar lignin dalam bagas tebu ini dapat dibandingkan dengan bahan baku yang

lain, seperti pada Tabel 2.1. Bagas tebu memiliki kadar holoselulosa tinggi

sehingga potensinya menjadi etanol lebih tinggi. Secara lebih detail potensi bagas

tebu pada berbagai variasi kondisi dapat dilihat pada Tabel 2.2 sampai 2.5 dan

potensi bahan lain menjadi etanol disajikan pada Tabel 2.6.

Tabel 2.1. Kadar Lignin dan Yield Gula Hidrolisis

Jenis bahan baku Kadar Lignin (%) Yield gula (%)

Daun 10,93 40,75

Sekam padi 14,78 31,13

Tongkol jagung 20,95 26,34

Serbuk gergaji kayu 30,91 26,01

Campuran - 25,49

Ranting 26,27 24,28

(Sumber: Megawati, 2010)

Tabel 2.2. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis Bagas Tebu pada Suhu 70 o_C

Waktu Asam sulfat (mol/L)

(menit) 0,3 0,4 0,5 0,6

15 0,00010 0,00010 0,00011 0,00010 30 0,00018 0,00020 0,00022 0,00020 45 0,00029 0,00028 0,00034 0,00037 60 0,00035 0,00038 0,00044 0,00050 75 0,00044 0,00045 0,00055 0,00056

(menit) 0,3 0,4 0,5 0,6

(17)

Tabel 2.2 dan 2.3 di atas menunjukkan bahwa semakin lama waktu, maka

konsentrasi gula hasil hidrolisis semakin tinggi. Berarti pengaruh waktu signifikan

terhadap hidrolisis bagas tebu menggunakan asam sulfat dengan konsentrasi 0,3

sampai 0,6 mol/L yang dilakukan pada suhu tidak terlalu tinggi, yaitu 70 dan

80 o_{C. Sedangkan pada suhu tinggi (90 dan 100}o_{C), seperti terlihat pada Tabel 2.4}

dan 2.5 berikut ini, konsentrasi gula terus naik selama 45 sampai 60 menit, setelah

itu relatif sedikit meningkat. Sementara itu, pengaruh konsentrasi katalis (0,3 – 0,6

mol/L) terhadap konsentrasi gula mulai terasa pada 0,4 mol/L.

(menit) 0,3 0,4 0,5 0,6

15 0,00066 0,00070 0,00080 0,000800 30 0,00110 0,00122 0,00124 0,001245 45 0,00124 0,00130 0,00135 0,001370 60 0,00130 0,00135 0,00140 0,001400 75 0,00140 0,00136 0,00140 0,001400

Tabel 2.5 Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis pada Suhu 100 o_C

(menit) 0,3 0,4 0,5 0,6

15 0,00140 0,00145 0,00150 0,00152 30 0,00160 0,00170 0,00172 0,00172 45 0,00172 0,00174 0,00175 0,00175 60 0,00174 0,00175 0,00175 0,00177 75 0,00174 0,00176 0,00177 0,00177

Tabel 2.6. Kadar Etanol Hasil Fermentasi dari Berbagai Jenis Bahan Baku

Jenis bahan baku _{Kadar lignin} _Gula _Etanol

(%) (mol/L)

Yield

(%) (%v/v) Yield (%)

Sekam Padi _14,78 _0,221 _31,13 _21,083 _96,36

Ranting 26,27 0,215 24,28 10,357 48,66

Tongkol Jagung 20,95 0,266 26,34 16,519 62,73

Daun 10,93 0,216 40,75 20,391 95,36

Serbuk gergaji kayu 30,91 0,190 26,01 0,7859 41,78

Campuran - 0,202 25,49 11,071 55,36

(18)

Data pada Tabel 2.6 memperlihatkan bahwa yield fermentasi dipengaruhi

oleh kadar lignin pada bahan. Makin tinggi kadar lignin makin rendah yield

fermentasi. Namun terasa pula bahwa selain faktor lignin ada pula pengaruh

hal-hal lain, seperti kemudahan jenis gula difermentasi dan pengaruh komposisi

hidrolisat sebagai penghambat fermentasi berbeda-beda (Govindaswamy dan

Vane, 2010, Karimi dkk., 2006 dan Demirbas, 2005). Ulasan ini memperkuat pula

bahwa bagas tebu merupakan lignoselulosa yang menjanjikan untuk diproses

menjadi etanol karena hidrolisatnya dapat difermentasi dengan baik.

2.3. Kinetika Reaksi Hidrolisis Bagas Tebu

Parameter kinetika dengan pendekatan model homogen untuk bagas tebu

disajikan pada Gambar 2.3 sampai 2.6. Nilai tenaga pengaktif hidrolisis dan

degradasi gula pada suhu 70 oC dan konsentrasi asam 0,6 mol/L masing-masing sebesar 107,15 dan 61,7 kJ/mol. Sedangkan nilai faktor tumbukannya

masing-masing sebesar 1,6.1013 L/(mol.menit) dan 3.1010 1/menit. Hasil perhitungan konsentrasi gula menunjukkan kesesuaian dengan data percobaan; pada variasi

konsentrasi asam 0,6 mol/L (Gambar 2.3), 0,5 mol/L (Gambar 2.4), 0,4 mol/L

(Gambar 2.5), masing-masing nilai tenaga pengaktif sebesar 107,15; 107,22; dan

107,52 kJ/mol. Nilai-nilai ini menunjukan bahwa semakin besar konsentrasi

katalis, maka energi aktivasinya semakin kecil. Berarti, hasil simulasi ini

berkesesuaian dengan teori tentang peranan katalis, yaitu menurunkan tenaga

pengaktif sehingga reaksi berjalan lebih cepat.

(19)

Gambar 2.4. Perbandingan Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kinetika Reaksi pada Suhu 80 o_{C dan Konsentrasi Katalis 0,5 mol/L}

Gambar 2.6 nampak bahwa hasil simulasi terhadap parameter kinetika

(20)

suhu 100 oC dan konsentrasi asam 0,3 mol/L. Selain itu, nilai parameter kinetikanya pun juga sesuai dengan kajian teori bila dibandingkan dengan nilai

parameter yang diperoleh untuk variabel yang lain.

2.4. Distilasi Etanol

Distilasi tradisional merupakan distilasi yang sering dilakukan untuk

memisahkan dua atau lebih suatu campuran melalui penguapan pada suhu

tertentu. Distilasi ini dapat digunakan untuk memurnikan campuran yang tidak

memiliki titik azeotrop atau di bawah kadar azeotropnya. Pada titik azeotrop,

komposisi suatu campuran di fase cair akan sama dengan di fase uap, sehingga

melalui penguapan tidak akan terjadi perbedaan komposisinya. Biasanya, distilasi

ini dilakukan satu tahap, namun juga dapat beberapa tahapan supaya dapat

diambil beberapa nilai komponen yang berbeda.

Distilasi dengan tekanan berubah atau pressure swing distillation berbeda

dengan distilasi biasa. Distilasi biasa dilakukan pada tekanan tetap, tetapi pressure

swing-distillation dilakukan pada tekanan yang berbeda. Kondisi distilasi pada

tekanan berbeda dimaksudkan untuk memurnikan suatu campuran dengan kadar

melewati kadar azeotropnya. Distilasi yang dioperasikan dengan beda tekanan

akan membuat komposisi azeotrop suatu campuran tersebut akan berbeda pula,

sehingga komposisi azeotrop akan terlewati ketika tekanannya dibuat beda. Pada

sistem distilasi ini, distilasi dilakukan bertahap menggunakan 2 kolom distilasi

yang beroperasi pada tekanan yang berbeda (Gambar 2.7). Kolom distilasi

pertama memiliki tekanan operasi yang lebih tinggi dari kolom distilasi kedua.

Produk atas kolom pertama tersebut kemudian didistilasi kembali pada kolom

yang bertekanan lebih rendah (kolom kedua).

Distilasi ini digunakan salah satunya untuk mengatasi titik azeotrop

menggunakan proses ektraksi dengan pelarut lain, seperti cyclobenzene dan

ethyleneglycol. Setelah distilasi tahap awal untuk mencapai kadar azeotrop, ke

dalam distilasi kedua dimasukkan pelarut sehingga kadar azeotrop dapat teratasi.

Kemudian, distilasi dilanjutkan dalam kolom ketiga untuk memurnikannya sampai

(21)

Gambar 2.7. Distilasi Menggunakan Pressure Swing-Distillation (Strand, 2001)

Gambar 2.8. Distilasi Menggunakan Extractive Distillation (Strand, 2001)

2.5. State of The Art

Pada sistem distilasi dengan penjerap molekul (Gambar 2.9), salah satu

komponen uap akan dijerap supaya komposisinya berubah, maka titik azeotropnya

terlampaui. Jika kebutuhan adsorbennya memenuhi sampai komposisinya murni,

maka tidak perlu didistilasi. Namun, bila kebutuhan adsorbennya sangat banyak,

pemurnian dapat dilanjutkan menggunakan distilasi lagi.

Model neraca massa untuk distilasi tipe ini dapat dikembangkan menjadi

model tanpa adanya dispersi aksial (model 1) dan dengan adanya dispersi aksial

(22)

Gambar 2.9. Elemen Volum Distilasi dengan Penjerap Molekul

Pada model 1, neraca massa etanol dituliskan seperti berikut ini.

Rin - Rout - Rreaksi = Rakumulasi

G.y(z)– G.y(z+z) + kya (y – y*).S.z + 0 = S.z.b.G. (1)

Penyelesaian persamaan (1) dituliskan sebagai berikut:

(2)

dengan: G = mol etanol/waktu

y = mol H2O/mol etanol

G = mol etanol/volum

Sementara itu, neraca massa H2O dapat dituliskan seperti persamaan (3) dan (4).

(23)

Persamaan kesetimbangan sistem penjerapan air dalam etanol-air yang digunakan

dituliskan seperti persamaan (5).

(5)

Pada distilasi yang mencapai kondisi squasi-steady state, maka persamaan (2)

dapat disederhanakan menjadi persamaan berikut.

(6)

Persamaan (4), (5), dan (6), dapat diselesaikan secara simultan jika tersedia data

komposisi etanol setiap satuan waktu dan persamaan kesetimbangan adsorbsinya.

Kesetimbangan adsorbsi dapat dicari dengan membuat grafik seperti berikut

(Gambar 2.10), sehingga persamaan (5) dapat ditemukan.

Gambar 2.10. Grafik 1/x versus 1/y* pada Kesetimbangan Adsorbsi Etanol-Air (dengan y* = komposisi jenuh uap air di fase uap)

Persamaan diferensial simultan di atas dapat diselesaikan menggunakan

metode curve-fitting. Nilai-nilai parameter yang dipilih adalah yang memberikan

nilai Sum Square of Errors minimum (SSE). Persamaan SSE yang dipakai

dituliskan sebagai persamaan (7) berikut (Sediawan dan Prasetya, 1997).

(7)

Pada model kedua, yaitu model dengan memperhitungkan dispersi aksial, neraca

(24)

Penyelesaian persamaan (8) dituliskan sebagai berikut.

(9)

Sementara itu, neraca massa H2O di gas pada elemen volum seperti pada model

satu, seperti persamaan (3) dan dapat disederhanakan seperti persamaan (4).

dituliskan seperti persamaan (5). Pada distilasi yang mencapai kondisi

squasi-steady state, maka persamaan (9) dapat disederhanakan menjadi persamaan

berikut.

(10)

komposisi etanol setiap satuan waktu dan persamaan kesetimbangan adsorpsinya.

2.6. Gel Silika sebagai Penjerap

Gel silika dibuat secara sintetis dari silika yang dihasilkan melalui

penggumpalan sol natrium silikat (NaSiO2) dan berupa butiran seperti kaca,

namun sangat berpori dengan ukuran pori rata-rata 2,4 nanometer dan memiliki

afinitas yang kuat untuk molekul air. Komposisi SiO2-nya sekitar 97-99 %. Sol

mirip agar–agar ini dapat didehidrasi sehingga berubah menjadi padatan atau

butiran mirip kaca yang bersifat tidak elastis. Sifat ini menjadikan gel silika

dimanfaatkan sebagai zat penjerap, pengering dan penopang katalis.

Gel silika ada yang berwarna putih bening juga ada yang berwarna biru

(Gambar 2.11). Masing-masing memiliki ukuran partikel 1-2, 3-4, 3-8, 5-8, 9-16,

dan 16-30 mesh, pH 6-7, bobot jenis 600–700 g/L. Gel silika yang siap untuk

digunakan berwarna biru, ketika telah menyerap banyak kelembapan, ia akan

(25)

Kedua jenis gel silika ini dapat digunakan sebagai penjerap uap air hasil

distilasi etanol-air, supaya kadar airnya berkurang sehingga komposisi

azeotropnya terlampaui. Jika komposisi azeotrop sudah terlampaui, namun kadar

etanol masih belum mencapai 99%, campuran etanol-air tersebut dapat didistilasi

kembali sampai murni. Kemungkinan munculnya kondisi di atas perlu dipelajari

supaya dapat didesain kolom distilasi untuk aplikasi skala laboratorium secara

efisien.

(26)

BAB III. METODE PENELITIAN

3.1. Bagan Alir Penelitian

Bagan alir penelitian dapat dilihat pada Gambar 3.1 berikut ini.

Gambar 3.1. Bagan Alir Penelitian

3.2. Bahan

Bahan-bahan yang digunakan meliputi bahan baku bioetanol hasil

fermentasi dengan yeast, etanol prima (95,5%) dari PT Madubaru dan gel silika

yang digunakan untuk penjerap. Etanol hasil fermentasi didistilasi awal hingga

mencapai kadar teknisnya (90%) dan digunakan untuk proses pemurnian.

3.3. Cakupan Penelitian 3.3.1. Prosedur Penelitian

Distilasi tradisional dilakukan secara berulang-ulang sampai mendapatkan

kadar etanol mendekati kadar azeotrop. Selanjutnya, pemurnian dilanjutkan

menggunakan distilasi dengan gel silika sebagai penjerap molekul. Setiap periode

(27)

dioptimasi sampai mendapatkan kondisi yang mendekati kondisi optimumnya.

Sampel yang sudah diambil diukur kadar etanolnya.

3.3.2. Analisis hasil

Analisis konsentrasi etanol dalam sampel dilakukan menggunakan

hubungan densitas dengan kadar etanol dan dilakukan di laboratorium Teknik

Kimia Unnes, juga Gas Chromatography (GC) di laboratorium Analisis dan

Instrumen UGM.

3.3.3. Luaran Penelitian

1. Buku Ajar Ber-ISBN dengan judul Bioetanol Generasi Kedua.

2. Artikel publikasi pada jurnal internasional bereputasi tentang bioetanol dari

beberapa material berbasis lignoselulosa.

(28)

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Rancang bangun alat molecular sieve adsorption-distillation scala

laboratorium sudah disusun dan dicoba untuk memurnikan etanol. Alat tersebut

dapat disajikan seperti Gambar 4.1. Adapun bagian-bagian alat yang sangat

penting terdiri dari reaktor kaca sebagai wadah untuk mendidihkan etanol pada

kondisi atmosferis. Setelah reaktor kaca, uap yang terbentuk dari hasil

pendidihkan dialirkan melalui kolom adsorber, dilanjutkan ke kondenser untuk

diembunkan. Dalam kolom adsorben, uap air akan terjerap sehingga kadar etanol

akan meningkat. Desain ini samadengan yang dirancang oleh Setiyorini dan

Patricia (2014), namun sedikit berbeda dengan yang dirancang oleh Aufar dkk.

(2011) dan Novitasari dkk. (2011). Kedua peneliti ini menambahkan pemanas

pada kolom sebelum uap melewati kolom adsorber. Menurut kedua peneliti

tersebut, bila proses pemanasan untuk mendidihkan campuran etanol-air kurang,

maka akan ada uap yang mengembun sebelum melewati kolom adsorber karena

gaya drag uap dengan partikel padatan adsorber.

Gambar 4.1. Rancang-bangun Molecular Sieve Adsorption-Distillation untuk Memurnikan Etanol

Pada penelitian ini, etanol yang akan dimurnikan berasal dari hasil distilasi

bertingkat (6 tingkat) larutan hasil fermentasi hidrolisat bagas tebu. Tingkat

(29)

Gambar 4.2., yaitu grafik hasil analisis kadar etanol menggunakan Gas

Chromathography. Pada gambar kromatogram tersebut hanya terdapat satu kurva,

yang menandakan hanya ada satu senyawa kimia hasil fermentasi. Kadar etanol

hasil distilasi berkisar 90%. Hasil distilasi ini berkesesuaian dengan pustaka

(Pramushinta dkk., 2013) yang menggunakan bahan baku kulit nanas menjadi

etanol. Adapun kadar etanol hasil distilasi pada tingkat 1 sampai 7 berturut-turut

sebesar 25, 41, 68, 74, 84, 94, dan 95%.

Gambar 4.2. Kromatogram Etanol Hasil Distilasi Larutan Fermentasi (Kadar Etanol 90%)

Etanol hasil fermentasi ini dapat diproses lebih lanjut untuk ditingkatkan

kadarnya. Salah satu cara yang dapat digunakan adalah molecular-sieve

adsorption distillation. Cara ini merupakan modifikasi dari distilasi biasa. Uap

campuran etanol-air tidak langsung diembunkan, namun dilewatkan kolom

adsorber terlebih dahulu untuk menjerap komponen airnya sehingga kadar

etanolnya meningkat. Hasil peningkatan kadar etanol setiap satu satuan waktu

disajikan pada Gambar 4.3. sampai 4.6., masing-masing pada 5, 45, dan 55 menit.

Setelah distilasi mencapai 55 menit, kadar etanol meningkat dari 90 menjadi 96%,

yang berarti meningkat sebesar 6%. Peningkatan kadar etanol yang diperoleh dari

penelitian ini relatif lebih baik daripada penelitian lain (Aufar dkk. (2011),

Pramushinta dkk., 2013 dan Setiyorini dan Patricia, 2014). Aufar dkk. (2011)

melakukan pemurnian etanol meggunakan zaolit alam dan CaO pada sebanyak

(30)

masing-masing untuk zeolit alam dan CaO. Pramushinta dkk. melakukan distilasi

dilanjutkan adsorpsi menggunakan zeolit sebagai adsorben dan peningkatan kadar

etanolnya hanya 4,8%. Sementara itu, Setyorini dan Patricia menggunakan zeolit

dan gel silika dengan peningkatan kadar etanol untuk masing-masing adsorben

sebesar 3,09 dan 2,10%. Adapun kadar etanol yang diperoleh selama distilasi pada

penelitian dapat dilihat pada Tabel 4.1. dan Gambar 4.6.

Gambar 4.3. Kromatogram Etanol Hasil Distilasi Menggunakan Molecular Sieve Adsorption-Distillation selama 5 menit (Kadar Etanol 92,348%)

Gambar 4.4. Kromatogram Etanol Hasil Distilasi Menggunakan Molecular Sieve Adsorption-Distillation selama 45 menit (Kadar Etanol 95,662%)

(31)

Tabel 4.1. Kadar Etanol Hasil Pemurnian Menggunakan Metode Molecular Sieve Distillation-Adsorption

Waktu (menit) Kadar Etanol (%)

5 92,348

10 93,570

15 94,408

20 94,585

25 94,594

30 94,892

35 94,895

40 95,498

45 95,662

50 96,114

Gambar 4.6. Pengaruh Waktu terhadap Kadar Etanol Hasil Pemurnian (Aufar dkk. (2011)-1 untuk zeolit dan Aufar dkk. (2011)-2 untuk CaO)

Pada Gambar 4.6. terlihat bahwa pada waktu 15 menit kadar etanol

meningkat tajam, kemudian cenderung stabil dan meningkat kembali pada waktu

45 menit. Sementara itu, pada gambar tersebut terlihat pula bahwa pada waktu 10

menit kadar etanol meningkat kemudian turun menggunakan zeolit dan CaO

(Aufar dkk., 2011). Jadi, hasil dari penelitian ini tidak menyimpang jauh

(32)

yang diperlukan untuk pemurnian etanol menggunakan adsorber zeolit alam dan

zeolit 4A sekitar 50 menit (Gambar 4.7.).

Gambar 4.7. Pengaruh Waktu terhadap Kadar Etanol Hasil Pemurnian Menggunakan Molecular Sieve Adsorption-Distillation

Hasil perhitungan parameter-parameter desain untuk proses molecular sieve

adsorption-distillation, yaitu perpindahan massa atau kecepatan transfer massa

volumetrik (kc.a) dan kesetimbangan sistem air-etanol dalam adsorben atau

konstanta Henry (He) disajikan berupa profil peningkatan kadar etanol sepanjang

kolom selama proses pemurnian terjadi (Tabel 4.2.). Melalui metode kurve-fitting

antara trial-error kedua parameter di atas sehingga menghasil data hitung

dibandingkan dengan data percobaan diperoleh bahwa nilai-nilai parameter

tersebut adalah 0,9 1/detik dan 0,93, masing-masing untuk kecepatan transfer

massa volumetris dan konstanta Henry. Adapun perbandingan antara data

percobaan dan hasil perhitungan dapat dilihat pada Gambar 4.8. Sementara itu,

profil kadar etanol keluar kolom adsorber selama proses pemurnian disajikan pada

Gambar 4.9. Melalui Gambar 4.9. terlihat bahwa peningkatan kadar etanol

sepanjang kolom terlihat sangat tajam. Hal ini menandakan bahwa gel silika dapat

menjerap uap air sangat efektif sehingga kadar etanolnya meningkat. Bila kadar

awal etanol yang digunakan mendekati 95%, maka kadar melebihi azeotrop akan

dengan mudah tercapai melalui alat yang sudah dirancang dan dibangun serta

sudah digunakan ini. Penelitian ke depan, kadar etanol yang digunakan akan lebih

(33)

Tabel 4.2. Profil Kadar Etanol Sepanjang Kolom selama Proses Pemurnian Jarak

(cm) Waktu (menit)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 90 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0,47 90 91,48 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0,94 90 91,55 92,68 0 0 0 0 0 0 0 0

1,41 90 91,55 92,76 93,62 0 0 0 0 0 0 0

1,88 90 91,55 92,76 93,7 94,36 0 0 0 0 0 0

2,35 90 91,55 92,76 93,7 94,43 94,92 0 0 0 0 0

2,82 90 91,55 92,76 93,7 94,43 95 95,37 0 0 0 0

3,29 90 91,55 92,76 93,7 94,43 95 95,45 95,71 0 0 0 3,76 90 91,55 92,76 93,7 94,43 95 95,45 95,79 95,98 0 0 4,23 90 91,55 92,76 93,7 94,43 95 95,45 95,79 96,06 96,19 0

4,7 90 91,55 92,76 93,7 94,43 95 95,45 95,79 96,06 96,27 96,35

Gambar 4.8. Perbandingan antara Data dan Hasil Perhitungan (Kadar etanol awal 90%)

(34)

Keberhasilan proses pemurnian etanol melebihi kadar azeotrop seperti yang

sudah ditunjukkan dari penelitian ini akan dapat diterapkan di industri, khususnya

industri etanol PT Madubaru-Yogyakarta. Penerapan secara konkrit tentunya

memerlukan pengamatan di lapangan tentang kolom distilasi yang selama ini

digunakan di lapangan dan data kadar etanol yang dihasilkan. Adapun bentuk

kolom distilasinya dapat dilihat pada Gambar 4.10. dan informasi terhadap kadar

etanol dapat diceritakan sebagai berikut. Kadar etanol yang dihasilkan terdiri dari

etanol teknis dan prima, masing-masing berbeda poada kadarnya, yaitu 95 dan

96%. Kedua kadar etanol ini dapat ditingkatkan melebihi titik azeotrop

menggunakan metode molecular sieve adsorption-distillation, seperti yang sudah

dilakukan pada penelitian ini.

Gambar 4.10. Kolom distilasi di PT Madubaru

Hasil simulasi menggunakan data yang diperoleh dari penelitian ini jika

akan diterapkan untuk sistem pemurnian etanol di PT Madubaru dapat dijelaskan

melalui Gambar 4.11. Pada gambar tersebut nampak bahwa kadar etanol akan

meningkat tajam sampai pada 25 menit (> 97,5%), selanjutkan menunjukkan

kecenderungan terus naik sampai pada 45 menit. Profil peningkatan kadar etanol

(35)

etanol-air menggunakan molecular sieve adsorption-distillation dapat diterapkan

di PT Madubaru.

Gambar 4.11. Perkiraan Peningkatan Kadar Etanol selama Pemurnian di PT Madubaru (Kadar etanol awal 96%)

(36)

KESIMPULAN DAN SARAN

KSEIMPULAN

Kesimpulan dari hasil penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Kadar etanol dapat ditingkatkan menggunakan metode molecular sieve

adsoption-distillation yang sudah dirancang dan dibuat untuk skala

laboratorium.

2. Gel silika memiliki kemampuan menjerap air yang baik untuk meningkatkan

kadar etanol, sehingga hasilnya akan lebih murni (dapat melebihi kadar

azeotropnya).

3. Nilai parameter perpindahan massa volumetris sistem etanol-air dalam gel

silika sebesar 0,9 1/detik dan konstanta Henrynya sebesar 0,93.

4. Metode molecular sieve adsorption-distillation di PT Madubaru

menggunakan gel silika dapat diterapkan di PT Madubaru dan kadar etanol

yang dapat dicapai sebesar 97,5%.

SARAN

Beberapa saran yang dapat diterapkan untuk meningkatkan hasil penelitian yang

akan datang di antaranya adalah sebagai berikut:

1. Jenis gel silika lain dapat digunakan sebagai adsorben sehingga nilai

parameter perpindahan massa volumetrisnya dapat diketahui.

2. Jenis adsorben berbasis bioadsorben dapat dicoba sebagai usaha

mengoptimalkan pembuatan energi hijau.

3. Rancang bangun alat molecular sieve adsorption-distillation dilengkapi

(37)

DAFTAR PUSTAKA

Aufar, Mizanul, I., dan Kusumastuti, D, 2011, “Etanol Fuel dengan Metode Adsorpsi dalam Kolom Unggun Tetap Menggunakan Adsorben CaO-Xeolit Granular”, Laporan Penelitian, Surakarta, UNS.

Bastidas, P. A., Gil, I. D., dan Rodríguez, G., 2010, Comparison of the main ethanol dehydration technologies through process simulation, 20th European Symposium on Computer Aided Process Engineering.

Bowen, E., Kennedy, S. C., dan Miranda, K, 2010, Ethanol from Sugar Beets: A Process and Economic Analysis, A Major Qualifying of WORCESTER POLYTECHNIC INSTITUTE.

BP Migas, 2009, dalam web www.bpmigas.go.id, diakses tanggal 01 Juli 2009. Chandel, A. K., Antunes, F. A. F., Arruda, P., Milessi, T. S. S., Silva, S. S., dan

Almeida-Felipe, M. G., 2012, Dilute Acid Hydrolysisn of Agro-Residues for the Depolymerization of Hemicellulose: State-of-the-Art, dalam D-Xylitol (Fermentative Production, Application and Commerciallization), Sila, S. S. dan Chandel, A. K., Springer, Chapter 2 (37).

Chen, W. C. Dan Sheng, C. T., 2013, Designing and Constructing an Optimization Operating Model for a Bioethanol Production System, Life Science Journal, 10 (2).

Damayanti, A. dan Megawati, 2011, “Pengaruh suhu terhadap kecepatan reaksi pada reaksi hidrolisis lignoselulosa dari tongkol jagung dengan asam encer pada kondisi non-isotermal”, Jurnal Kompetensi Teknik, 2, 2, 89-94.

Datta, R. 1981. “Energi Requirements for Lignocellulose Pretreatment Processes”, Process Biochem, 16-19, 42.

Demirbas, A. 2005, Bioethanol for Cellulosic Materials: A Renewable Motor Fuel from Biomass”. Energy Sour., 27, 327-337.

Demirbas, A., 2008, “Products from Lignocellulosic Materials via Degrdation Precesses”, Energy Sour., 30, 27–37.

Ditjen Migas, 2012, “Statistik Minyak dan Gas Bumi Indonesia”, dalam web:

http://esdm.go.id diakses tanggal 23 Mei 2012.

Gil, I. D., Uyazán, A. M., Aguilar, J. L., Rodríguez, G., dan Caicedo, L. A., 2008, Separation of Ethanol and Water by Extractive Distillation with Salt and Solvent as Entrainer: Process Simulation, Brazilian Journal of Chemical Engineering, 25 (1), pp. 207 – 215.

Govindaswamy, S., Vane, L.M., 2010, “Multi-stage Continuous Culture Fermentation of Glucose-Xylose Mixtures to Fuel Ethanol using Genetically Engineered Saccharomyces cerevisiae 424S”, Bioresour. Technol., 101, 1277–1284.

Hlaing, S. S., 2007, Anhydrous Ethanol Production, 4thbiomass-Asia Workshop. Karimi, K., Kheradmandinia, S., Taherzadeh, M. J., 2006, “Conversion of rice

straw to sugars by dilute-acid hydrolysis”, Biomass Bioenergy, 30, 247–253.

(38)

Kompas, 17 Maret 2015, Energi Alternatif-Aksi Nyata Segera.

Kompas, 18 Maret 2015, Pertamina Dukung Biodiesel-Produsen Minyak Sawit Siap Memasok.

Megawati, 2007, “Etanol dari lignoselulosa: Reaksi hidrolisis dan fermentasi”, Jurnal Profesional, 1, 5, 609-622.

Megawati, 2011, Kinetika Hidrolisis Lignoselulosa dengan Asam Sulfat Encer Dalam Rangka Produksi Etanol, Disertasi, Universitas Gadjah Mada.

Megawati, 2015, Bioetanol Generasi Kedua, Graha Ilmu.

Megawati, Sediawan, W. B., Sulistyo, H., dan Hidayat, M., 2008, “Kinetika reaksi hidrolisis lignoselulosa dengan asam encer”, Prosiding Pengembangan teknologi kimia untuk pengolahan sumber daya alam indonesia, UPN-Yogyakarta.

Megawati, Sediawan, W. B., Sulistyo, H., dan Hidayat, M., 2009, “Kinetics of dilute-acid hydrolysis of lignocellulosic substance from municipal organic waste at non-isothermal condition”, Prosiding Chemical Engineering Seminar Soebardjo Brotohardjono VI "Waste Based Energy and Chemicals”, UPN-Surabaya.

Megawati, Sediawan, W. B., Sulistyo, H., dan Hidayat, M., 2009, “Kinetika reaksi hidrolisis ranting kering dengan asam encer pada kondisi non-isotermis”, Jurnal Reaktor, Undip, 12, 4, 211–217.

Megawati, Sediawan, W. B., Sulistyo, H., dan Hidayat, M., 2010, “Pseudo -homogeneous kinetic of dilute-acid hydrolysis of rice husk for ethanol production”, International Journal of Engineering and Applied Science, 6, 1, 64–69, Waset.

Megawati, Sediawan, W. B., Sulistyo, H., dan Hidayat, M., 2011, “Kinetic of sequential reaction of hydrolysis and sugar degradation of rice husk in ethanol production: effect of catalyst concentration”, Bioresour. Technol., 102, 2, 2062-2067, Elsevier.

Novitasari, D., Kusumaningrum, D., dan Kusworo, T. D., 2011, Pemurnian Bioetanol Menggunakan Proses Adsorpsi dan Distilasi Adsorpsi dengan Adsorbent Zeolit”, Jurnal Teknologi Kimia dan Industri, Semarang, Undip. Pramushinta, D., Amraini, S. Z., dan Chairul, 2013, “Pemurnian Bioetanol Hasil

Fermentasi Kulit Nanas Menggunakan Proses Distilasi-Adsorpsi pada Variasi Jenis Perlakukan dan Ukuran Pori Adsorben”, Laporan Penelitian, Riau, Universitas Riau.

Sediawan, W. B. dan Megawati, 2013, “Monte Carlo simulation to study non-isothermal acid hydrolysis of lignocellulosic rnaterial in ethanol production”, Inter. J. Chem. Environ. Bio. Sci., 1, 3, 507-511.

Sediawan, W. B., Megawati, Millati, R., and Syamsiah, S., 2007, “Hydrolysis of Lignocellulosic Waste for Ethanol Production”, International Biofuel Conference, Bali

Sediawan, W. B. dan Prasetya, A, 1997, Pemodelan dalam Teknik Kimia, Andi Offset.

(39)

Strand, G., 2001, Activated Carbon for Purification of Alcohol and Some Useful Distillation Tips, ebook, Gert Stand, Malmoe, Sweden.

(40)

(41)

LAMPIRAN 1

(42)

INSTRUMEN PENELITIAN

PENELITIAN UNGGULAN PERGURUAN TINGGI

PEMURNIAN BIOETANOL DARI BAGAS TEBU

MENGGUNAKAN

MOLECULAR SIEVES ADSORPTION-DISTILLATION

Oleh :

Dr. Megawati, S.T., M.T. NIDN. 0006117203 Drs. Said Sunardiyo, M.T. NIDN. 0012056509 Astrilia Damayanti S.T., M.T. NIDN. 0008097306

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

MARET 2015

(43)

Instrumen Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 1

PEMURNIAN BIOETANOL DARI BAGAS TEBU

MENGGUNAKAN

MOLECULAR SIEVES ADSORPTION-DISTILLATION

Permasalahan

1. Bagaimanakah desain alat untuk distilasi etanol dengan penjerap molekul skala

laboratorium yang dapat digunakan untuk mencari parameter-parameter

prosesnya, sehingga dapat dirancang untuk skala pilot plant.

2. Bagaimanakah pengaruh variabel proses, yaitu jenis bahan penjerap (gel silika

dan karbon aktif), ukuran pori, dan waktu terhadap konsentrasi etanol yang

dihasilkan.

3. Berapakah nilai koefisien perpindahan massa uap air dalam sistem etanol-air

pada proses distilasi etanol dengan penjerap molekul.

4. Bagaimanakah persamaan kesetimbangan penjerapan uap air pada sistem

distilasi etanol dengan penjerap molekul.

5. Bagaimana kondisi di lapangan tentang distilasi etanol yang sudah diterapkan

di PT Madubaru untuk mendapatkan etanol sampai kadar azeotropnya.

6. Bagaimanakah langkah-langkah tepat membangun instalasi tambahan untuk

memurnikan etanol sampai kadar di atas azeotropnya menggunakan distilasi

dengan penjerap molekul di PT Madubaru.

Tujuan

1. Rancang bangun alat distilasi dengan penjerap molekul skala laboratorium.

2. Melakukan optimasi kondisi proses, yaitu jenis bahan penjerap (gel silika dan

karbon aktif), ukuran pori, dan waktu pada distilasi etanol dengan penjerap

molekul sampai kadarnya melampaui azeotropnya.

3. Mencari koefisien transfer massa dan persamaan kesetimbangan adsorpsi yang

sesuai untuk distilasi etanol dengan penjerap molekul menggunakan gel silika

dan karbon aktif.

4. Melakukan analisis eksploartif dan deskriptif tentang distilasi etanol di PT

Madubaru dalam rangka menyusun langkah-langkah tepat untuk melakukan

proses pemurnian lanjut sampai kadar di atas etanol teknis yang sudah

(44)

Urgensi Penelitian

Penelitian ini akan menghasilkan alat distilasi dengan penjerap molekul

skala laboratorium dan diaplikasikan untuk melakukan pemurnian etanol dari hasil

fermentasi hidrolisat bagas tebu sampai mencapai kadar etanol di atas kadar

teknisnya (95%). Jadi, hasil penelitian ini akan memberikan jawaban nyata bahwa

biomassa lignoselulosa dapat dikonversi menjadi etanol, yang dapat dimanfaatkan

untuk bahan bakar kendaraan bermotor. Target dari penelitian ini adalah untuk

membuat etanol memiliki tingkat kemurnian di atas kadar azeotrop menggunakan

cara distilasi dengan penjerap molekul.

Melalui alat yang dibuat ini, nilai-nilai parameter distilasi bioetanol dengan

penjerap molekul, seperti koefisien perpindahan massa serta persamaan

kesetimbangan dapat ditemukan. Hal ini penting untuk perhitungan desain

perancangan sistem pemurnian etanol hingga mencapai kadar kemurnian tinggi

untuk skala industri. Selain itu, hubungan antara variasi bahan penjerap dan

ukuran pori terhadap kenaikan konsentrasi etanol hasil distilasi dapat diketahui,

sehingga dapat dipilih bahan penjerap yang lebih menguntungkan. Berarti, hasil

penelitian ini dapat diaplikasikan untuk industri etanol yang masih menghasilkan

etanol teknik (95%), seperti Bekonang dan Madubaru-Yogyakarta. Jadi, bagi ilmu

pengetahuan dan teknologi, penelitian ini akan memberikan manfaat untuk

(45)

kompoenen uap akan dijerap supaya komposisinya berubah, maka titik

azeotropnya terlampaui. Jika kebutuhan adsorbennya memenuhi sampai

komposisinya murni, maka tidak perlu didistilasi. Namun, bila kebutuhan

adsorbennya sangat banyak, pemurnian dapat dilanjutkan menggunakan distilasi

lagi.

Gambar 1. Elemen Volum Distilasi dengan Penjerap Molekul

Model neraca massa untuk distilasi tipe ini dapat dikembangkan menjadi

model tanpa adanya dispersi aksial (model satu) dan dengan adanya dispersi aksial

(model 2). Pada model satu, neraca massa etanol dituliskan seperti berikut ini.

Rin - Rout - Rreaksi = Rakumulasi

G.y(z)– G.y(z+z) + kya (y – y*).S.z + 0 = S.z.b.G. (1)

(2)

dengan: G = mol etanol/waktu

(46)

Sementara itu, neraca massa H2O dapat dituliskan seperti persamaan (3) dan (4).

kya (y – y*).S.z – 0 = S.z.b.G. (3)

(4)

dengan: b = g adsorber/volum bed

x = konsentrasi etanol

dituliskan seperti persamaan (5).

(5)

Pada distilasi yang mencapai kondisi squasi-steady state, maka persamaan (2)

dapat disederhanakan menjadi persamaan berikut.

(6)

komposisi etanol setiap satuan waktu dan persamaan kesetimbangan adsorbsinya.

Kesetimbangan adsorbsi dapat dicari dengan membuat grafik seperti berikut

(Gambar 2), sehingga persamaan (5) dapat ditemukan.

Gambar 2. Grafik 1/x versus 1/y* pada Kesetimbangan Adsorbsi Etanol-Air (dengan y* = komposisi jenuh uap air di fase uap)

Persamaan diferensial simultan di atas dapat diselesaikan menggunakan

metode curve-fitting. Nilai-nilai parameter yang dipilih adalah yang memberikan

nilai Sum Square of Errors minimum (SSE). Persamaan SSE yang dipakai

dituliskan sebagai persamaan (7) berikut (Sediawan dan Prasetya, 1997).

(47)

Pada model kedua, yaitu model dengan memperhitungkan dispersi aksial, neraca

massa etanol dapat disusun sebagai persamaan (8) berikut.

(G.y(z)– Dax.S. – (G.y(z+z) - Dax.S. + kya (y – y*).S.z) + 0

= S.z.b.G. (8)

(9)

Sementara itu, neraca massa H2O di gas pada elemen volum seperti pada model

satu, seperti persamaan (3) dan dapat disederhanakan seperti persamaan (4).

dituliskan seperti persamaan (5). Pada distilasi yang mencapai kondisi

squasi-steady state, maka persamaan (9) dapat disederhanakan menjadi persamaan

berikut.

(10)

(48)

BAB III. METODE PENELITIAN

Bahan

Bahan-bahan yang digunakan meliputi bahan baku bioetanol hasil

fermentasi dengan yeast dan bahan-bahan kimia yang digunakan untuk penjerap

(karbon aktif dan gel silika). Beberapa jenis karbon aktif dan gel silika gel di

pasaran akan dicoba untuk menemukan formula mekanisme penjerap yang sesuai

dengan mekanisme sebenarnya dan untuk memudahkan aplikasi di lapangan.

Cakupan Penelitian

Penelitian dilakukan dalam empat tahap, yaitu studi pustaka (untuk

merancang alat distilasi dengan penjerap molekul skala laboratorium dan

memesannya), kegiatan di laboratorium, kegiatan menggunakan perangkat

komputer, dan survei ke PT Madubaru sebagai tahapan analisis eksploratif dan

deskriptif di lapangan. Kegiatan di laboratorium meliputi dua tahap, yaitu distilasi

tradisional dan distilasi dengan penjerap molekul. Distilasi tradisional bertujuan

untuk meningkatkan konsentrasi bioetanol hasil fermentasi sedikit di bawah titik

azeotropnya, sedangkan distilasi dengan penjerap untuk meningkatkan kadar

etanol melampaui titik azeotropnya.

Berdasarkan data konsentrasi konsentrasi etanol hasil distilasi kedua

(distilasi dengan penjerap molekul) pada variasi kondisi, diusulkan model

matematika yang diharapkan dapat menjelaskan hubungan antara nilai

masing-masing variabel dengan konsentrasi etanol dan nilai-nilai optimumnya dan

mencari parameter perpindahan massa dan persamaan kesetimbangan. Persamaan

matematika untuk mendapatkan nilai parameter tersebut merupakan persamaan

diferensial simultan, yang memerlukan bahasa program, yaitu secara analitis

menggunakan MATLAB atau secara numerik menggunakan EXCEL.

Variabel Penelitian

Variabel penelitian hanya untuk distilasi dengan penjerap molekul, yaitu

(49)

Alat Percobaan

Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini adalah seperangkat alat untuk

distilasi tradisional dan dengan penjerap molekul di Laboratorium Teknik Kimia

Terpadu, Unnes serta peralatan untuk pengujian hasil. Peralatan distilasi dengan

penjerap molekul dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Distilasi dengan Penjerap Molekul

Prosedur Penelitian

Distilasi tradisional dilakukan secara berulang-ulang sampai mendapatkan

kadar etanol 95% (mendekati kadar azeotrop). Selanjutnya, pemurnian dilanjutkan

menggunakan distilasi dengan penjerap molekul pada variasi jenis adsorben dan

ukuran pori. Setiap periode waktu tertentu, kadar etanol diikur. Periode waktu

pengambilan sampel akan dioptimasi sampai mendapatkan kondisi yang

mendekati kondisi optimumnya. Sampel yang sudah diambil diukur kadar

etanolnya. Kondisi kesetimbangan sistem penjerapan air dicari dengan melakukan

distilasi dengan penjerap molekul pada variasi konsentrasi etanol sampai kadar

uap jenuhnya, yaitu komposisi uap tidak berubah lagi terhadap waktu.

Analisis hasil

Analisis konsentrasi etanol dalam sampel dilakukan menggunakan

hubungan densitas dengan kadar etanol dan dilakukan di laboratorium Teknik

Kimia Unnes, juga Gas Chromatography (GC). Alternatif lainnya, analisis etanol

(50)

Luaran Penelitian

1. Artikel publikasi pada seminar internasional dengan topik pemodelan

molecular sieves adsorption-distillation etanol dari bagas tebu menggunakan

adsorben gel silika.

2. Artikel publikasi pada seminar internasional dengan topik pemodelan

molecular sieves adsorption-distillation etanol dari bagas tebu menggunakan

adsorben karbon aktif.

3. Rintisan kerjasama riset dengan PT Madubaru tentang pemurnian etanol.

Organisasi Tim

Tabel 1. Organisasi Tim Penelitian

No. Nama / NIDN Instansi Bidang

•merancang pelaksanaan •mengambil dan

mengolah data •membuat laporan dan

(51)

Anggaran Biaya

Tabel 2. Anggaran Biaya Penelitian

NO Jenis Pengeluaran Biaya yang Diusulkan

1 Honor Tim Peneliti 8.012.000

2 Peralatan Penunjang 2.750.000

3 Bahan Habis Pakai 8.250.000

4 Perjalanan 4.240.000

5 Lain-lain 4.248.000

Jumlah 27.500.000

Jadwal Pelaksanaan

Tabel 3. Jadwal Pelaksanaan

No. Kegiatan Bulan

1 2 3 4 5 6 7

1. Penelusuran pustaka 2. Persiapan bahan

3. Distilasi tradisional

4. Distilasi dengan penjerap molekul

5. Optimasi

(52)

LAMPIRAN 2

PERSONALIA TIM PENELITI

No. Nama / NIDN Instansi Bidang Ilmu

Alokasi Waktu

Uraian Tugas

1 Dr.Megawati, S.T.,

M.T./0006117203

Unnes Teknik Kimia

20 (jam/minggu)

• mengkoordinir

• merancang pelaksanaan

• mengambil dan mengolah data

• membuat laporan dan artikel

3 Drs. Said

Sunardiyo, M.T /0012056509

Unnes Teknik Elektro

10 (jam/minggu)

• melakukan analisis eksploratif dan deskriptif di PT Madubaru

• Merancang program perhitungan

• Melakukan analisis aplikasi lanjut untuk PT Madubaru

2 Astrilia D, S.T.,

M.T./0008097306

Unnes Teknik Kimia

10 (jam/minggu)

•melaksanakan detoksifkasi

•melakukan optimasi

(53)

LAMPIRAN 3

(54)

(55)

(56)

(57)

(58)

(59)

PEMURNIAN BIOETANOL DARI BAGAS TEBU MENGGUNAKAN MOLECULAR SIEVES ADSORPTION-DISTILLATION.

LAPORAN AKHIR

PENELITIAN UNGGULAN PERGURUAN TINGGI

PEMURNIAN BIOETANOL DARI BAGAS TEBU

MENGGUNAKAN

MOLECULAR SIEVES ADSORPTION-DISTILLATION

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

NOVEMBER 2015

RINGKASAN

PRAKATA

LAMPIRAN 1

INSTRUMEN PENELITIAN

PENELITIAN UNGGULAN PERGURUAN TINGGI

PEMURNIAN BIOETANOL DARI BAGAS TEBU

MENGGUNAKAN

MOLECULAR SIEVES ADSORPTION-DISTILLATION

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

MARET 2015

PEMURNIAN BIOETANOL DARI BAGAS TEBU

MENGGUNAKAN

MOLECULAR SIEVES ADSORPTION-DISTILLATION

LAMPIRAN 2

PERSONALIA TIM PENELITI

LAMPIRAN 3

LAMPIRAN 4