BAB III
PROSES PRODUKSI
III.1. Bahan Baku ( Raw Material ) III.1.1. Molasses
Bahan baku utama yang digunakan untuk pembuatan bioetanol di PT. Energi Agro Nusantara adalah tetes tebu (molasses). Molasses tersebut merupakan hasil samping produk gula dari pabrik gula yang dimiliki PT. Perkebunan Nusantara X (PTPN X), salah satunya adalah Pabrik Gula Gempolkrep yang lokasinya bersebelahan dengan PT. Energi Agro Nusantara. Setiap ada proses unloading (masuknya barang dari luar pabrik) akan selalu ditangani oleh bagian warehouse termasuk pengecekan kualitas molasses. Kualitas molasses harus dijaga sesuai standar sehingga sebelum dimasukkan kedalam tangka penyimpanan (storage) harus dilakukan beberapa Analisa laboratorium diantaranya :
1. Analisa pH, pH molasses memiliki range 3,5-4,5 karena disesuaikan dengan kondisi optimum yang dibutuhkan yeast.
2. Analisa Brix, merupakan cara tercepat untuk mengetahui seberapa banyak total sugar dalam molasses yang menyatakan total padatan terlarut. Standar kadar minimal brix dalam molasses yaitu 80. Semakin tinggi nilai brix nya maka semakin banyak kandungan padatan atau total sugar dalam molasses tersebut.
3. Analisa Total Sugar (TS), kadar TS minimal yaitu 50%. Semakin tinggi kadar TS nya maka semakin banyak kandungan gula yang terdapat dalam molasses. Untuk itu, metode yang digunakan hamper sama seperti titrasi. 4. Analisa Fermentable Sugar, yaitu Analisa untuk mengetahui kadar gula
Semakin tinggi kadar fermentable sugar menunjukkan bahwa kandungan gula monosakarida yang dapat terfermentasi semakin banyak.
5. Analisa Acidity, dilihat dari kandungan asam asetat dalam molasses.
6. Analisa Spesific Gravity, molasses yang awalnya diangkut menggunakan truk pengangkut tetes tebu dari pabrik gula kemudian dipindahkan ke dalam tangka storage (Tangki 3). Apabila akan dipersiapkan untuk proses dilusi, molasses ditransfer menuju Molasses Service Tank (MST), untuk dilakukan proses dilusi (Proses pengenceran dengan SPW).
Setiap ada penambahan molasses ke dalam Tangki 3 maupun MST selalu dilakukan analisa untuk menjaga kualitas molasses. Molasses dipilih karena merupakan produk samping yang tidak digunakan dan juga bukan merupakan bahan makanan ataupun bahan bakar sehingga tidak terdapat kompetitor. Selain itu, molasses merupakan bahan mentah yang mudah diperoleh dan harganya tidak mahal. Molasses juga tidak membutuhkan hidrolisa (seperti pada pati) dan mengandung sekitar 60% sukrosa dan 40% komponen lain (garam anorganik, asam organik, komponen yang mengandung nitrogen, raffinose, kestose).
III.1.2. Yeast
Yeast yang digunakan pada proses pembuatan bioetanol yaitu Saccharomyces cereviseae (Yeast B18 J-Alco) yang diperoleh dari Jepang berupa ampule dengan kondisi optimum pada pH 4-5 dan suhu optimum 28-32˚C. Karena diterima dalam bentuk ampule, maka yeast harus dipropagasi terlebih dahulu sebelum digunakan dalam proses fermentasi. Propagasi sendiri adalah sebuah tahap pembiakan yeast sebelum digunakan proses fermentasi. Yeast ini dapat digunakan hingga ±10 kali fermentasi. Penggunaan Saccharomyces cerevisiae dalam produksi etanol secara fermentasi telah banyak dikembangkan di beberapa negara, seperti Brasil, Afrika Selatan, dan Amerika Serikat. Hal ini disebabkan karena Saccharomyces cerevisiae dapat memproduksi etanol dalam jumlah besar dan mempunyai toleransi terhadap alkohol yang tinggi.
harus disterilisasi terlebih dahulu. Dalam satu ampule dapat menghasilkan lima sample yang dibiakkan pada petridist. Satu petridist dikembangbiakan lagi pada media testtube sebanyak 50 buah. Yeast kemudian disimpan dalam lemari pendingin pada suhu ±5oC untuk membuat bakteri berhibernasi sebelum digunakan. Masa berlaku yeast selama hibernasi adalah 6 bulan, lebih dari itu yeast tidak dapat digunakan.
Setelah proses propagasi skala laboratorium, maka langkah selanjutnya adalah melakukan proses propagasi skala industri. Dimana satu test tube, dimasukkan ke dalam empat erlenmeyer yang masing – masing berisi media cair 20 ml. Kemudian dilakukan proses inkubasi dengan stirrer (12 – 48 jam), selanjutnya koloni yeast diinkubasi selama 24 – 48 jam pada YEPD (Yeast Extract Peptone Dextrose) medium 2L pada fermentor 5L. Kemudian dilakukan propagasi yeast dalam propagation tank dengan kapasitas 29 kL. Untuk 1 buah tangki propagasi dibutuhkan 4 x 2L yeast (8L yeast) yang telah berada dalam fermentor 5L Setelah proses stirrer selesai, maka yeast siap ditransfer menuju tangki propagasi dengan kapasitas 290 kL.
III.1.3 Sterilized Process Water (SPW)
Sterilized Process Water (SPW) merupakan Process Water (PW) yang ditambahkan bahan aditif berupa sodium hipoklorit. SPW digunakan pada proses pengenceran molasses. Penambahan sodium hipoklorit berfungsi sebagai desinfektan sebelum air proses ditambahkan ke dalam fermenter. Sebelumnya, air proses yang digunakan disuplai dari unit utilitas. Untuk menjaga kualitas sterilized process water maka diperlukan beberapa analisa diantaranya :
1. Analisa pH, standar pH yang diinginkan yaitu 7-8. Hal ini karena penambahan hipoklorit yang bersifat basa akan menaikkan nilai pH.
III.1.4 Amonium Sulfat (AS)
Amonium sulfat merupakan sumber nitrogen dan sulfur bagi yeast selama proses fermentasi berlangsung. Amonium sulfat yang digunakan pada proses berupa zat padat yang harus dilarutkan. Dimana untuk satu kali proses dibutuhkan 600 kilogram amonium sulfat (12 sak). Amonium sulfat dilarutkan pada AS tank, setelah larut amonium sulfat dialirkan kedalam mixer untuk kemudian dicampur dengan molases dan SPW.
III.2. Uraian Proses Produksi
Pada proses pembuatan etanol dari molasses di PT. Energi Agro Nusantara terdapat 4 proses utama yaitu molasses dilution, propagasi yeast, fermentasi, dan refinery. Untuk mengetahui lebih lanjut adalah sebagai berikut :
III.2.1 Molasses Dilution
Molasses Dilution merupakan tahap awal persiapan media fermentasi yang terdiri dari molasses, sterilized water dan ammonium sulfat dengan rasio tertentu. Proses molasses dilution ini bertujuan untuk mengurangi viskositas bahan baku molasses. Proses dilusi dilakukan dengan perbandingan molasses dan SPW (Sterilized Process Water) sebesar 1:2, dimana pencampuran terjadi pada kondisi suhu 300C dan tekanan 1 atm. Molasses Dilution terdiri dari dua bagian. Yang pertama adalah molasses dilution untuk propagasi yeast yaitu pencampuran antara tetes tebu, amonium sulfat, dan HWS (Hot Water Supply). Amonium sulfat berfungsi sebagai nutrisi untuk yeast B18. Hasil dari molasses dilution yang pertama disebut MYS (Molasses Yeast) dengan volume 29 kL.
Molasses Dilution yang kedua yaitu pencampuran antara, tetes tebu yang berasal dari service tank, penambahan amonium sulfat, dan diikuti dengan SPW
ditambahkan adalah 0.423 kL. Sedangkan untuk batch 2 dan seterusnya tetes tebu yang digunakan sekitar 70-80 kL, sterilized water yang dibutuhkan sekitar 158 kL dan ammonium sulfat atau nutrisi yang digunakan adalah 0,353 kL.
III.2.2 Propagasi Yeast A. Propagasi Lab
Sebelum yeast siap ditransfer menuju tangki fermenter, yeast dikembangbiakkan terlebih dahulu dalam skala lab. Yeast yang digunakan adalah saccharomyces cerevisiae B-18. Propagasi lab bertujuan untuk mengembangbiakan yeast untuk fermentasi.
Indukan yeast pada awalnya masih berupa dry yeast dalam kemasan sampul yang diimpor dari Jepang. Kemudian dry yeast tersebut diencerkan dengan aquadest ke dalam 5 cawan petri + media. Untuk menyiapkan culture stock, yeast yang telah dikembangbiakkan dalam cawan petri dipindahkan dengan metode spread (sebar) kedalam tabung reaksi. Untuk 1 cawan petri dapat menghasilkan 30-50 tabung reaksi sebagai culture stock. Sehingga dalam 1 kali pembuatan culture stock dapat diperoleh sekitar 200 culture stock pada media agar miring dalam tabung reaksi. Media yang digunakan yaitu media Potato Dextrose Agar (PDA).
Setelah itu, koloni yeast diinokulasikan ke dalam Media Broth 20 ml dalam Erlenmeyer 4x100 ml. Kemudian koloni yeast pada media broth diinkubasi selama 8 jam menggunakan shaker untuk mencegah penggumpalan yeast pada satu titik. Selanjutnya koloni yeast dimasukkan fermenter 5 L dengan medium YEPD (Yeast Extract Peptone Dextrose) sebanyak 2 L dan diinkubasi kembali dalam shaker selama 24 jam. Proses inkubasi ditambahkan dengan pengadukan dikarenakan
koloni yeast memiliki kecenderungan untuk bergerombol dan lama kelamaan mengendap pada dasar fermenter sehingga diperlukan pengadukan untuk mendispersikan yeast pada setiap titik.
Koloni yeast yang telah disiapkan dalam fermenter 5 L akan dipindahkan ke tangki propagasi berkapasitas 29 KL untuk mendapatkan jumlah koloni yeast yang lebih banyak. Untuk satu buah tangki propagasi dibutuhkan 4 buah fermentator 5 L yang masing-masing berisi 2 L yeast. Proses inokulasi dari fermenter 5 L menuju tangki propagasi dibantu menggunakan udara bertekanan (pressurized air) sehingga kondisi steril tetap terjaga. Media yang digunakan dalam tangki propagasi sama dengan tangki fermentasi yaitu molasses, SPW dan ammonium sulfat. Proses aerasi ditambahkan selama tahapan propagasi untuk menciptakan kondisi aerob. Pada kondisi aerob, yeast akan memanfaatkan sumber gula yaitu molasses untuk memperbanyak diri meskipun terjadi sedikit proses fermentasi. Propagasi yeast dalam tangki propagasi berlangsung selama 48 jam (2 hari).
Proses propagasi harus tetap dikontrol untuk mengoptimalkan ketika proses fermentasi. Oleh karena itu dilakukan beberapa analisa secara berkala sejak awal sampai end time propagasi diantaranya :
1. Analisa pH, brix dan yeast density pada jam ke 0, 18, 21 dan seterusnya dengan rentang waktu 3 jam. End time propagasi dapat diketahui berdasarkan penurunan nilai brix yang stabil menandakan bahwa persediaan molasses telah dikonversi dengan baik dan yeast density nya > 300x106 sel/ml.
2. Analisa Acidity pada saat akhir propagasi.
Gambar III.1 Flowsheet Proses Fermentasi
menjadi bioetanol. Reaksi pembentukan etanol dari gula dengan produk samping berupa gas CO2.:
C6H12O6(l) C2H5OH(l) + CO2(g)
Glukosa Etanol Karbon dioksida
Gas CO2 yang terbentuk menghasilkan busa yang dapat menghambat proses fermentasi. Sehingga ketika jumlah busa melebihi level kontrol, akan disemprotkan cairan defoaming secara otomatis. Setelah proses batch 1 selesai maka dihasilkan Molasses Broth (MBr) dengan kandungan etanol sekitar 9-10% v/v. Molasses Broth didiamkan selama kurang-lebih 1 jam sehingga terbentuk 2 layer, dimana layer atas adalah Molasses Broth dan layer bawah adalah yeast. Kemudian MBr dialirkan menuju storage tank sedangkan yeast akan digunakan untuk proses fermentasi selanjutnya. Proses batch 2-10 berlangsung selama 24 jam, dimana pada 6 jam pertama fermentasi berlangsung dalam keadaan aerob (dengan aerasi) dan 18 jam selanjutnya dalam keadaan anaerob. Ketika fermentasi berlangsung, dilakukan analisa secara berkala dengan cara pengambilan sampel pada jam ke- 0, 12, 15, 18, dan seterusnya setiap 3 jam sekali hingga penurunan brix stabil dan kandungan etanol > 10% v/v. Setelah fermentasi batch 1-10 selesai, yeast akan dialirkan menuju Yeast Mud Tank dimana yeast akan dimatikan dengan cara dipanaskan pada suhu 85ºC dan selanjutnya dapat diolah untuk makanan ternak. Setiap penambahan MBr dari tangki fermentasi ke dalam storage tank dilakukan sampling untuk dianalisa agar jangan sampai ada yeast yang terikut karena dapat menimbulkan kerak pada proses selanjutnya, yaitu evaporasi.
III.2.4 Refinery Process
Refinery merupakan tahap pemurnian etanol hasil dari proses fermentasi yang masih memiliki kadar etanol sekitar 9-10% menjadi 99,5%. Untuk menghasilkan etanol yang memiliki kadar etanol yang diinginkan maka diperlukan beberapa proses refinery diantaranya :
A. Evaporasi
Evaporasi merupakan perubahan molekul dari keadaan cair menjadi gas. Evaporasi bertujuan untuk menguapkan etanol dan air dari komponen lain yang merupakan produk samping dari proses fermentasi. Prinsip kerja pada proses evaporasi adalah MBr (Molasses Broth) yang dihasilkan dari proses fermentasi dipanaskan sehingga air dan etanol menguap dan dapat terpisah dari MBr. Kemudian campuran uap air dan uap etanol dikondensasikan agar menjadi fase liquid kembali.
bar, evaporator 2 adalah -0,01 bar, evaporator 3 adalah -0,01 bar, dan evaporator 4 adalah 0,01 bar.
Gambar III.2 Flowsheet Proses Evaporasi
Produk dari evaporator berupa kondensat etanol dan air memiliki kadar ethanol sekitar 16-20%. Selanjutnya produk didinginkan menggunakan kondensor agar berubah menjadi cair dan suhu air pendingin yang digunakan adalah 25-260C, kebutuhan total air pendingin untuk proses refinery adalah 500-600 m3/jam. Air pendingin untuk proses refinery khususnya evaporator diperoleh dari cooling tower. Produk bawah dari proses evaporasi disebut stillage (vinasse) yang merupakan campuran pekat yang terdiri dari sisa molasses, yeast. air, dan etanol yang mungkin terikut keluar.
B. Distilasi
didih nya pada tiap tray. Etanol akan menguap terlebih dahulu karena air memiliki titik didih yang lebih tinggi daripada etanol.
Komposisi umpan masuk proses destilasi terdiri dari etanol 16%, air dan
fusel oil 84%. Umpan dengan laju alir sebesar 28 m3/jam dan suhu 600C dilewatkan pada heat exchanger untuk menaikkan suhu hingga 800C kemudian dialirkan ke tangki distilasi. Kapasitas tangki distilasi adalah 45,2 m3. Start up membutuhkan waktu 2-3 jam dan setelah itu proses berlangsung kontinu. Tangki destilasi terdiri dari 60 tray dengan tipe slit tray yang memiliki tinggi 21 m, diameter 1,2 m. Pada proses distilasi dilakukan proses refluks untuk memaksimalkan konsentrasi etanol yang diinginkan dan rasio refluks yang digunakan adalah 4,2. Suhu pada tangki destilasi adalah 96,50C, tekanan steam yang digunakan yaitu 4 bar dengan suhu 1250C, dan laju alir destilat adalah 1800 m3/jam. Produk dari proses distilasi adalah uap etanol dengan konsentrasi sebesar 94%. Hal tersebut disebabkan karena distilasi terjadi pada kondisi aezotrop dimana pada kondisi tersebut kadar maksimal etanol yang dihasilkan hanya sekitar 92-94%. Dan produk bawahnya adalah spentless yang komposisi utamanya adalah air dan mengandung sedikit ethanol yang terikut.
C. Dehidrasi
menggunakan produk ethanol yang dialirkan dari bagian bawah tangki kemudian dikembalikan kedalam tangki distilasi untuk memisahkan kandungan air dalam ethanol. Hasil dari regenerasi
mengandung etanol sebanyak 50-70%. Sebelum masuk kembali ke tangki destilasim dilakukan proses penyaringan dengan filter yang berukuran 10 mikron tujuannya untuk menyaring partikel zeolit yang mungkin ikut tercampur. Produk dari proses dehidrasi adalah etanol sebesar 99,5%.
Gambar III.3 Flowsheet Proses Destilasi dan Dehidrasi
D. Rektifikasi
Rektifikasi merupakan tahap akhir pemurnian etanol yang bertujuan untuk memisahkan metanol yang terkandung di dalam etanol. Prinsip dari proses ini yaitu pemisahan berdasarkan titik didih dimana komponen yang menguap adalah methanol karena titik didih methanol lebih rendah dari etanol yaitu 64,70C sedangkan titik didih etanol adalah 780C pada tekanan atmosfer.
