1
Rancang-bangun Alat Produksi Bioetanol
Design of Bioethanol Production Mechine
Budy Rahmat1, Eri Cahrial2 , dan Betty Rofatin2 1
Dosen Program Studi Agroteknologi Universitas Siliwangi
2
Dosen Program Studi Agribisnis Universitas Siliwangi
Abstrak
Bioetanol (alkohol) biasa digunakan sebagai bahan baku industri farmasi, bahan dasar industri turunan bioetanol, parfum, minuman keras, dan untuk substitusi bahan bakar minyak bumi. Memperhatikan prospek strategis bioetanol seperti itu, maka teknologi produksinya menjadi penting untuk dikuasai dan terus dikembangkan oleh peminat di Indonesia, terutama perguruan tinggi sebagai pengembang dharma penelitian. Oleh karena itu perlu terbangun sebuah alat produksi bioetanol sebagai sarana penelitian di perguruan tinggi. Penelitian ini bertujuan merancang-bangun sebuah alat produksi bioetanol skala laboratorium. Metode penelitian yang digunakan adalah metode rekayasa rancang-bangun alat. Penelitian yang telah dilakukan berhasil membuat rancangan konfigurasi mesin produksi alkohol skala laboratorium. Konfigurasi mesin produksi alkohol tersebut terdiri dari : (i) reaktor fermentasi untuk mengonversi nira menjadi alkohol; dan (ii) alat distilasi berfungsi memisahkan bioetanol dari broth, yang terdiri dari: tabung boiler dan kondensor. Reaktor fermentasi mampu menghasilkan broth yang mengandung 4,52 % bioetanol. Sedangkan ekstraksi bioetanol dari broth oleh proses distilasi mampu menghasilkan 180,8 mL dari setiap 4 L hasil fermentasi.
Kata kunci : bioetanol, rancang-bangun, fermentasi.
Abstract
Bioethanol is used as pharmaceuticals, alcohol-derived industrial basic materials, perfume, liquor, and for the substitution of petroleum fuels. Due to the strategic prospects of bioethanol, the production technology is essential to be developed in Indonesia, especially in university. Therefore, a mechine to produce bioethanol is needed as a research tool. This study aims to design a lab-scale bioethanol production tools. The method used is the method of engineering design tools. The configuration of alcohol production machine consists of: (i) fermentation reactor to convert sap into alcohol, and (ii) distillation tool serves to separate bioethanol of broth, which consists of: boiler and condenser tubes. The fermentation reactor is capable of producing broth containing 4.52% bioethanol. Then the extraction of bioethanol from the broth by distillation process is able to produce 180.8 mL bioethanol of each 4 L broth.
Key words: bioethanol, design, fermentation
_______________________________________________ * Corresponding author : phone 0265 323531;
2
Pendahuluan
1. Latar Belakang
Bioetanol merupakan bahan kimia yang diproduksi dari bahan baku tanaman yang mengandung pati seperti ubi kayu, ubi jalar, jagung, dan sagu. Alkohol memiliki nama kimia etanol (C2H5OH), karena dibuat dari bahan hasil tumbuhan maka sering disebut dengan bioetanol (Allen et al., 2001; BPPT, 2005).
Alkohol atau bioetanol biasa digunakan sebagai bahan baku industri farmasi, kosmetik, parfum, bahan dasar turunan alkohol, minuman keras, dan bahan bakar. Mengingat pemanfaatan bioetanol beraneka ragam, sehingga grade-nya yang dimanfaatkan harus berbeda sesuai dengan penggunaangrade-nya. Etanol yang mempunyai grade 90-96,5% dapat digunakan pada industri, sedangkan grade 96-99,5% dapat digunakan sebagai campuran untuk minuman keras dan bahan dasar industri farmasi. Bioetanol yang dimanfaatkan sebagai bahan bakar untuk kendaraan harus betul-betul kering (anhydrous) supaya dapat bercampur dengan bensin dan tidak korosif, sehingga etanol harus mempunyai grade sebesar 99,5-100% (Departemen ESDM, 2005).
Memperhatikan prospek strategis alkohol seperti diuraikan di atas, maka teknologi pengolahan hasil-hasil pertanian karbohidrat menjadi alkohol menjadi penting untuk dikuasai terus dikembangkan oleh segenap stake holder di Indonesia. Hal ini dengan pertimbangan bahwa, banyak aktivitas produksi pengolahan bahan hasil bumi Indonesia yang sudah ada namun semua perangkat teknologinya hasil impor sehingga sangat ketergantungan kepada tenaga ahli dari luar dan tuntutan biaya purna beli yang tinggi. Hal ini semua akan berujung kepada rendahnya profit usaha produksi alkohol atau menurunkan kompetitif produk alkohol.
Perguruan tinggi dengan dharma penelitiannya harus di barisan terdepan dalam upaya mencari solusi permasalahan lambat dan tidak berkembangnya penguasaan teknologi produksi bioetanol, agar bangsa ini tidak selalu tertinggal oleh kermajuan iptek bangsa lain.
3
2. Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian di atas dapat diidentifikasi masalah: perlu terbangun sebuah alat produksi alkohol sebagai sarana penelitian di perguruan tinggi.
3. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah merancang-bangun sebuah alat produksi bioetanol skala laboratorium.
4. Manfaat Hasil Penelitian
Alat hasil rancang-bangun penelitian ini memiliki manfaat sebagai berikut: 1) Sebagai sarana praktikum, penelitian, dan pelatihan masyarakat.
2) Upaya rintisan untuk memperoleh hibah penelitian Ditjen Dikti Kemendikbud, bahkan untuk membuat mesin skala produksi
3) Sarana pengembangan iptek produksi alkohol
Tinjauan Pustaka
1. Proses Produksi Bioetanol
Proses produksi bioetanol yang selama ini sudah dikembangkan dan diterapkan secara umum meliputi dua tahap, yaitu proses sakarifikasi dan fermentasi. Proses sakarifikasi bertujuan untuk memecah karbohidrat (seperti gula, selulosa dan hemiselulosa) menjadi monomer gula (Allen et al., 2001).
Pada bahan baku molase, gula bit, dan gula tebu yang selama ini sudah digunakan secara luas sebagai bahan baku etanol, proses pembuatan etanol lebih sederhana karena bahan baku tersebut dapat langsung disakarifikasi dengan menambahkan glukoamilase (Be Miller et al., 1996; Agu et al., 1996).
Sedangkan untuk bahan baku berpati, sebelum proses sakarifikasi harus dilakukan proses liquefaksi terlebih dahulu, proses dengan bahan baku berpati ini sudah diterapkan secara luas terutama di Brazil dan di Amerika untuk menghasilkan bioetanol, tetapi di Indonesia masih dilangsungkan pada skala rumah tangga (Albrecht et al., 2007; Prihandana et al., 2008). Proses liquefaksi
4 dilakukan karena mikroorganisme fermentasi etanol tidak dapat mengkonversi pati menjadi etanol secara langsung, diperlukan enzim untuk mengkonversi oligosakarida pada pati menjadi maltosa, kemudian melalui proses sakarifikasi diubah menjadi gula sederhana yang mudah difermentasi.
2. Komponen Mesin Produksi Bioetanol
Komponen utama mesin produksi etanol adalah berfungsi mengubah gula menjadi bioetanol (Albrecht et al., 2007; Prihandana et al., 2008), terdiri dari : (1) Tangki Fermentasi
Tangki fermentasi ialah tangki yang berfungsi mengubah glukosa menjadi alkohol dengan bantuan ragi yang mengandung cendawan Saccaromyces
cerevisae di bawah kondisi anaerob. Hasil proses pada alat ini ialah broth yang
mengandung alkohol 6-12%. (2) Boiler Distilasi
Boiler Distilasi ialah alat untuk memisahkan alkohol dari broth dengan pemanasan 78 oC yang akan menguapkan alkohol menuju ke kondensor.
(3) Kondensor
Kondensor ialah tempat mengebunkan kembali uap alkohol yang berasal dari boiler. Hasil yang keluar dari kondensor ini berupa alkohol 95%.
Sedangkan bila sumber karbohidrat berupa pati, seperti singkong, gadung, ubi jalar dll., maka harus dilengkapi dengan alat tambahan untuk perlakuan pendahuluan mengubah pati menjadi gula, meliputi alat :
(1) Tangki Likuefakasi
Tangki likuefakasi atau gelatinisasi ialah tangki yang berfungsi mengolah hancuran ubi singkong menjadi bubur, yaitu mengubah pati menjadi maltosa dengan bantuan enzim alfa amilase.
(2) Tangki Sakarifikasi
Tangki sakarifikasi ialah tangki yang berfungsi mengolah bubur menjadi gula sederhana (glukosa) dengan bantuan enzim gluko-amilase.
5
Bahan dan Metode
1. Waktu dan Lokasi
Penelitian ini berlangsung dari Juni 2012 hingga September 2012, yang dilaksanakan di Laboratorium Kimia Fakultas Pertanian Universitas Siliwangi Tasikmalaya.
2. Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan dalam penelitian adalah nira gula, pupuk Urea, pupuk NPK, ragi roti Fermipan, dan air bersih. Alat yang digunakan dalam perancangan adalah : alat tulis dan satu unit komputer. Peralatan yang digunakan adalah: perlengkapan las asetilen, las listrik, gergaji besi, mesin bubut, gerinda duduk, gerinda tangan, perkakas umum (palu, tang, jangka, gunting pemotong plat, penggaris siku, kunci baud), mesin bor, dan pemotong plat. Pada pelaksanaan uji mesin digunakan juga alat-alat umum labortorium seperti gelas-gelas kimia, timbangan analitis, statip, selang, pemanas, termometer, dll.
3. Metode Penelitian
Penelitian ini menggunakan metode penelitian rekayasa rancang-bangun, yaitu penelitian ini bersifat tidak rutin sehingga di dalamnya terdapat kontribusi baru, baik dalam proses maupun produk (Kastaman et al., 2005). Tahapan Penelitian ini adalah seperti yang disajikan pada Gambar 1.
Rancangan adalah kegiatan pembuatan rencana untuk menyelesaikan suatu masalah dengan menggunakan perpaduan beberapa prinsip. Pemecahannya dapat menggunakan kombinasi beberapa komponen yang ada, agar diperoleh hasil yang efisien atau menghasilkan pengembangan dari mesin yang sudah ada. Tahapan perancangan ialah: (i) identifikasi masalah (ii) ide awal; (iii) problem refinement; (iv) pengambilan keputusan; dan (v) pelaksanaan. Umumnya perancang bekerja secara berurutan menurut tahapan-tahapan tersebut, tetapi tidak menutup kemungkinan akan kembali ke tahap sebelumnya jika ada kesalahan.
6
Gambar 1. Diagram Alir Proses Rancang-bangun Mesin Produksi Bioetanol
4. Prosedur Percobaan
4.1. Dasar Perancangan 4.1.1. Rancangan Fungsional
Komponen fungsional (Gambar 2) dari sebuah mesin produksi alkohol adalah :
7 1) Tangki Fermentasi
Tangki fermentasi ialah tangki bertutup terbuat dari bejana logam 15 L yang berfungsi mengubah glukosa menjadi alkohol dengan bantuan ragi roti yang mengandung cendawan Saccaromyces cerevisae di bawah kondisi anaerob. Hasil proses pada alat ini ialah broth yang mengandung alkohol 6-9 %
2) Boiler Distilasi
Boiler ialah alat untuk memisahkan alkohol yang terkandung dalam broth hasil fermentasi dengan pemanasan 78 oC yang akan menguapkan alkohol menuju ke kondensor.
3) Kondensor Distilasi
Kondensor ialah tempat mengebunkan kembali uap alkohol yang berasal dari boiler. Hasil yang keluar dari kondensor ini berupa alkohol 90-95%
4.1.2. Rancangan Struktural
Analisis rancangan alat dibuat didasarkan atas skala kapasitas proses alat adalah 15 L. Rancangan struktural terdiri dari :
(1) Tangki fermentasi terdiri dari: (i) bejana stainless steel kedap udara berukuran diameter 19 cm x tinggi 50 cm sebagai tempat berlangsungnya proses fermentasi; (ii) ventilasi untuk pengeluaran produk samping CO2 yang berakhir pada botol berisi air; (iii) termometer payung Wieke kisaran kerja 0-100 oC sebagai pengukur suhu substrat; (iv) elemen pemanas listrik SG-1103 berdaya 1 Kwatt; dan (v) termostat EGO 55-13022 kisaran kerja 30-110 oC.
(2) Tangki boiler distilasi, yang terdiri dari: (i) bejana stainless steel tertutup berukuran diameter 19 cm x tinggi 50 cm tempat memisahkan alkohol dalam broth hasil fermentasi;(ii) kompor LPG sebagai pemanas; (iii) pressure gauge MP skala 0-10 kg/cm2; (iv) termometer payung Wieke kisaran kerja 0-100 o
C; dan (v) pipa pengeluaran uap alkohol menuju kondensor.
(3) Tabung kondensor distilasi terbuat dari silinder logam berdiameter 8 cm dan panjang 27 cm. Bagian utama kondensor ini adalah : koil (spiral) yang dibentuk oleh pipa tembaga diameter 0,8 cm x panjang 75 cm. Pangkal pipa ini
8 terhubung ke pipa luaran dari boiler, sedang ujungnya merupakan tempat keluarnya alkohol (distilat). Spiral berada dalam tabung berpendingin air mengalir (counter current).
4.2. Pengujian Mesin
Sebenarnya ada teknik pangolahan gula untuk dijadikan bioetanol cukup mudah diterapkan pada masyarakat dan hanya membutuhkan alat yang sederhana. Proses pengolahan gula, yang ditargetkan menghasilkan 0,7 L bioetanol dilaksanakan sebagai berikut :
1) Disiapkan air bersih dan matang sebanyak 20 L.
2) Ditimbang 2,1 kg gula pasir sebagai substrat fermentasi; 10,5 g urea dan 2,1 g pupuk NPK untuk nutrisi Saccharomyces; dan 4,2 g ragi roti (Fermipan). 3) Semua bahan yang telah ditimbang tersebut dilarutkan dengan air matang
hingga volume mencapai 15 L.
4) Larutan yang terbentuk diinkubasikan ke dalam reaktor fermentasi dan suhu dijaga pada kisaran 30- 35 oC selama tiga hari.
5) Proses fermentasi gula dapat diindikasi dengan terbentuknya gelembung- gelembung CO2 terus-menerus pada ujung selang ventilasi dalam air.
6) Setelah tiga hari fermentasi, cairan (broth) dipindahkan ke boiler.
7) Selama pelaksanaan distilasi suhu boiler dijaga 78 oC hingga uap alkohol keluar menuju kondensor. Aliran air pendingin kondensor dinyalakan agar terjadi kondensasi secara maksimal.
8) Distilat alkohol yang keluar ditampung dan diukur setiap 10 menit, lalu dicatat dalam tabel pengamatan. Pengamatan dihentikan hingga tidak ada tetesan distilat lagi.
Hasil dan Pembahasan
1. Konfigurasi Alat
Konfigurasi alat produksi bioetanol skala laboratorium seperti ditunjukkan pada Gambar 2 dengan komponen sebagai berikut.
9 A adalah reaktor fermentasi, terdiri dari : (1) saluran keluar CO2; (2) substrat fermentasi; (3) termometer; (4) pemanas elektrik dan termokopel; dan (5) saluran pengeluaran produk.
B adalah boiler, terdiri dari : (1) bir/broth hasil fermentasi; (2) termometer; (3) kompor pemanas; dan (4) saluran uap alkohol ke kondensor. C ialah kKondensor, terdiri dari : (1) koil pipa; (2) pipa keluar air pendingin; (3) pipa
Gambar 2. Diagram Konfigurasi Mesin Pengolah Alkohol
2. Pengujian Kinerja Mesin
Untuk menguji mesin pengolah yang telah dirancang-bangun di atas dilakukan percobaan fermentasi terhadap 15 L nira dengan kadar gula 14%. Setelah selama tiga hari, mula-mula teramati ialah terbentuk gas CO2 pada botol air, sebagai indikasi terjadi proses fermentasi dengan persamaan reaksi :
C
6H
12O
2 C
2H
5OH + 2 CO
210 Alkohol yang masih tercampur dalam broth hasil fermentasi harus dipisahkan dengan proses distilasi. Broth setelah di pindah ke boiler distilasi dipanaskan sampai suhu 78oC, lalu uap yang terjadi dialirkan ke kondensor. Kondensat yang keluar ditampung dan diukur, yang hasilnya seperti tersaji pada Tabel 1.
Laju kondensasi hasil pengamatan seperti tersaji pada Tabel 1 dan Gambar 5 menunjukkan banyak alkohol yang dapat dipisahkan oleh proses distilasi setiap interval 10 menit. Puncak tertinggi diperoleh pada distilasi menit ke-80, yaitu 21,6 mL. Setelah itu secara gradual perolehan menurun hingga 0 mL pada menit ke-170.
Tabel 1. Laju pertambahan volume alkohol selama proses distilasi Waktu Pengamatan
(menit)
Volume Alkohol per Pengamatan (mL ) Volume Akumulasi (mL) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 5,4 6,8 7,9 9,8 15,3 16,9 19,5 21,6 20,5 18,7 12,7 9,6 7,7 4,8 2,4 1,2 0 0 0 5,4 12,2 20,1 29,9 45,2 62,1 81,6 103,2 123,7 142,4 155,1 164,7 172,4 177,2 179,6 180,8 180,8 180,8
Fakta ini memberikan informasi bahwa, proses distilasi cukup dilakukan tiga jam saja, karena kondensat alkohol hasil telah terekstraksi seluruhnya. Informasi ini penting untuk dijadikan acuan untuk penelitian ataupun untuk tujuan efisiensi proses produksi.
11
Gambar 5. Grafik laju pertambahan volume alkohol selama proses distilasi.
Dalam suatu industri, baik itu dilakukan dengan teknik fermentasi, kimiawi maupun fisik, yang perlu diperhatikan adalah stabilitas semua komponen pendukung kegiatan proses tersebut. Industri akan berkembang bila ditinjau dari aspek teknis, sosial, dan finansial saling mendukung. Industri fermentasi untuk menghasilkan alkohol, tetapi penelitian masih perlu dilakukan khususnya dalam upaya meningkatkan efisiensi.
Rendemen alkohol dari proses yang telah dilakukan, dapat dihitung dengan rumus berikut:
Rendemen alkohol = x100%
V V
bahan hasil
V hasil = banyaknya volume alkohol hasil distilasi (180,8 mL) V bahan = banyaknya volume nira yang diproses (4.000 mL)
0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Vo lu m e Al ko h o l ( m L)
12 Menggunakan rumus itu, maka proses pembuatan alkohol yang dilakukan dengan alat pengolah yang telah dirancang-bangun, memiliki nilai rendemen sebesar: 180,8 mL / 4.000 mL x 100 % = 4,52 %.
Nilai rendemen ini masih kurang dari 6-12 % seperti dikemukanan dalam beberapa penelitian sebelumnya. Oleh karena itu, masih dimungkinkan upaya perbaikan hasil rancang-bangun alat dan kerja proses ini untuk ditingkatkan efiesiensinya melalui beberapa perbaikan stuktur alat dan kondisi proses. Hal ini hanya bisa dilakukan dengan melakukan rangkaian percobaan lanjutan.
Banyaknya alkohol yang dihasilkan dapat ditentukan dengan cara analisis atau dari pustaka sesudah destilasi. Ekonom dan manajemen mengutamakan hasil yang memberikan keuntungan dari produk yang terjual tiap unit bahan baku. Demikian pula kelompok teknik rekayasa harus mmpertimbangkan efisiensi aplikasi alat agar menjadi pilihan pelaku industri.
Kesimpulan
1) Penelitian yang telah dilakukan berhasil membuat rancangan konfigurasi mesin peroduksi alkohol skala laboratorium.
2) Konfigurasi mesin produksi alkohol terdiri dari : (i) reaktor fermentasi untuk mengkonversi nira menjadi alkohol dalam broth; dan (ii) alat distilasi, yang terdiri dari: tabung boiler dan kondensor berfungsi untuk mengekstraksi alkohol dari broth.
3) Reaktor fermentasi mampu menghasilkan broth yang mengandung 4,52 % alkohol. Sedang alat distilasi mampu mengekstraksi alkohol sebanyak 180,8 mL per 4 L broth.
Daftar Pustaka
Agu, R.,C., Amadife, A., E., Ude, C., M., Onyia, A.,1997, Combined Heat
Treatment and Acid Hydrolysis of Cassava Grate Waste (CWG) Biomass for Ethanol Production, Vol. 17, Elsevier Science Ltd,
Britain, pp. 91-96.
13
Simulation support for engine control design, a methodological point of view, Oil & Gas Science and Tecnology – Rev. IFB, 62(4), 437-456.
Allen, S. G., Schulman, D., Lichwa, J, 2001. A comparison between hot liquid
water and steam fractionation of corn fiber. Ind. Eng. Chem. Res., 40,
2934-2941.
BeMiller, J. N. &Whistler, R. L. 1996. Carbohydrates. In Food Chemistry (3rd ed., 157-223). New York; New York, Marcel Deker.
BPPT, 2005, Kajian Lengkap Prospek Pemanfaatan Biodiesel Dan Bioethanol
Pada SektorTransportasi Di Indonesia. Balai Besar Teknologi Pati-
BPPT, Jakarta.
Departemen ESDM, 2005, Blue Print Pengelolaan Energi Nasional2005-2025,
Pola Pikir Pengelolaan Energi Nasional.
Dhewanto, W., 2007, Bioetanol dan Swasembada Energi, Harian Bisnis Indonesia, Jakarta
Kastaman, R., Herwanto, T., dan Iskandar, Y., 2005, Rancang Bangun danUji
Kinerja Reaktor Kompos Skala Rumah Tangga. Jurnal Agrikultura
April 2006. Vol. 17: 1-10.
Hidayat, N.; Padaga, M.C.; Suhartini, S.. Mikrobiologi Industri. Andi Penerbit. Yogyakarta
Hikmiyati, N., Sandrie, N., 2008, Pembuatan Bioetanol dari Limbah Kulit
Singkong Melalui Proses Hidrolisis Asam dan Enzimatis. Jurusan
Teknik Kimia, Fak. Teknik, Universitas Diponegoro, Semarang.
Prihandana, Rama, Roy Hendroko. 2008. Bioetanol Ubi Kayu Bahan Bakar Masa
Depan. Jakarta: AgroMedia Pustaka, Jakarta.
Prihandana, Rama, Roy Hendroko. 2008. Energi Hijau. Jakarta : Penebar Swadaya.
Ranola, Roberto F. 2009. Enchancing The Viability of Cassava Feedstock for
