8 BAB II
KAJIAN PUSTAKA, KERANGKA BERPIKIR, DAN HIPOTESIS A. Kajian Pustaka
1. Biomassa
Biomassa merupakan bahan organik yang didapatkan dari tanaman secara langsung maupun tidak langsung dan digunakan sebagai energi alternatif dalam jumlah yang besar. Biomassa dapat menjadi sumber energi alternatif pengganti sumber energi fosil dengan kadar CO2 yang lebih sedikit, karena CO2 hasil pembakaran dapat diserap langsung oleh tumbuhan. Biomassa dipilih sebagai sumber energi alternatif berdasarkan ketersediaan bahan yang melimpah, murah, serta renewable (Hasanuddin, 2012). Berbeda dengan energi fosil yang memiliki tingkat kekebalan CO2 tidak mudah diserap langsung oleh tumbuhan. Dengan kadar CO2 yang bersih, biomassa memiliki keunggulan sebagai sumber energi alternatif yang tidak berkontribusi terhadap peningkatan emisi gas rumah kaca.
Di Indonesia biomasa dapat diperoleh dari berbagai sumber pertanian, perhutanan, perkebunan, limbah industri, bahkan kotoran hewan. Sumber biomassa yang dapat ditemui dalam kehidupan sehari-hari yaitu ampas tebu yang berasal dari industri gula, limbah kopi yang berasal dari industri kopi, jerami, serpihan kayu, eceng gondok, sekam padi, bahkan limbah aren yang berasal dari industri mi sohun.
Teknologi konversi biomassa sebagai sumber energi alternatif cukup sederhana, biaya terjangkau, ramah lingkungan, dan dapat menggerakkan perekonomian pedesaan pada daerah penghasil biomassa. Energi alternatif biomassa dapat menjadi sumber energi tidak terbatas karena memiliki daur CO2 yang efektif berdasarkan siklus fotosintesis tumbuhan, dibandingkan sumber energi fosil yang memiliki jangka waktu sangat lama seperti batu bara berasal 25 juta tahun (Sano, 2002).
Pemanfaatan biomassa harus mempertimbangkan tujuan pemanfaatan, permintaan dan ketersediaan biomassa untuk diubah menjadi bahan energi alternatif. Biomassa layak digunakan pada daerah dimana biomassa diproduksi agar pasokan dan permintaan seimbang. Jika pasokan melebihi permintaan,
commit to user commit to user
biomassa dirubah dalam bentuk pelet atau bahan bakar cair agar dapat dimanfaatkan ke daerah yang membutuhkan energi alternatif.
Pemanfaatan biomassa dilakukan dengan konversi energi secara fisika, kimia, dan biologi. Konversi fisika merupakan penggerusan, penggerindaan, pengeringan dan pengukusan untuk mengurai struktur dengan tujuan meningkatkan luas permukaan biomassa pada proses selanjutnya agar lebih cepat dan lebih tahan lama disimpan. Konversi kimia biomassa dilakukan dengan proses hidrolisis, gasifikasi, dan pirolisis. Pada konversi kimia, kandungan biomassa diurai menggunakan proses pemanasan maupun pembakaran secara langsung.
Kalor pada proses konversi kimia dapat mengurai komposisi biomassa menjadi gas, bio oil, dan arang. Konversi biologis biomassa dilakukan dengan proses fermentasi bio oil sehingga menghasilkan etanol dan metana sebagai bioetanol (Yokayama & Matsumura, 2008). Letak geografis Indonesia sangat berpotensi untuk membuat sumber energi terbarukan seperti pembangkit listrik tenaga air, biofuel, dan biomassa (Bujang, 2014).
2. Biomassa Limbah Aren
Aren (Arenga pinnata) merupakan tumbuhan pinang (Arecaceae) dan berbiji tertutup (Angiospermae) yaitu biji buah yang terbungkus daging buah.
Tanaman aren adalah salah satu tanaman perkebunan yang memiliki banyak manfaat dan berpotensi membantu masalah kekurangan pangan. Selain membantu masalah kekurangan pangan, aren juga dapat beradaptasi baik dengan lingkungan (Effendi, 2009).
Di Indonesia tanaman aren dimanfaatkan sejak dahulu kala dan menghasilkan produk berupa nira atau gula aren, cuka, alkohol, maupun minuman ringan yang berasal dari penyadapan bunga jantan aren. Pengolahan aren juga menghasilkan produk makanan seperti kolang kaling yang berasal dari buah betina yang sudah masak dan tepung aren sebagai bahan makanan mentah untuk pembuatan roti, kue, dan biskuit yang berasal dari pengolahan empelur batang tanaman. Ijuk dari tumbuhan aren dapat dimanfaatkan sebagai sapu lantai dan penyaring air sumur (Mariati, 2013).
commit to user commit to user
Manfaat lain dari tepung aren dapat digunakan sebagai bahan pembuatan produk makanan yang terkenal luas oleh masyarakat yaitu mi sohun. Diagram alir proses pembuatan tepung aren ditunjukkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Diagram Alir Proses Pembuatan Tepung Pati Aren (Sumber: Purwantana, 2007)
Batang Aren
Pemecahan Potongan Batang
Pemarutan
Bubuk Serbuk Batang Aren
Penyaringan
Pengendapan pati I
Pati Aren
Pemutihan pati aren
Limbah padat Kulit Batang Aren
Ampas
Pengendapan pati II
Pengeringan
Penggilingan dan Pengayakan
Tepung Pati Aren Limbah Cair
Kaporit Air
Pencucian Pati Aren dilakukan berulang 3x Air
commit to user commit to user
Industri tepung aren dapat ditemukan di Dukuh Bendo, Desa Daleman, Kecamatan Tulung, Kabupaten Klaten Jawa Tengah. Industri tepung aren menyebabkan permasalahan lingkungan yang berasal dari limbah padat akibat proses penyaringan dan pencucian pati aren serta limbah cair yang berasal dari pemarutan dan pengendapan tepung aren. Banyaknya limbah padat yang tidak dimanfaatkan kembali menyebabkan timbunan limbah padat yang memenuhi bantaran sungai dan daerah sekitar sawah (Firdayati dan Handajani, 2012).
Pemanfaatan limbah padat tepung aren dapat diolah menjadi biomassa sebagai sumber bahan konversi energi.
3. Pirolisis
Pirolisis adalah proses dekomposisi secara termal yang terjadi tanpa adanya oksigen. Pirolisis berpotensi sebagai metode konversi biomassa dengan pembiayaan dan pengoprasian yang sederhana (Guedes, Luna, & Torres, 2018).
Tingkat dekomposisi termal pada pirolisis dipengaruhi oleh ukuran dan jenis biomassa, konfigurasi reaktor, laju pemanasan, suhu akhir, dan adanya kotoran pada biomassa (Abbas, 2014). Produk yang dihasilkan proses pirolisis menjadi tiga kategori yaitu padatan (char, kayu torrefied, dan arang), cairan (tar, bio-oil), dan campuran gas (Shell, 2016). Detail produk hasil proses pirolisis ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Proses Pirolisis
Proses Kondisi Char
(wt%)
Liquid (wt%)
Gas (wt%) Pirolisis cepat 5000C, HHV, waktu tinggal
uap <2 detik
10 s.d.
20
60 s.d.
75
10 s.d.
20 Pirolisis vakum 4500C, LHV, waktu tingga
uap beberapa menit
20 s.d.
30
35 s.d.
45
25 s.d.
35 Pirolisis lambat 5000C, LHV, waktu tingga
uap 5-10 menit
25 s.d.
35
30 s.d.
45
25 s.d.
35 Torrefaction 3000C, LHV, waktu tinggal
uap sangat lama 70 0 30
Gasifikasi >8000C, HHV, waktu tinggal
uap sangat lama 10 5 85
Sumber: (Hugo, 2010) commit to user commit to user
Teknologi pirolisis yang paling utama dipraktikkan yaitu pirolisis cepat untuk memproduksi bio-oil dan pirolisis lambat untuk memproduksi bio-char (Yang, et al., 2014). Proses pirolisis cepat banyak diterapkan untuk biomassa berjenis residu kayu dan residu pertanian dengan hasil produksi bio-oil (Chen, et al., 2014). Karakteristik yang tidak diinginkan pada proses pirolisis adalah ketidakstabilan termal, kandungan oksigen tinggi, nilai pemanasan rendah, komponen asam, dan lain-lain sehingga membatasi pemakaian langsung sebagai bahan bakar ( Miskolczi, et al., 2011). Komposisi kimia cairan pirolisis cepat ditunjukkan pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Representatif Komposisi Kimia Cairan Pirolisis Cepat Bio-oil components Wt %
Air 20 s.d. 30
Fragment Lignin 15 s.d. 30
Aldehida 10 s.d. 20
Asam karbosilat 5 s.d. 10
Karbohidrat 2 s.d. 5
Fenol 1 s.d. 4
Furfurals 2 s.d. 5
Alkohol 2 s.d. 5
Keton 1 s.d. 5
Sumber: (Hugo, 2010)
Bio-oil dapat diproduksi dari berbagai macam biomassa dan memiliki karakteristik emisi pembakaran lebih bersih dari pada bahan bakar fosil. Nitrogen oksida yang dilepaskan pada pembakaran bio-oil 50% lebih sedikit dibanding bahan bakar fosil. Pembakaran bio-oil juga tidak menghasilkan emisi sulfoksida (Hugo, 2010). Bio-oil yang dihasilkan proses pirolisis dibagi menjadi tiga grade sebagai berikut:
a. Grade 3, memiliki banyak kandungan tar pada bio-oil dan bersifat karsinogenik. Manfaat bio-oil grade 3 dapat digunakan untuk penghilang bau pada pengolahan karet dan pengawet kayu agar tahan rayap.
b. Grade 2, berwarna kecoklatan, bersifat asam, dan aroma asap sedang. Bio-oil grade 2 dapat digunakan sebagai pengawet makanan seperti daging asap dan ikan asap.
commit to user commit to user
c. Grade 1, bersifat sedikit asam, aroma netral, dan memiliki warna bening.
Kualitas bio-oil grade 1 merupakan yang paling baik pada proses pirolisis karena tidak mengandung senyawa yang berbahaya jika diaplikasikan ke produk makanan.
Detail aplikasi bio-oil ditunjukkan pada Gambar 2.2
Gambar 2.2 Bagan Aplikasi Bio-Oil Pirolisis Sumber: (Sadaka & Boateng, 2017)
Kandungan liquid smoke hasil proses pirolisis terdiri dari produk cair (cuka kayu) dan minyak (pyrolytic oil). Proses pengolahan liquid smoke agar memiliki nilai bakar harus memisahkan cuka kayu dan pyrolytic oil. Untuk meningkatkan nilai kalor bio-oil (pyrolytic oil), dapat dilakukan dengan mencampurkan bahan aditif polar seperti etanol. Pencampuran etanol dapat menurunkan kekentalan bio-oil serta meningkatkan nilai kalor (Wibowo &
Hendra, 2015).
4. Kondensor
Kondensor adalah salah satu alat pengendali panas dengan proses perpindahan panas terjadi pada fluida kerja bertemperatur tinggi ke fluida kerja yang bertemperatur rendah dengan keadaan terpisah. Mekanisme proses perpindahan panas pada kondensor dapat terjadi secara konduksi dan secara konveksi. Perpindahan panas secara konduksi terjadi jika kalor pada fluida panas berpindah pada fluida dingin melalui perantara dinding kondensor. Perpindahan
bio-oil
heat
boiler co- firing
power
diesel engine microturbine
fuels
upgrading hydrogen via
syngas
chemicals
resin, fertilizer, flavors, adhesive, sugars, acetic
acids
commit to user commit to user
panas secara konveksi yaitu fluida panas yang memindahkan kalornya pada benda padat, yang dibentuk bersirip agar lebih mudah menyerap panas. Kondensor berfungsi untuk mengembunkan uap menjadi cairan. Kondensor sebagai alat penukar panas memiliki berbagai jenis desain. Salah satu desain kondensor yang memiliki efektifitas perpindahan panas tinggi dan biaya perancangan murah yaitu kondensor shell and tube (Jamshidi, et al., 2013).
Kondensor shell and tube memiliki desain pipa sebagai komponen utama.
Fluida mengalir didalam pipa dan fluida lainnya mengalir di luar pipa dengan kondisi terpisah. Pipa-pipa didesain sejajar berada di dalam sebuah ruang berbentuk silinder yang disebut shell. Desain shell and tube ditunjukkan pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4.
Gambar 2.3 Desain Kondensor Shell and Tube Sumber: (Brogan, 2011)commit to user commit to user
Gambar 2.3 Kondensor Shell and Tube Sumber: (Brogan, 2011)
Klasifikasi kondensor shell and tube berdasarkan arah aliran media pendingin yaitu aliran searah (cocurrent) dan aliran berlawanan arah (countercurrent) (Cengel, 2003).
1) Kondensor tipe aliran media pendingin searah (cocurrent) terjadi ketika fluida kerja yang bertemperatur rendah mengalir searah dengan fluida kerja bertemperatur tinggi, sehingga memiliki input dan output dengan arah fluida yang sama. Aliran media pendingin searah ditunjukkan pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Aliran Media Pendingin Searah Sumber: (Cengel, 2003)
2) Kondensor tipe aliran pendingin berlawanan arah (countercurrent) terjadi jika fluida kerja bertemperatur rendah mengalir berlawanan arah dengan fluida kerja bertemperatur tinggi, sehingga memiliki input dan output fluida di sisi yang berlawanan. Aliran media pendingin berlawanan arah ditunjukkan pada Gambar 2.6.
commit to user commit to user
Gambar 2.6 Aliran Media Pendingin Berlawanan Arah Sumber: (Cengel, 2003)
Perpindahan panas di dalam kondensor dapat dihitung dengan mengetahui temperatur fluida rata-rata (Logaritmic Mean Temperature Difference). Rumus perhitungan temperatur fluida rata-rata ditunjukkan pada persamaan 2.1 (Kay &
Nedderman, 1985):
LMTD = ... (2.1) Keterangan :
Th = Suhu minyak masuk (oC) Tho = Suhu minyak keluar (oC) Tci = Suhu air masuk (oC) Tco = Suhu air keluar (oC)
Laju aliran panas dapat dihitung dengan persamaan 2.2 sebagai berikut (Cengel, 2003):
= cCpc(Tco-Tci) ... (2.2) Keterangan :
= Laju perpindahan panas menyeluruh (Watt) ṁc = Laju aliran massa air (kg/s)
Cpc = Panas spesifik air (kJ/kgoC)
Laju aliran panas total dengan asumsi nilai kapasitas spesifik (Cpc) fluida dingin dan panas konstan, serta keadaan stady dapat dihitung dengan persamaan 2.3 (Mafrudin, Dharma & Nuryanto, 2017):
= U A Lm... (2.3) commit to user
commit to user
Keterangan :
= Laju perpindahan panas menyeluruh (Watt)
U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2.oC) A = Luas permukaan perpindahan panas (m2)
Lm = Temperatur rata-rata (oC)
Tipe kondensor yang digunakan pada proses pirolisis saat ini adalah helical coil tube. Helical coil tube memiliki efektifitas tinggi sebagai penukar kalor proses pirolisis dengan daerah transfer panas yang besar pada sistem kecil.
Bentuk pipa melingkar memberikan efek aliran sentrifugal pada fluida di dalam pipa. Nilai koefisien perpindahan panas pada helical coil tube meningkat dengan semakin kecilnya jarak pitch, karena semakin kecil pitch maka rasio luas permukaan tube terhadap volume shell semakin meningkat. Pressure drop yang terjadi pada helical coil tube lebih besar dibandingkan dengan pipa kondensor lurus (Wibowo & Samsul, 2010).
Gambar 2.7 Helical Coil Tube Sumber: (Jamshidi et al., 2013)
commit to user commit to user
B. Kerangka Berpikir
Sumber energi fosil yang tidak dapat diperbarui semakin berkurang tiap waktu, dikarenakan kebutuhan energi fosil dunia yang terus meningkat sedangkan persediaan energi fosil terbatas. Untuk memenuhi kebutuhan energi fosil yang terus meningkat, diperlukan sumber energi alternatif pengganti energi fosil. Proses pirolisis merupakan salah satu cara untuk memperoleh energi alternatif menggunakan sumber energi yang dapat diperbarui sebagai pengganti energi fosil.
Salah satu energi alternatif yang dihasilkan proses pirolisis adalah liquid smoke.
Dalam proses pirolisis, untuk menghasilkan liquid smoke sebagai sumber energi alternatif memerlukan efektifitas kondensor yang baik agar dapat mengubah uap menjadi cairan secara maksimal. Sistem kondensor helical coil dirancang agar memiliki bidang konduksi yang baik antar fluida uap dengan fluida pendingin, sehingga proses perpindahan panas yang terjadi semakin efektif.
Bentuk heliks dari pipa berfungsi memperlambat aliran uap secara alami, sehingga dapat menimbulkan efek perpindahan panas dengan maksimal. Besaran diameter heliks sangat berpengaruh terhadap perpindahan panas yang terjadi.
Desain pipa heliks dengan perencanaan diameter heliks yang tepat dinilai akan mempengaruhi perpindahan panas dan liquid smoke yang dihasilkan. Selain dengan perencanaan diameter heliks yang tepat, dengan penggunaan arah aliran pendingin yang tepat juga dinilai akan mempengaruhi performa dari helical coil tube.
Penelitian ini memodifikasi helical coil tube dengan variasi diameter coil 70mm, 90mm dan 110mm, selain dengan variasi diameter juga dilakukan pengembangan variasi pada arah aliran pendingin yaitu, searah dan berlawanan arah terhadap fluida uap. Data hasil penelitian ini kemudian digunakan untuk menganalisis performa helical coil tube pada masing-masing variasi, sehingga didapatkan desain helical coil tube yang menghasilkan liquid smoke paling optimal. Hasil pengujian kemudian dianalisis dan dibandingkan antar variasi yang selanjutnya dapat ditarik kesimpulan.
commit to user commit to user
Gambar 2.8 Kerangka Berpikir
C. Hipotesis
Berdasarkan rumusan masalah dan kerangka berpikir yang telah dipaparkan, maka hipotesis yang dapat diambil dari penelitian ini adalah:
1. Diameter coil berpengaruh terhadap kuantitas liquid smoke yang dihasilkan proses pirolisis
2. Variasi arah aliran pendingin dapat berpengaruh terhadap kecepatan kondensasi uap yang dihasilkan proses pirolisis
Analisis hasil pengujian kuantitas liquid smoke Variasi diameter
pipa heliks Ø70 mm Ø90 mm Ø110 mm
Variasi arah Aliran Pendingin
Searah
Berlawanan arah
Kebutuhan energi fosil semakin meningkat
Mengembangkan alat pirolisis untuk menghasilkan energi alternatif
Efektivitas kondensor helical coil tube
commit to user commit to user
