DIKLAT TEKNOLOGI BIOETANOL BAGI GURU SMK
BAHAN AJAR SISWA
REKAYASA PERALATAN BIOETANOL
Disusun oleh: Niamul Huda, ST., M.Pd Didi Kurniadi, S.Pd., M.Pd
Didukungi oleh:
TEACHING BIOMASS TECHNOLOGIES AT MEDIUM TECHNICAL SCHOOLS Dikembangkan oleh: ETC Foundation the Netherlands
Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan Pusat Pengembangan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Bidang Mesin dan Teknik Industri/ TEDC Bandung Desember 2013
i
KATA PENGANTAR
Modul ini dimaksudkan untuk memandu peserta pendidikan dan pelatihan kompetensi untuk melaksanakan tugas kegiatan belajar di tempat diklat ataupun di tempat masing-masing. Dengan demikian diharapkan setiap peserta diklat akan berusaha untuk melatih diri memecahkan berbagai persoalan sesuai dengan tuntutan kompetensi yang akan dipilih. Di dalam buku modul ini diberikan kegiatan belajar, tugas- tugas dan tes formatif dimana seluruh kegiatan tersebut diharapkan dikerjakan/dilakukan secara mandiri/kelompok oleh setiap peserta diklat untuk melatih kemampuan dirinya dalam memecahkan berbagai persoalan Dalam pelaksanaanya seluruh kegiatan dilakukan oleh setiap peserta/siswa dengan arahan Pembimbing/Instruktur yang ditugaskan, dan pada akhir diklat seluruh materi dari modul ini akan diujikan secara mandiri untuk memenuhi tuntutan kompetensi dan standar pekerjaan/perusahaan. Materi pembelajaran atau bahan dari modul dan tugas-tugas ini diambil dari beberapa buku referensi yang dipilih dan juga buku referensi tersebut sebagai bahan bacaan yang dianjurkan untuk memperkaya penguasaan kompetensi peserta diklat. Diharapkan setiap peserta pelatihan setelah mempelajari dan melaksanakan semua petunjuk dari modul ini secara tuntas, akan mempunyai kompetensi sesuai dengan tuntutan pekerjaan sebagai tenaga pelaksana pemeliharaan Teknik Energi Terbarukan.
Bandung, Maret 2014 Kepala PPPPTK BMTI,
Dr. Dedy H. Karwan, MM NIP. 19560930 198103 1 003
i
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR
........................................................................... i
DAFTAR ISI ................................................................................................ ii DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... iv PETUNJUK PENGGUNAAN BAHAN AJAR SISWA
BAB I PENDAHULUAN
............................... v
..................................................................................... 1
A. Latar Belakang ..................................................................................... 1 B. Deskripsi Bahan ajar siswa
............................................................... 1
C. Tujuan Pembelajaran .......................................................................... 1 D. Materi Pokok dan Sub Materi Pokok .................................................... 2
BAB II KEGIATAN PEMBELAJARAN
............................................................... 3
A. PROSES BIOETANOL ........................................................................ 3 1. Deskripsi Materi
............................................................................. 3
2. Indikator Keberhasilan
................................................................ 3
3. Uraian Materi dan Contoh Soal/ Penugasan....................................... 3 4. Latihan Soal dan Penugasan............................................................ 11 5. Rangkuman ..................................................................................... 12 6. Evaluasi Materi Pokok
............................................................... 12
7. Umpan Balik dan Tindak Lanjut
.................................................... 12
B. REKAYASA DAN FUNGSI PERALATAN BIOETANOL ...................... 13 1. Deskripsi Materia............................................................................... 13 2. Indikator Keberhasilan
.............................................................. 13
3. Uraian dan contoh Soal/ Penugasan................................................. 13 4. Latihan Soal dan penugasan ............................................................ 50 5. Rangkuman ...................................................................................... 51 6. Evaluasi Materi Pokok
................................................................ 52
7. Umpan Balik dan Tindak Lanjut
..................................................... 52
C. ALAT UKUR UJI BIOETANOL ............................................................. 53 1. Deskripsi Materi
............................................................................ 53
2. Indikator Keberhasilan
................................................................. 53
3. Uraian dan contoh Soal/ penugasan................................................... 53 4. Latihan Soal dan penugasan............................................................... 57 i
5. Rangkuman ................................................................................... 58 6. Evaluasi Materi Pokok
............................................................. 59
7. Umpan Balik dan Tindak Lanjut
................................................... 59
D. PERALATAN PEMANFAATAN BIOETANOL .................................... 60 1. Deskrispi Materi
........................................................................ 60
2. Indikator Keberhasilan
............................................................. 60
3. Uraian dan contoh Soal dan Penugasan ........................................ 60 4. Latihan Soal dan penugasan........................................................... 65 5. Rangkuman ................................................................................... 67 6. Evaluasi Materi Pokok
............................................................. 67
7. Umpan Balik dan Tindak Lanjut
DAFTAR PUSTAKA
................................................. 68
....................................................................... 70
ii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 3.1. Prinsip kerja GC Gambar 3.2. Prinsip kerja HPLC Gambar 3.3. Proses pencampuran enzym Gambar 3.4. Skala pada alkohol meter Gambar 3.5. Mengukur kadar bioetanol Gambar 4.1. Panci catering Gambar 4.2. Kompor langsung tabung bioetanol Gambar 4.3. Kompor tabung bioetanol terpisah Gambar 4.4. Kompor bioetanol generasi 2 Gambar 4.5. Lidah api kompor bioetanol generasi 2 Gambar 4.6. Bioetanol sebagai bahan bakar minyak Gambar 4.7. Zeolit Gambar 4.8. Bioetanol direndam dengan zeolit Gambar 4.9. Sterilisasi peralatan kesehatan Gambar 4.10. Alat kesehatan dan sterilisasi
iii
PETUNJUK PENGGUNAAN BAHAN AJAR SISWA
1. Baca semua isi dan petunjuk pembelajaran bahan ajar siswa mulai halaman judul hingga akhir bahan ajar siswa ini. Ikuti semua petunjuk pembelajaran yang harus diikuti pada setiap Kegiatan Belajar 2. Belajar dan bekerjalah dengan penuh tanggung jawab dan sepenuh hati, baik secara kelompok maupun individual sesuai dengan tugas yang diberikan. 3. Kerjakan semua tugas yang diberikan dan kumpulkan sebanyak mungkin informasi yang dibutuhkan untuk meningkatkan pemahaman Anda terhadap bahan ajar siswa ini. 4. Jagalah keselamatan dan keamanan kerja serta peralatan baik di kelas, laboratorium maupun di lapangan. 5. Kompetensi yang dipelajari di dalam bahan ajar siswa ini merupakan kompetensi minimal. Oleh karena itu disarankan siswa mampu belajar lebih optimal. 6. Laporkan semua pengelamana belajar yang diperoleh baik tertulis maupun lisan sesuai dengan tugas setiap bahan ajar siswa.
iv
BAB I
A. Latar Belakang Sejak tahun 2005 pemerintah mulai memfokuskan lebih sistematis pada energi terbarukan. Aplikasi energi terbarukan di Indonesia saat ini berlangsung di bidang tenaga air, energi panas bumi, bio-energi, energi angin, energi surya, dan energi pasang surut. Dalam Cetak Biru Pengelolaan Energi Nasional 2005-2025 (2005) menunjukkan bahwa ada pemanfaatan yang belum jelas dari sumber energi terbarukan: kapasitas terpasang hanya sebagian kecil dari potensi sumber energi terbarukan yang berbeda. Untuk Micro Hydro Power (MHP) ini adalah 18%, tetapi untuk energi terbarukan lain bahkan jauh lebih rendah, Untuk aplikasi biomassa ini hanya 0,6%.UU Energi Nomor 30 Tahun 2007 merupakan dasar hukum energi kebijakan pasokan Indonesia untuk melayani kebutuhan energi nasional, prioritas kebijakan pengembangan energi, kebijakan pemanfaatan sumber daya energi nasional dan saham energi nasional. Hukum menyatakan bahwa setiap warga negara Indonesia memiliki hak untuk mengakses sumber-sumber energi modern. Dalam Visi Energi 25/25 arah kebijakan energi nasional diuraikan. Kebijakan ini bertujuan untuk meningkatkan pemanfaatan energi terbarukan menjadi 25% dari total pasokan energi pada tahun 2025. Visi menunjukkan pergeseran dari konsentrasi pada pasokan energi fosil ke energi terbarukan, setidaknya di mana harga biaya energi fosil yang lebih tinggi.
B. Deskripsi Bahan ajar siswa Bahan ajar siswa ini membahas tentang proses bioetanol, rekayasa dan fungsi peralatan bioetanol, alat ukur bioetanol dan peralatan pemanfaatan bioetanol.
C. Tujuan Pembelajaran Setelah mempelajari bahan ajar siswa ini diharapkan peserta mampu : o Menjelaskan pengertian bioetanol dan pemanfaatannya. o Menjelaskan cara pembuatan bioetanol beserta bahan yang diperlukan. o Menjelaskan proses bioetanol dari bahan baku singkong beserta peralatan yang diperlukan untuk proses tersebut. o Mendeskripsikan pengertian pengukuran bioetanol. o Mendeskripsikan cara pengukuran bioetanol 1
o Menyebutkan alat pengukuran bioetanol o Mengukur kadar bioetanol o Mendeskripsikan macam-macam peralatan pemanfaatan bioetanol o Mendeskripsikan cara kerja peralatan bioetanol o Membuat salah satu peralatan pemanfaatan bioetanol
D. Materi Pokok dan Sub Materi Pokok Proses Bioetanol o Pengertian Bioetanol o Sifat-sifat bioetanol o Pembuatan alkohol o Proses produksi bioetanol dari bahan baku singkong Rekayasa dan fungsi Peralatan Bioetanol o Alat Ukur Uji Bioetanol o Analisis dengan GC (Gas Chromatography) o HPLC (High Performance Liquid Chromatography) o Metode enzym o Hydrometer Peralatan Pemanfaatan bioetanol o Kompor bioetanol o Bahan bakar bioetanol o Pemeliharaan peralatan kesehatan
2
BAB II
A. PROSES BIOETANOL 1. Deskripsi materi. Proses bioetanol membahas tentang pengertian bioetanol, sifat-sifat bioetanol, cara pembuatan bioetanol dan proses pembuatan bioetanol dari bahan baku singkong. 2. Indikator keberhasilan Setelah mempelajari bahan ajar siswa ini peserta mampu : 2.1. Menjelaskan pengertian bioetanol dan pemanfaatanya. 2.2. Menjelaskan cara pembuatan bioetanol beserta bahan yang diperlukan. 2.3. Menjelaskan proses bioetanol dari bahan baku singkong beserta peralatan yang diperlukan untuk proses tersebut.
3. Uraian, contoh soal dan penugasan 3.1. Pengertian Bioetanol Bioetanol / 'etanol' / Etil Alkohol
adalah alkohol yang dibuat dengan fermentasi
gula, pati atau komponen bahan tanaman lain dengan menggunakan seperti ragi Saccharomyces cerevisiae Alkohol merupakan senyawa organik yang mengandung gugus hidroksida (-OH) dan mempunyai rumus umum CnH2n+1OH. Dalam bidang industri, alkohol lebih dikenal dengan nama etanol atau etil alkohol dengan rumus kimia C2H5OH. Etanol termasuk alkohol primer yaitu alkohol yang gugus hidroksidanya terikat pada atom karbon primer. Dalam perdagangan, alkohol murni umumnya mengandung 95% C2H5OH dan 5% H2O yang dikenal dengan nama alkohol mutlak. Sedangkan untuk memperoleh alkohol dengan kandungan etanol 100%, air dapat diikat dengan CaO atau dengan penyulingan “azeotrop”.
3.2. Sifat-sifat bioetanol Bioetanol mempunyai sifat fisik dan sifat kimia sebagai berikut: 3.2.1. Bioetanol mempunyai sifat fisik : Mudah menguap Mudah terbakar, jika terbakar menimbulkan api biru tanpa jelaga 3
Berbau spesifik (khas) Cairannya tidak berwarna (jernih) Larut dalam air, metal alkohol, eter, kloroform dan aseton Tidak korosif Sebagai pelarut organik yang baik Mempunyai titik didih 78,4°C Mempunyai titik beku – 11,25°C
3.2.2. Bioetanol mempunyai sifat kimia : Alkohol bereaksi dengan asam karboksilat pada temperatur 140oC membentuk ester.
Alkohol direaksikan dengan logam Na menghasilkan senyawa-senyawa natrium alkanoat
4
Reaksi oksidasi
3.3. Pembuatan alkohol Cara pembuatan alkohol ada dua macam, yaitu 3.3.1.Cara Sintetis Pembuatan alkohol dengan cara sintetis yaitu dengan melakukan reaksi kimia elementer (reaksi adisi dan pergantian). Reaksi Grignard Reaksi Grignard memberikan cara yang sangat baik untuk membuat alkohol yang berkerangka karbon rumit. Suatu Reaksi Grignard : a) Dengan formaldehida menghasilkan suatu alkohol primer.
5
b) Dengan aldehida lain menghasilkan suatu alkohol sekunder.
c) Dengan keton menghasilkan suatu alkohol tersier.
Reduksi Senyawa Karbonil
Alkohol dapat dibuat dari senyawa karbonil dengan reaksi reduksi, dimana atom-atom hidrogen ditambahkan kepada gugus karbonilnya. Misalnya, reduksi suatu keton dengan hidrogenasi katalitik atau dengan suatu hidrida
6
logam
menghasilkan
suatu
alkohol
sekunder.
Rendemen
seringkali
90-100 persen. O
OH NaBH2
CH3CCH3
CH3CHCH3 H2O, H+
Aseton
2-propanol
Hidrasi Alkena
Bila suatu alkena diolah dengan air dan suatu asam kuat yang berperan sebagai katalis, unsur-unsur H+ dan OH- mengadisi ikatan rangkap dalam suatu reaksi hidrasi. Produknya adalah alkohol. Banyak alkohol, seperti ethanol laboratorium dibuat secara komersial oleh hidrasi alkena. CH2
CH2 + H2O
Etilena
H+
CH3 CH2 OH
Air
Etanol
3.3.2. Cara Fermentasi Pembuatan alkohol dengan cara fermentasi yaitu dengan bantuan aktivitas mikroba (merupakan cara konvensional yang sampai sekarang masih banyak dilakukan). Proses fermentasi yang penting dan banyak dikembangkan dalam industri adalah pembuatan etil alkohol (etanol) dengan menggunakan bahan yeast. Yeast yang digunakan dalam industri alkohol adalah Saccaromyces Cereviceae. Yeast ini bersifat anaerob. Yeast dalam pembuatan etanol berperan sebagai penghasil enzim yang merupakan biokatalisator (katalis organik) yang mengubah gula menjadi alkohol. Jenis bahan yang digunakan dalam pembuatan alkohol secara fermentasi dapat dibagi menjadi tiga golongan, yaitu : a. Bahan yang mengandung sakarosa atau sukrosa Contoh bahan yang mengandung sakarosa atau sukrosa diantaranya adalah gula tebu, gula bibit, air sari buah, tetes. b. Bahan yang mengandung pati atau amilum Contoh bahan yang mengandung pati atau amilum diantaranya adalah singkong,jagung, beras, gandum, kentang, pati. c. Bahan yang mengandung selulosa Contoh bahan yang mengandung selulosa diantaranya adalah kayu.
7
3.3.2.1. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Proses Fermentasi Faktor – faktor yang mempengaruhi proses fermentasi antara lain adalah sebagai berikut : a. Kadar gula Hampir semua strain yeast dapat memfermentasikan glukosa, fruktosa, sukrosa dan galaktosa. Kadar gula yang tepat akan meningkatkan efisiensi fermentasi dimana kadar optimal untuk fermentasi yaitu 12-18%. Apabila kadar gula terlalu pekat akan berakibat kurang baik terhadap pertumbuhan yeast yang dalam hal ini juga akan mempengaruhi aktvitas enzim. Pada konsentrasi substrat (gula) yang tinggi maka laju reaksinya akan lebih kecil. Gula yang pekat tersebut dapat menghambat laju konversi menjadi produk etanol. Dalam hal ini aktivitas enzimatik menurun pada konsetrasi yang tinggi dan cenderung membentuk sisa gula yang tidak terpakai, disamping itu waktu fermentasinya juga lebih lama. Begitu juga sebaliknya, apabila kadar gula rendah ( dibawah kadar optimum ) maka kecepatan reaksi dan jumlah yeast tidak sesuai dengan kadar gula yang terdapat dalam media tersebut. b. Suhu Suhu mempengaruhi proses fermentasi melalui 2 (dua) hal, yaitu : - Secara langsung mempengaruhi aktivitas enzim. - Secara tidak langsung mempengaruhi hasil alkohol karena adanya penguapan. Aktivitas yeast akan optimum pada suhu 19–24oC, dimana pada suhu tersebut yeast terbentuk dalam jumlah yang banyak (fase logaritmik) dan dapat beraktivitas secara optimal. Selama fermentasi temperatur akan terus meningkat. Oleh karena itu penggunaan sistem pendinginan sangat diperlukan untuk menstabilkan temperatur. Jika temperatur diatas 27 oC, etanol akan cepat menguap dan pertumbuhan bakteri akan tumbuh dengan suburnya. Temperatur optimal pertumbuhan bakteri adalah pada suhu 30–40 oC.
c. Tekanan Tekanan sangat mempengaruhi proses fermentasi. Jika tekanan terlalu tinggi maka enzim akan mengalami denaturasi, sehingga yeast tidak aktif dan proses fermentasi akan terhambat. Dalam hal ini jika tekanan terlalu tinggi maka akan terjadi water activity, dimana bakteri akan tumbuh dengan optimal 8
dan proses fermentasi akan mengalami kegagalan karena konsentrasi etanol yang dihasilkan akan sangat rendah sekali atau bahkan tidak akan terbentuk etanol sama sekali atau dengan kata lain hanya menghasilkan air 100 persen. d. pH pH optimum untuk fermentasi adalah 4,5–5,5 dimana pada pH ini pertumbuhan bakteri dapat dihambat. Pada umumnya mikrobia dapat tumbuh pada pH 3–4. Tetapi untuk bakteri, pH optimumnya adalah pada pH 6,5–7,5. Di luar range tersebut bakteri tidak dapat tumbuh dengan baik. Yeast dapat hidup pada pH 2,5–8,5, tetapi pada proses fermentasi ini karena yang diinginkan adalah aktivitas dari yeast maka pH optimum untuk fermentasi adalah 4,5–5,5. Hal ini dimaksudkan agar aktivitas yeast tidak terganggu atau bersaing dengan aktivitas bakteri. e. Nutrisi ( unsur hara ) Umumnya yeast memerlukan unsur C, H, O, N, P, K, Mg dan Ca dalam jumlah yang cukup besar. Sedangkan unsur lain seperti Fe dan Cu dibutuhkan dalam jumlah yang kecil.
3.4.
Proses produksi bioetanol dari bahan baku singkong.
3.4.1. Penghancur singkong Penghancuran singkong melalui beberapa tahap, yaitu : Pengupasan, Pemarutan, Pencampuran dengan air Penyaringan singkong yang menghasilakan santan singkong. 3.4.2. Cooking (perebusan) Adalah proses merebus bubur pati guna menguraikan zat pati dengan zat gula dengan batuan enzim alpha-amilase 3.4.3. Sakarifikasi Adalah proses perebusan dengan menggunakan enzim gluko-amilase yang berfungsi memperbanyak zat gula yang ada
9
3.4.4. Fermentasi Fermentasi adalah suatu proses biologis dimana gula (glukosa, fruktosa dan sukrosa) diolah (tanpa oksigen atau tertutup rapat) menjadi energi seluler yang menghasilkan etanol dan karbon dioksida
3.4.5. Penyulingan Yang dimaksud penyulingan disini adalah, merebus bahan baku sampai titik didih tertentu, sehingga menghasilkan uap, dimana uap tersebut kemudian dialirkan ke tabung penyaring dan kemudian ke tabung pendingin yang akan mengubah uap tadi menjadi cairan berupa alkohol.
3.4.6.
Alat destilasi (penyuling).
Desain alat yang baik dan benar akan menentukan keberhasilan serta mutu yang baik dari etanol yang dihasilkan.
3.4.7. Presisi dan akurasi Setiap prosedur harus dijalankan
dengan baik dan benar. Ketepatan
pengukuran dan akurasi peralatan akan mempengaruhi hasil maksimal.
Bahan baku penghancur
Sakarifikas i
Distilasi
Fermentasi
singkong
Bioetanol
glukosa
Preparasi (Penambahan Bahan bantu)
Proses pembuatan bioetanol menggunakan bahan baku singkong
10
4.
Latihan Soal dan Penugasan 4.1. Bioetanol dapat mencapai 100% kandungan etanol dengan proses .... a. Destilasi 3 kali b. Azeotrop dengan CaO c. Sakarifikasi dengan Enzym d. Fermentasi tanpa oksigin 4.2. Bioetanol mempunyai sifat fisik yaitu: a. Mudah menguap, mudah terbakar, berbau spesifik b. Berwarna jernih, korosif, titik beku -11,25°C c. Pelarut organik yang baik, larut dalam air, titik didih 93°C d. Mudah menguap, korosif, titik didih 93°C 4.3. Alkohol mempunyai titik didih sebesar: a. 74,5°C b. 78,4°C c. 93°C d. 98°C 4.4. Faktor-faktor yang mempengaruhi proses fermentasi adalah : a. Kadar gula, cahaya, tekanan, pH, Nutrisi b. Kadar gula, cahaya, vakum, pH, Nutrisi c. Kadar gula, suhu, vakum, pH, Nutrisi d. Kadar gula, suhu, tekanan, pH, Nutrisi
4.5. Alat destilasi merupakan proses penyulingan yang bertujuan untuk... a. Penguapan dan pengembunan air hasil fermentasi b. Penguapan dan pengembunan etanol hasil fermentasi c. Penguapan dan pengembunan air dan etanol hasil fermentasi d. Memisahkan etanol dengan air hasil fermentasi 11
Penugasan: Coba anda analisa : 1.Proses fermentasi yang menghasilkan kadar etanol kurang dari 5 %, apa penyebab utamanya? 2. Hasil proses destilasi jika temperatur dibawah atau diatas titik didih etanol?
5. Rangkuman Bioetanol / 'etanol' / Etil Alkohol
adalah alkohol yang dibuat dengan fermentasi
gula, pati atau komponen bahan tanaman lain dengan menggunakan seperti ragi Saccharomyces cerevisiae Bioetanol mempunyai sifat fisik: mudah menguap, mudah terbakar, jika terbakar menimbulkan api biru tanpa jelaga, berbau spesifik (khas), cairannya tidak berwarna (jernih), larut dalam air, metal alkohol, eter, kloroform dan aseton, tidak korosif, sebagai pelarut organik yang baik, mempunyai titik didih 78,4°C, mempunyai titik beku – 11,25°C. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Proses Fermentasi adalah kadar gula, suhu, tekanan, pH, Nutrisi. Proses produksi bioetanol dari bahan baku zat pati (singkong) : penghancuran singkong, perebusan, sakarifikasi, fermentasi, penyulingan, azeotrop.
6. Evaluasi Materi Pokok 6.1. Jelaskan proses pembuatan bioetanol dengan bahan baku singkong dengan singkat dan berurutan! 6.2. Sebutkan peralatan yang digunakan dalam proses pembuatan bioetanol dengan bahan baku singkong. 6.3. Jelaskan komponen utama alat destilasi bioetanol beserta cara kerjanya.
7. Umpan Balik dan Tindak Lanjut Setelah anda mengerjakan latihan, tugas dan evaluasi dengan hasil : Ada yang salah maka silahkan mempelajari ulang bab ini Dan jika semua sudah benar silahkan meneruskan ke bab selanjutnya
12
B. REKAYASA DAN FUNGSI PERALATAN BIOETANOL 1. Deskripsi Materi Rekayasa dan fungsi peralatan bioetanol membahas tentang desain dan fungsi proses peralatan bioetanol. 2. Indikator Keberhasilan Setelah mempelajari bahan ajar siswa ini peserta mampu : 2.1 Mendeskripsikan jenis-jenis peralatan bioetanol 2.2 Mendeskripsikan fungsi , proses dan cara kerja peralatan bioetanol 2.3 Mendeskripsikan desain peralatan proses produksi bioetanol 3. Uraian dan contoh Soal/ penugasan Setelah semua aspek yang berkaitan dengan proses pengolahan bioetanol dibahas secara rinci maka selanjutnya dibahas mengenai apa dan bagaimana desain peralatan yang dibutuhkan untuk mendapatkan hasil cairan bioetanol dengan kualitas yang baik berdasarkan tahapan proses tertentu yang diolah melalui sistem rekayasa peralatan/teknologi. Pada prinsipnya peralatan bioetanol adalah penggabungan antara metode fermentasi, yaitu memanfaatkan mikroorganisme untuk mengubah bahan baku berzat pati menjadi glokosa atau berzat gula dengan metode penyulingan (destilasi), yaitu memisahkan kadar air dengan kadar alkoholnya. Penggabungan kedua metode tersebut menjadi prinsip dasar proses dan cara kerja peralatan yang dapat menghasilkan bioetanol, yang di desain dengan konstruksi bentuk sesuai dengan sifat alamiah bahan bakunya. Walaupun dengan menggunakan peralatan dan bahan sederhana, apabila cara kerja dari alat tersebut sudah benar dengan melalui proses (treatment) yang tepat, maka bioetanol yang dihasilkanpun akan memiliki kualitas yang baik. Proses produksi bioetanol yang lebih banyak dibahas pada kegiatan belajar ini adalah “batch process” pada sakala Usaha Kecil Menengah (UKM) yang akan berbeda dengan proses “Continuous process” pada skala produksi yang lebih besar (industry). Walaupun dengan peralatan sederhana, bioetanol dapat diproses. Namun ada beberapa persiapan yang harus dilakukan untuk mendapatkan hasil yang maksimal. Sebagai tahap awal adalah pengelompokan jenis-jenis alat yang akan digunakan (bahan baku berzat pati) sebagai berikut : 13
1. Jenis alat yang digunakan a. Alat pemanasan, yaitu alat yang akan digunakan selama proses persiapan sampai dengan pemanasan atau pemasakan bahan baku.
Alat persiapan berupa alat pengupas dan parutan singkong, pemerasan dan penyaringan. Untuk bahan baku Nenas dilakukan proses pemerasan dan penyaringan. Tujuan Proses : Mengupas, memarut singkong yang telah dibersihkan selanjutnya diakukan pemerasan dan penyaringan. Proses: Sejumlah singkong yang telah dibersihkan, dikupas kulit luar, kulit arinya serta dicuci bersih (rasio berat singkong bruto berbanding liter bioetanol sekitar 7 kg : 1 Liter) kemudian diparut dan hasil parutan ditambah air tawar (liter) sebanding 100 % x berat bruto (kg). Jumlah tersebut ditampung terlebih dahulu di dalam receiver drum plastic (kapasitas 60/125/200 lt) serta diaduk secara merata, setelah dilakukan proses pemerasan dan penyaringan. Kemudian sebelum dituangkan ke dalam cooking drum dilakukan penakaran kapasitas bubur singkong. Desain peralatan proses persiapan : Berikut ini gambar perlatan proses kupas dan cuci, mulai dari pisau pengupas, dan bak penampung hasil singkong yang telah dikupas dan penampung singkong yang telah dicuci, yang kemudian dipotong-potong disesuaikan dengan bak mesin pemarut. Sebelum diparut/dicacah sebaiknya singkong yang sudah bersih ditimbang terlebih dahulu, untuk mengetahui berat singkong sebagai bahan estimasi untuk produk etanol yang dihasilkan. Alat pemarut didesain dengan kapasitas 200 kg/jam dengan motor lstrik AC 1 HP (746 Watt), 110/220 V, 7,3 A, 1500 rpm, atau disesuaikan dengan kapasitas daya listrik terpasang. Dengan dimensi 500 mm x 400 mm x (800 – 1500 mm). Dilengkapi dengan timbangan.
14
(a)
(b)
(c)
15
(d)
(e)
(f)
(g)
Gb. 2.1 (a) Peralatan proses kupas dan cuci, (b) pisau pengupas (c) peralatan parut, (d) peralatan penyaring, (e) alat penakar (f) drum plastic (g) timbangan
Alat Hydrolisis berupa drum besi dilengkapi dengan temperature gauge 3” dengan batas ukur 1500C, kompor, pompa/saluran untuk memindahkan cairan panas, dan alat pengaduk. Alat hydrolysis ini dapat di desain secara tersistem dan otomatis sesuai dengan fungsi dan prinsip kerjanya, yaitu :
16
Tujuan Proses & Fungsi Alat : a.
Tujuan Proses, Pemecahan zat pati dan zat gula.
b.
Fungsi
alat,
Memanaskan
cairan
dipertahankan
pada
temperatur tertentu dan diaduk terus menerus. Proses : Bubur singkong kita pindahkan ke cooking drum (menggunakan pompa). Kemudian masukan enzyme Alpha Amilase sambil terus diaduk rata dan dipanaskan sampai 90 0C lalu dipertahankan pada suhu ini selama 30 menit. Setelah proses hydrolysis ini selesai, pindahkan cairan panas tersebut ke dalam Sacharifator drum guna proses selanjutnya. Contoh
: Berat singkong setelah ditimbang 35 kg, untuk proses
hydrolysis, berapakah jumlah Enzyme Alpha Amilase yang harus dicampurkan?. Jumlahnya sebanyak 0,03% x berat singkong = 0,03% x 35 kg = 10,5 gram.
Desain peralatan proses Hydrolisis :
(a)
(b)
(c)
Gb. 2.2 (a) dan (b) Hydrolisis Cooking drum kapasitas 60 liter (dilengkapi alat pengaduk dan manometer gauge), (c) kompor Berdasarkan peralatan proses Hydrolisis di atas terdapat beberapa peralatan dan material sebagai berikut: (1). material cooking drum terbuat dari bahan baja stainless (stainless Steel) dengan titik lebur 1500 s.d. 17000C
dan tidak
17
mudah korosi, memiliki kekerasan dan ketahanan aus. Kapasitas drum yang dibuat harus disesuaikan dengan kapasitas dan rasio produksi bioetanol. Agar tidak ada cairan yang terbuang saat proses bioetanol sebaiknya isikan cairan ke dalam drum sesuai dengan ketentuan perbandingan isi/kapasitas tempat, isikan cairan kurang lebih 80 s.d. 85 % kapasitas drum agar selama pemanasan cairan tidak meluap dan terbuang. (2) alat pengaduk otomatis yang digerakan dengan menggunakan motor listrik. Terdapat dua jenis pilihan yaitu : motor listrik AC dan DC. Berapakah kapasitas dayanya ?, kecepatan putarannya (rpm)..? ini juga harus menjadi pertimbangan efisiensi pemakaian daya. Pada desain peralatan yang telah dibuat digunakan motor induksi ½ HP untuk putaran 750 rpm s.d. 1500 rpm. Dengan alasan motor induksi memiliki efisiensi daya tinggi dan perawatan lebih mudah. Dianjurkan adanya pengaturan speed motor pengaduk. Cairan yang semakin pekat speed motor harus berkurang. Contoh : Motor induksi 3 Fasa sebesar. P= 155 Watt, Slip = 2,25%, I0= 160 mA, P0= 100/98 Watt, I1= 300 mA, U=380 V, Cos Ø1=0,85, cos Ø0=0,74 Hitung Daya masuk (Pin). Dan daya keluaran motor bersih (BHP). R1 = 253 ohm (diukur langsung). Ns=2800, nr= 2790. Jawab: A. Daya masuk (Pin) 𝑃𝑖𝑛 = √3 𝑈. 𝐼1 𝐶𝑜𝑠 Ø = √3 .380. (0,3).0,85= 167 Watt. Rugi daya inti pada saat tanpa beban (P0) 𝑃0 = √3 𝑈. 𝐼0 𝐶𝑜𝑠 Ø0 = √3 .380. (0,16).0,74= 77,9 Watt
Rugi daya lilitan stator (Prcu) Prcu = I12 R = 0,32. 253 = 22,77 Watt Daya keluar Stator (P0s) = Daya masuk – rugi daya stator total = 167 W – 100,67 W = 66,33 W Daya keluar motor kotor (P0k) = (1 – S). P = (1 – 0,025). 66,33 W = 67,4 Watt
18
B. Daya Bersih motor (BHP) POB= Pok - Pt= 67,4 Watt Pt= 0 (Tidak perlu pendinginan dengan kipas karena motornya kecil). Jadi energy yang diserap selama 60 menit (1 jam) E = P x t = 67,4 Watt x 1 jam = 67,4 Watt.jam (3). Thermometer gauge dengan batas ukur 1500C (range 0 – 150). Thermometer gauge dipasang dengan socket stainless steel diameter ½ “ pada titik tengah dari tinggi drum. Fungsinya untuk memonitor panas bubur singkong agar tidak melebihi panas yang ditentukan. (4). Kompor gas/tungku Tungku dengan dimensi disesuaikan dengan dasar drum (diameter dan ketinggian kaki penyangga drum). Apabila bioetanol telah diproduksi, maka penggunaan kompor LPG dapat diganti dengan kompor bioetanol. (5). Heat Exchanger (6). Pompa manual atau Pipa saluran outlet dan control valve (man atau auto) untuk mengalirkan cairan ke proses selanjutnya (Proses Sacharifator). Dapat dipasang sebuah kran (valve) dari bahan anti karat stainless steel atau kuningan .
Desain proses Hydrolisis secara semi otomatis : 1. Masukan bubur singkong (80 % kapasitas drum) ke dalam cooking drum. 2. Kompor menyala dan alat pengaduk bekerja secara otomatis. 3. Setelah
suhu
mencapai 900C maka
thermometer control
mengatur penyalaan api kompor agar mempertahankan suhu tersebut selama 30 menit. 4. Setelah suhu 900C dipertahankan selama 30 menit timer bekerja dan alarm berbunyi tanda proses hydrolysis selesai
atau
membuka automatic valve saluran outlet untuk proses pengaliran bahan ke drum sacharifikasi. 19
Catatan
:
Dalam
mempertimbangankan
mendesain nilai
peralatan
ekonomis
dan
tersebut kualitas
tetap proses
produksi bioetanol.
Alat Sacharifikasi, berupa drum besi dilengkapi dengan temperature gauge 3” dengan range 0 – 1500C, kompor, heat exchanger atau kipas angin (fan), pompa manual atau saluran outlet yang dilengkapi control valve (manual atau automatic control valve) untuk memindahkan cairan, dan adukan kayu. Tujuan Proses & Fungsi Alat : a. Tujuan Proses, Pemecahan Glucosa dan Etanol. b. Fungsi Alat : Mempertahankan suhu cairan pada suhu tertentu selama waktu tertentu setelah proses Hydrolisis. Proses: Pada drum ini, turunkan suhu cairan sampai 60 0C dan nyalakan kompor pemanas untuk mempertahankan panas pada suhu 600C selama 3 (tiga) jam, sambil terus di aduk, kita tambahkan Enzyme Betha Amilase. Kemudian pindahkan cairan ke dalam mixer drum dan dinginkan cairan sampai pada suhu ruangan (25 s.d 300C), menggunakan heat exchanger atau cara manual menggunakan kipas (fan).
Contoh : Berat singkong setelah ditimbang 35 kg, untuk proses sacharifikasi, berapakah jumlah Enzyme Betha Amilase yang harus dicampurkan?. Jumlahnya sebanyak 0,02% x berat singkong = 0,02% x 35 kg = 7 gram. Desain peralatan proses Sacharifikasi :
Gb. 2.3 Drum proses Sacharifikasi
20
Berdasarkan peralatan proses Sacharifikasi di atas terdapat beberapa peralatan dan material sebagai berikut: (1). material drum sacharifikasi terbuat dari bahan baja stainless (stainless Steel) dengan titik lebur 1500 s.d. 17000C
dan tidak
mudah korosi, memiliki kekerasan dan ketahanan aus. Kapasitas drum yang dibuat harus disesuaikan dengan kapasitas dan rasio produksi bioetanol. (2) alat pengaduk otomatis yang digerakan dengan menggunakan motor listrik. Terdapat dua jenis pilihan yaitu : motor listrik AC dan DC. (3). Thermometer gauge dengan batas ukur 1500C (range 0 – 150) (4). Kompor gas (5). Heat exchanger atau fan (6). Pompa manual atau Pipa saluran outlet dan control valve (man atau auto) untuk mengalirkan cairan ke proses selanjutnya (Proses pendinginan suhu ruang di mixer drum).
Desain proses Sacharifikasi secara semi otomatis : 1. Cairan yang telah dipindahkan dari drum hydrolysis, didinginkan dengan menggunakan heat exchanger atau fan hingga mencapai suhu 600C dan dipertahankan pada suhu ini selama 3 jam. 2. Untuk mengatur pemanasan digunakan thermometer control yang mengatur penyalaan api untuk mempertahankan suhu tersebut. 3. Setelah suhu 600C dipertahankan selama 3 jam timer bekerja dan alarm berbunyi tanda proses Sacharifikasi selesai atau membuka automatic valve saluran outlet untuk proses pengaliran bahan cairan ke drum mixer untuk proses pendinginan suhu kamar. Catatan
:
Dalam
mempertimbangankan
mendesain nilai
peralatan
ekonomis
dan
tersebut kualitas
tetap proses
produksi bioetanol. Desain Heat Exchanger : Unit Heat Excanger ini berfungsi sebagai pendingin, cara kerjanya sebagai berikut: 21
Dengan memasukan cairan panas ke dalam pipa diameter (ø) = 12” melalui inlet A, kemudian menyebar ke dalam pipa ø ½”, pendistribusian cairan panas ke pipa-pipa kecil di dalam pipa besar akan mempercepat pendinginan. Air tawar dialirkan ke dalam pipa ø 12 “ melalui inlet C dan kemudian akan merendam pipa-pipa kecil di dalamnya. Air yang merendam pipa-pipa kecil tersebut disirkulasi dengan menggunakan pompa, air pendingin yang hangat akan keluar melalui outlet D. Sirkulasi terus dijalankan selama cairan panas mengalir melalui pipa-pipa kecil yang ada. Cairan panas dalam pipa-pipa kecil akan keluar ke sisi ujung pipa besar yang lain melalui Outlet B. Apabila pendinginan belum mencapai temperature yang di setting, maka langkah proses di atas dapat diulangi sampai tercapai temperature yang diinginkan. Satu unit pompa air 250 Watt untuk mensirkulasi air tawar dalam pipa ø 12 “, semakin baik sirkulasinya maka proses pendinginan semakin cepat. Diperlukan satu buah tangki air kapasitas 300 – 500 liter untuk mensuplai air tawar dan sebagai cadangan ketika air disirkulasikan. Keterangan :
Jika alat Heat Exchanger ini belum ada dapat digunakan unit kipas angin (fan) yang besar dengan ukuran daun kipas minimal ø 500 mm. Dengan menaruh di atas drum dengan tujuan untuk menghisap suhu panas di permukaan cairan.
Jika unit pompa air panas otomatis belum ada maka untuk pemindahan cairan panas dapat digunakan satu unit pompa manual (hand pump).
Pada desain peralatan yang ada digunakan satu unit Heat Exchanger dengan Panjang, P = 2000 mm x ø 12 “ berisi pipa stainless steel P = 1800 mm x ø ½ “ sepenuh lingkaran.
22
Gb. 2.4 Penampang tabung unit Heat Exchanger.
b. Peralatan proses fermentasi
Kata fermentasi berasal dari bahasa latin ferverve yang berarti mendidih.
Istilah
fermentasi
dulu
dipakai
untuk
menyatakan
perubahan atau peruraian dari karbohidrat dengan pembuatan gas. Keterangan yang bersifat ilmiah, pertama kali diberikan oleh ahli kimia dari Perancis yang bernama Louis Pasteur, dimana fermentasi adalah proses peruraian gula menjadi alkohol dan karboksida yang disebabkan oleh aktifitas sel – sel yeast yang hidup dan berkembang biak dalam cairan fermentasi tanpa pemberian udara. Pasteur juga menjelaskan sel – sel yeast memperoleh energi dari hasil pemecahan molekul – molekul gula dalam keadaan tanpa udara. Dengan adanya pertumbuhan ragi akan lebih cepat, tetapi kondisi gula menurun. Pasteur menunjukkan bahwa dengan adanya udara, 1 gram yeast hanya dapat memproses 4 – 10 gram gula, sedangkan tanpa udara yeast dapat memproses 60 – 80 gram gula. Keterangan Pasteur tersebut disempurnakan oleh Buchner, yang memperlihatkan bahwa fermentasi dapat dijalankan dalam larutan gula dengan menggunakan ekstrak dari sel – sel yeast yang telah mati. Kemudian diketahui bahwa cairan ini mengandung zat aktif
23
yang mampu memecah molekul gula (diberi nama fermentasi) bukanlah sel – sel yang hidup, melainkan enzim yang dihasilkannya. Sekarang fermentasi berarti desimilasi anaerobik dari senyawa – senyawa organik karena aktifitas mikroorganisme atau ekstrak dari sel – sel tersebut. Umumnya kata fermentasi sekarang mencakup juga aksi mikrobial yang terkontrol. Dengan arti yang lebih luas fermentasi tidak hanya meliputi proses – proses desimilasi seperti pembentukan alkohol, butanol-aseton, asam laktat dan lain – lain tetapi juga industri produksi cuka, asam sitrat, enzim, penisilin dan antibiotik lainnya, serta riboflavin dengan vitamin – vitamin. Dalam proses fermentasi selalu melibatkan katalis enzim. Enzim adalah
katalisator
atau
biokatalisator
yang
dihasilkan
oleh
mikroorganisme dan dapat mempercepat terjadinya reaksi kimia. Katalis enzim sangat memegang peranan penting dalam proses fermentasi. Tujuan fermentasi : proses peruraian gula menjadi alkohol dan karboksida yang disebabkan oleh aktifitas sel – sel yeast yang hidup dan berkembang biak dalam cairan fermentasi tanpa pemberian udara.
(1) Alat Persiapan Fermentasi Alat persiapan fermentasi sederhana berupa drum plastik besar dan drum plastik kecil , dan adukan kayu. Proses persiapan fermentasi: Setelah suhu cairan turun pada suhu ruangan maka dilakukan pencampuran bahan-bahan. Mutlak untuk dilakukan test Tingkat keasaman cairan agar berada pada tingkat keasaman antara 3,9 s.d 4. Apabila terlalu asam, dapat ditambahkan cairan basa (NaOH) sesuai keperluan dan apabila terlalu basa dapat ditambahkan cairan asam (HCL) sesuai keperluan.
1 (ASAM)
7 (NETRAL)
14 (BASA)
24
Persiapan lanjutan sebelum fermentasi adalah pencampuran cairan dengan bahan berupa :
Pupuk Urea (Za)
Pupuk NPK
Keduanya diaduk rata
Untuk pencampuran Yeast (Ragi) dilakukan cara khusus pembuatan biang sbb: pertama, sejumlah Yeast (0,065% dari berat singkong) ditempatkan pada sebuah mangkok, kemudian diberi air tawar hangat sekitar 400C dengan jumlah secukupnya, dan aduklah sampai larut dan merata, kedua, cairan utama yang telah dicampuri Pupuk Urea (ZA) dan Pupuk NPK, diambil sekitar 10% dari jumlah cairan utama, kemudian campuri dengan Yeast yang telah larut sebanyak pada langkah pertama, kemudian aduk secara merata dan tempatkan pada sebuah drum plastic yang sesuai, ditutup rapat kemudian diamkan selama 24 (duapuluh empat) jam atau sekitar 1 hari 1 malam. Setelah 24 jam campurkan kembali dengan cairan utama yang ada dalam drum plastic besar, kemudian aduklah secara perlahan dan merata. Fermentasi dapat berjalan dengan baik apabila selama proses, cairan tidak tercampur dengan udara, sehingga diperlukan pemilihan drum plastik yang memiliki tutup kedap udara. Hal ini juga akan membuat gas hasil fermentasi akan mengalir ke tabung monitor melalui selang plastik yang ada. Kemudian diperlukan satu buah drum plastic kecil ukuran 20 liter dengan tutup yang kedap udara, untuk biang ragi. Takaran zat-zat campuran: Untuk menentukan banyaknya enzyme alpha amilase dalam campuran proses hydrolysis, enzyme betha amylase dalam proses sacharifikasi, yeast (ragi)/fermipan untuk biang, pupuk Urea
(ZA) dan NPK
pada proses campuran persiapan
fermentasi, diukur dengan dengan menggunakan timbangan digital analitik. Ditunjukkan berikut ini:
25
Gb. 2.5 Timbangan digital analitik
Gb. 2.6 Takaran bahan/zat campuran
Gb. 2.7 Enzyme alpha dan beta amylase
26
Gb. 2.8 campuran zat dalam gelas ukur
(2) Alat Fermentasi Alat fermentasi sederhana berupa drum plastic besar yang jumlahnya disesuaikan dengan keperluan desain dan botol plastic kecil yang diisi air yang digunakan untuk memantau proses permentasi yang akan diletakan pada setiap drum plastic yang ada.
Satu drum plastic ukuran 60/125/200 liter dan diisi cairan yang telah siap di fermentasi. Pindahkan cairan yang sudah dicampur zat-zat tambahan ke drum fermentasi ini, lalu tutup yang rapat.
Satu buah botol plastic ukuran 600 ml (seperti botol air mineral bening), kemudian gunakan selang plastic ukuran kecil (ø 4 mm) sebagai penghubung antara proses fermentasi cairan di dalam drum dengan botol monitor reaksi, dilubangi melalui tutup drum. Jika proses fermentasi mulai berjalan, gas CO2 yang dilepas oleh cairan fermentasi akan keluar dari ujung selang yang terendam dalam air botol plastic sehingga proses fermentasi dapat dimonitor
melalui pengeluaran
gelembung gas CO2. Pada tutup drum terdapat dua lubang (saluran), yaitu :
27
1. Lubang pengisian cairan untuk proses fermentasi. 2. Lubang untuk keluaran selang yang menghubungkan cairan dalam drum ke saluran botol monitor, sambungan selang harus rapat dan kedap. Jika tidak ada drum dapat pula digantikan dengan jerigen plastic dengan kapasitas 20 – 30 liter.
Gb. 2.8 Drum Fermentasi
Gb. 2.9 Jerigen Fermentasi
Apabila proses fermentasi akan dilakukan secara berturut-turut, maka jumlah drum yang digunakan akan lebih dari satu, untuk tujuan efisiensi tempat maka drum ditempatkan secara bertumpuk. Untuk saluran pengisian dan keluaran ke Broth Tank (Tangki evaporator) dapat dipasang secara paralel, dengan susunan sbb:
28
SALURAN UTAMA
SALURAN KELUAR FILTER
SALURAN KE BROTH TANK
Gambar 2.10 Susunan multidrum fermentasi (tampak atas) Susunan multidrum fermentasi
Pipa saluran utama (saluran masuk) dengan ø 2”, digunakan untuk pengisian cairan fermentasi, saluran tersebut dilengkapi kran ø 2”. Dibuka ketika cairan masuk dan ditutup kembali ketika pengisian cairan selesai
Setiap drum plastic ukuran 60/125/200 ltr, dilengkapi dengan 2 buah kran ø 2 “, untuk saluran pengisian dan keluaran.
Dibuatkan rangka besi siku ukuran kurang lebih 100mmx100mmx10mm pada tiap sisi drum. Untuk menahan drum saat ditumpuk.
Letakan sebuah drum plastic kapasitas 60 ltr sebagai saringan di bawah kran pengeluaran. Setelah cairan di saring, simpan pada drum plastik penampung (Broth Tank) dengan kapasitas 1000 ltr dilengkapi dengan 2 buah kran ukuran ø 2 “. Broth Tank berisi cairan yang sudah difermentasi, siap untuk dimasak kapan saja. Pertanyaan: Berapa persen kadar etanol hasil fermentasi yang siap untuk proses distilasi.
29
Peralatan Distilasi (Penyulingan) Distilasi adalah suatu metode operasi yang digunakan pada proses pemisahan suatu komponen dari campurannya dengan menggunakan panas sebagai tenaga pemisah berdasarkan titik didih masing-masing komponen. Misalnya pemisahan air (100 oC) dan alkohol (78.4 oC), pemisahan propane (-42 oC) dan propylene (-47 oC).
Prinsip Kerja Distilasi Distilasi
termasuk
pemisahan
menurut
dasar
operasi
difusional.
Kecepatan perpindahan massa tergantung pada luas permukaan bidang atau antara fase uap dengan fase cair yang saling mengadakan kontak. Oleh karena itu, kesempatan kontak antara kedua fase tersebut harus besar sehingga distribusi komposisi kedua fase sempurna dan akan mendapatkan effisiensi pemisahan yang tinggi. Prinsip kerja dari distilasi secara garis besarnya adalah dengan memasukkan umpan ke dalam kolom distilasi yang sudah diatur tekanannya. Umpan dipanaskan dengan steam yang dihasilkan oleh reboiler. Setelah tercapai titik didihnya, maka akan terbentuk uap yang naik menuju ke puncak kolom distilasi, sedangkan cairan akan menuju kebawah. Cairan akan mengadakan kontak fase dengan gas sehingga terjadi transfer massa dan panas. Transfer massa komponen ringan dengan titik didih rendah (mudah menguap) pada cairan sehingga membentuk gas. Komponen gas dengan titik didih tinggi (sukar menguap) yang ada dalam gas akan kembali menjadi cair. Secara keseluruhan proses yang terjadi dalam kolom distilasi adalah pemisahan antara komponen berat terhadap komponen ringan. Produk atas banyak mengandung komponen ringan, sedangkan produk bawah banyak mengandung komponen berat. Cairan bawah lebih dulu dimasukkan dalam reboiler kemudian ditambah panas atau steam. Uap panas kembali ke kolom distilasi sedangkan cairan diambil sebagai produk bawah. Uap dalam kolom menuju keatas sambil melepas panas yang akhirnya keluar sebagai hasil puncak. Setelah keluar uap masuk kedalam kondensor, di dalam kondensor sejumlah panas dilepas sehingga terjadi pengembunan fase gas ke fase cair. Fase cair sebagian dimasukkan lagi kedalam kolom distilasi sebagai refluk dan sebagian lagi sebagai hasil atas. 30
Pembagian Proses Distilasi Berdasarkan penggunaan uapnya distilasi dibedakan menjadi dua cara, yaitu :
1. Distilasi menggunakan uap Distilasi uap menggunakan panas sebagai sumber energi untuk proses distilasi dengan cara open steam, dimana uap tersebut mengadakan kontak langsung di dalam sistem distilasi baik pada proses batch maupun kontinyu. Pada umumnya distilasi dilakukan dengan penambahan komponen
inert seperti nitrogen,
karbondioksia, flue gas dan sebagainya. Uap dengan temperatur 85 – 125 oC digunakan karena tingkat energinya tinggi ( besarnya H sebesar 1098,6 – 1115,7 BTU/lb), murah dan tersedia dalam jumlah yang relatif banyak.
Kondensor
Refluks
Distilat
Feed Steam
Kolom Distilasi
Bottom /waste WasteWaste Gambar 2.11 Distilasi dengan Menggunakan Uap
2. Distilasi menggunakan reboiler Distilasi dengan menggunakan reboiler disebut dengan closed steam, dimana alat penukar panas (reboiler) digunakan untuk memaksa kembalinya panas dan uap pada hasil bawah fraksionator. Reboiler diletakkan pada bagian menara, hal ini membuat luas permukaaan menjadi besar. Namun untuk membersihkannya harus menghentikan operasi distilasi. Reboiler dipanaskan oleh steam pemanas.
31
Refluks
Kondensor
Distilat Feed
Kolom Distilasi Uap
Bottom / Gambar 2.12 Distilasi dengan Menggunakan Reboiler
Berdasarkan tekanan operasi yang digunakan, proses distilasi dibagi menjadi 3 ( tiga ) macam, yaitu :
1. Distilasi atmosfer Distilasi atmosfer adalah operasi yang digunakan pada proses pemisahan suatu komponen dari campurannya berdasarkan perbedaan titik didihnya dengan menggunakan steam sebagai tenaga pemisah yang kondisi operasinya pada tekanan atmosfer atau 1 atmosfer. Distilasi ini banyak diterapkan pada industri perminyakan dan industri penyulingan lainnya.
2. Distilasi vakum Distilasi vakum adalah operasi yang digunakan pada proses pemisahan komponen dari campurannya dengan menggunakan tenaga panas sebagai tenaga pemisah pada kondisi operasinya di bawah tekanan atmosfer dengan tujuan untuk menurunkan titik didih dari komponen-komponen yang akan dipisahkan. Hal ini biasanya dilakukan untuk campuran yang memiliki kesetimbangan azeotrop. 3. Distilasi tekanan tinggi Distilasi tekanan tinggi merupakan suatu operasi yang digunakan pada proses pemisahan suatu komponen dari campurannya berdasarkan perbedaan titik didih masing-masing komponennya, dengan kondisi operasi tekanan diatas 1 atm. Tujuannya Karena pada tekanan 1 atm hanya diperoleh campuran azeotrop alkohol dengan konsentrasi 70 persen. Sedangkan kebutuha etanol 96,8 persen,
32
oleh Karena itu harus dilakukan distilasi tekanan tinggi dengan tekanan diatas 1 atm. Faktor-faktor yang Menentukan Keberhasilan Distilasi a.
Temperatur Temperature merupakan parameter penting dalam distilasi, karena distilasi bekerja pada titik uap dan titik embunnya. Pada suatu cairan murni titik uap dan titik embun identik sama dengan titik didih.
b. Tekanan Tekanan dan temperature merupakan parameter yang saling berhubungan. Makin tinggi tekanan, makin tinggi pula titik didih dari cairan umpan dan produk. c.
Reflux Reflux biasanya dinyatakan dalam reflux ratio, yaitu angka perbandingan antara cairan (L) yang dikembalikan ke kolom setelah kondensasi dengan distilat (D) yang diambil. R
L D
Kecepatan reflux yang dibutuhkan untuk suatu pemisahan dengan distilasi adalah berbanding langsung dengan kecepatan umpan yang masuk kedalam kolom atau produk yang dihasilkan.
Alat Destilasi terbagi menjadi 3 bagian yaitu: 1. Alat Evaporator 2. Unit Distilator 3. Alat Pendingin Desain alat destilasi secara sistem adalah sebagai berikut:
33
Unit Pendingin
Unit Distilator
Unit Evaporator
Gambar 2.13 Desain Peralatan destilasi
Gambar 2.12 Rakitan Peralatan destilasi
34
Bentuk dan Desain Alat Evaporator
Prinsip Kerja Alat Evaporator
Menguapkan cairan fermentasi untuk menjadi bioetanol dengan temperature 780C – 900C. Uap yang mengalir ke atas itulah yang mengandung etanol yang dibutuhkan. Apabila temperature melebihi 900C, maka air yang terkandung dalam cairan fermentasi tersebut akan ikut menguap, sehingga dapat menurunkan tingkat konsentrasi mutu etanol. Untuk mencegah hal tersebut segera kecilkan api kompor dan pertahankan suhu sesuai aturan yang ada. Untuk pengaturan secara otomatis dapat menggunakan perangkat temperature control elektronik (thermostat) dengan melakukan set point pada suhu tertentu, yang mengatur penyalaan api kompor melalui solenoid valve yang membuka dan menutup saluran gas elpiji.
Gambar 2.13 Panel distilator temperature control Pertanyaan : Gambarkan prinsip kerja dan diagram pengawatan rangkaian control temperature?
35
Desain Alat Evaporator (Reaktor):
Gambar 2.13 Sketsa Desain Tabung Reaktor
Gambar 2.14 Desain Tabung Reaktor
36
Gambar 2.15 Rakitan Tabung Reaktor
Perangkat tabung reactor :
Tabung reactor (stainless steel, dimensi ø = 450 mm dan panjang = 500 mm)
Tutup tabung reactor
Input cairan hasil fermentasi, merupakan saluran masuk cairan yang akan dipanaskan dalam tabung reactor (proses evaporasi)
Pressure gauge (ø = ½”), alat pengukur tekanan.
Ball Valve (ø= 1”), berfungsi untuk keadaan darurat, bila terjadi kelebihan tekanan di dalam drum, maka kran dapat dibuka untuk mengurangi tekanan yang ada. Untuk desain secara otomatis maka Ball Valve ini dapat digantikan dengan solenoid yang dikontrol berdasarkan input dari sensor temperature atau tekanan (pressure).
Pipa jalur air pengembun (ø= 1”), saluran pembuangan uap air.
Pipa uap alcohol air (pipa stainless steel, ø= 1”), saluran keluaran uap alcohol ke peralatan destilasi.
Saluran pembuangan cairan limbah dan keperluan pembersihan setelah proses evaporasi (ø= 1”).
Sebuah kompor gas LPG dengan tabung 12 kg. Bila telah tersedia bioetanol dari proses sebelumnya maka sangat disarankan untuk menggunakan kompor dengan gas bioetanol.
37
Alat Distilasi yang Digunakan dalam Proses Ada bermacam-macam peralatan destilasi, namun peralatan distilasi yang digunakan adalah : 1. Kolom Distilasi 2. Tray Tray berfungsi sebagai alat untuk membuat perbedaan tekanan parsial yang menyebabkan terpisahnya fase uap dan fase cair. Bubble-cap tray adalah suatu alat kontak uap-cairan yang menggunakan “bubblecap” untuk mencapai tahap keseimbangan. Bubble-cap adalah “cap” atau tutup berupa mangkok terbalik yang terletak diatas “riser” yang mana uap dapat masuk dari bagian bawah tray dan terdispersi pada permukaan bawah cairan melewati celah-celah (slot) yang terdapat pada cap. Bubble-cap yang dirancang dengan baik akan memberikan turbulensi massa uap-cairan membentuk “froth” dengan luas antar muka yang besar, sehingga efisiensi tray tinggi. Slots
Cap Slots Plate
Riser
Gambar 2.16 Buble-cap Tray
Ada 2 (dua) keuntungan penggunaan “Bubble-cap tray” :
38
Memungkinkan peralatan beroperasi pada kondisi yang beragam dengan efisiensi yang relatif tetap. Banyaknya data teknis dan pengalaman tentang “Bubble-cap tray” akan mendorong perancang memilih peralatan tersebut jika resiko yang ada cukup tinggi. 2. Heat Exchanger Voorwarmer Berfungsi untuk memanaskan umpan sebelum masuk ke kolom distilasi 3. Kondensor Berfungsi untuk mengkondensasikan uap yang keluar dari tangki distilasi Proses terakhir untuk menghasilkan alkohol adalah proses destilasi / penyulingan, yaitu salah satu cara untuk memisahkan suatu campuran yang terdiri dari dua atau lebih cairan melalui pemanasan untuk mendapatkan komponen yang dikehendaki dalam keadaan lebih murni. Pemisahan ini didasarkan pada perpindahan massa dari suatu fase yang homogen ke fase lainnya karena efek panas, ada perbedaan titik didih diantara komponen dan kesetimbangan fase diantara komponen – komponen tersebut. Metode distilasi dibedakan menjadi 2 yaitu distilasi dengan refluks dan tanpa refluks. Pada distilasi tanpa refluks, uap yang terbentuk diembunkan dengan tidak memasukkan kembali sebagian dari hasil pengembunan tersebut ke dalam kolom. Umumnya, semakin tinggi nilai refluks ratio semakin besar efisiensi pemisahan. Definisi dari refluks ratio adalah jumlah liter (kg) cairan yang dikeluarkan sebagai hasil atas. Menara distilasi yang digunakan salah satunya berupa plate tower, yang terdiri dari plate – plate dimana setiap plate terdapat beberapa buah bubble cap yang terdapat di dalam kolom, tergantung pada tingkat kemurnian dari produk dan kecepatan alir yang dikehendaki. Untuk pemanasannya digunakan uap bersuhu 100 – 120°C dan bertekanan ± 0,4 – 0,6 kg/cm2. Uap ini dimasukkan secara langsung (open steam) dan pemasukannya melalui bagian bawah kolom, atau dengan metode close steam. Menara
distilasi
dilengkapi
dengan
kondensor
yang
dipasang
untuk
mengembunkan alkohol yang dapat diuapkan di dalam kolom dengan media pendingin yang digunakan adalah air bersih dan dingin. Sebagai umpan (feed) Kolom adalah larutan tetes yang dipompa dari fermentor. Di dalam kolom, umpan dikontakkan langsung dengan uap yang mengalir ke atas. Suhu uap masuk lebih tinggi dari titik didih alkohol, maka alkohol akan menguap dan ikut mengalir keatas. Sedangkan cairan yang tidak menguap mengalir ke bawah dari plate 39
ke plate. Ampas cairan atau vinasse dari bagian bawah kolom dibuang sebagai limbah. Dengan suhu bawah kolom antara 100 – 120°C, diharapkan ampas cairan yang keluar kolom telah bebas alkohol. Uap yang mengandung alkohol yang keluar dari bagian atas selanjutnya diembunkan di kondensor. Kondisi operasinya adalah suhu bagian atas 78°C, dan suhu bagian bawah menara 100°C. Tekanan dipertahankan tetap dan diatur dengan banyaknya pemberian uap. Desain Umum Distilator
Keterangan Gambar : 1. Feed
5. Hasil bawah
2. Steam
6. Kondensor
3. Hasil samping
7. Pengeluaran Air Pendingin
4. Uap Alkohol
8. Refluk
Gambar 2.17 Desain Umum distilator
40
Fungsi alat distilator : Sebagai penyaring bagi uap air yang mengalir ke atas, agar tidak ikut terbawa etenol menuju ke unit condenser atau pendingin. Desain Alat Distilator:
Gambar 2.17 sketsa tabung penyaring (distilator)
(a)
(b)
Gambar 2.18 (a) Desain tabung penyaring (distilator). (b) Rakitan Tabung penyaring
41
Perangkat distilator :
Tabung distilator (stainless steel dengan dimensi, ø= 127 mm/5”, tinggi/panjang= 1500 s.d. 2000 mm )
Thermometer
Kisi-kisi untuk menyaring uap air, sementara uap etanol akan terus naik.
Batang tengah sebagai tempat pegangan kisi-kisi.
Cara membuat kisis-kisi/lempengan: Jumlah kisi-kisi atau lempengan dalam satu tabung penyaring, disesuaikan dengan panjangnya tabung penyaringan. Untuk panjang tabung pipa penyaring (ø=4”) dan panjang 1500 mm, dapat dipasang 12 kisi-kisi/lempengan.
Bentuk kisi-kisi dilihat dari atas :
115 mm
100 mm
Bentuk kisi-kisi dilihat dari samping :
Kisi-Kisi
Limbah
42
Cara membuat kisi-kisi :
Potong ujung pipa 4” dengan potongan menyerong, dengan sudut 30 0, potongan ini untuk dijadikan pola lempengan, agar sesuai dengan besarnya pipa penyaring.
Lempengan akan berbentuk oval, dengan ukuran, d1 = 100 mm dan d2= 115 mm.
Lubangi di sisi ovalnya, sisi yang satu sebesar ± 2 cm2 dan satunya lagi ± 1 cm2, lubang ini berfungsi untuk saluran uap etanol ke atas, maupun tetesan air yang tidak sempat naik ke atas dan akan turun kembali.
Lubang bagian tengah sebesar ø 7/16” untuk batang pemegang lempeng kisi yang ada.
Pemasangan setiap lempeng oval pada penyangganya, diletakan miring 300 secara berlawanan satu sama lain untuk memberi jalan uap ke atas.
Pada bagian bawah goose neck dilengkapi dengan ball valve kran untuk pengaliran tetesan limbah atau uap air yang tidak turut naik ke atas.
Bentuk dan desain alat pendingin (Condenser) Fungsi dari alat pendingin ini adalah mendinginkan uap panas secara cepat, sehingga uap panas akan berubah menjadi embun yang kemudian mencair dan mengalir ke luar.
43
Desain alat pendingin:
Gambar 2.19 Sketsa tabung pendingin
Gambar 2.20 Sketsa pipa spiral saluran bioetanol
44
(a)
(b)
Gambar 2.20 (a) Desain tabung pendingin dan pipa saluran spiral. (b) Rakitan tabung pendingin.
Gambar 2.20 bak penampung air dan water pump
45
Perangkat dan Proses Pendinginan (Condenser) :
Tabung stainless steel dengan dimensi (ø=300 mm, panjang= 1000 mm), diletakan pada tempat lebih tinggi dari unit destilator.
Uap dari unit destilator yang naik ke atas, langsung masuk pipa tembaga yang melingkar berbentuk spiral dalam tabung.
Tabung terisi air yang dialirkan dari tangki/bak penampung di bawah dialirkan dengan menggunakan pompa air (pada trainer yang ada digunakan pompa air 250 Watt).
Perhatikan sirkulasi, agar air dalam tabung tetap dingin, sehingga uap panas dalam pipa tembaga akan cepat mengembun kemudian mencair.
Cairan yang menetes dari saluran pipa tembaga adalah cairan etanol.
Tampung cairan di bawah dengan menggunakan drum plastic kondisi bersih/kering.
Setelah cairan bioetanol berhenti menetes, berarti proses destilasi sudah selesai
Ukur kadar etanol yang terkandung di dalamnya dengan alcohol meter. Tutup rapat hasil destilasi tersebut untuk kemudian disimpan dalam ruangan yang bersuhu antara 25 s.d. 30 derajat Celcius.
ALAT ANHYDROUS Anhydrous, adalah pemurnian kadar etanol mutu 95% sehingga menjadi konsentrasi mutu 99,5%. Hasil anhydrous dapat dijadikan bahan bakar kendaraan bermotor dengan performa yang lebih baik karena nilai octan yang tinggi. Cara kerja alat anhydrous : Mengurangi kadar air yang terkandung dalam cairan bioetanol 95% agar meningkat menjadi bioetanol 99,5%. Prosesnya sebagai berikut: Sebelum proses anhydrous dilaksanakan, perlu dilakukan proses pengeringan terlebih dahulu terhadap cairan bioetanol 95%, yaitu dengan merendam material Zeolit syntetis ukuran 3 Amstrong ke dalam cairan bioetanol yang akan dimurnikan. Perbandingannya adalah 1 : 1, yaitu 1 kg zeolite syntetis direndamkan ke dalam 1 liter bioetanol, dengan waktu perendaman 12 jam. Setelah perendaman jumlah bioetanol yang akan ikut terserap/berkurang adalah sebanyak 10%. 46
Bilamana Zeolite syntetis 3 Amstrong belum tersedia maka dapat dipergunakan material pengganti seperti : Arang kayu, tanah liat kering atau batu kapur kering dengan perbandingan 1 : 1. Rendam material di atas dengan bioetanol selama 24 jam. Setelah waktu perendaman selesai maka jumlah bioetanol yang ikut terserap sebanyak 30%.
Proses Anhydrous bioetanol: Metode perebusan dalam proses anhydrous tidak sama seperti pada alat destilasi, karena dalam merebus cairan bioetanol kadar 95% tidak diperkenankan merebus secara langsung. Cairan bioetanol 95% tidak boleh direbus/dipanaskan langsung di atas api. Cara merebusnya harus menggunakan unit double drum evaporator. Dalam hal ini, cairan bioetanol 95% dimasukan ke dalam drum kecil di bagian dalam drum yang lebih besar. Drum luar yang lebih besar diisi air terlebih dahulu sebelum perebusan dilakukan. Teknik ini sama dengan mengukus, atau memasak dengan cara steam, sehingga panas yang di dapat bukan langsung dari api, melainkan dari air yang mendidih dan uap panas yang dihasilkan.
Alat pendukung kerja dan instrument dideskripsikan sebagai berikut : 1) termometer dengan spesifikasi : rentang ukuran suhu -20 hingga 360 derajat, panjang 305 mm.
2) timbangan digital dengan spesifikasi : 0,01g/0,1g
47
3) Timbangan dapur, kapasitas maksimum 10 kg
4) pipet eppendorf untuk menakar jumlah enzim yang dibutuhkan pada sakarifikasi, dengan spesifikasi kapasitas 10-100 µl.
5) saringan dengan spesifikasi : saringan 200 mesh 0,075 mm
48
6) Tabung reaksi dan gelas ukur dengan spesifikasi: - Beker glass 1000 ml, - Boiling Flask 1000 ml, - Erlenmeyer 1000 ml - Tabung reaksi 1 rak 50 ml
7) Alkohol meter dengan skala untuk mengukur kadar
alkohol
49
5.
Latihan Soal dan Penugasan 5.1
Bahan dasar tabung reaktor dengan sifat tahan terhadap suhu tinggi dan
tahan karat adalah .... a. Aluminium b. Tembaga c. Baja Stainless d. PVC 5.2 Alat pengontrol suhu otomatis pada proses destilasi dinamakan: a. Electronics Temperature Control b. Humidity Control c. Thermometer d. Solenoid Valve 5.3 Proses pemurnian kadar etanol mutu 95% menjadi konsentrasi 99,5%, dapat dilakukan dengan cara: a. Hydrolisis b. Anhydrous c. Sacharifikasi d. Kondensasi 5.4 Alat penukar kalor dinamakan : a. Heat transfer b. Super heat c. Heat Exchanger d. Thermostat
5.5 Perangkat proses destilasi yang berfungsi mendinginkan uap panas secara cepat dianamakan : a. Kondenser b. Evaporator c. Silinder d. Transducer
50
Penugasan: Coba anda analisa : 1. Berapa jumlah takaran Enzyme Alpha Amilase yang dituangkan dalam proses hydrolysis berdasarkan berat bahan baku (singkong), atau analisis dengan pendekatan lain? 2. Berapa jumlah takaran Enzyme Betha Amilase yang dituangkan dalam proses Sacharifikasi berdasarkan berat bahan baku
(singkong).atau analisis dengan
pendekatan lain ? 3. Berapakah kapasitas motor pengaduk untuk proses hidrolisis dengan cairan yang ditampung pada drum dengan kapasitas 60 liter. Analisis besar putarannya serta konsumsi daya yang digunakan selama proses tersebut?. Analisis dan bandingkan penggunaan motor 1 phase CSR dan motor induksi 3 phase ditinjau dari torsi putarannya. 4. Manakah pendinginan cairan pada proses hidrolisys dan sacharifikasi yang paling efisien, apakah dengan menggunakan Fan (Blower) ataukah dengan Heat Exchanger. 5. Analisis prinsip kerja dan rangkaian control termperatur pada peralatan destilasi? 6. Analisis mutu produk bioetanol yang dihasilkan berdasarkan standar proses pengolahan yang dilakukan. Tunjukan dengan data-data otentik selama proses. Apabila belum maksimal, factor apa saja yang mempengaruhi hasil tersebut?
6 Rangkuman Bioetanol / 'etanol' / Etil Alkohol
adalah alkohol yang dibuat dengan fermentasi
gula, pati atau komponen bahan tanaman lain dengan menggunakan seperti ragi Saccharomyces cerevisiae Bioetanol mempunyai sifat fisik: mudah menguap, mudah terbakar, jika terbakar menimbulkan api biru tanpa jelaga, berbau spesifik (khas), cairannya tidak berwarna (jernih), larut dalam air, metal alkohol, eter, kloroform dan aseton, tidak korosif, sebagai pelarut organik yang baik, mempunyai titik didih 78,4°C, mempunyai titik beku – 11,25°C. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Proses Fermentasi adalah kadar gula, suhu, tekanan, pH, Nutrisi. Proses produksi bioetanol dari bahan baku zat pati (singkong) : penghancuran singkong, perebusan, sakarifikasi, fermentasi, penyulingan, azeotrop. 51
Desain peralatan bioetanol dipertimbangkan berdasarkan kapasitas produksi bioetanol serta kualitas etanol yang dihasilkan berdasarkan proses kimiawi dan fisis cairan. Dimana peralatan yang dibuat harus di desain sedemikian rupa agar memenuhi tuntutan tersebut. Dalam hal ini dibuat mesin produksi bioetanol dengan system batch system untuk skala Usaha Kecil Menengah (UKM) serta membandingkannya dengan skala Lab. Peralatannya terdiri dari peralatan tahap persiapan dan pengolahan bahan baku, pemanasan (Hidrolisis dan sacharifikasi), tahap fermentasi serta proses destilasi (Evaporasi, proses penyaringan dan pendinginan) hingga diperoleh produk bioetanol dengan mutu yang diharapkan (kadar 95% alcohol).
7 Evaluasi Materi Pokok 7.1 Jelaskan jenis-jenis peralatan yang digunakan dalam produksi bioetanol beserta cara kerjanya! 7.2 Jelaskan proses desain peralatan bioetanol dengan system batch sistem! 7.3 Jelaskan hubungan desain peralatan dengan mutu etanol yang dihasilkan. 7.4 Analisis efisiensi produk bioetanol yang dihasilkan dengan nilai bahan baku serta sumber daya pendukung yang digunakan (contoh: penggunaan motor listrik pada berbagai peralatan proses bioetanol). Berikan tanggapan berdasarkan konsep green energy sebagai investasi energy masa depan. 7.5 Berapakah kapasitas dan jenis motor pompa air yang digunakan untuk proses pendinginan bioetanol. 7.6 Apa yang harus dilakukan sebagai tindakan pengamanan baik pada peralatan maupun manusia pada proses yang melibatkan pemanasan dengan nyala api terutama pada proses hydrolysis, sacharifikasi dan evaporasi. Jelaskan dengan rinci. !
8 Umpan Balik dan Tindak Lanjut Setelah anda mengerjakan latihan, tugas dan evaluasi dengan hasil : Ada yang salah maka silahkan mempelajari ulang bab ini Dan jika semua sudah benar silahkan meneruskan ke bab selanjutnya
52
C. ALAT UKUR UJI BIOETANOL 1. Deskripsi Materi Alat ukur uji bioetanol membahas tentang cara pengukuran bioetanol dan peralatan yang digunakan dalam pengukuran bioetanol.
2. Indikator Keberhasilan Setelah mempelajari bahan ajar siswa ini peserta mampu : 2.1 Mendeskripsikan pengertian pengukuran bioetanol. 2.2 Mendeskripsikan cara pengukuran bioetanol 2.3 Menyebutkan alat pengukuran bioetanol 2.4 Mengukur kadar bioetanol
3. Uraian dan contoh Soal/ penugasan Ada banyak cara untuk mengukur bioetanol. Mulai dari cara yang paling mudah, rumit, dan paling canggih. Setiap metode pengukuran memiliki keunggulan dan kekurangannya sendiri-sendiri. Beberapa metode itu adalah : 3.1. Analisis dengan GC (Gas Chromatography) Sebuah gas chromatography berdetektor nyala pengion (flame ionization detector, FID) yang dilengkapi dengan kolom gelas kapiler berlapis dalam metil silikon (yang berikatan silang dan terikat secara kimia pada permukaan gelas kolom) dengan dimensi 150 m x 0,25 mm dan tebal film metil silikon 1,0 μm. Kolom lain dapat saja digunakan asal efisiensi dan selektifitas gas chromatography setara atau lebih baik dari kolom yang sesuai spesifikasinya.
53
Gambar.2.1. Prinsip kerja GC
3.2. HPLC (High Performance Liquid Chromatography) HPLC adalah otomatisasi kromatografi cair untuk meningkatkan pemisahan
selama
periode
waktu
yang
lebih
singkat,
menggunakan partikel yang sangat kecil, diameter kolom kecil, dan tekanan fluida yang sangat tinggi
Gambar 2.2. Prinsip kerja HPLC 3.3. Metode enzym Pengukuran bioetanol dengan menambahkan enzym. Saat ini tersedia beberapa produk enzym kit untuk mengukur bioetanol. Tetapi metode ini masih cukup mahal untuk ukuran UKM atau rumahan
54
Gambar 2.3. Proses pencampuran enzym
3.4. Hydrometer Alat untuk mengukur kadar etanol ini dikenal dengan nama hydrometer alkohol atau alkohol meter. Di bagian atas alkohol meter tersebut dilengkapi dengan skala yang menunjukkan kadar alkohol. Prinsip kerjanya berdasarkan berat jenis campuran antara alkohol dengan air. Bentuknya seperti gambar di bawah ini.
Gambar 2.4. Skala pada alkohol meter 55
Pengunaan alkohol meter sangat sederhana. Pertama masukkan bioetanol ke dalam gelas ukur atau tabung atau botol yang tingginya lebih panjang dari panjang alkohol meter. Kemudian masukkan batang alkohol meter ke dalam gelas ukur. Alkohol meter akan tenggelam dan batas airnya akan menunjukkan berapa kandungan alkohol di dalam larutan tersebut.
Gambar 2.5. Mengukur Kadar Bioetanol
Bioetanol yang bisa diukur dengan etanol meter di atas adalah bioetanol yang sudah didistilasi dengan distilator. Temperatur bioetanol sebaiknya diukur pada temperatur 20 o C. Bagaimana caranya supaya bioetanol yang akan diukur temperatur 20 o C dan temperatur sekitar kita lebih dari 20o C ?. Cara pengkondisian temperatur bioetanol supaya 20o C, yaitu: i.
Masukkan bioetanol kedalam gelas ukur yang tinggi gelas ukur dan tinggi bioetanol mencukupi tinggi hidrometer.
ii.
Pasang termometer kedalam gelas ukur yang telah diisi bioetanol dan simpan di almari es
56
Amati termometer, setelah mencapai 18o C ambil/ keluarkan
iii.
dari almari es iv.
Pasang hidrometer dan amati termometer, pada waktu termometer 20o C silahkan baca skala hidrometer. Hasil pembacaan skala hidrometer pada temperatur 20 o C
v.
adalah hasil pengukuran kadar bioetanol.
Tiga metode yang pertama sangat sensitif, dapat mengukur kadar bioethanol dalam konsentrasi yang sangat rendah, tetapi juga lebih rumit dan mahal. Metode enzym relatif lebih mudah dan murah dibandingkan dengan metode GC atah HPLC. Metode terakhir adalah metode yang paling mudah, murah, tetapi juga kurang teliti. Meskipun begitu untuk ukuran
UKM
atau
rumahan
rasanya
sudah
cukup
memadai.
4. Latihan Soal dan penugasan Pilihlah jawaban yang paling tepat dibawah ini : 4.1. Peralatan pengukuran bioetanol yang menggunakan tekanan fluida yang sangat tinggi adalah : a.
GC (Gas Chromatography)
b.
HPLC (High Performance Liquid Chromatography)
c.
Metode Enzym
d.
Hidrometer
4.2. Peralatan pengukuran bioetanol yang menggunakan kolom gelas kapiler berlapis adalah : a.
GC (Gas Chromatography)
b.
HPLC (High Performance Liquid Chromatography)
c.
Metode Enzym
d.
Hidrometer
4.3. Peralatan pengukur bioetanol yang menggunakan prinsip kerja berdasarkan berat jenis campurannya adalah : a.
GC (Gas Chromatography)
b.
HPLC (High Performance Liquid Chromatography)
c.
Metode Enzym 57
d.
Hidrometer
4.4. Berapa temperatur bioetanol yang tepat pada waktu diukur kadarnya menggunakan hidrometer? a.
15o C
b.
18o C
c.
20o C
d.
Temperatur kamar
4.5. Metode pengukuran bioetanol yang paling cocok untuk skala UKM atau rumahan adalah : a.
GC (Gas Chromatography)
b.
HPLC (High Performance Liquid Chromatography)
c.
Metode Enzym
d.
Hidrometer
Penugasan : Lakukan pengukuran bioetanol menggunakan metode hidometer. Bahan
: Bioetanol, gelas ukur, termometer dan hidrometer.
Tugas : 1. Jelaskan langkah-langkah pengukuran bioetanol. 2. Berapa kadar bioetanol yang diukur?
5. Rangkuman
Metode pengukuran kadar bioetanol ada 4, yaitu : metode GC (Gas Chromatography),
metode
HPLC
(High
Performance
Liquid
Chromatography), metode Enzym, dan metode Hidrometer.
Metode hidrometer yang paling mudah, murah, tetapi juga kurang teliti. Meskipun begitu untuk ukuran UKM atau rumahan sudah cukup memadai.
Cara pengukuran bioetanol menggunakan metode hidrometer adalah : Masukkan bioetanol kedalam gelas ukur yang tinggi gelas ukur dan tinggi bioetanol mencukupi tinggi hidrometer. Pasang termometer kedalam gelas ukur yang telah diisi bioetanol dan simpan di almari es 58
Amati termometer, setelah mencapai 18o C ambil/ keluarkan dari almari es Pasang hidrometer dan amati termometer, pada waktu termometer 20o C silahkan baca skala hidrometer. Hasil pembacaan skala hidrometer pada temperatur 20 o C adalah hasil pengukuran kadar bioetanol.
6. Evaluasi Materi Pokok 6.1. Sebutkan macam-macam metode pengukuran bioetanol? 6.2. Bagimana prinsip kerja alat ukur bioetanol hidrometer? 6.3. Bagaimana langkah pengukuran bioetanol dengan menggunakan hidrometer? 6.4. Lakukan pengukuran bioetanol dengan alat ukur hidrometer!
7. Umpan Balik dan Tindak Lanjut Apakah saudara mengetahui perbedaan prinsip kerja keempat metode pengukuran bioetanol metode GC (Gas Chromatography), metode HPLC (High Performance Liquid Chromatography), metode Enzym, dan metode Hidrometer, jika masih ada yang belum memahami silahkan membaca ulang materi diatas. Apakah saudara telah melakukan percobaan pengukuran bioetanol dengan menggunakan alat ukur hidrometer dan hasilnya benar, jika hasilnya belum benar silahkan anda mencoba kembali sampai hasilnya benar. Dan jika semua sudah dipahami dan telah dicoba dengan hasil yang benar maka silahkan melanjutkan ke materi berikutnya.
59
D. PERALATAN PEMANFAATAN BIOETANOL 1. Deskrispi Materi Peralatan pemanfaatan bioetanol membahas tentang macam-macam peralatan yang digunakan dalam pemanfaatan bioetanol diantaranya kompor bioetanol, motor bakar bioetanol dan sterilisasi peralatan kesehatan.
2. Indikator Keberhasilan Setelah mempelajari bahan ajar siswa ini peserta mampu : 2.1. Mendeskripsikan macam-macam peralatan pemanfaatan bioetanol 2.2. Mendeskripsikan cara kerja peralatan bioetanol 2.3. Membuat salah satu peralatan pemanfaatan bioetanol
3. Uraian dan contoh Soal dan Penugasan 3.1 KOMPOR BIOETANOL Alkohol
sebagai
minuman
diketahui
awal
adanya
dengan
ditemukannya etanol oleh bangsa Mesir Kuno dengan peninggalannya di kuburan Piramid raja Firaun, dan pengembangan kompor bioetanol dimulai oleh bangsa Romawi untuk penerangan rumah bangsawan. Sekarang sebagai bahan bakar terutama dipergunakan untuk keperluan darurat dan keperluan praktis, seperti dipergunakan mensterilkan peralatan kedokteran, pada pemanas makanan di panci / nampan catering, atau dipergunakan pada saat camping / kemah, juga di medan perang, karena memang penggunaan sangat praktis tidak membutuhkan sumbu.
Gambar. 3.1. Panci catering
60
Gambar 3.2. Kompor langsung tabung bioetanol
Gambar 3.3. Kompor tabung bioetanol terpisah
Tidak berbau, praktis, mudah dibawa-bawa dipindahkan, namun mempunyai kelemahan, lidah apinya tidak bisa memancar seperti kompor gas, sehingga apabila dibutuhkan intensitas panas yang tinggi, kompor tersebut diatas tidak mampu, misalnya untuk memasak mi instan telor, telornya tidak matang betul (masih setengah matang), menggoreng krupuk, krupuknya bantat belum bisa renyah garing. Maka dikembangkannya kompor bio etanol generasi ke 2 dengan teknik etanol di uapkan dan dimasukkan kedalam suatu ruangan kecil, 61
maka perubahan zat cair menjadi gas (uap) tadi menimbulkan tekanan, dan memancarlah uap tadi keluar tentu melalui lubang-lubang yang sudah dibuat, kemudian setelah bersentuhan dengan oksigen dan api maka terbakarlah.
Gambar 3.4. Kompor bioetanol generasi 2
Gambar 3.5. Lidah api kompor bioetanol generasi 2
3.2 BAHAN BAKAR BIOETANOL Bahan bakar etanol adalah etanol (etil alkohol) dengan jenis yang sama
dengan
yang
ditemukan
pada minuman
beralkohol dengan
penggunaan sebagai bahan bakar. Etanol seringkali dijadikan bahan tambahan bensin sehingga menjadi biofuel. Etanol digunakan secara luas di Brasil dan Amerika Serikat. Kedua negara ini memproduksi 88% dari seluruh jumlah bahan bakar etanol yang diproduksi di dunia. Kebanyakan mobil-mobil yang beredar di Amerika Serikat saat ini dapat menggunakan bahan bakar dengan kandungan etanol sampai 10%,dan penggunaan bensin etanol 10% malah diwajibkan di beberapa kota dan negara bagian
62
AS. Sejak tahun 1976, pemerintah Brasil telah mewajibkan penggunaan bensin yang dicampur dengan etanol, dan sejak tahun 2007, campuran yang legal adalah berkisar 25% etanol dan 75% bensin (E25). Di bulan Desember 2010 Brasil sudah mempunyai 12 juta kendaraan dan truk ringan bahan bakar fleksibel dan lebih dari 500 ribu sepeda motor yang dapat menggunakan bahan bakar etanol murni (E100).
Gambar 3.6. Bioetanol sebagai bahan bakar minyak
Bioetanol adalah salah satu bentuk energi terbaharui yang dapat diproduksi dari tumbuhan. Etanol dapat dibuat dari tanaman-tanaman yang umum, misalnya tebu, kentang, singkong, dan jagung. Telah muncul perdebatan, apakah bioetanol ini nantinya akan menggantikan bensin yang ada saat ini. Bioetanol dengan kadar kurang dari 99% belum bisa dicampur dengan bensin. Karena kandungan airnya bisa merusak mesin. Untuk menghilangkan sisa air dilakukan dehidrasi. Caranya bisa menggunakan Zeolit. Caranya, tambahkan zeolit ke dalam bioetanol 95% menggunakan peralatan perendaman. Biarkan zeolit bereaksi dan didiamkan sampai mengendap. Bioetanol distilasi sekali lagi dengan menggunakan mini distilator. Cek atau ukur kadar bioetanolnya lagi dengan menggunakan etanol meter. Jika sudah mendekati 100% sudah bisa digunakan untuk bahan bakar.
63
Gambar 3.7. Zeolit
Gambar 3.8. Bioetanol direndam dengan Zeolit
3.3 PEMELIHARAAN PERALATAN KESEHATAN
Bioetanol merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang dapat digunakan pada bidang kesehatan sebagai zat antiseptik, solvent atau untuk sterilisasi dan disinfeksi.
Gambar 3.9. Sterilisasi peralatan kesehatan
64
Pengertian Sterilisasi Setiap proses kimia atau fisik yang membunuh semua bentuk hidup terutama mikroorganisme Desinfeksi Membunuh organisme-organisme patogen dengan cara fisik atau kimia dilakukan terhadap benda mati Istilah yang harus diketahui antiseptik mencegah pertumbuhan atau aktivitas mikroorganisme baik dengan cara menghambat atau membunuh. Penggunaan Antiseptik dan desinfektan Biasa digunakan untuk mencuci tangan dan membersihkan alat-alat kesehatan Bahan kimia yang dipakai yaitu yang mampu membunuh organisme yang ada dalam waktu yang tersingkat dan tanpa merusak bahan yang didesinfeksi. Cara Sterilisasi dan Desinfeksi bisa menggunakan Bioetanol (alkohol). Bioetanol yang paling efektif yang biasa digunakan adalah alkohol 7080 % Butuh waktu 10 menit untuk dapat membunuh kuman sering dipakai untuk desinfektan kulit Konsentrasi diatas 90 % atau dibawah 50 % biasanya kurang efektif.
Gambar 3.10. Alat kesehatan dan sterilisasi
4. Latihan Soal dan penugasan Pilihlah jawaban yang tepat dibawah ini. 4.1 Kompor bioetanol generasi 1 mempunyai kelebihan sebagai berikut : a. Tidak menggunakan sumbu, warna api biru, mudah mengoperasikan, ramah lingkungan. b. Warna api biru, lidah api bertekanan, mudah mengoperasikan, ramah lingkungan.
65
c. Tidak menggunakan sumbu, lidah api bertekanan, mudah mengoperasikan, ramah lingkungan. d. Warna api biru, panas mengarah satu titik, mudah mengoperasikan, ramah lingkungan.
4.2 Kompor bioetanol generasi 2 dapat memancarkan api bertekanan menggunakan sistem : a. Tekanan gravitasi bumi b. Udara hampa karena pembakaran c. Reaksi bioetanol karena panas d. Lubang pengeluaran burner bioetanol 4.3 Berapa proses bioetanol dapat dicampur dengan BBM untuk mengoperasikan motor bakar? a. 70 % b. 75 % c. 95 % d. 99 % 4.4 Bahan untuk memproses bioetanol supaya dapat digunakan campuran BBM adalah a. NPK b. Urea c. Amylase d. Ziolit 4.5 Bioetanol yang paling efektif untuk sterilisasi peralatan kesehatan adalah a. 30 % b. 50 % c. 70 % d. 95 % Penugasan : Buatlah kompor bioetanol sederhana kapasitas 30 ml Bahan: Kaleng minuman, obeng, tang pemotong, tang lancip dan palu.
66
5. Rangkuman Pemanfaatan bioetanol dapat digunakan sebagai bahan bakar kompor memasak,
bahan
bakar
mesin
(pengganti/
campuran
bensin),
pemeliharaan peralatan kesehatan. Kompor bioetanol generasi 1 membakar bahan bakar bioetanol secara langsung, untuk kompor generasai 2 menggunakan teknik bioetanol di uapkan dan dimasukkan kedalam suatu ruangan kecil, maka perubahan zat cair menjadi gas (uap) tadi menimbulkan tekanan, dan memancarlah uap tadi keluar tentu melalui lubang-lubang yang sudah dibuat, kemudian setelah bersentuhan dengan oksigen dan api maka terbakarlah. Bioetanol sebagai bahan bakar mesin harusmempunyai kadar minimal 99% yang bisa dicampur dengan bensin. Untuk bioetanol kadar kurang dari 99% masih mengandung air sehingga harus dihilangkan sisa air dengan
dehidrasi.
Caranya
bisa
menggunakan
Zeolit.
Caranya,
tambahkan zeolit ke dalam bioetanol 95% menggunakan peralatan perendaman. Biarkan zeolit bereaksi dan didiamkan sampai mengendap. Bioetanol distilasi sekali lagi dengan menggunakan mini distilator. Bioetanol yang paling efektif yang biasa digunakan untuk sterilisasi dan desinfeksi adalah alkohol 70-80 % Butuh waktu 10 menit untuk dapat membunuh kuman sering dipakai untuk desinfektan kulit Konsentrasi diatas 90 % atau dibawah 50 % biasanya kurang efektif.
6. Evaluasi Materi Pokok 6.1. Coba amati pembakaran kompor bioetanol dengan menggunakan bahan bakar bioetanol dengan kadar beberapa macam ( 70%, 90%, 99%), apa perbedaannya dan apa penyebabnya? 6.2. Analisa proses bioetanol menggunakan zeolit dari bahan 95% untuk mencapai 99%, Jawablah pertanyaan dibawah ini:
Berapa lama proses terjadi (dengan hasil 99%)?
Berapa perbandingan bahan bioetanol dengan zeoalit?
Bagaimana rekasi/proses terjadi?
7. Umpan Balik dan Tindak Lanjut 67
Apakah
anda
sudah
memahami
prinsip
kerja
peralatan
yang
menggunakan bahan bioetanol (kompor memasak, mesin bensin, pemeliharaan peralatan kesehatan) Jika sudah faham lanjutkan ke materi selanjutnya. Dan jika semua sudah dipahami dan telah dicoba dengan hasil yang benar maka silahkan melanjutkan ke materi berikutnya.
68
DAFTAR PUSTAKA
1. Anonim, 2008. “Brosur PT. Madu Baru Yogyakarta”. PS. Madukismo : Yogyakarta. 2. Desroir, Norman.1988, “Unit Processing Organic Synthesis”, Ed 5, Mc Graw Hill Book Company, New York. 3. Fadiz, S. 1998. “Mikrobiologi Pangan 1”. Gramedia Pustaka Utama : Jakarta. 4. Groggin P. H. 1968, “Alkohol Their Chemistry, Properties & Manufactures”, Reinhold Book Corporation, New York. 5. Perry, J H. 1949, “Chemical Engineering Hand Book” Edition, Mc. Graw Hill Company. Inc . New York, Toronto & London
6. SNI No. 06-3565-2009. BSN. Jakarta 7. Suharto, Ign. 1995. “Bioteknologi dalam Dunia Industri”. Andi Offset : Yogyakarta. 8. Toharisman, Aris dan Hendro Santosa. 1999. “Mutu Bahan Baku dan Preparasi Medium Fermentasi” Pelatihan Teknologi Alkohol, Pusat Penelitian Perkebunan Indonesia, Pasuruan.
69
