SIMULASI PROSES PRODUKSI ETANOL DARI MOLASSES MELALUI BEBERAPA KONFIGURASI ALTERNATIF PROSES Mardianti Susantris, Nila Gamayanti Abstrak Etanol atau etil alkohol merupakan senyawa organik yang terdiri dari karbon, hidrogen, oksigen dengan rumus molekul CH3CH2OH dan merupakan derivat senyawa hidrokarbon, yang mempunyai gugus hidroksil sehingga dapat dioksidasi atau esterifikasi. Penelitian ini bertujuan untuk menghitung yield maksimal yang mampu dicapai dari beberapa alternative proses, serta untuk meminimalkan konsumsi energi yang dibutuhkan dari beberapa alternative proses. Adapun tahapan untuk penelitian ini antara lain pengumpulan dan pengolahan data, mensimulasikan data yang diperoleh ke dalam program Super Pro 4.55, dan apabila hasil yang diperoleh dari simulasi mendekati dengan data yang diperoleh, maka dapat dimulai proses pembuatan konfigurasi, dan kemudian menghitung hasil yield etanol serta energi yang diperoleh. Hasil validasi yang diperoleh dengan menggunakan simulasi menunjukkan output yang mendekati data literature, dimana pada literature menghasilkan etanol sesebesar 550.21535kg/jam sedangkan simulasi menghasilkan 545.00296 kg /jam. SuperPro 4.55 dapat diaplikasikan untuk evaluasi, analisa serta optimasi desain proses bioteknologi. Hasil konfigurasi terbaik yang dapat diperoleh yaitu konfgurasi ketiga dengan hasil etanol sebesar 609.4816 kg/jam dengan yield 0.503. Hasil konfigurasi dengan penambahan alat GAC Adsorption untuk meningkatkan kualitas dari etanol diperoleh dari konfigurasi yaitu; 605.6896 kg/jam. Adapun konsentrasi yang diperoleh sebesar 99.6 %. Sedangkan kebutuhan energi yang paling minimal yaitu konfigurasi kedua yaitu sebesar 3398.19234 kcal /kg etanol. Kata Kunci
:
Etanol, Mollases, Super Pro, Konfigurasi, Yield, Energi
I.
Pendahuluan Seiring dengan meningkatnya kebutuhan akan ethanol di Indonesia maka semakin meningkat pula perkembangan pabrik ethanol menggunakan berbagai macam bahan baku.. Proses produksi ethanol dapat diperoleh dari tiga macam proses, yaitu sintesis dari ethylene, fermentasi langsung karbohidrat(gula, nira, molasses, buah) atau bahan lain yang harus diubah menjadi bahan yang dapat difermentasi seperti starch(jagung, ketela dan kentang) dan sellulosa(jerami dan kayu) selain itu dapat juga diperoleh dari hasil samping industri tertentu. Bahan baku yang banyak digunakan di Indonesia adalah Molases. Molasses merupakan limbah dari industry gula. Melalui proses fermentasi maka molasses dapat diubah menjadi ethanol dan selanjutnya dapat dimurnikan sampai pada spesifikasi tertentu. Keseluruhan proses ini melibatkan berbagai macam proses, kandungan material serta enzyme yang kompleks. Untuk menganalisa desain proses suatu pabrik ethanol supaya dihasilkan yield yang maksimal serta konsumsi energi yang minimal maka dibutuhkan sebuah simulasi proses. Dalam simulasi ini digunakan program Super Pro 4.55. II. Tinjauan Pustaka II.1 Proses Produksi Etanol Proses produksi etanol terdiri dari beberapa tahapan, antara lain tahap persiapan atau pre-treatment, tahap separator, tahap fermentasi serta tahap purifikasi yang akan dijelaskan lebih detail sebagai berikut :
II.1.1 Tahap Pre-Treatment II.1.1.1 Tahap Penimbangan Tetes. Pada penimbangan tetes ini dipakai jenis timbangan cepat dengan kapasitas timbang tertentu, dilengkapi dengan alat pembuka dan penutup berupa katup buangan yang dioperasikan secara manual. Dan juga panel on-off pompa tetes yang yang diatur secara otomatis. Cara kerjanya dengan menimbang tetes yang dipompa dari gudang penyimpan tetes untuk setiap harinya. II.1.1.2 Tahap Pencampuran Tetes. Tahap pencampuran tetes ini menggunakan tangki pencampur tetes dengan kapasitas tertentu yang dilengkapi pancaran uap air panas (steam), yang berfungsi sebagai pengaduk dan pemanas tetes. Cara kerjanya yaitu pertamatama air panas bersuhu 70o C dimasukkan ke dalam tangki pencampur tetes (mixing tank), kemudian disusul dengan tetes yang telah ditimbang. Setelah itu disirkulasi dengan menggunakan pompa hingga tetes dan air tercampur dengan baik. Pencampuran dianggap selesai dengan indikasi kepekatan mencapai 90o brix dan dipanskan dengan uap air panas (steam) sampai suhunya mencapai 90o C. Tujuan diberikannya air panas adalah untuk mempercepat proses pelarutan, sedangkan pemanasan dengan uap air panas (steam) adalah untuk sterilisasi larutan tetes. Setelah semua tercampur dengan baik ditambahkan asam sulfat (H2SO4) teknis dengan kepekatan 96,5 % sampai pH mencapai 4,5 - 5. Pemberian asam sulfat (H2SO4) ini bertujuan untuk mengendapkan garamgaram mineral di dalam tetes dan untuk memecah di-sakarida (sukrosa) didalam tetes menjadi monosakarida berupa senyawa d-glukosa dan d-fruktosa.
II.1.1.3Tahap Pengendapan. Pada tahap pengendapan ini menggunakan tangki yang dilengkapi dengan pipa decanter. Pada tahap ini larutan tetes dengan kepekatan 40o brix dari tangki pencampur ditampung dalam tangki ini dan diendapkan selama 5 jam untuk mengendapkan kotoran-kotoran tetes (sludge), terutama endapan garam. Pengendapan ini bertujuan untuk mengurangi kerak yang terjadi pada mash column (kolom destilasi pertama). Setelah 5 jam, cairan tetes dipompa menuju tangki fermentor melalui decanter dan heat exchanger (HE). Heat exchanger ini berfungsi untuk menurunkan suhu sampai 30o C sebagai syarat operasi fermentasi. Sedangkan cairan sisa yang berupa endapan kotoran-kotoran dan sebagian cairan tetes dipompa ke tangki pencuci endapan kotoran tetes (tangki sludge). II.1.2 Tahap Separator Tangki Pencuci Endapan Kotoran Tetes. Sisa cairan tetes sebanyak ± 5% volume dari tangki pengendap tetes yang berupa endapan kotoran-kotoran dipompa keluar dari tangki pengendap melalui pipa decanter untuk ditampung di tangki sludge hingga mencapai volume tertentu. Kemudian cairan tetes diendapkan hingga waktu tertentu untuk selanjutnya dipompa kembali ke tangki mixing. Tujuan pencucian kotoran tetes ini adalah untuk efisiensi bahan baku berupa tetes agar bahan baku dapat dipakai semaksimal mungkin tanpa harus membuang sebagian yang tersisa. II.1.3 Tahap Fermentasi Proses fermentasi ini dibagi menjadi beberapa tahap, yaitu tahap pembiakan ragi dan fermentasi. II.1.3.1 Tahap Pembiakan Ragi Tahap ini menggunakan tangki prefermentor yang dilengkapi pipa aliran udara dan pipa aliran air pendingin pada bagian luar dinding tangki. Tahap ini bertujuan untuk mengembangbiakkan ragi jenis saccharomyces cereviseae dengan menggunakan media tetes. Untuk pembuatan larutan ragi, mula-mula diawali dengan cara memasukkan air proses bersuhu 15o C dan tetes 40o brix dari tangki pengendap tetes ke dalam tangki seeding dan mencampurnya hingga mencapai kekentalan sekitar 12 - 13o brix yang disertai aliran udara dari blower dengan fungsi ganda yaitu untuk mempercepat tercampurnya tetes dengan air dan juga untuk konsumsi kebutuhan oksigen bagi ragi saccharomyces cereviseae yang berlangsung pada suasana aerob. Selain itu juga menjaga suhu tangki konstan pada 30o C dengan mengalirkan air pada dinding luar tangki. Jika tidak dijaga, maka ragi sedang dikembangbiakkan akan terganggu kelangsungan hidupnya dan kemudian akan mati. Kemudian memasukkan ragi roti (gist) yang telah dilarutkan dengan air secukupnya. Untuk nutrisinya, dimasukkan urea, diammonium phospat, dan ammonia. PHP juga ditambahkan ke
dalam larutan ini dengan tujuan untuk mempertahankan pH agar tetap konstan yaitu 4.5 – 5. Dari hasil campuran ini didapatkan biakan ragi. Pada Tangki pre-fermentor terdapat beberapa reaksi yaitu: reaksi hidrolisa, reaksi penguraian urea serta reaksi pertumbuhan yeast. Asumsi pada reaksi hidrolisa adalah konversi yang terjadi 95%. Persamaan reaksi hidrolisa sebagai berikut: C12H22O11 +H2O 2C6H12O6 Persamaan reaksi pada 95% konversi proses penguraian urea adalah: (NH2)2CO + H2O 2NH3 + H2O Persamaan reaksi untuk pertumbuhan yeast adalah: C6H12O6 + 3.198O2 + 0.316NH3 1.929CH1.703N0.171O0.459 +4.098CO2+ 4.813H2O ∆Hr 298 = -855.7055 kcal/kg (Atkinson, hal 132) II.1.3.2 Tahap Fermentasi Tahap ini menggunakan tangki fermentor dengan dilengkapi pipa aliran udara dan pipa aliran air pendingin yang berasal dari air sungai untuk menjaga suhu fermentasi pada 30-32o C. Fermentasi ini bertujuan untuk mendapatkan alcohol dengan kadar 8,5 – 9 % atau lebih. Pertama-tama dimulai dengan sterilisasi tangki fermentor yamg masih kosong dengan uap air panas (steam) sampai suhu 121o C lalu membiarkan suhu di dalam tangki turun sampai 30o C. Setelah itu memasukkan air proses dengan suhu 30o C, larutan tetes 40o brix, proses fermentasi ini berjalan secara aerob. Selanjutnya biakan ragi yang telah dibiakkan pada tangki pre-fermentor dipompa masuk ke tangki fermentor. Setelah itu, tetes 40o brix dipompa masuk ke tangki dan proses berlangsung selama 36 jam. Untuk pH larutan ini dijaga sekitar 4,5 - 5. Kemudian memasukkan ragi roti yang telah dilarutkan dengan air secukupnya dan yeast cream. Untuk nutrisinya, dimasukkan urea, ammonium, dan diammonium phospat. Sedangkan turkey red oil ditambahkan sebagai anti foam untuk mencegah pembentukan foam selama proses terjadi. Hal ini dilakukan selama 15 menit setelah persiapan media pada tangki fermentor selesai. Kemudian dimasukkan ke dalam 2 tangki fermentor pada waktu yang disesuaikan dengan jam awal fermentasi. Tahap fermentasi ini berlangsung selama 24 jam hingga kadar alkohol mencapai 8,5 - 9% dan kekentalan 6,5 - 7o brix. Setelah kadar alkohol sebesar 8,5 - 9% terpenuhi, larutan hasil fermentasi dipompa menuju separator untuk dipisahkan antara hasil fermentasi (cairan mash) dengan ragi (yeast cream). Separator ini menggunakan alat rotary vacuum filter yang merupakan alat dengan prinsip vacuum sehingga ragi (yeast cream) dan cairan hasil fermentasi (cairan mash) yang memilliki perbedaan massa jenis dapat dipisahkan. Ragi yang didapatkan masih dalam konsentrasi yang tinggi. Dari hasil fermentasi tidak semuanya dipisahkan raginya,
hanya sekitar 80-90% saja. Sisanya 10-20% tidak diambil raginya karena mengandung kotorankotoran sisa berupa endapan garam mineral. Hasil fermentasi yang telah dipisahkan ini langsung masuk ke tangki mash (mash tank). Dan selanjutnya didestilasi hingga menjadi alkohol prima (fine alkohol) dengan kadar mencapai 96,5%. Pada tahap fermentasi ini terjadi reaksi hidrolisa, dimana sukrosa diubah menjadi glukosa. Persamaan reaksi hidrolisa yaitu: C12H22O11 +H2O 2C6H12O6 Sedangkan reaksi utama adalah reaksi fermentasi, dimana glukosa diubah menjadi etanol dan air. Persamaan reaksinya adalah: C6H12O6 2 C2H5OH + 2CO2 Pada main fermenter selain terbentuk etanol, juga akan terbentuk produk samping. Hasil samping dalam persen berat (%gula) adalah sebagai berikut: Asam asetat = 0,65% Fusel Oil = 0,85% Asetaldehid = 0,05% (Prescot hal 128) Reaksi samping yang terjadi pada main fermenter yaitu: C6H12O6 C3H8O3 + CH3CHO + 2 CO2 C6H12O6 + H2O 2 C3H8O3 + CH3COOH + C2H5OH + 2CO2 ∆Hr 298 = -324.3860 kcal/kg Komponen pada fusel oil meliputi: Propanol = 12,5 % Isobutyl alcohol = 15 % Amyl alcohol = 30 % Isoamyl alcohol = 32,5 % Etanol = 10 % (Paturau hal 241) II.1.4 Tahap Purifikasi Dalam proses purifikasi ini digunakan unit destilasi, dimana proses destilasi ini dilakukan dengan metode destilasi bertingkat dengan jumlah 5 buah kolom destilasi. Tiap-tiap kolom destilasi memiliki beberapa jumlah dan ukuran tray tertentu dengan jenis plate bubble cup yang berbeda-beda sesuai dengan fungsinya masing-masing untuk memisahkan alkohol dari senyawa-senyawa ikutannya. Alat untuk destilasi terdiri dari 5 kolom destilasi utama yaitu : 1. Kolom pertama :Mash column & Degasification column. 2. Kolom kedua :Pre-running Separating column. 3. Kolom ketiga :Lees column & Rectifyng column. 4. Kolom Keempat : Repurifying column. 5. Kolom kelima : Alcohol column. Mash & Degasification column. Mash & degasification column ini merupakan satu unit kolom. Mash column terdiri dari 20 tingkat atau tray, sedangkan degasification column terdiri
dari 5 tingkat atau tray. Fungsinya adalah untuk memisahkan alkohol dari mash (cairan hasil fermentasi) hingga residu destilasi (slope) sudah tidak mengandung alkohol lagi atau kadarnya hanya sekitar 0 - 0,5%. Pre-Running Separating Column. Kolom II atau Pre-running Separating Column ini terdiri dari 39 tingkat yang berfungsi untuk memisahkan ester-ester dan kandungan lainnya sehingga didapatkan cairan dengan kadar alkohol 30%. Lees Column & Rectifying Column. Kolom III atau Lees column & Rectifying Column ini merupakan satu rangkaian kolom dengan jumlah 71 tingkat atau tray. Kolom ini berfungsi untuk memekatkan kadar alkohol dari hasil destilasi pada kolom II. Repurifying Column. Kolom IV atau Repurifying Column ini terdiri dari 40 tingkat yang halus karena kolom ini berfungsi untuk memurnikan alkohol dari bahan-bahan atau senyawa-senyawa ikutan yang lebih volatil. Alcohol Column. Kolom V atau Alcohol Column merupakan kolom terakhir, yang terdiri dari 45 tingkat dengan 13 tingkat pada bagian bawah merupakan plate-plate yang kasar dan 32 tingkat pada bagian atas merupakan plate-plate yang halus. Kolom ini berfungsi sebagai tempat pengolahan terakhir dari beberapa campuran alkohol yaitu cairan dari kolom II, II, dan IV yang mengandung alkohol dengan kadar rendah untuk dijadikan alkohol teknis. II.2 Spesifikasi Produk Ethanol Tabel II.1. Spesifikasi produk ethanol Sifat
Unit
Komposisi
Density at 15.5 oC
Kg/l
0.794
Molecular Weight
-
46
Oxygen content
%
34.7
Latent heat of evaporation
kJ/kg
925
Lower calorific value
kJ/kg
27,723
kJ/l
22,012
Energy per unit volume Boiling Point Speed of combustion Viscosity at 20oC Vapour Pressure at 20oC
o
C
78.3
m/sec
0.45
centipoise
1.192
atm
0.463
Sumber : Paturau, J.M.; “By-products of The Cane Sugar Industry”; vol. 3; 1st ed; Elsvier; 1982
III.
Metodologi Penelitian
Dalam penelitian ini akan digunakan program SuperPro 4.55, dengan tahapan sebagai berikut : 1.
Pengambilan data operasi Pengambilan data operasi dimaksudkan untuk memasukkan semua data yang diperlukan untuk melakukan simulasi. Data tersebut diambil dari pabrik ethanol, yang meliputi : a) Properties bahan masuk dan produk, antara lain : -. Jumlah komponen atau produk yang hendak dipisahkan -. Jumlah atau fraksi massa dari setiap komponen -. Sifat fisik komponen (boiling point, solubility, relative volatility, -. surface tension). -. Sifat kimia komponen(reactions with other chemicals). b) Kondisi operasi, antara lain : -. Jumlah tray dalam kolom -. Feed tray -. Reflux ratio -. Konstruksi bahan untuk kolom distilasi -. Suhu campuran feed -. Tekanan operasi dalam kolom distilasi. c) Batasan – batasan pada setiap alat : -. Batasan pada tinggi kolom destilasi -. Batasan suhu -. Batasan tekanan -. Campuran azeotrop -. Reaksi kimia dari komponen tertentu 2. Pemilihan flowsheet alternatif Menguji beberapa macam flowshet alternative dengan cara simulasi melalui program SuperPro 4.55 berdasarkan data operasi yang diperoleh. 3. Pengujian validasi hasil simulasi dengan data desain yang diperoleh. Membandingkan hasil simulasi terhadap data desain. 4. Menghitung yield yang diperoleh dari flowsheet alternatif Setelah memperoleh beberapa flowsheet alternatif, maka menghitung yield yang diperoleh dari masing-masing flowsheet. 5. Mengevaluasi effisiensi proses dari flowsheet alternative Mengevaluasi yield terhadap effisiensi proses IV. Hasil Penelitian dan Pembahasan IV.1. Hasil Penelitian Pada penelitian ini, untuk melakukan konfigurasi proses diperlukan validasi dari hasil simulasi. Tujuan validasi adalah sebagai acuan awal yang menunjukkan bahwa simulasi dapat mendekati kondisi yang sebenarnya. Validasi dilakukan secara bertahap untuk masing-masing proses. Hal ini sangat penting mengingat keterkaitan yang sangat erat dari keterlibatan
komponen yang kompleks pada feed. Apabila validasi dari satu tahap tidak dihasilkan output yang memiliki error minimal maka akan mempengaruhi validasi untuk tahap proses selanjutnya. Data yang diambil berasal dari pabrik konvensional yaitu Pabrik Alkohol Djatiroto PASA II yang memiliki proses semi continu. Sebelum memulai membuat flowsheet untuk validasi, terlebih dahulu memilih Plant Operation Mode pada SuperPro 4.55. Terdapat dua option yakni continu dan batch. Flowsheet validasi menggunakan proses batch supaya dapat ditampilkan gantt chart. Mixing Tank Tahap awal pada proses pembuatan etanol adalah pencampuran, dapat dilihat pada gambar IV.1.1.1 sebagai berikut: molasses
H2SO4 96.5%
S-124
S-119 P-11 / MX-105 Mixing steam1
S-126
P-10 / V-101 Stoic h. Reaction
Gambar IV.1.1.1 Mixing Tank Pada proses ini diambil basis satu jam operasi. Molasses masuk sebanyak 2.250kg dengan kadar brix sekitar 90o, atau sekitar 55% gula terlarut. Dapat dilihat pada tabel IV.1.1.1 merupakan input data komponen serta flow rate molasses: Tabel IV.1.1.1 Mixing Tank Input Komponen Flow rate (kg) % mass CaO
22.5
1
Glucose
405
18
impurities
382.5
17
K2O
108
4.8
MgO
13.5
0.6
SiO2
13.5
0.6
Sucrose
810
36
Water
495
22
Settling Tank Tahap pada unit ini bertujuan memisahkan antara endapan yang terbentuk dari Mixing tank serta impurities. Dapat dilihat pada gambar IV.1.2.1 merupakan dua buah tangki sedimentasi yang disusun secara parallel.
S-136 P-3 / V-107
P-17 / FSP-103 Flow Splitting S-101
S-137 S-123
Decanting S-105
S-139 P-19 / MX-108 Mixing P-21 / PM-102
S-135
P-18 / V-106
Fluid Flow
reaksi penguraian urea serta reaksi utama yakni reaksi partumbuhan. Berdasarkan kecepatan reaksi pada komponen yeast didapatkan mol yeast yang bereaksi sehingga didapatkan kesetimbangan reaksi. Koeffisien stoichiometri berdasarkan perbandingan mol, sehingga di dapatkan kebutuhan untuk masingmasing komponen. Input data kinetic pada SuperPro dapat dilihat pada gambar IV.1.3.2.
Decanting
Gambar IV.1.2.1 Decanter Kandungan gula yang terbuang adalah 5% dari aliran S-140. Proses terjadi secara batch selama 5 jam. Set operation terdiri atas Decanter yaitu pemisahan yang berdasarkan perbedaan densitas. Pada Tangki ini dipertahankan suhu tetap 90oC. Pre Fermenter Sebelum menuju Pre fermenter aliran melalui Heat Exchanger untuk menurunkan suhunya menjadi 30o C. Temperatur input seed fermenter dijaga konstan sehingga yeast dapat hidup didalamnya. Pada Pre fermenter terjadi pertumbuhan yeast (Saccharomyces Cerevisiae) selama 8jam. Berikut ini merupakan Pre Fermenter pada gambar IV.1.3.1. H3PO4 P-5 / MX-102 Mixing
S-106
urea
P-8 / MX-103 Mixing yeastantifoam S-102
P-16 / FSP-101 Flow Splitting S-142
S-104
P-6 / V-102 S-109 Seed Fermentation
P-22 / PM-103 Fluid Flow
Gambar IV.1.3.1 Pre Fermenter Pada Pre Fermenter terdapat penambahan nutrient berupa H3PO4 sebanyak 0,5lt serta 15 kg Ammonia. Pada Tangki ini terjadi reaksi hidrolisa,
Gambar IV.1.3.2 Kinetik Data Proses pertumbuhan terjadi secara aerob, dengan data kinetis adalah: Substrate: Glucosa Ks : 25mg/lt µmax : 0.43 /h α :1 β : 0 /h Koefisien stoichiometric reaksi pertumbuhan dengan basis mass, dapat dilihat pada tabel IV.1.3.1. Tabel IV.1.3.1 Koefisien Stoikiometri untuk Reaksi pertumbuhan Komponen Stoichiometric coefficient Ammonia -53814.8 Glucose -1801600.00 Oxygen -1253760.0 CO2 1803529.8 Saccharomyces 452736.3 Water 852908.765 Main Fermenter Aliran keluar dari Pre-Fermenter dibagi menjadi dua aliran meenuju Main fermenter yang disusun secara parallel, dapat dilihat pada gambar IV.1.4.1.
S-131 S-132 P-14 / MX-106 S-127 Mixing
S-110
S-117
S-129 P-7 / V-104 S-125 P-15 / MX-107
S-128
Fermentation
S-133 S-134 S-115 S-120 P-13 / MX-101 S-116 Mixing
P-9 / V-103
S-111
Fermentation
Mixing
Gambar IV.1.4.1 Main Fermenter Proses pada Main Fermenter terjadi selama 36 jam dengan lama pengisian yakni 7 jam. Proses Fermentasi terjadi secara aerob pada tekanan atmosferik atau satu atm dengan suhu dijaga 32oC. Terdapat empat macam reaksi yaitu reaksi hidrolisa, reaksi penguraian glukosa, reaksi pembentukan etanol serta reaksi samping. Reaksi hidrolisa yang terjadi diasumsikan sama dengan reaksi hidrolisa pada tangki Pre fermenter dengan konversi 100% dengan koefisien yang sama. Reaksi penguraian glukosa mempunyai koefisien stoikiometrik berdasarkan mol dapat dilihat pada tabel IV.1.4.1 Tabel IV.1.4.1 Koefisien Stoikiometri untuk Reaksi Hidrolisa Komponen koefisien Glucose
2
Sucrosa
-1
Water
-1
Pada reaksi pembentukan etanol terjadi secara eksotermis sehingga dibutuhkan air pendingin untuk menjaga suhu sehingga yeast tetap hidup pada 32oC. Fermentor ini merupakan tipe vessel berjaket, Air pendingin yang digunakan adalah cooling water dengan suhu inlet adalah 25oC dengan outlet adalah 30 oC. Persamaan reaksi dengan perbandingan mol dapat dilihat pada tabel IV.1.4.2. Tabel IV.1.4.2 Koefisien Stoikiometri untuk Pembentukan Etanol Komponen Koefisien Carb. Dioxide
2
Ethyl Alcohol
2
Glucose
-1
Sedangkan data kinetic untuk reaksi etanol adalah sebagai berikut: Substrate: Glucosa Ks : 25 mg/lt µmax : 0.67 /h α :1 β : 0 /h
Selain terjadi reaksi utama yaotu pembentukan etanol, pada fermentor juga terjadi reaksi samping. Keseluruhan reaksi overall dapat dilihat pada tabel P-16IV.1.4.3. / FSP-101 Flow Splitting
Tabel IV.1.4.3 Koefisien Stoikiometri untuk Reaksi Samping Komponen Koeffisien Acetaldehyde
5.000
Acetic-Acid
65.000
amyl alkohol
25.500
Butanol
12.750
Glucose
-10
isoamyl alkohol
27.625
Propanol
10.625
Water
-145
Ethyl Alcohol
8.500
Sedangkan data kinetic untuk reaksi etanol adalah sebagai berikut: Substrate: Glucosa Ks : 25 mg/lt µmax : 0.67 /h α : 0.0085 β : 0 /h Tahap Destilasi Pada tahap destilasi ini, bertujuan untuk mendapatkan kualitas etanol prima 96 %. Tahap destilasi ini terdapat 3 kolom destilasi, yaitu : 6. Kolom pertama : Beer Column. 7. Kolom kedua : Alehyde Coloumn. 8. Kolom ketiga : Rectifyng column. Sebelum mash dialirkan ke kolom destilasi yang pertama, dilakukan pemanasan bertahap. Tahap pertama mash dipanaskan dengan umpan balik (recycle) dari bottom produk di kolom destilasi yang pertama dengan suhu 102.79oC. Pemanasan pertama ini dilakukan hingga suhu 60 o C. Sedangkan pemanasan tahap kedua ini mash dipanaskan dengan steam yang bersuhu 152 oC. Pemanasan dilakukan hingga suhu mash 85 oC. Pada beer coloumn, fungsinya adalah untuk memisahkan alkohol dari mash (cairan hasil fermentasi) hingga residu destilasi (slope) sudah tidak mengandung alkohol lagi atau kadarnya hanya sekitar 50 %. Inputan yang diperlukan untuk kolom destilasi pertama ini dapat dilihat pada Tabel IV.1.5.1
isoamyl alkohol
100
Reboiler temperature : 82.61 oC Arus keluar unit destilasi dapat dilihat pada tabel IV.1.5.4 Tabel IV.1.5.4 Perbandingan antara Mass Rate Pabrik dengan Mass Rate Simulasi Mass Rate Mass Rate Literature Simulasi Komponen Kg /jam Kg/jam Ethyl Alcohol 519.46479 522.91516
Propanol
100
Water
30.75056
22.0878
Total
550.21535
545.00296
Tabel IV.1.5.1 Persen komponen yang diinginkan dalam distillate Komponen
% in Distillate
Acetaldehyde
100
amyl alkohol
100
Butanol
100
Ethyl Alcohol
99.99
Water
15.55
R/Rmin : 1.25 Condenser temperature : 87.18 oC Reboiler temperature : 102.79 oC Untuk setiap kolom destilasi disetting terlebih dahulu berapa persen komponen yang diinginkan dalam distilat, R/Rmin, condenser temperature, serta reboiler temperature. Aldehyde column berfungsi untuk memisahkan ester-ester dan kandungan lainnya sehingga didapatkan cairan dengan kadar alkohol sekitar 90 %. Inputan yang diperlukan untuk kolom destilasi kedua dapat dilihat pada tabel IV.1.5.2 Tabel IV.1.5.2 Persen komponen yang diinginkan dalam distillate Komponen
% in Distillate
Acetaldehyde
100
amyl alkohol
12.5
Butanol
12.5
Ethyl Alcohol
99.75
isoamyl alkohol
12.5
Propanol
12.5
Water
67.75
R/Rmin Condenser temperature Reboiler temperature
: 1.25 : 78.92 oC :
Dari keseluruhan proses ini, didapatkan error secara keseluruhan adalah 0.9473 %. Simulasi pabrik etanol dari molasses ini berdasarkan data yang diperoleh dari literatur dan dilakukan dengan menggunakan software SuperPro Designer 4.55, dimana software ini dapat digunakan untuk simulasi pada industri bioteknologi dengan adanya permodelan yang sudah tersetting. Langkah awal yang dilakukan dalam penelitian ini adalah menyusun flowsheet dari literature dengan menggunakan SuperPro 4.55 kemudian menginputkan data literature ke dalam progam simulasi, lalu mengecek setiap output dari tiap unit utama untuk mengevaluasi proses. Dari neraca massa yang sudah setimbang dapat diketahui nilai error antara literature dengan simulasi. Tahap ini merupakan validasi data, dan error secara keseluruhan yang diperoleh cukup kecil yaitu 0.04998 % maka dapat diambil kesimpulan bahwa hasil simulasi yang dilakukan sudah valid. Sehingga, dapat dijadikan sebagai acuan dalam langkah selanjutnya yaitu konfigurasi proses. Dalam simulasi SuperPro untuk proses semicontinu terdapat gantchart proses. Dimana gantchart hanya menggambarkan untuk proses batch. Gantchart dari hasil validasi ditunjukkan pada gambar IV.1.5.3.
96.36 oC Rectifying column berfungsi untuk memekatkan kadar alkohol dari hasil destilasi pada kolom II. Inputan yang diperlukan untuk kolom destilasi ketiga dapat dilihat pada tabel IV.1.5.3 Tabel IV.1.5.3 Persen komponen yang diinginkan dalam distillate Komponen
% in Distillate
Acetaldehyde
100
Ethyl Alcohol
98.75
Water
10.75
R/Rmin Condenser temperature
: 1.25 : 78.13 oC
Gambar IV.1.5.3 Ganchart untuk proses produksi secara batch
IV.2. Konfigurasi Proses Dalam penelitian ini terdapat beberapa macam konfigurasi proses yang telah dilakukan, yaitu : Konfigurasi Proses 1 Dalam proses konfigurasi pertama ini, dilakukan beberapa perubahan antara lain : 1. Menambahkan alat absorber yang berfungsi untuk menyerap Acetaldeyd dengan solvent air, hasil adsorbsi dapat direcycle ke fermentor. 2. Fermentasi dilakukan secara anaerob namun terdapat aerasi dalam jumlah kecil untuk menjaga yeast tetap hidup, dimana aerasi yang diberikan sebesar 0,5VVM. 3. Menambahkan pengaduk untuk fermentor dengan power 2,461kW/m3. Adapun hasil yang diperoleh dari konfigurasi proses yang pertama ini ditunjukkan oleh table IV.2.1.1 sebagai beikut : Tabel IV.2.1.1 Hasil Konfigurasi 1 Mass Rate Mass Rate Komponen Pabrik Simulasi % Mass (Kg /jam) (kg/jam) Komponen Ethyl Alcohol 519.46479 585.5905 96.0801 Water
30.75056
23.8911
3.9199
Total
550.21535
609.4816
100
Sedangkan untuk kebutuhan energinya, konfigurasi ini membutuhkan utilitas sebesar 5292.84087 kcal /kg etanol dan yield yang diperoleh yaitu sebesar 0.489. Konfigurasi Proses 2 Dalam proses konfigurasi pertama ini, dilakukan beberapa perubahan antara lain : 1. Menambahkan alat absorber yang berfungsi untuk menyerap Acetaldeyd dengan solvent air, hasil dari adsorbsi ini kemudian direcycle menuju ke fermentor. 2. Fermentasi dilakukan secara anaerob namun terdapat aerasi dalam jumlah kecil untuk menjaga yeast tetap hidup, dimana aerasi yang diberikan sebesar 0,5VVM. 3. Menambahkan pengaduk untuk fermentor dengan power 2,461kW/m3. 4. Mengganti tangki sedimentasi dengan Filter Press Filtration. Adapun hasil yang diperoleh dari konfigurasi proses yang pertama ini ditunjukkan oleh table IV.2.1.2 sebagai beikut :
Komponen Ethyl Alcohol
Tabel IV.2.2.1 Hasil Konfigurasi 2 Mass Mass Rate Rate Pabrik Simulasi % Mass (Kg /jam) (Kg/jam) Komponen 519.46479
596.4988
96.6162
Water
30.75056
20.89151
3.3838
Total
550.21535
617.3903
100
Sedangkan untuk kebutuhan energinya, konfigurasi ini membutuhkan utilitas sebesar 3398.19234 kcal /kg etanol dan yield yang diperoleh yaitu sebesar 0.496. Konfigurasi Proses 3 Dalam proses konfigurasi pertama ini, dilakukan beberapa perubahan antara lain : 1. Menambahkan alat absorber yang berfungsi untuk menyerap Acetaldeyd dengan solvent air, hasil adsorbsi dapat direcycle ke fermentor. 2. Fermentasi dilakukan secara anaerob namun terdapat aerasi dalam jumlah kecil untuk menjaga yeast tetap hidup, dimana aerasi yang diberikan sebesar 0,5VVM. 3. Menambahkan pengaduk untuk fermentor dengan power 2,461 kW/m3. 4. Mengganti tangki sedimentasi dengan Filter Press Filtration. 5. Membuat fermentor menjadi proses koninyue dengan merangkainya secara seri. Adapun hasil yang diperoleh dari konfigurasi proses yang pertama ini ditunjukkan oleh table IV.2.1.3 sebagai beikut : Tabel IV.2.3.1 Hasil Konfigurasi 3 Mass Rate Pabrik Mass Rate % Mass Komponen (Kg /jam) (Kg/jam) Komponen Ethyl Alcohol 519.46479 602.4048 96.1126 Water
30.75056
24.36507
3.8874
Total
550.21535
626.7699
100
Sedangkan untuk kebutuhan energinya, konfigurasi ini membutuhkan utilitas sebesar 6688.88475 kcal /kg etanol dan yield yang diperoleh yaitu sebesar 0.503. Dari hasil yang dapat dilihat pada table, dapat diketahui bahwa untuk konfigurasi proses ini yang memiliki yield paling maksimal yaitu konfigurasi yang ketiga. Dan untuk kebutuhan steam-nya konfigurasi kedua lebih sedikit kebutuhan energinya. Karena pada konfigurasi kedua terjadi pertukaran panas yang cukup banyak, seperti contohnya pada sterilisasi, steam yang telah digunakan untuk mensterilkan feed, masih memiliki suhu yang cukup tinggi yaitu sekitar 65 o C. Dengan suhu yang masih cukup tinggi tersebut masih dapat digunakan lagi untuk memanaskan
mash yang dari fermentor hingga suhu 42 oC. Kemudian untuk fusel oil yang dihasilkan dari kolom destilasi kedua dan ketiga masih memiliki suhu sekitar 90 oC, suhu yang cukup tinggi ini dimanfaatkan untuk memanaskan mash dari suhu sekitar 40 oC hingga menjadi suhu sekitar 45 oC. Lalu, pada kolom destilasi pertama yang bottomnya menghasilkan vinasse dengan suhu yang cukup tinggi yaitu sekitar 102oC, panasnya dapat digunakan untuk menaikkan suhu mash dari sekitar 45 oC menjadi sekitar 67 oC. Suhu vinasse yang telah ditukarkan ini masih cukup tinggi untuk langsung dibuang ke lingkungan, oleh karena itu didinginkan dengan air suhu 27 oC dan air suhunya akan naik menjadi sekitar 40 oC direcycle kembali menuju tangki mixing. Sedangkan vinasse bisa dibuang dengan suhu normal yaitu sekitar 30 oC. Selain itu, pada kolom destilasi kedua dan ketiga menghasilkan air dengan kandungan etanol yang sangat kecil dan memiliki suhu sekitar 87.7 oC direcycle kembali menuju ke tangki mixing, dan selain digunakan untuk pengenceran, suhu yang cukup tinggi tersebut berguna untuk mengurangi kebutuhan steam pada sterilisasi. Sedangkan untuk meningkatkan kualitas dari ethanol yang diperoleh yaitu alcohol prima 96 % untuk menjadi etanol dengan kualitas 99.6 %, maka pada unit distilasi ditambahkan alat pemurnian yaitu GAC adsorption yang berfungsi untuk menyerap air. Pada alat GAC adsorption, melalui program Super Pro 4.55 ini telah disetting secara default untuk menggunakan karbon aktif sebagai adsorbernya. Berikut ini merupakan hasil yang diperoleh dari beberapa konfigurasi dengan GAC adsorption pada masing-masing konfigurasi, ditunjukkan pada tabel IV.2.1.4, tabel IV.2.1.5, tabel IV.2.1.6. Tabel IV.2.3.2 Arus keluar unit distilasi dari konfigurasi 1 dengan GAC Adsorption Mass Rate % Mass Komponen (kg/jam) Komponen Ethyl Alcohol 597.25952 99.6315 Water Total
2.2088
0.3685
599.46832
100
Tabel IV.2.3.3 Arus keluar unit distilasi dari konfigurasi 2 dengan GAC Adsorption Mass Rate % Mass Komponen (kg/jam) Komponen Ethyl Alcohol 602.91414 99.6338 Water Total
2.21608
0.3662
605.13022
100
Tabel IV.2.3.4 Arus keluar unit distilasi dari konfigurasi 3 dengan GAC Adsorption Mass Rate % Mass Komponen (kg/jam) Komponen Ethyl Alcohol 603.47352 99.6341 Water
2.21608
0.3659
Total
605.6896
100
Berikut ini merupakan unit destilasi yang dilengkapi dengan GAC Adsoprtion yang ditunjukkan melalui gambar IV.2.2 berikut ini : Acetal
Acetaldehyde S-112 P-3 / MX-102 S-111 Mixing
S-118 S-102
S-109 KD 2iii / C-105 S-101 S-115 KD 3 i /S-113 C-107 S-110 P-4 / HX-102 DistillationP-2 / MX-101 S-108 Distillation Heating Aldehyde / C-102 S-107 S-117 Mixing P-6 / GAC-101 Distillation Rectyfiying col / C-106 Fussel water GAC Adsorption Distillation S-106 dr fermen S-105 Beer still / C-101
S-116
Distillation P-1 / HX-101 Slope S-104 Heat Exchanging
S-103 KD 2ii / Fussel C-104 Liq P-5 / MX-103 Distillation Mixing
KD 3 ii / C-108 S-114 Distillation
KD 2i / C-103 Distillation water
Gambar IV.2.2 Unit Destilasi yang dilengkapi dengan GAC Adsorption
Fussel
DAFTAR PUSTAKA Atkinson, Bernard and Ferda Mavituna. (1983). Biochemical Engineering And Biotechnology Handbook”. The Nature Press. Fogler, H.S.(1992). Elements of Chemical Reaction Engineering. 2nd edition. Prentice Hall. Geankoplis, Christie J.(1997).Transport Processes and Unit Operations. 3rd edition. PrenticeHall of India. New Delhi. G. SobocÏan, P. GlavicÏ. (1999). Optimization of Ethanol Fermentation Processes Design. Kitani, Osamu and Carl W. Hall. (1999). Biomass Handbook. Gordon and breach science publishers. M. Galbe and G. Zacchi. (1994). Simulation of Ethanol Production Processes Based on Enzymatic Hydrolysis of Woody Biomass. Paturau, J.M. (1982). By-products of The Cane Sugar Industry. vol. 3. 1st ed. Elsvier. Perry, Robert H. & Don Green. (1984). Perry’s Chemical Engineering Handbook. 6th edition. Mc Graw Hill Book Co. New York. Pro-Designer v4.5. (2000). SuperPro Designer, User’s Guide, Intelligen, Inc., USA. Reid. Robert C., Prausnitz. John M., and Sherwood. Thomas K. (1977). The Properties of Gasses and Liquids. 3rd edition. McGrawHill Book Company. USA. Van Winkle. Matthew.(1967). Distillation. McGraw-Hill. New York. Van Ness, S. (1967). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. 7th edition, International edition, McGraw Hill Inc, Singapore.
