Proses Pembuatan Bioethanol

PROSES PEMBUATAN BIOETHANOL

BERBAHAN BAKU SORGUM & SINGKONG KERING

Teknologi produksi bioethanol berikut ini diasumsikan menggunakan singkong kering/gaplek dan biji & Batang sorgum sebagai bahan baku, tetapi tidak menutup kemungkinan digunakannya biomassa yang lain, terutama molase. Produksi Bioethanol dari Biomassa terdapat 3 langkah, diantaranya adalah sebagai berikut :

1.     Persiapan Bahan Baku dan Bahan Pembantu

Bahan baku

Bioetanol dapat diproduksi dari hampir semua jenis biomassa, seperti Tebu (sugarcane), gandum manis (sweet sorghum) atau yang menghasilkan tepung seperti jagung (corn), singkong (cassava) dan gandum (grain sorghum).

Kelebihan tanaman sorgum dibanding dengan tebu antara lain :

• Tanaman sorgum memiliki produksi biji dan biomass yang jauh lebih tinggi dibanding tanaman tebu.
• Adaptasi tanaman sorgum jauh lebih luas dibanding tebu sehingga sorgum dapat ditanam di hampir semua jenis lahan, baik lahan subur maupun lahan marjinal.
• Tanaman sorgum memilki sifat lebih tahan terhadap kekeringan, salinitas tinggi dan genangan air (water lodging).
• Sorghum memerlukan pupuk relatif lebih sedikit dan pemeliharaannya lebih mudah daripada tanaman tebu.
• Laju pertumbuhan tanaman sorgum jauh lebih cepat daripada tebu.
• Menanam sorgum lebih mudah, kebutuhan benih hanya 4,5–5 kg/ha dibanding tebu yang memerlukan 4500–6000 stek batang.
• Umur panen sorgum lebih cepat yaitu hanya 4 bulan, dibanding tebu yang dipanen Pada umur 7 bulan.
• Sorgum dapat di ratun sehingga untuk sekali tanam dapat dipanen beberapa kali.

Persiapan Bahan baku untuk jenis bahan sorgum dan gaplek adalah sebagai berikut :

• Tepung dan material selullosa harus dihancurkan untuk memecahkan susunan tepungnya agar bisa berinteraksi dengan air secara baik
• Pemasakan, Tepung dikonversi menjadi gula melalui proses pemecahan menjadi gula kompleks (liquefaction) dan sakarifikasi (Saccharification) dengan penambahan air, enzyme serta panas (enzim hidrolisis). Pemilihan jenis enzim sangat bergantung terhadap supplier untuk menentukan pengontrolan proses pemasakan.

Bahan Pembantu

a)      Yeast

Yeast yang digunakan adalah Saccharomyces cerevisiae dengan pertimbangan cepat berkembang biak, tahan pada suhu tinggi (50^oC) dan tahan terhadap kadar alcohol tinggi (18%). Yeast Saccharomyces cerevisiae dapat hidup dengan baik pada kondisi pH 4,8 dan temperature 30^oC.

b)      Urea

Urea berbentuk butiran dan berwarna putih. Urea digunakan sebagai nutrient untuk pertumbuhan dan perkembangan yeast yang ditambahkan ke dalam medium fermentasi pada saat pemasakan.

c)      NPK (Nitrogen Phosporus Kalium)

NPK berbentuk butiran dan berwarna coklat. NPK berfungsi sebagai nutrient untuk pertumbuhan dan perkembangan yeast yaitu sebagai sumber nitrogen dan phosphor yang ditambahkan ke dalam medium fermentasi pada saat pemasakan.

d)      H2SO4

Penambahan H2SO4 dimaksudkan untuk mengatur pH 4,8 guna mencegah terjadinya kontaminasi. Selain itu sebagai katalisator reaksi hidrolisa sakarosa menjadi glukosa dan fruktosa sehingga dapat difermentasi oleh yeast.

e)      TRO (Turkey Red Oil)

TRO ditambahkan bila terjadi pembuihan yang terlalu hebat. TRO berbentuk cairan kental dan berwarna merah. Apabila tidak terjadi pembuihan TRO tidak ditambahkan.

f)       Superfloc

Superfloc digunakan untuk membantu mengendapkan kotoran dalam tangki. Bila kotoran ini tidak diendapkan, maka akan mengganggu pesawat destilasi karena dapat menimbulkan kerak pada menara destilasi. Superfloc berupa bubuk berwarna putih. Superfloc yang digunakan sebanyak 200 gram selanjutnya dilarutkan dengan alcohol hingga 1 liter dan ditambah air sampai 10 liter. Larutan superfloc kemudian ditambahkan dalam tangki peragian utama.

2.    Proses Pembuatan Bioethanol

Proses pembuatan bioethanol terdiri dari beberapa tahapan, yaitu :

1)      Proses Pembuatan Adonan

2)      Proses Pembibitan

3)      Proses Fermentasi / Peragian

4)      Proses Penyulingan / Destilasi

1.      Proses Pembuatan Adonan

Proses pembuatan adonan digunakan sebagai media pertumbuhan dan perkembangan yeast untuk fermentasi, proses ini juga di sebut dengan tahap liquifaksi

Tahap Liquefaction memerlukan penanganan sebagai berikut :

• Pencampuran dengan air secara merata hingga menjadi bubur
• Pengaturan pH agar sesuai dengan kondisi kerja enzim
• Penambahan enzim (alpha-amilase) dengan perbandingan yang tepat
• Pemanasan bubur hingga kisaran 80 s/d 90^oC, dimana tepung-tepung yang bebas akan mengalami gelatinasi (mengental seperti Jelly) seiring dengan kenaikan suhu, sampai suhu optimum enzim bekerja memecahkan struktur tepung secara kimiawi menjadi gula komplek (dextrin). Proses Liquefaction selesai ditandai dengan parameter dimana bubur yang diproses menjadi lebih cair seperti sup.

Tahap sakarifikasi (pemecahan gula kompleks menjadi gula sederhana) melibatkan proses sebagai berikut :

• Pendinginan bubur sampai suhu optimum enzim sakarifikasi bekerja
• Pengaturan pH optimum enzim
• Penambahan enzim (glukoamilase) secara tepat
• Mempertahankan pH dan temperature pada rentang 50 s/d 60^OC sampai proses sakarifikasi selesai (dilakukan dengan pengetesan gula sederhana yang dihasilkan)

2.      Proses Pembibitan

Proses ini dimaksudkan untuk memperbanyak sel-sel ragi  supaya sejumlah sel ragi banyak sebelum digunakan dalam fermentasi alcohol. Ragi yang digunakan pada fermentasi alcohol sel ragi ini tidak dapat dilakukan secara langsung, tetapi harus dilakukan secara bertahap dengan maksud untuk adaptasi dengan lingkungan.

Mula-mula dilakukan pada jumlah kecil skala laboratorium, kemudian dikembangkan lebih lanjut dalam tangki pembibitan. Tangki-tangki tersebut dilengkapi dengan cooler dengan aerobic dengan  erasi udara. Tangki-tangki tersebut dilengkapi dengan cooler dengan maksud untuk pengaturan suhu 28-30^oC selama diinkubasi.

3.      Proses Fermentasi / Peragian

Pada tahap ini, tepung telah sampai pada titik telah berubah menjadi gula sederhana (glukosa dan sebagian fruktosa) dimana proses selanjutnya melibatkan penambahan enzim yang diletakkan pada ragi (yeast) agar dapat bekerja pada suhu optimum. Proses fermentasi ini akan menghasilkan etanol dan CO2.

Bubur kemudian dialirkan kedalam tangki fermentasi dan didinginkan pada suhu optimum kisaran 28 sd 30^oC, dengan mengalirkan air pendingin melalui pipa-pipa. Fermentasi dianggap selesai bila brix sudah turun dan kadar alcohol 8-12%.

Dan tahap selanjutnya yang dilakukan adalah destilasi, namun sebelum destilasi perlu dilakukan pemisahan padatan-cairan, untuk menghindari terjadinya clogging selama proses distilasi.

4.      Proses Pemurnian / Distilasi

Destilasi atau penyulingan bertujuan untuk memisahkan alkohol dengan air sehingga kadar alkohol lebih tinggi. Proses distilasi dilakukan secara bertingkat atau disebut destilasi bertingkat. Destilasi bertingkat bertujuan untuk meningkatkan kadar alkohol. Dalam proses destilasi tetes tebu akan masuk ke kolom-kolam yakni :

1)      Kolom Maische

2)      Kolom Voorloop

3)      Kolom Rektifier

4)      Kolom Nachloop

1.       Kolom Maische

Pada proses destilasi tebu masuk ke Kolom Maische. Hasilnya alkohol kasar kadar 45%. Alkohol kasar masuk ke kolom Voorloop.

2.      Kolom Voorloop

Alkohol kasar dari kolom Maische masuk ke kolom Voorlop ini. Di dalam kolom ini alkohol akan mengalami destilasi kembali. Hasil berupa 2 alkohol. Yakni :

• Alkohol teknis kadar 94% beraldahide ditampung sebagai hasil akhir.
• Alkohol muda kadar + 25%. Alkohol ini masuk ke Kolom Rektifiser.

3. Kolom Rektifier

Di kolom Rektifiser alkohol muda dari kolom voorloop mengalami destilasi kembali. Hasilnya :

• Alkohol murni (Prima I) kadar min 95%
• Alkohol Muda mengandung minyak Fusel masuk Kolom Nachloop (Destilasi selanjutnya).
• Lutter Waser, air yang bebas alkohol, sebagai penyerap alkohol. Kembali ke Kolom Voorloop untuk membantu proses penyerapan alkohol.

Alkohol yang telah memiliki kadar yang tinggi tidak lagi mengalami proses destilasi. Sedangkan alkohol yang masih berkadar rendah akan mengalami destilasi pada kolom berikutnya.

4. Kolom Nachloop

Alkohol muda dari kolom Rektifiser mengalami destilasi di kolom Nachloop. Hasil dari kolom Nachloop:

• Alkohol teknis kadar 94% sebagai hasil akhir
• Air yang bebas alkohol dibuang.

Hasil akhir dari proses produksi alkohol adalah etanol yang memiliki kadar yang tinggi yakni berkisar antara 94%-96%.

3.    Proses Pengeringan Bioethanol

Untuk dapat membuat bioethanol yang dihasilkan mempunyai kadar alkohol dari 96% menjadi 99.5%, maka diperlukan pengeringan. Pengeringan disini bisa dilakukan dengan 2 metode, diantaranya adalah pengeringan dengan metode membran dan pengeringan dengan menggunakan molecular sieve / membran zeolit.

Pengeringan Membran

Berdasarkan jenis pemisahan dan strukturnya, membran dapat dibagi menjadi 3 kategori :

• Porous membrane. Pemisahan berdasarkan atas ukuran partikel dari zat-zat yang akan dipisahkan. Hanya partikel dengan ukuran tertentu yang dapat melewati membran sedangkan sisanya akan tertahan. Berdasarkan klasifikasi dari IUPAC, pori dapat dikelompokkan menjadi macropores (>50nm), mesopores (2-50nm), dan micropores (<2nm). Porous membrane digunakan pada microfiltration dan ultrafiltration.
• Non-porous membrane. Dapat digunakan untuk memisahkan molekul dengan ukuran yang sama, baik gas maupun cairan. Pada non-porous membrane, tidak terdapat pori seperti halnya porous membrane. Perpindahan molekul terjadi melalui mekanisme difusi. Jadi, molekul terlarut di dalam membran, baru kemudian berdifusi melewati membran tersebut.
• Carrier membrane. Pada carriers membrane, perpindahan terjadi dengan bantuan carrier molecule yang mentransportasikan komponen yang diinginkan untuk melewati membran. Carrier molecule memiliki afinitas yang spesifik terhadap salah satu komponen sehingga pemisahan dengan selektifitas yang tinggi dapat dicapai.

Pengeringan Molecular Sieve

Proses pemurnian/pengeringan itu menggunakan prinsip penyerapan permukaan, zeolit dapat menyerap air dan mengikatnya karena partikel air lebih kecil daripada partikel etanol. Partikel air berukuran 3 angstrom sehingga dapat diserap zeolit. Sedangkan partikel etanol berukuran lebih besar 4,4 angstrom sehingga tidak bisa diserap oleh zeolit. Karena itu ketika etanol dilewatkan pada sebuah tabung berisi zeolit, kadar etanol bisa meningkat karena airnya diikat oleh zeolit. Proses itu terjadi karena pori-pori zeolit bersifat molecular shieves. Artinya, molekul zeolit hanya bisa dilalui oleh partikel-partikel berukuran tertentu. Karena itulah proses pemurnian bioetanol dengan zeolit sintetis dinamakan juga proses molecular shieves.