Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Bioetanol dari Jerami Padi dengan Kapasitas 1000 Ton /tahun
TUGAS PRA RANCANGAN PABRIK PEMBUATAN BIOETANOL DARI JERAMI PADI DENGAN PROSES FERMENTASI DENGAN KAPASITAS PRODUKSI
1000 TON/ TAHUN TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Ujian Sarjana Teknik Kimia
Oleh : BUYUNG LEBU
080405099
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Kuasa atas
berkat dan rahmatNya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang
berjudul “Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Bioetanol dari Jerami Padi dengan
Kapasitas 1000 Ton /tahun“.
Tugas rancangan pabrik ini disusun untuk melengkapi tugas-tugas dan
merupakan salah satu syarat untuk mengikuti ujian sarjana pada Departemen Teknik
Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan tugas rancangan pabrik ini penulis banyak menerima
bantuan, bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak, oleh karena itu penulis
mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Dr. Eng. Ir. Irvan, Msi, Ketua Departemen Teknik Kimia, Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara.
2. Ibu Dr.Ir.Fatimah, MT, Sekretaris Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara.
3. Ibu Ir. Renita Manurung, MT, Koordinator Tugas Akhir, Departemen Teknik
Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
4. Ibu Dr.Ir.Fatimah, MT, selaku dosen pembimbing I dalam penyususnan tugas
rancangan pabrik ini.
5. Orang tua kami para penulis yang selalu mengasihi, memberi semangat dan
menjadi sumber inspirasi bagi penulis.
6. Saudara-saudara penulis yang selalu memberi semangat kepada penulis.
7. Bapak dan Ibu dosen Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas
ii
Sumatera Utara yang telah mengajarkan banyak pengetahuan kepada penulis.
8. Pegawai-pegawai Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas
Sumatera Utara.
i
9. Patner atas kerjasamanya dalam penulisan tugas rancangan pabrik ini.
10. Sahabat-sahabat terbaik di Teknik Kimia, stambuk 2007 atas kebersamaan
selama ini.
11. Senior di Teknik Kimia atas pinjaman buku dan saran selama penulisan tugas
rancangan pabrik ini.
Universitas Sumatera Utara
12. Junior di Teknik Kimia yang selalu memberikan dukungan dalam penulisan tugas rancangan pabrik ini.
13. Pihak-pihak yang telah membantu dalam penulisan tugas rancangan pabrik ini yang tidak dapat penulis sebutkan namanya satu persatu. Penulis menyadari Tugas Rancangan Pabrik ini masih banyak kekurangan.
Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik demi kesempurnaan Tugas Rancangan Pabrik ini dimasa yang akan datang. Semoga Tugas Rancangan Pabrik ini bermanfaat bagi semua pihak. Terima kasih.
Medan, Maret 2013 Penulis,
Universitas Sumatera Utara
INTISARI
Pembuatan bioetanol dilakukan dengan proses hidrolisis, fermentasi dan
dilanjutkan dengan destilasi serta pervaporasi. Pabrik bioetanol dari jerami padi ini
direncanakan berproduksi dengan kapasitas 1000 Ton/tahun dan beroperasi selama
330 hari dalam setahun. Pabrik ini diharapkan dapat menghasilkan bioetanol yang
mampu memenuhi 5% kebutuhan pasar nasional. Penggunaan jerami padi yang
merupakan limbah sebagai bahan baku bioetanol akan meningkatkan nilai ekonomi
dari jerami padi.
Lokasi pabrik direncanakan adalah di kota Langkat, Sumatera Utara dengan luas tanah yang dibutuhkan sebesar 24.000 m2.
Tenaga kerja yang dibutuhkan untuk mengoperasikan pabrik adalah sebanyak
150 orang. Bentuk badan usaha yang direncanakan adalah Perseoran Terbatas (PT)
dan bentuk organisasinya adalah organisasi garis dan staff.
Hasil analisa ekonomi Pabrik Pembuatan Bioetanol sebagai berikut:
Modal Investasi Total
: Rp 1.743.352.277.356,-
Biaya Produksi
: Rp 396.991.323.892,-
Hasil Penjualan
: Rp 755.112.505.923,-.
• Laba Bersih
: Rp 525.953.360.375,-
• Profit Margin
: 24,87%
• Break Even Point
: 48,41%
• Return on Investment : 24,57%
• Pay Out Time
: 4,0695 tahun
• Return on Network
: 40,96%
• Internal Rate of Return : 43,05%
Dari hasil analisa aspek ekonomi dapat disimpulkan bahwa pabrik pembuatan
bioetanol ini layak untuk didirikan.
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR............................................................................................ i INTISARI ............................................................................................................. iii DAFTAR ISI......................................................................................................... iv DAFTAR GAMBAR............................................................................................ vi DAFTAR TABEL ............................................................................................... vii BAB I PENDAHULUAN.......................................................................... I-1
1.1 Latar Belakang....................................................................... I-1 1.2 Perumusan Masalah .............................................................. I-3 1.3 Tujuan ..................................................................................... I-3 1.4 Manfaat Pra Rancangan Pabrik........................................... I-4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..............................................................II-1 2.1 Jerami Padi ............................................................................II-1
2.1.1 Pemanfaatan Jerami Padi .............................................II-3 2.2 Etanol .....................................................................................II-4 2.3 Pembuatan Bioetanol ............................................................II-5
2.3.1 Deskripsi Proses ............................................................II-7 2.3.1.1 Persiapan bahan baku............................................II-8
Universitas Sumatera Utara
BAB III NERACA MASSA...................................................................... III-1 BAB IV NERACA PANAS .......................................................................IV-1 BAB V SPESIFIKASI PERALATAN ..................................................... V-1 BAB VI INSTRUMENTASI DAN KESELAMATAN KERJA ............VI-1
6.1 Instrumentasi.........................................................................VI-1 6.2 Keselamatan Kerja..............................................................VI-10 BAB VII UTILITAS.................................................................................. VII-1 7.1 Kebutuhan Uap (Steam) ..................................................... VII-1 7.2 Kebutuhan Air..................................................................... VII-2 7.3 Kebutuhan Bahan Kimia.................................................. VII-12 7.4 Kebutuhan Listrik............................................................. VII-12 7.5 Kebutuhan Bahan Bakar.................................................. VII-12 7.6 Unit Pengolahan Limbah.................................................. VII-13 7.7 Spesifikasi Peralatan Utilitas ........................................... VII-16
BAB VIII LOKASI DAN TATA LETAK PABRIK.............................. VIII-1 8.1 Lokasi Pabrik .................................................................... VIII-1 8.2 Tata Letak Pabrik ............................................................. VIII-3 8.3 Perincian Luas Tanah....................................................... VIII-5
Universitas Sumatera Utara
BAB IX ORGANISASI DAN MANAJEMEN PERUSAHAAN ...........IX-1 9.1 Organisasi Perusahaan .........................................................IX-1 9.2 Manajemen Perusahaan .......................................................IX-3 9.3 Bentuk Hukum Badan Usaha ..............................................IX-4 9.4 Uraian Tugas, Wewenang dan Tanggung Jawab ..............IX-6 9.5 Sistem Kerja ..........................................................................IX-8 9.6 Jumlah Karyawan dan Tingkat Pendidikan ......................IX-9 9.7 Sistem Penggajian ...............................................................IX-11 9.8 Fasilitas Tenaga Kerja........................................................IX-12
BAB X ANALISA EKONOMI ................................................................ X-1 10.1 Modal Investasi .................................................................... X-1 10.2 Biaya Produksi Total (BPT)/Total Cost (TC) .................... X-4 10.3 Total Penjualan (Total Sales) .............................................. X-5 10.4 Bonus Perusahaan................................................................ X-5 10.5 Perkiraan Rugi/Laba Usaha ............................................... X-5 10.6 Analisa Aspek Ekonomi....................................................... X-5
BAB XI KESIMPULAN............................................................................XI-1 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN A PERHITUNGAN NERACA MASSA
Universitas Sumatera Utara
LAMPIRAN B PERHITUNGAN NERACA PANAS LAMPIRAN C PERHITUNGAN SPESIFIKASI PERALATAN LAMPIRAN D PERHITUNGAN SPESIFIKASI PERALATAN UTILITAS LAMPIRAN E PERHITUNGAN ASPEK EKONOMI
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 6.1 Diagram Blok Sistem Pengendalian Feedback ......................VI-4 Gambar 6.2 Sebuah Loop Pengendalian .....................................................VI-5 Gambar 6.3 Instrumentasi pada Alat ..........................................................VI-9 Gambar 8.1 Tata Letak Pra Rancangan Pabrik Pembuatan BioetanolVIII-7 Gambar 9.1 ..... Bagan Struktur Organisasi Perusahaan Pabrik Pembuatan
Bioetanol .................................................................................IX-13 Gambar LD.1............................................................ Sketsa Sebagian Bar Screen
LD-2 Gambar LD.2..... Grafik Entalpi dan Temperatur Cairan pada Water Cooling Tower
(WCT) ................................................................................... LD-54 Gambar LD.3.....................................................Kurva Hy terhadap 1/(Hy*–Hy)
LD-55 Gambar LE.1Harga Peralatan untuk Tangki Penyimpanan (Storage) dan
Tangki Pelarutan.....................................................................LE-5 Gambar LE.2Harga Peralatan untuk Kolom Destilasi ...............................LE-6 Gambar LE.3Harga Tiap Tray dalam Kolom Destilasi ..............................LE-7 Gambar LE.4 ..................................................... Grafik Break Even Point (BEP)
LE-31
Universitas Sumatera Utara
vi Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Neraca Massa pada Unit Persiapan Bahan Baku ................... III-1 Tabel 3.2 Neraca Massa pada Vibrating Screen (VS-104)..................... III-1 Tabel 3.3 Neraca Massa pada Tangki Berpengaduk............................... III-1 Tabel 3.4 Neraca Massa pada Reaktor Hidrolisa...................................... III-2 Tabel 3.5 Neraca Massa pada Filter Press I ............................................. III-4 Tabel 3.6 Neraca Massa pada Menara Evaporator................................. III-5 Tabel 3.7 Neraca Massa pada Mixer (M-230) .......................................... III-4 Tabel 3.8 Neraca Massa pada Fermentor (R-270)................................... III-4 Tabel 3.9 Neraca Massa pada Filter Press (FP-313) ................................ III-5 Tabel 3.10 Neraca Massa pada Ultrafiltrasi (UF-310) .............................. III-5 Tabel 3.11 Neraca Massa pada Kolom Destilasi (T-320).......................... III-5 Tabel 3.12 Neraca Massa pada Membran Pervaporasi (PV-340) ........... III-6 Tabel 4.1 Neraca Panas Reaktor Berpengaduk (MT-118).......................IV-1 Tabel 4.2 Neraca Panas Reaktor Hidrolisis (R-211).................................IV-1 Tabel 4.3 Neraca Panas Cooler (E-212) .....................................................IV-2 Tabel 4.4 Neraca Panas Mixer (M-219)......................................................IV-2 Tabel 4.5 Neraca Panas Fermentor (R-319) ..............................................IV-2 Tabel 4.6 Neraca Panas Heater (E-411) .....................................................IV-3
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.7 Neraca Panas Kondensor (E-415)..............................................IV-3 Tabel 4.8 Neraca Panas Reboiler (E-414)...................................................IV-3 Tabel 4.9 Neraca Panas Evaporator (FE-217)............................................IV-3 Tabel 6.1 Daftar Penggunaan Instrumentasi pada Pra Rancangan Pabrik
Pembuatan Bioetanol dari Jerami Padi ....................................VI-9 Tabel 7.1 Kebutuhan Steam Sebagai Media Pemanas............................ VII-1 Tabel 7.2 Kebutuhan Air Pendingin pada Alat ...................................... VII-2 Tabel 7.3 Kebutuhan Air Proses Pabrik Bioetanol ................................ VII-4 Tabel 7.4 Pemakaian Air Untuk Berbagai Kebutuhan .......................... VII-4 Tabel 7.5 Kualitas Air Sungai Blengking Kuala Madu.......................... VII-5 Tabel 8.1 Perincian Luas Areal Pabrik ................................................. VIII-5 Tabel 9.1 Jadwal Kerja Karyawan Shift....................................................IX-9 Tabel 9.2 Jumlah Karyawan dan Kualifikasinya .....................................IX-9 Tabel 9.3 Perincian Gaji Karyawan.........................................................IX-11 Tabel LE.1 Perincian Harga Bangunan dan Sarana Lainnya ...................LE-1 Tabel LE.2 Harga Indeks Marshall dan Swift ............................................LE-3 Tabel LE.3 Estimasi Harga Peralatan Proses .............................................LE-8 Tabel LE.4 Estimasi Harga Peralatan Utilitas dan Pengolahan LimbahLE-10 Tabel LE-5 Biaya Sarana Transportasi .....................................................LE-13 Tabel LE.6 Perincian Gaji Pegawai ...........................................................LE-17
Universitas Sumatera Utara
Tabel LE.7 Perincian Biaya Kas.................................................................LE-18 Tabel LE.8 Perincian Modal Kerja ............................................................LE-20 Tabel LE.9 Aturan depresiasi sesuai UU Republik Indonesia No.17
Tahun 2000 ...............................................................................LE-21 Tabel LE.10 Perhitungan Biaya Depresiasi sesuai UURI No.17 Tahun 2000
LE-22 Tabel LE.11 Data Perhitungan Internal Rate of Return (IRR) LE-3
Universitas Sumatera Utara
INTISARI
Pembuatan bioetanol dilakukan dengan proses hidrolisis, fermentasi dan
dilanjutkan dengan destilasi serta pervaporasi. Pabrik bioetanol dari jerami padi ini
direncanakan berproduksi dengan kapasitas 1000 Ton/tahun dan beroperasi selama
330 hari dalam setahun. Pabrik ini diharapkan dapat menghasilkan bioetanol yang
mampu memenuhi 5% kebutuhan pasar nasional. Penggunaan jerami padi yang
merupakan limbah sebagai bahan baku bioetanol akan meningkatkan nilai ekonomi
dari jerami padi.
Lokasi pabrik direncanakan adalah di kota Langkat, Sumatera Utara dengan luas tanah yang dibutuhkan sebesar 24.000 m2.
Tenaga kerja yang dibutuhkan untuk mengoperasikan pabrik adalah sebanyak
150 orang. Bentuk badan usaha yang direncanakan adalah Perseoran Terbatas (PT)
dan bentuk organisasinya adalah organisasi garis dan staff.
Hasil analisa ekonomi Pabrik Pembuatan Bioetanol sebagai berikut:
Modal Investasi Total
: Rp 1.743.352.277.356,-
Biaya Produksi
: Rp 396.991.323.892,-
Hasil Penjualan
: Rp 755.112.505.923,-.
• Laba Bersih
: Rp 525.953.360.375,-
• Profit Margin
: 24,87%
• Break Even Point
: 48,41%
• Return on Investment : 24,57%
• Pay Out Time
: 4,0695 tahun
• Return on Network
: 40,96%
• Internal Rate of Return : 43,05%
Dari hasil analisa aspek ekonomi dapat disimpulkan bahwa pabrik pembuatan
bioetanol ini layak untuk didirikan.
Universitas Sumatera Utara
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pakar perminyakan Indonesia, Kurtubi (2004), menyatakan bahwa mulai tahun 2004, produksi perminyakan Indonesia berada pada level terendah dibandingkan tahun-tahun sebelumnya. Produksi minyak mentah pada triwulan I/2004 hanya sekitar 0,98 juta barrel per hari atau sekitar 360 juta barrel dalam satu tahun, sedangkan pada tahun 1999, produksi minyak masih sekitar 1,4 juta barrel per hari. Diketahui pula bahwa harga bahan bakar minyak dunia pun meningkat pesat. Permasalahan inilah yang membawa dampak pada meningkatnya harga jual bahan bakar minyak termasuk minyak tanah Indonesia. Di sisi lain, permintaan bahan bakar minyak dalam negeri jumlahnya terus meningkat. Diketahui pula bahwa harga bahan bakar minyak dunia pun meningkat pesat. Permasalahan inilah yang membawa dampak pada meningkatnya harga jual bahan bakar minyak Indonesia. Dengan adanya beberapa alasan diatas sehingga diproduksi bioetanol sebagai bahan bakar alternatif yang terbuat dari jerami padi.
Salah satu limbah pertanian di Indonesia yang belum dimanfaatkan adalah limbah tanaman padi (jerami). Jerami adalah tanaman padi yang telah diambil buahnya (gabahnya), sehingga tinggal batang dan daunnya yang merupakan limbah pertanian terbesar serta belum sepenuhnya dimanfaatkan karena adanya faktor teknis dan ekonomis. Pada sebagian petani, jerami sering digunakan sebagai mulsa pada saat menanam palawija. Hanya sebagian kecil petani menggunakan jerami sebagai pakan ternak alternatif di kala musim kering karena sulitnya mendapatkan hijauan. Di lain pihak jerami sebagai limbah pertanian, sering menjadi permasalahan bagi petani, sehingga sering di bakar untuk mengatasi masalah tersebut. Produksi jerami padi dapat mencapai 12 - 15 ton per hektar per panen, bervariasi tergantung pada lokasi dan jenis varietas tanaman padi yang digunakan.
Produksi padi nasional mencapai 54,75 juta ton per tahun pada tahun 2006, meningkat sebesar 1,11% dibandingkan produksi padi tahun 2005. Peningkatan produksi padi juga diiringi peningkatan limbah jerami padi (Berita Resmi Statistik,
Universitas Sumatera Utara
2006). Bioetanol berselulosa terbentuk dari tiga komponen utama yakni selulosa, hemiselulosa dan lignin. Selulosa merupakan komponen utama yang terkandung dalam dinding sel tumbuhan dan mendominasi hingga 50% berat kering tumbuhan. Jerami padi diketahui memiliki kandungan selulosa yang tinggi, mencapai 34.2% berat kering, 24.5% hemiselulosa dan kandungan lignin hingga 23.4%. Komposisi kimia limbah pertanian maupun limbah kayu tergantung pada spesies tanaman, umur tanaman, kondisi lingkungan tempat tumbuh dan langkah pemprosesan. Sehingga pabrik dengan pembuatan bioetanol dari jerami padi ini layak untuk dilaksanakan mengingat bahwa dalam rangka mencari energi alternatif yang ekologis, ternyata bioetanol bahkan limbah hasil proses bioetanol pun masih bisa dimanfaatkan. Seperti jerami bisa untuk membuat bioetanol. Selain itu usaha pemanfaatan ini bisa menjadi solusi dalam rangka penghematan biaya dan devisa negara. Karena diperkirakan pada tahun 2015 Indonesia akan menjadi negara Net-Importir bahan baku minyak mentah. Adapun data – data peningkatan jerami padi setiap tahunnya adalah sebagai berikut :
Tabel 1.2 Hasil Jerami Padi secara Nasional
Tahun 2007
Nasional
Kuantitas % Kenaikan
(ton)
57.157,4
47,05
Sumatera Utara Kuantitas ( kg ) % Kenaikan
3.265.834
43,45
2008
60.326,9
48,94
3.340.794
44,63
2009
64.398,9
49,99
3.527.899
45,91
2010
66.469,4
50,15
3.582.302
47,47
2011
68.061,7
50,17
3.600.230
47,68
2012*
70.342,5
50,19
3.731.200
49,10*
2013*
72.031,5
50,21
Keterangan : * = Prediksi kedepan
3.885.876
50,77*
Universitas Sumatera Utara
Alkohol dapat dihasilkan dari tanaman yang banyak mengandung senyawa selulosa dengan menggunakan bantuan aktivitas mikroba. Penggunaan alkohol khususnya etanol sebagai bahan bakar yang merupakan salah satu pemecahan masalah energi dewasa ini. Karena kita ketahui pemakaian energi (terutama minyak bumi) dari tahun ketahun sangat meningkat. Sedangkan sumber bahan bakar yang di pakai semakin menipis, sehingga diperlukan alternatif lain dalam mencari sumber bahan bakar yang baru ( Yudhi, 2010).
Tabel 1.2 Produksi bioetanol secara nasional
Tahun 2007
Impor / Dalam Negeri (kg) Ekspor / Luar Negeri
89.935.580.813
(kg) 342.773.529.783
2008
90.445.768.321
350.053.970.205
2009
91.354.405.895
378.999.100.814
2010
110.701.002.318
478.846.797.632
2011
128.221.634.466
582.219.779.283
2012
130.711.781.367*
692.920.395.040*
2013
143.715.667.281*
798.973.320.110*
Keterangan : * = Prediksi kedepan
1.2 Perumusan Masalah Sehubungan dengan meningkatnya permintaan masyarakat akan kebutuhan
BBM, maka diperlukan suatu usaha yang memproduksi sumber energi yang ramah terhadap lingkungan dan mudah diperoleh serta didukung dengan ketersediaan bahan baku yang menjamin kelangsungan operasi untuk masa mendatang. Tugas akhir ini
Universitas Sumatera Utara
memaparkan bagaimana merancang pabrik bioetanol sebagai bahan bakar dari jerami padi. 1.3 Tujuan Pra rancangan Pabrik
Tujuan pra rancangan pabrik bioetanol dari jerami padi ini adalah untuk menerapkan disiplin ilmu Teknik Kimia, dan memberikan gambaran tentang kelayakan pendirian pra rancangan pabrik bioetanol, untuk dapat diaplikasikan menjadi industri rumah tangga. 1.4 Manfaat Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Bioetanol dari Jerami Padi
Manfaat dari Pra rancangan pabrik bioetanol dari jerami padi adalah : 1. Untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri akan bioetanol. Selain itu juga
produk ini akan diekspor sebagai penambah devisa bagi negara yang akan membantu memperbaiki perekonomian. 2. Memberikan informasi yang dapat digunakan sebagai referensi dalam pendirian pabrik bioetanol. 3. Menciptakan lapangan kerja 4. Meningkatkan nilai tambah jerami padi.
Universitas Sumatera Utara
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Jerami Padi Produksi padi dunia menempati urutan ketiga dari semua serealia, setelah
jagung dan gandum. Namun demikian, padi merupakan sumber karbohidrat utama bagi mayoritas penduduk dunia. Adapun ciri – ciri umum dari padi adalah sebagai berikut : Padi termasuk dalam suku padi-padian atau poaceae ( graminae atau glumiflorae). Berakar serabut, batang sangat pendek, struktur serupa batang terbentuk dari rangkaian pelepah daun yang saling menopang daun sempurna dengan pelepah tegak, daun berbentuk lanset, warna hijau muda hingga hijau tua, berurat daun sejajar, tertutupi oleh rambut yang pendek dan jarang, bagian bunga tersusun majemuk, tipe malai bercabang,satuan bunga disebut floret yang terletak pada satu spikelet yang duduk pada panikula, tipe buah bulir atau kariopsis yang tidak dapat dibedakan mana buah dan bijinya, bentuk hampir bulat hingga lonjong, ukuran 3 mm hingga 15 mm, tertutup oleh palea dan lemma yang dalam bahasa sehari-hari disebut sekam, struktur dominan padi yang biasa dikonsuksi yaitu jenis enduspermium
Indonesia dikenal sebagai salah satu negara agraris yang subur. Negara agraris adalah negara yang sebagian besar penduduknya mempunyai mata pencaharian sebagai petani. Indonesia yang terkenal sebagai negara yang mempunyai wilayah yang luas, mempunyai potensi di bidang pertanian. Salah satunya adalah pertanian padi. Sepanjang tahun produksi padi menghasilkan limbah berupa jerami padi dalam jumlah yang besar. Jerami padi biasa dimanfaatkan sebagai pakan ternak dan bahan kompos. Namun ada juga yang hanya membakar jerami padi pada areal persawahannya. Jerami padi juga dapat dimanfaatkan sebagai substrat industri dengan mencampurkannya dengan bahan lain sesuai produk yang ingin di hasilkan. Produktivitas pertanian tanaman pangan di Indonesia setiap tahunnya menghasilkan jumlah yang cukup besar. Menurut FAO (2005), Indonesia merupakan produsen padi ketiga terbesar di dunia yaitu sebesar 9% dari total produksi dunia setelah China (31%) dan India (9%). Namun, tanaman pangan di Indonesia selalu membawa hasil samping atau limbah pertanian hingga mencapai jutaan ton setiap tahunnya.
Universitas Sumatera Utara
Limbah pertanian ini terdiri atas jerami padi, daun jagung, batang jagung, daun kedelai dan lain sebagainya.
Jerami padi merupakan limbah pertanian terbesar di Indonesia. Jumlahnya sekitar 20 juta per tahun. Menurut data BPS tahun 2006, luas sawah di Indonesia adalah 11,9 juta ha. Produksi per hektar sawah bisa mencapai 12-15 ton bahan kering setiap kali panen, tergantung lokasi dan varietas tanaman. Sejauh ini, pemanfaatan jerami padi sebagai pakan ternak baru mencapai 31-39 %, sedangkan yang dibakar atau dimanfaatkan sebagai pupuk 36-62 %, dan sekitar 7-16 % digunakan untuk keperluan industri (safan, 2008). Jerami padi merupakan bagian dari batang padi tanpa akar yang tertinggal setelah diambil butir buahnya. Peningkatan produksi padi juga diiringi peningkatan limbah jerami padi.
Banyaknya jerami padi yang belum dimanfaatkan secara optimal mendorong para peneliti mengembangkan potensi jerami padi menjadi sesuatu yang mempunyai nilai ekonomi tinggi. Berikut ini adalah komponen yang ada dalam jerami padi :
- Selulosa 39 % - Hemiselulosa 27 % - Lignin 12 % - Abu 11 %
Selulosa adalah polimer yang tersusun atas unit-unit glukosa melalui ikatan α-1,4-glikosida. Bentuk polimer ini memungkinkan selulosa saling menumpuk / terikat menjadi bentuk serat yang sangat kuat. Panjang molekul selulosa ditentukan oleh jumlah unit 4 glucan di dalam polimer, disebut dengan derajat polimerisasi. Derajat polimerisasi selulosa tergantung pada jenis tanaman dan umumnya dalam kisaran 200-27.000 unit glukosa. Selulosa dapat dihidrolisis menjadi glukosa dengan menggunakan asam atau enzim (safan, 2008).
Hemiselulosa mirip dengan selulosa, namun tersusun dari bermacam-macam jenis gula. Monomer gula penyusun hemiselulosa terdiri dari monomer gula berkarbon 5 (C-5) dan 6 (C-6), seperti : xylosa, mannose, glukosa, galaktosa, arabinosa, dan sejumlah kecil rhamnosa, asam glukoroat, asam metal glukoroat, dan asam galaturonat (safan.wordpress.com, 2008). Sedangkan lignin adalah molekul kompleks yang tersusun dari unit phenylphropane yang terikat di dalam struktur tiga
Universitas Sumatera Utara
dimensi. Lignin adalah material yang paling kuat dalam biomassa, namun sangat resisten terhadap degradasi, baik secara biologi, enzimatis, maupun kimia. Karena kandungan karbon yang relatif tinggi dibandingkan denga selulosa dan hemiselulosa lignin memiliki kandungan energi yang tinggi (safan, 2008).
Lignin merupakan salah satu bagian yang berbentuk kayu dari tanaman seperti janggel, kulit keras, biji, bagian serabut kasar, akar, batang dan daun. Lignin mengandung substansi yang kompleks dan merupakan suatu gabungan beberapa senyawa yaitu karbon, hidrogen dan oksigen. Selain lignin, bagian yang lain dari jerami adalah selulosa. Selulosa merupakan polisakarida yang didalamnya mengandung zat - zat gula (Hari Hartadi, 1983).
Secara alami lignin berwarna coklat. Kalau jerami berubah warna menjadi agak putih, berarti ada sebagian lignin yang hilang. Lignin membuat jerami jadi keras dan liat. Kalau jerami menjadi lebih lunak dari jerami aslinya, berarti pelindung ligninnya sudah mulai rusak.
2.1.1 Pemanfaatan Jerami Padi
Pemanfaatan substrat jerami padi sebagai media fermentasi yang banyak mengandung selulosa untuk pertumbuhaan mikroorganisme memiliki prospek yang cerah di masa yang akan datang, karena memberikan alternatif biaya yang lebih murah jika dibandingkan dengan pembuatan enzim dengan menggunakan bahanbahan kimia sintetik sebagai media pertumbuhan mikroorganisme. Produksi enzim selulase dengan menggunakan substrat jerami padi yang mengandung selulosa ini juga akan menghasilkan produk-produk lain yang berguna bagi manusia seperti glukosa, etanol, protein sel tunggal dan lain-lain (Darwis dan Sukara, 1990).
Enzim selulase sendiri sangat penting perannya dalam hidrolisis selulosa untuk menghasilkan glukosa, yang laku dipasaran dan dibutuhkan untuk berbagai keperluan baik untuk keperluan pembuatan zat-zat kimia yang lain yang bernilai ekonomis lebih tinggi seperti etanol, aseton, dan asam-asam organik, maupun digunakan sebagai sumber karbon pengusahaan mikroba untuk produksi enzim dan antibiotik (Gunam; 1997: Wyk et al, 2003; Gunam et al, 2004).
Universitas Sumatera Utara
Jerami padi yang merupakan limbah pertanian memiliki kandungan selulosa cukup tinggi (Juliano, 1985). Memungkinkan untuk dimanfaatkan sebagai media pertumbuhan mikroorganisme untuk memproduksi enzim selulase. Sejauh ini, konsentrasi substrat jerami padi yang dibutuhkan untuk produksi enzim selulase yang optimal dari mikroorganisme pada fermentasi dengan menggunakan media dari serbuk jerami padi belum diketahui secara pasti. Pembuatan enzim selulase dari limbah jerami padi sebagai substrat dengan menggunakan mikroorganisme sebagai penghasil enzim, selain mudah dibiakan, mikroorganisme juga mempunyai kecepatan tumbuh yang tinggi dan mudah dikontrol pertumbuhannya (Reed, 1975).
Jenis fungi yang biasa digunakan dalam produksi selulase antara lain sebagai berikut: Aspergillus niger, Aspergillus fumigates, Aspergillus nidulans, Neurospora sitophila, Tricoderma viride, Tricoderma longibrachiatum, dan Saccharomyces cerevisiae. Sedangkan bakteri yang bisa menghasilkan selulase adalah Pseudomonas, Cellulomonas, Bacillus, Micrococcus, Cellovibrio, dan Sporosphytophaga.
2.2 Etanol Etanol disebut juga etil alkohol, alkohol murni, alkohol absolut, atau alkohol
saja, adalah sejenis cairan yang mudah menguap, mudah terbakar, tak berwarna, dan merupakan alkohol yang paling sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Senyawa ini merupakan obat psikoaktif dan dapat ditemukan pada minuman beralkohol dan termometer modern. Etanol adalah salah satu obat rekreasi yang paling tua.
Etanol termasuk ke dalam alkohol rantai tunggal, dengan rumus kimia C2H5OH dan rumus empiris C2H6O. Ia merupakan isomer konstitusional dari dimetil eter. Etanol sering disingkat menjadi EtOH, dengan "Et" merupakan singkatan dari gugus etil (C2H5).
Fermentasi gula menjadi etanol merupakan salah satu reaksi organik paling awal yang pernah dilakukan manusia. Efek dari konsumsi etanol yang memabukkan juga telah diketahui sejak dulu. Pada zaman modern, etanol yang ditujukan untuk kegunaan industri dihasilkan dari produk sampingan pengilangan minyak bumi (Anonim,2012 b).
Universitas Sumatera Utara
a. Sifat fisika
1. Rumus molekul 2. Massa molar
: C2H5OH : 46,07 g/mol
3. Penampilan 4. Densitas
: cairan tak berwarna : 0,789 g/cm3
5. Titik lebur
: -114,3
6. Titik didih
:78,4
7. Kelarutan dalam air
: tercampur penuh
8. Keasaman ( pKa )
: 15,9
9. Viskositas
: 1,200 cp ( 20°C)
10. Faktor kompresibilitas kritis : 0,248
11. Panas penguapan pada titik didih normal : 839,31 J/g
12. Tekanan kritis
: 6383,48 kpa
13. Panas pembakaran
: 29676,69 J/g ( Kirk & Othmer,1989)
b. Sifat kimia
1. Dapat bereaksi dengan metal seperti natrium, kalium dan kalium untuk
membentuk metal etoksid (ethylate)
2C2H5OH + 2M
2C2H5OM + H2
2. Dengan penambahan asetilena akan membentuk etyl vinyl eter
C2H5OH + HC
CH C2H5OHC
CH2
3. Dengan penambahan katalis etill alcohol pada asetilena akan
menghasilkan asetal
2C2H5OH + RCHO
RCH(OCH2CH3)2 + H2O
4. Dehidrasi pada etanol
C2H5OH
CH2 CH2 + H2O
2C2H5OH
C2H5OCH2CH3 + H2O
5. Ptoses dehidrogenasi etanol
C2H5OH
CH3CHO + H2 (Kirk & Othmer, 1989)
Universitas Sumatera Utara
2.3 Pembuatan Bioetanol
Bioetanol adalah etanol yang berasal dari sumber hayati. Bioetanol
bersumber dari karbohidrat yang potensial sebagai bahan baku seperti tebu, nira
sorgum, ubi kayu, garut, ubi jalar, sagu, jagung: jerami, bonggol jagung dan kayu.
Setelah melalui proses fermentasi, dihasilkan etanol (www.energi.lipi.go.id).
Etanol adalah senyawa organik yang terdiri dari karbon, hidrogen dan
oksigen, sehingga dapat dilihat sebagai derivat senyawa hidrokarbon yang
mempunyai gugus hidroksil dengan rumus C2H5OH.
Etanol merupakan zat cair, tidak berwarna, berbau spesifik, mudah terbakar
dan menguap, dapat bercampur dalam air dengan segala perbandingan.
a. Sifat - sifat fisik etanol
Rumus molekul BM
: C2H5OH : 46,07 gram/mol
Titik didih pada 760 mmHg : 78,4°C
Titik beku
: - 112°C
Densitas
: 0, 789 gr/ml pada 20°C
Kelarutan dalam 100 bagian
air
: sangat larut
eter
: sangat larut (Perry, 1984).
b. Sifat kimia
1. Dihasilkan dari fermentasi glukosa C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2
( Glukosa )
( etanol ) ( karbondioksida )
2. Untuk minuman diperoleh dari peragian karbohidrat, ada dua tipe yaitu tipe pertama mengubah karbohidratnya raenjadi glukosa kemudian menjadi etanol, tipe yang lain menghasilkan cuka (asam asetat).
3. Pembentukan etanol
C6H12O6 ENZIM
2CH3CH2OH + 2CO2
( glukosa )
( etanol)
( karbondioksida )
Universitas Sumatera Utara
4. Pembakaran etanol CH3CH2OH + 3O2
2CO2 + 3H2O + energi
(Fessenden,1982)
Jerami padi merupakan limbah pertanian yang mengandung polisakarida dalam bentuk selulosa, hemiselulosa, pektin dan lignin (Howard dkk., 2003 dalam Mustika, 2008). Komponen polisakarida tersebut dapat diuraikan melalui proses degradasi atau fermentasi dengan menggunakan aktifitas mikroba potensial seperti kapang Trichoderma viride untuk menghasilkan gula dan selanjutnya khamir Saccharomycess cerevisiae untuk produksi etanol (Mustika, 2008). Etanol dapat dihasilkan dari jerami padi dan alang-alang melalui proses fermentasi secara bertahap (tahap 1 fermentasi gula dengan menggunakan kapang T. viride dan tahap 2 fermentasi etanol dengan menggunakan khamir S. cerevisiae).
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Mustika, 2008 kadar gula sederhana yang dihasilkan secara fermentasi oleh kapang T. Viride cukup tinggi pada substrat jerami padi. Jerami padi memiliki potensi sebagai substrat dalam fermentasi etanol. Kadar etanol tertinggi yang dihasilkan secara fermentasi oleh khamir S. Cerevisiae pada jerami padi adalah sebesar 0,77% (Mustika, 2008). Sifat - sifat fisik etanol :
Rumus molekul
: C2H5OH
BM
: 46,07 gram/mol
Titik didih pada 760 mmHg : 78,4°C
Titik beku
: - 112°C
2.3.1 Deskripsi Proses Pembuatan Bioetanol Dari Jerami Padi
Pada dasarnya proses pembuatan bioetanol dari jerami padi melalui beberapa tahap yaitu proses delignifikasi, hidrolisis, fermentasi dan destilasi. Proses
Universitas Sumatera Utara
pembuatan serbuk jerami sendiri dengan cara penghancuran jerami yaitu diblender sampai hasilnya halus kemudian diayak.
Delignifikasi bertujuan untuk menghilangkan lignin dari jerami. Pada proses ini digunakan larutan H2SO4. Proses pembuatan glukosa dari jerami dilakukan dengan cara hidrolisis secara kimia dengan menggunakan larutan HCl sebagai penghidrolisis dan katalisator. Supaya pH yang diperoleh sesuai dengan kondisi untuk fermentasi maka hasil hidrolisa ditambah dengan HCl. Fermentasi dilakukan dengan variasi lama waktu fermentasi dan variasi konsentrasi starter. Berikut tahapan proses pembuatan bioetanol dari jerami padi.
Pembuatan bioetanol dari jerami dilakukan melalui proses persiapan bahan baku, fermentasi dan pemurnian (destilasi).
2.3.1.1 Persiapan bahan baku
Persiapan bahan baku dilakukan untuk mendapatkan glukosa. Glukosa diperoleh melalui 2 tahap yaitu delignifikasi dan hidrolisis. Pada tahap delignifikasi akan menghasilkan selulosa. Selulosa akan diproses lebih lanjut dengan proses hidrolisa sehingga akan dihasilkan glukosa.
1. Delignifikasi
Sebelum diproses, bahan baku berupa jerami padi sebelumnya diperkecil ukurannya dengan menggunakan crusher ( CR-113) hingga ukuran 0,1 mm. Kemudian di alirkan menuju tangki berpengaduk ( MT-118) dengan menggunakan conveyor ( C-115). Asam sulfat yang sudah di encerkan hingga 70% dengan penambahan air dan direaksikan pada suhu 40°C selama 1 jam di alirkan ke dalam tangki berpengaduk (MT-118) yang berfungsi untuk memisahkan selulosa dan hemiselulosa yang terikat pada lignin. Selanjutnya campuran dialirkan menuju reaktor hidrolisis (R-211).
Reaksi yang terjadi pada tangki berpengaduk (MT-118).
(C5H8O4)n + n H2O
nC6H10O5
(Hemiselulosa) (Air )
( selulosa )
Universitas Sumatera Utara
2. Hidrolisis
Campuran dari tangki berpengaduk 1 (MT-118) di pompakan menuju reaktor hidrolisa (R-211). Kemudian direaksikan pada suhu 100°C dan tekanan 1 atm dalam waktu 1 jam yang berfungsi untuk memecahkan selulosa menjadi glukosa.
Reaksi yang terjadi pada reaktor berpengaduk (R-211).
(C6H10O5)n + n(H2O)
( Selulosa )
( Air )
n(C6H12O6)
( Glukosa )
Konversi reaksi selulosa menjadi glukosa adalah 86% ( C.N.Hamelinck et.al,2005)
Setelah reaksi selesai, campuran dialirkan menuju cooler (E-212) untuk didinginkan menjadi 300C. Setelah mencapai suhu tersebut, campuran dialirkan lagi menuju filter press I (FP-214) untuk memisahkan fraksi padat dan fraksi cair. Sedangkan larutan gula yang bersifat non-elektrolit tidak akan terikat oleh resin. Sehingga larutan gula dan asam pun akan terpisah. Asam sulfat yang dipisahkan ini kemudian dipekatkan dan selanjutnya digunakan kembali. Sedangkan larutan gula kemudian dipompakan menuju mixer (M-219) untuk dicampurkan dengan urea ((NH2)2CO) dari tangki penyimpanan urea (T-218). Adapun proses ini bertujuan untuk menetralkan atau mereaksikan asam yang bersisa dengan urea sehingga larutan gula bebas dari asam. Proses ini menghasilkan gipsum (CaSO4) sebagai produk samping. Campuran kemudian dialirkan menuju ke centrifuge (FF-311) untuk memisahkan gipsum dengan cairan.
3. Fermentasi
Setelah reaksi pada reaktor hidrolisa (R-211) selesai, campuran dialirkan menuju reaktor fermentasi (R-318), Dengan menggunakan mikroba yang berfungsi sebagai katalis dan membantu proses fermentasi anaerob pada suhu 27,5°C dan tekanan 1 atm dan waktu proses fermentasi berlangsung selama 36 jam. Fermentor yang dimasukkan mikroba Saccharomyces cerevisiae dan nutrisi berupa H3PO4 dari tangki penyimpanan ( T-315) dan ragi dari tangki penyimpanan (T-317).
Reaksi yang terjadi pada reaktor fermentasi (R-318).
Universitas Sumatera Utara
C6H12O6 + Saccharomyces cereviseae
( Gula sederhana ) +
(ragi)
2 C2H5OH + 2 CO2 + Biomassa
alkohol
+ karbondioksida
4. Destilasi
Hasil fermentasi kemudian dialirkan ke tangki penyimpanan hasil fermentasi ( T-320). lalu dilewatkan menuju filter press II ( FP-322) untuk memisahkan fraksi padat dan fraksi cair. Selanjutnya campuran etanol dan air yang sudah terpisah dari gula akan dipompakan lagi menuju membran ultrafiltrasi (UF-326) untuk memisahkan gula dengan etanol berdasarkan perbedaan ukuran partikel. Selanjutnya campuran etanol dan air yang sudah terpisah dipompakan menuju menara destilasi (MD-412) untuk memisahkan antara etanol dan air. Menara destilasi dapat menghasilkan etanol dengan kadar 96,5% (kondisi azeotrop). Selanjutnya campuran etanol dan air kemudian akan di pompakan lagi menuju membran pervaporasi( PV420) yang kemudian dapat memurnikan etanol hingga 99,8%. Bioetanol dengan kadar 99,8% ini kemudian di dinginkan menggunakan cooler (E-422) hingga suhu 30°C dan kemudian disimpan dalam tangki penyimpanan bioetanol ( T-424).
Universitas Sumatera Utara
BAB III
NERACA MASSA
Berikut ini adalah hasil perhitungan neraca massa pada proses pembuatan bioetanol dari jerami padi, dengan perincian sebagai berikut :
Kapasitas bahan baku
: 1000 ton/tahun
Waktu kerja per tahun
: 330 hari/ tahun
Satuan operasi
: kilogram (kg)
3.1 Neraca massa pada unit persiapan bahan baku
Tabel 1 Neraca Massa pada Unit Persiapan Bahan Baku
Komponen
Jerami Padi Total
Masuk (kg/jam)
alur 1
alur 4
800 200
1000
keluar (kg/jam) alur 2 1000 1000
3.2 Neraca massa pada vibrating screen (vs-104)
Tabel 2 Neraca Massa pada Vibrating Screen (VS-104)
Komponen
Jerami Padi Total
masuk (kg/jam) alur 2 1000 1000
keluar (kg/jam)
alur 3 800
1000
alur 4 200
Universitas Sumatera Utara
3.3 Neraca massa tangki berpengaduk Tabel 3 Neraca Massa Tangki Berpengaduk
Komponen
Selulosa Hemiselulosa
Lignin Abu Air H2SO4 Total
Alur Masuk ( kg/jam)
35 312 216 96 88 88
- 40 800 40
3.4 Neraca massa Reaktor hidrolisa
Tabel.4 Neraca Massa Reaktor Hidrolisa
Komponen
Alur Masuk (Kg/jam)
Selulosa Hemiselulosa Lignin Abu Air H2SO4 Glukosa Xylose
8 312 216 96 88 88 40 840 2786,32
7 525 525
Alur keluar ( kg/jam )
8 312 216 96 88 88 40 840
Alur Keluar ( Kg/jam)
12 93,312 247,352 96 88 1759,06 40 432 30,60 2786,32 2786,32
Universitas Sumatera Utara
3.5 Neraca Massa pada Filter Press I
Tabel 5 Neraca Massa pada Filter Press I
Komponen Alur Masuk
Alur Keluar
(Kg/ jam)
15
Selulosa Hemiselulosa Lignin Abu H2O H2SO4 Xylose Glukosa
Filtrat
93,312 247,352 96 88 1759,06 40 30,60 328,32
H2O H2SO4 Xylose
glukosa Total
2786,32
(Kg/ jam) 16 17 - 93,312 - 247,352 - 96 - 88 - 1759,06 - 40 - 30,60 - 32,832
175,906 36
27,54 388,80 2035,494
2786,32
2786,32
Universitas Sumatera Utara
3.6 Neraca Massa Menara Evaporator
Tabel LA.6 Neraca Massa Menara Evaporator
Komponen H2SO4
H2O
Total
Input (kg/jam) Aliran 9
40
88
128 128
Output (kg/jam)
Aliran 10
Aliran 11
8 32
17,6 70,4
25,6 102,4
128
3.7Neraca massa Mixer Tabel.3.7 Neraca Massa Mixer
Komponen
Alur Masuk (Kg/jam)
Selulosa Hemiselulosa Lignin Abu Air H2SO4 Glukosa Xylose
8 312 216 96 88 88 40 840 2786,32
7 525 525
Alur Keluar ( Kg/jam)
12 93,312 247,352 96 88 1759,06 40 432 30,60 2786,32 2786,32
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
NERACA PANAS
Basis perhitungan : 1 jam operasi
Satuan operasi
: kJ/jam
Temperatur basis : 25oC
4.1 Tangki Berpengaduk (MT-118)
Tabel 4.1 Neraca Panas Tangki Berpengaduk (MT-118)
Komponen Umpan Produk Steam Total
Masuk (kJ/jam) 3797,1520 3797,1520
Keluar (kJ/jam) -
14117,6079 123,5095 14241,1174
4.2 Reaktor Hidrolisis (R-211)
Tabel 4.2 Neraca Panas Reaktor Hidrolisis (R-211)
Komponen Umpan
Masuk (kJ/jam) 14117,6079
Keluar (kJ/jam) -
Produk Panas Reaksi
Steam Total
328256,0666
-622,891023
341750,7835
197014,5730 -
197014,5730
Universitas Sumatera Utara
4.3 Cooler (E-212)
Tabel 4.3 Neraca Panas Cooler (E-212)
Komponen Umpan Produk
Air Pendingin Total
Masuk (kJ/jam) 197014,5730 197014,5730
Keluar (kJ/jam) -
-53731,2472 -250745,8202 -304477,0674
4.4 Mixer (M-219)
Tabel 4.4 Neraca Panas Mixer (M-219)
Komponen Umpan Produk
Panas Reaksi Air Pendingin
Total
Masuk (kJ/jam) 0 0 0
Keluar (kJ/jam) 0 0 0
4.5 Fermentor (R-319)
Tabel 4.5 Neraca Panas Fermentor (M-319)
Komponen Masuk (kJ/jam) Keluar (kJ/jam)
Umpan
11684,3969
-
Produk
- -317153,852
Universitas Sumatera Utara
Panas Reaksi Air Pendingin
Total
11684,3969
1342220,632 15157,7711
1040224,551
4.6 Heater (E-411)
Tabel 4.6 Neraca Panas Heater (E-411)
Komponen Umpan Produk Steam Total
Masuk (kJ/jam) 5804,1396 0,5349 5804,6745
Keluar (kJ/jam) -
6881,0816 -
6881,0816
4.7 Kondensor 1 (E-415)
Tabel 4.7 Neraca Panas Kondensor 1 (E-415)
Komponen Umpan Produk
Air Pendingin
Total
Masuk (kJ/jam) 2411670,1291 -
2411670,1291
Keluar (kJ/jam) -
374639,1178 - 7870,1305
366768,9873
4.8 Reboiler (E-414)
Tabel 4.8 Neraca Panas Reboiler (E-414)
Komponen
Umpan Produk Steam Total
Masuk (kJ/jam)
290774,1571 -
-1,7734 2907739,384
Keluar (kJ/jam)
287204,2387
287204,2387
4.9 Evaporator (FE-217)
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.9 Neraca Panas Evaporator (FE-217)
Komponen
Umpan Produk Steam Total
Masuk (kJ/jam)
37029,1684 -
-1,9861 37027,1823
Keluar (kJ/jam)
33030,76841
33030,76841
Universitas Sumatera Utara
BAB V
SPESIFIKASI PERALATAN
5.1 Gudang Penyimpanan Jerami Padi (G-111)
Fungsi : Tempat penyimpanan jerami padi
Bentuk : persegi empat dengan atap tertutup
Material : pondasi beton bertulang, dinding batu bata dan atap seng
Jumlah : 1 unit Kapasitas : 1234,284 m3
Kondisi fisik
z = Panjang = 15,6537 m
l = Lebar = 12,523 m
h = Tinggi = 6,2615 m
5.2 Conveyor (C-112)
Fungsi
: mengangkut jerami padi menuju crusher (CR-113)
Jenis
: Screw conveyor
Bahan Konstruksi : carbon steel
Jumlah
: 1 unit
Daya motor
: 314 hp
Universitas Sumatera Utara
5.3 Crusher (CR-113)
Fungsi
: Mengecilkan ukuran jerami padi sebelum masuk kedalam Vibrating screen
Jenis
: Rotary knife
Bahan konstruksi : Stainless steel
Jumlah cutter
: 5 buah
Daya motor
: 5 buah
5.4 Vibrating Screen (VS - 104)
Fungsi
: Menyaring jerami padi yang telah dihaluskan oleh Knife
Cutter (KC) sampai 1 mm
Jenis
: Heavy duty vibrating screen
Bahan konstruksi : Carbon steel SA 285 (C)
Jumlah
: 1 unit
Spesifikasinya,
Kapasitas
: 0,24 ton/jam
Luas ayakan (A) : 12,386 m2
Ukuran screen Ukuran
: 100 mesh.
: Panjang screen (P) = 4,978 m
Lebar screen (L)
= 2,489 m
Diameter lubang screen (z) = 0,0003 ft.
Universitas Sumatera Utara
5.5 Conveyor 2 (C-115)
Fungsi
: mengangkut jerami padi menuju tangki berpengaduk
(MT-118)
Jenis
: Screw conveyor
Bahan Konstruksi : carbon steel
Jumlah alat
: 1 unit
Daya motor
: 314 hp
5.6 Tangki Penyimpanan H2SO4 70% (T-116)
Fungsi
: menyimpan H2SO4 70% untuk kebutuhan 30 hari
Jenis
: Silinder tegak dengan alas datar dan tutup ellipsoidal
Bahan Konstruksi
: Carbon Steel SA-285 grade C
Jumlah Kapasitas
: 1 unit : 23,472 m3
Kondisi Penyimpanan
Temperatur : 30°C
Tekanan
: 1 atm
Kondisi fisik
Silinder
Universitas Sumatera Utara
Diameter
: 2,1120 m
Tinggi
: 6,336 m
Tebal
: 3/4 in
Tutup
Diameter
: 2,1120 m
Tinggi
: 6,864 m
Tebal
: 3/4 in
5.7 Pompa 1 (P-117 )
Fungsi Jenis
: memompa H2SO4 ke tangki berpengaduk (MT-118) : Pompa sentrifugal
Bahan Konstruksi : commercial steel
Jumlah Kapasitas
: 1 unit : 0,00478ft3/s
Daya motor
: ¼ hp
5.8 Tangki Berpengaduk (MT-118)
Fungsi
: tempat preteatment jerami padi
Jenis
: Continuous Stirred Tank Reactor
Bentuk
: Silinder tegak dengan alas datar dan tutup ellipsoidal
Bahan Konstruksi
: Carbon Steel SA-285 grade C
Universitas Sumatera Utara
Jumlah Kapasitas
: 1 unit : 2,250761269 m3
Kondisi Operasi
Temperatur
= 45°C
Tekanan
= 1 atm
Kondisi fisik
Silinder
Diameter
: 4,8371 m
Tinggi
: 4,8371 m
Tebal
: 3/8 in
Tutup
Diameter
: 4,8371 m
Tinggi
: 1,2092 m
Tebal
: 3/8 in
Pengaduk
Jenis
: turbin impeller daun enam
Jumlah baffle : 4 buah
Diameter
: 0,3225 m
Daya motor : 13 hp
Universitas Sumatera Utara
Jaket Pendingin
Diameter
: 4,8562 m
Tinggi
: 6,0463 m
Tebal
: 5 in
5.9 Pompa 2 (P-119)
Fungsi
: memompa campuran dari tangki berpengaduk (MT-118) ke
reaktor hidrolisis (R-211)
Jenis
: Pompa rotary
Bahan Konstruksi : commercial steel
Jumlah Kapasitas
: 1 unit : 0,009199 ft3/s
Daya motor
: 0,074 hp
5.10 Reaktor Hidrolisis (R-211)
Fungsi
: tempat berlangsungnya hidrolisis jerami padi
Jenis
: Continuous Stirred Tank Reactor
Bentuk
: Silinder tegak dengan alas datar dan tutup ellipsoidal
Bahan Konstruksi
: Carbon Steel SA-285 grade C
Jumlah
: 1 unit
Universitas Sumatera Utara
Kapasitas
: 1,7244 m3
Kondisi Operasi
Temperatur
= 100°C
Tekanan
= 1 atm
Kondisi fisik
Silinder
Diameter
: 0,8852 m
Tinggi
: 2,6557 m
Tebal
: 1/3 in
Tutup
Diameter
: 0,8852 m
Tinggi
: 2,6557 m
Tebal
: 1/3 in
Pengaduk
Jenis
: turbin impeller daun enam
Jumlah baffle : 4 buah
Diameter
: 0,2951 m
Daya motor : 1/4 hp
Jaket Pemanas
Universitas Sumatera Utara
Diameter
: 0,9106 m
Tinggi
: 2,6557 m
Tebal
: 1/3 in
5.11 Cooler (E-212)
Fungsi
: menurunkan temperatur hidrolisat sebelum dialirkan
ke filter press (FP-214)
Jenis
: 1-2 shell and tube exchanger
Jumlah
: 1 unit
Kapasitas : 87297,4483 kg/jam
Diameter tube : 1 1/2 in
Jenis tube
: 18 BWG
Panjang tube Pitch (PT) Jumlah tube
: 60 ft : 1 7/8 in triangular pitch : 8 buah
Diameter shell : 39 in
5.12 Pompa 3 (P-213)
Fungsi
: memompa hidrolisat dari cooler (E-212) ke filter press
(FP-222)
Jenis
: Pompa sentrifugal
Universitas Sumatera Utara
Bahan Konstruksi : commercial steel
Jumlah Kapasitas
: 1 unit : 0,01371 ft3/s
Daya motor
: 0,021 hp
5.13 Filter Press (FP – 214)
Fungsi
: memisahkan padatan dari hidrolisat
Jenis
: plate and frame filter press
Bahan Konstruksi
: Carbon Steel
Jumlah
: 1 unit
Kondisi Operasi
Temperatur
= 30°C
Tekanan
= 1 atm
Luas penyaringan : 25,21 m2
Jumlah plate
: 27,731 buah
5.14 Pompa 4 (P-215)
Fungsi
: memompa hidrolisat dari filter press (FP-214) menuju
mixer (M-219)
Jenis
: Pompa sentrifugal
Bahan Konstruksi : commercial steel
Universitas Sumatera Utara
Jumlah
Kapasitas Daya motor
: 1 unit
: 0,00655 ft3/s : 0,0186 hp
5.15 Pompa 5 (P-216)
Fungsi
: memompa campuran air-asam sulfat dari tangki berpengaduk
(MT-188) menuju evaporasi ( FE-217)
1000 TON/ TAHUN TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Ujian Sarjana Teknik Kimia
Oleh : BUYUNG LEBU
080405099
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Kuasa atas
berkat dan rahmatNya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang
berjudul “Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Bioetanol dari Jerami Padi dengan
Kapasitas 1000 Ton /tahun“.
Tugas rancangan pabrik ini disusun untuk melengkapi tugas-tugas dan
merupakan salah satu syarat untuk mengikuti ujian sarjana pada Departemen Teknik
Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan tugas rancangan pabrik ini penulis banyak menerima
bantuan, bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak, oleh karena itu penulis
mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Dr. Eng. Ir. Irvan, Msi, Ketua Departemen Teknik Kimia, Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara.
2. Ibu Dr.Ir.Fatimah, MT, Sekretaris Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara.
3. Ibu Ir. Renita Manurung, MT, Koordinator Tugas Akhir, Departemen Teknik
Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
4. Ibu Dr.Ir.Fatimah, MT, selaku dosen pembimbing I dalam penyususnan tugas
rancangan pabrik ini.
5. Orang tua kami para penulis yang selalu mengasihi, memberi semangat dan
menjadi sumber inspirasi bagi penulis.
6. Saudara-saudara penulis yang selalu memberi semangat kepada penulis.
7. Bapak dan Ibu dosen Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas
ii
Sumatera Utara yang telah mengajarkan banyak pengetahuan kepada penulis.
8. Pegawai-pegawai Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas
Sumatera Utara.
i
9. Patner atas kerjasamanya dalam penulisan tugas rancangan pabrik ini.
10. Sahabat-sahabat terbaik di Teknik Kimia, stambuk 2007 atas kebersamaan
selama ini.
11. Senior di Teknik Kimia atas pinjaman buku dan saran selama penulisan tugas
rancangan pabrik ini.
Universitas Sumatera Utara
12. Junior di Teknik Kimia yang selalu memberikan dukungan dalam penulisan tugas rancangan pabrik ini.
13. Pihak-pihak yang telah membantu dalam penulisan tugas rancangan pabrik ini yang tidak dapat penulis sebutkan namanya satu persatu. Penulis menyadari Tugas Rancangan Pabrik ini masih banyak kekurangan.
Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik demi kesempurnaan Tugas Rancangan Pabrik ini dimasa yang akan datang. Semoga Tugas Rancangan Pabrik ini bermanfaat bagi semua pihak. Terima kasih.
Medan, Maret 2013 Penulis,
Universitas Sumatera Utara
INTISARI
Pembuatan bioetanol dilakukan dengan proses hidrolisis, fermentasi dan
dilanjutkan dengan destilasi serta pervaporasi. Pabrik bioetanol dari jerami padi ini
direncanakan berproduksi dengan kapasitas 1000 Ton/tahun dan beroperasi selama
330 hari dalam setahun. Pabrik ini diharapkan dapat menghasilkan bioetanol yang
mampu memenuhi 5% kebutuhan pasar nasional. Penggunaan jerami padi yang
merupakan limbah sebagai bahan baku bioetanol akan meningkatkan nilai ekonomi
dari jerami padi.
Lokasi pabrik direncanakan adalah di kota Langkat, Sumatera Utara dengan luas tanah yang dibutuhkan sebesar 24.000 m2.
Tenaga kerja yang dibutuhkan untuk mengoperasikan pabrik adalah sebanyak
150 orang. Bentuk badan usaha yang direncanakan adalah Perseoran Terbatas (PT)
dan bentuk organisasinya adalah organisasi garis dan staff.
Hasil analisa ekonomi Pabrik Pembuatan Bioetanol sebagai berikut:
Modal Investasi Total
: Rp 1.743.352.277.356,-
Biaya Produksi
: Rp 396.991.323.892,-
Hasil Penjualan
: Rp 755.112.505.923,-.
• Laba Bersih
: Rp 525.953.360.375,-
• Profit Margin
: 24,87%
• Break Even Point
: 48,41%
• Return on Investment : 24,57%
• Pay Out Time
: 4,0695 tahun
• Return on Network
: 40,96%
• Internal Rate of Return : 43,05%
Dari hasil analisa aspek ekonomi dapat disimpulkan bahwa pabrik pembuatan
bioetanol ini layak untuk didirikan.
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR............................................................................................ i INTISARI ............................................................................................................. iii DAFTAR ISI......................................................................................................... iv DAFTAR GAMBAR............................................................................................ vi DAFTAR TABEL ............................................................................................... vii BAB I PENDAHULUAN.......................................................................... I-1
1.1 Latar Belakang....................................................................... I-1 1.2 Perumusan Masalah .............................................................. I-3 1.3 Tujuan ..................................................................................... I-3 1.4 Manfaat Pra Rancangan Pabrik........................................... I-4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..............................................................II-1 2.1 Jerami Padi ............................................................................II-1
2.1.1 Pemanfaatan Jerami Padi .............................................II-3 2.2 Etanol .....................................................................................II-4 2.3 Pembuatan Bioetanol ............................................................II-5
2.3.1 Deskripsi Proses ............................................................II-7 2.3.1.1 Persiapan bahan baku............................................II-8
Universitas Sumatera Utara
BAB III NERACA MASSA...................................................................... III-1 BAB IV NERACA PANAS .......................................................................IV-1 BAB V SPESIFIKASI PERALATAN ..................................................... V-1 BAB VI INSTRUMENTASI DAN KESELAMATAN KERJA ............VI-1
6.1 Instrumentasi.........................................................................VI-1 6.2 Keselamatan Kerja..............................................................VI-10 BAB VII UTILITAS.................................................................................. VII-1 7.1 Kebutuhan Uap (Steam) ..................................................... VII-1 7.2 Kebutuhan Air..................................................................... VII-2 7.3 Kebutuhan Bahan Kimia.................................................. VII-12 7.4 Kebutuhan Listrik............................................................. VII-12 7.5 Kebutuhan Bahan Bakar.................................................. VII-12 7.6 Unit Pengolahan Limbah.................................................. VII-13 7.7 Spesifikasi Peralatan Utilitas ........................................... VII-16
BAB VIII LOKASI DAN TATA LETAK PABRIK.............................. VIII-1 8.1 Lokasi Pabrik .................................................................... VIII-1 8.2 Tata Letak Pabrik ............................................................. VIII-3 8.3 Perincian Luas Tanah....................................................... VIII-5
Universitas Sumatera Utara
BAB IX ORGANISASI DAN MANAJEMEN PERUSAHAAN ...........IX-1 9.1 Organisasi Perusahaan .........................................................IX-1 9.2 Manajemen Perusahaan .......................................................IX-3 9.3 Bentuk Hukum Badan Usaha ..............................................IX-4 9.4 Uraian Tugas, Wewenang dan Tanggung Jawab ..............IX-6 9.5 Sistem Kerja ..........................................................................IX-8 9.6 Jumlah Karyawan dan Tingkat Pendidikan ......................IX-9 9.7 Sistem Penggajian ...............................................................IX-11 9.8 Fasilitas Tenaga Kerja........................................................IX-12
BAB X ANALISA EKONOMI ................................................................ X-1 10.1 Modal Investasi .................................................................... X-1 10.2 Biaya Produksi Total (BPT)/Total Cost (TC) .................... X-4 10.3 Total Penjualan (Total Sales) .............................................. X-5 10.4 Bonus Perusahaan................................................................ X-5 10.5 Perkiraan Rugi/Laba Usaha ............................................... X-5 10.6 Analisa Aspek Ekonomi....................................................... X-5
BAB XI KESIMPULAN............................................................................XI-1 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN A PERHITUNGAN NERACA MASSA
Universitas Sumatera Utara
LAMPIRAN B PERHITUNGAN NERACA PANAS LAMPIRAN C PERHITUNGAN SPESIFIKASI PERALATAN LAMPIRAN D PERHITUNGAN SPESIFIKASI PERALATAN UTILITAS LAMPIRAN E PERHITUNGAN ASPEK EKONOMI
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 6.1 Diagram Blok Sistem Pengendalian Feedback ......................VI-4 Gambar 6.2 Sebuah Loop Pengendalian .....................................................VI-5 Gambar 6.3 Instrumentasi pada Alat ..........................................................VI-9 Gambar 8.1 Tata Letak Pra Rancangan Pabrik Pembuatan BioetanolVIII-7 Gambar 9.1 ..... Bagan Struktur Organisasi Perusahaan Pabrik Pembuatan
Bioetanol .................................................................................IX-13 Gambar LD.1............................................................ Sketsa Sebagian Bar Screen
LD-2 Gambar LD.2..... Grafik Entalpi dan Temperatur Cairan pada Water Cooling Tower
(WCT) ................................................................................... LD-54 Gambar LD.3.....................................................Kurva Hy terhadap 1/(Hy*–Hy)
LD-55 Gambar LE.1Harga Peralatan untuk Tangki Penyimpanan (Storage) dan
Tangki Pelarutan.....................................................................LE-5 Gambar LE.2Harga Peralatan untuk Kolom Destilasi ...............................LE-6 Gambar LE.3Harga Tiap Tray dalam Kolom Destilasi ..............................LE-7 Gambar LE.4 ..................................................... Grafik Break Even Point (BEP)
LE-31
Universitas Sumatera Utara
vi Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Neraca Massa pada Unit Persiapan Bahan Baku ................... III-1 Tabel 3.2 Neraca Massa pada Vibrating Screen (VS-104)..................... III-1 Tabel 3.3 Neraca Massa pada Tangki Berpengaduk............................... III-1 Tabel 3.4 Neraca Massa pada Reaktor Hidrolisa...................................... III-2 Tabel 3.5 Neraca Massa pada Filter Press I ............................................. III-4 Tabel 3.6 Neraca Massa pada Menara Evaporator................................. III-5 Tabel 3.7 Neraca Massa pada Mixer (M-230) .......................................... III-4 Tabel 3.8 Neraca Massa pada Fermentor (R-270)................................... III-4 Tabel 3.9 Neraca Massa pada Filter Press (FP-313) ................................ III-5 Tabel 3.10 Neraca Massa pada Ultrafiltrasi (UF-310) .............................. III-5 Tabel 3.11 Neraca Massa pada Kolom Destilasi (T-320).......................... III-5 Tabel 3.12 Neraca Massa pada Membran Pervaporasi (PV-340) ........... III-6 Tabel 4.1 Neraca Panas Reaktor Berpengaduk (MT-118).......................IV-1 Tabel 4.2 Neraca Panas Reaktor Hidrolisis (R-211).................................IV-1 Tabel 4.3 Neraca Panas Cooler (E-212) .....................................................IV-2 Tabel 4.4 Neraca Panas Mixer (M-219)......................................................IV-2 Tabel 4.5 Neraca Panas Fermentor (R-319) ..............................................IV-2 Tabel 4.6 Neraca Panas Heater (E-411) .....................................................IV-3
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.7 Neraca Panas Kondensor (E-415)..............................................IV-3 Tabel 4.8 Neraca Panas Reboiler (E-414)...................................................IV-3 Tabel 4.9 Neraca Panas Evaporator (FE-217)............................................IV-3 Tabel 6.1 Daftar Penggunaan Instrumentasi pada Pra Rancangan Pabrik
Pembuatan Bioetanol dari Jerami Padi ....................................VI-9 Tabel 7.1 Kebutuhan Steam Sebagai Media Pemanas............................ VII-1 Tabel 7.2 Kebutuhan Air Pendingin pada Alat ...................................... VII-2 Tabel 7.3 Kebutuhan Air Proses Pabrik Bioetanol ................................ VII-4 Tabel 7.4 Pemakaian Air Untuk Berbagai Kebutuhan .......................... VII-4 Tabel 7.5 Kualitas Air Sungai Blengking Kuala Madu.......................... VII-5 Tabel 8.1 Perincian Luas Areal Pabrik ................................................. VIII-5 Tabel 9.1 Jadwal Kerja Karyawan Shift....................................................IX-9 Tabel 9.2 Jumlah Karyawan dan Kualifikasinya .....................................IX-9 Tabel 9.3 Perincian Gaji Karyawan.........................................................IX-11 Tabel LE.1 Perincian Harga Bangunan dan Sarana Lainnya ...................LE-1 Tabel LE.2 Harga Indeks Marshall dan Swift ............................................LE-3 Tabel LE.3 Estimasi Harga Peralatan Proses .............................................LE-8 Tabel LE.4 Estimasi Harga Peralatan Utilitas dan Pengolahan LimbahLE-10 Tabel LE-5 Biaya Sarana Transportasi .....................................................LE-13 Tabel LE.6 Perincian Gaji Pegawai ...........................................................LE-17
Universitas Sumatera Utara
Tabel LE.7 Perincian Biaya Kas.................................................................LE-18 Tabel LE.8 Perincian Modal Kerja ............................................................LE-20 Tabel LE.9 Aturan depresiasi sesuai UU Republik Indonesia No.17
Tahun 2000 ...............................................................................LE-21 Tabel LE.10 Perhitungan Biaya Depresiasi sesuai UURI No.17 Tahun 2000
LE-22 Tabel LE.11 Data Perhitungan Internal Rate of Return (IRR) LE-3
Universitas Sumatera Utara
INTISARI
Pembuatan bioetanol dilakukan dengan proses hidrolisis, fermentasi dan
dilanjutkan dengan destilasi serta pervaporasi. Pabrik bioetanol dari jerami padi ini
direncanakan berproduksi dengan kapasitas 1000 Ton/tahun dan beroperasi selama
330 hari dalam setahun. Pabrik ini diharapkan dapat menghasilkan bioetanol yang
mampu memenuhi 5% kebutuhan pasar nasional. Penggunaan jerami padi yang
merupakan limbah sebagai bahan baku bioetanol akan meningkatkan nilai ekonomi
dari jerami padi.
Lokasi pabrik direncanakan adalah di kota Langkat, Sumatera Utara dengan luas tanah yang dibutuhkan sebesar 24.000 m2.
Tenaga kerja yang dibutuhkan untuk mengoperasikan pabrik adalah sebanyak
150 orang. Bentuk badan usaha yang direncanakan adalah Perseoran Terbatas (PT)
dan bentuk organisasinya adalah organisasi garis dan staff.
Hasil analisa ekonomi Pabrik Pembuatan Bioetanol sebagai berikut:
Modal Investasi Total
: Rp 1.743.352.277.356,-
Biaya Produksi
: Rp 396.991.323.892,-
Hasil Penjualan
: Rp 755.112.505.923,-.
• Laba Bersih
: Rp 525.953.360.375,-
• Profit Margin
: 24,87%
• Break Even Point
: 48,41%
• Return on Investment : 24,57%
• Pay Out Time
: 4,0695 tahun
• Return on Network
: 40,96%
• Internal Rate of Return : 43,05%
Dari hasil analisa aspek ekonomi dapat disimpulkan bahwa pabrik pembuatan
bioetanol ini layak untuk didirikan.
Universitas Sumatera Utara
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pakar perminyakan Indonesia, Kurtubi (2004), menyatakan bahwa mulai tahun 2004, produksi perminyakan Indonesia berada pada level terendah dibandingkan tahun-tahun sebelumnya. Produksi minyak mentah pada triwulan I/2004 hanya sekitar 0,98 juta barrel per hari atau sekitar 360 juta barrel dalam satu tahun, sedangkan pada tahun 1999, produksi minyak masih sekitar 1,4 juta barrel per hari. Diketahui pula bahwa harga bahan bakar minyak dunia pun meningkat pesat. Permasalahan inilah yang membawa dampak pada meningkatnya harga jual bahan bakar minyak termasuk minyak tanah Indonesia. Di sisi lain, permintaan bahan bakar minyak dalam negeri jumlahnya terus meningkat. Diketahui pula bahwa harga bahan bakar minyak dunia pun meningkat pesat. Permasalahan inilah yang membawa dampak pada meningkatnya harga jual bahan bakar minyak Indonesia. Dengan adanya beberapa alasan diatas sehingga diproduksi bioetanol sebagai bahan bakar alternatif yang terbuat dari jerami padi.
Salah satu limbah pertanian di Indonesia yang belum dimanfaatkan adalah limbah tanaman padi (jerami). Jerami adalah tanaman padi yang telah diambil buahnya (gabahnya), sehingga tinggal batang dan daunnya yang merupakan limbah pertanian terbesar serta belum sepenuhnya dimanfaatkan karena adanya faktor teknis dan ekonomis. Pada sebagian petani, jerami sering digunakan sebagai mulsa pada saat menanam palawija. Hanya sebagian kecil petani menggunakan jerami sebagai pakan ternak alternatif di kala musim kering karena sulitnya mendapatkan hijauan. Di lain pihak jerami sebagai limbah pertanian, sering menjadi permasalahan bagi petani, sehingga sering di bakar untuk mengatasi masalah tersebut. Produksi jerami padi dapat mencapai 12 - 15 ton per hektar per panen, bervariasi tergantung pada lokasi dan jenis varietas tanaman padi yang digunakan.
Produksi padi nasional mencapai 54,75 juta ton per tahun pada tahun 2006, meningkat sebesar 1,11% dibandingkan produksi padi tahun 2005. Peningkatan produksi padi juga diiringi peningkatan limbah jerami padi (Berita Resmi Statistik,
Universitas Sumatera Utara
2006). Bioetanol berselulosa terbentuk dari tiga komponen utama yakni selulosa, hemiselulosa dan lignin. Selulosa merupakan komponen utama yang terkandung dalam dinding sel tumbuhan dan mendominasi hingga 50% berat kering tumbuhan. Jerami padi diketahui memiliki kandungan selulosa yang tinggi, mencapai 34.2% berat kering, 24.5% hemiselulosa dan kandungan lignin hingga 23.4%. Komposisi kimia limbah pertanian maupun limbah kayu tergantung pada spesies tanaman, umur tanaman, kondisi lingkungan tempat tumbuh dan langkah pemprosesan. Sehingga pabrik dengan pembuatan bioetanol dari jerami padi ini layak untuk dilaksanakan mengingat bahwa dalam rangka mencari energi alternatif yang ekologis, ternyata bioetanol bahkan limbah hasil proses bioetanol pun masih bisa dimanfaatkan. Seperti jerami bisa untuk membuat bioetanol. Selain itu usaha pemanfaatan ini bisa menjadi solusi dalam rangka penghematan biaya dan devisa negara. Karena diperkirakan pada tahun 2015 Indonesia akan menjadi negara Net-Importir bahan baku minyak mentah. Adapun data – data peningkatan jerami padi setiap tahunnya adalah sebagai berikut :
Tabel 1.2 Hasil Jerami Padi secara Nasional
Tahun 2007
Nasional
Kuantitas % Kenaikan
(ton)
57.157,4
47,05
Sumatera Utara Kuantitas ( kg ) % Kenaikan
3.265.834
43,45
2008
60.326,9
48,94
3.340.794
44,63
2009
64.398,9
49,99
3.527.899
45,91
2010
66.469,4
50,15
3.582.302
47,47
2011
68.061,7
50,17
3.600.230
47,68
2012*
70.342,5
50,19
3.731.200
49,10*
2013*
72.031,5
50,21
Keterangan : * = Prediksi kedepan
3.885.876
50,77*
Universitas Sumatera Utara
Alkohol dapat dihasilkan dari tanaman yang banyak mengandung senyawa selulosa dengan menggunakan bantuan aktivitas mikroba. Penggunaan alkohol khususnya etanol sebagai bahan bakar yang merupakan salah satu pemecahan masalah energi dewasa ini. Karena kita ketahui pemakaian energi (terutama minyak bumi) dari tahun ketahun sangat meningkat. Sedangkan sumber bahan bakar yang di pakai semakin menipis, sehingga diperlukan alternatif lain dalam mencari sumber bahan bakar yang baru ( Yudhi, 2010).
Tabel 1.2 Produksi bioetanol secara nasional
Tahun 2007
Impor / Dalam Negeri (kg) Ekspor / Luar Negeri
89.935.580.813
(kg) 342.773.529.783
2008
90.445.768.321
350.053.970.205
2009
91.354.405.895
378.999.100.814
2010
110.701.002.318
478.846.797.632
2011
128.221.634.466
582.219.779.283
2012
130.711.781.367*
692.920.395.040*
2013
143.715.667.281*
798.973.320.110*
Keterangan : * = Prediksi kedepan
1.2 Perumusan Masalah Sehubungan dengan meningkatnya permintaan masyarakat akan kebutuhan
BBM, maka diperlukan suatu usaha yang memproduksi sumber energi yang ramah terhadap lingkungan dan mudah diperoleh serta didukung dengan ketersediaan bahan baku yang menjamin kelangsungan operasi untuk masa mendatang. Tugas akhir ini
Universitas Sumatera Utara
memaparkan bagaimana merancang pabrik bioetanol sebagai bahan bakar dari jerami padi. 1.3 Tujuan Pra rancangan Pabrik
Tujuan pra rancangan pabrik bioetanol dari jerami padi ini adalah untuk menerapkan disiplin ilmu Teknik Kimia, dan memberikan gambaran tentang kelayakan pendirian pra rancangan pabrik bioetanol, untuk dapat diaplikasikan menjadi industri rumah tangga. 1.4 Manfaat Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Bioetanol dari Jerami Padi
Manfaat dari Pra rancangan pabrik bioetanol dari jerami padi adalah : 1. Untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri akan bioetanol. Selain itu juga
produk ini akan diekspor sebagai penambah devisa bagi negara yang akan membantu memperbaiki perekonomian. 2. Memberikan informasi yang dapat digunakan sebagai referensi dalam pendirian pabrik bioetanol. 3. Menciptakan lapangan kerja 4. Meningkatkan nilai tambah jerami padi.
Universitas Sumatera Utara
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Jerami Padi Produksi padi dunia menempati urutan ketiga dari semua serealia, setelah
jagung dan gandum. Namun demikian, padi merupakan sumber karbohidrat utama bagi mayoritas penduduk dunia. Adapun ciri – ciri umum dari padi adalah sebagai berikut : Padi termasuk dalam suku padi-padian atau poaceae ( graminae atau glumiflorae). Berakar serabut, batang sangat pendek, struktur serupa batang terbentuk dari rangkaian pelepah daun yang saling menopang daun sempurna dengan pelepah tegak, daun berbentuk lanset, warna hijau muda hingga hijau tua, berurat daun sejajar, tertutupi oleh rambut yang pendek dan jarang, bagian bunga tersusun majemuk, tipe malai bercabang,satuan bunga disebut floret yang terletak pada satu spikelet yang duduk pada panikula, tipe buah bulir atau kariopsis yang tidak dapat dibedakan mana buah dan bijinya, bentuk hampir bulat hingga lonjong, ukuran 3 mm hingga 15 mm, tertutup oleh palea dan lemma yang dalam bahasa sehari-hari disebut sekam, struktur dominan padi yang biasa dikonsuksi yaitu jenis enduspermium
Indonesia dikenal sebagai salah satu negara agraris yang subur. Negara agraris adalah negara yang sebagian besar penduduknya mempunyai mata pencaharian sebagai petani. Indonesia yang terkenal sebagai negara yang mempunyai wilayah yang luas, mempunyai potensi di bidang pertanian. Salah satunya adalah pertanian padi. Sepanjang tahun produksi padi menghasilkan limbah berupa jerami padi dalam jumlah yang besar. Jerami padi biasa dimanfaatkan sebagai pakan ternak dan bahan kompos. Namun ada juga yang hanya membakar jerami padi pada areal persawahannya. Jerami padi juga dapat dimanfaatkan sebagai substrat industri dengan mencampurkannya dengan bahan lain sesuai produk yang ingin di hasilkan. Produktivitas pertanian tanaman pangan di Indonesia setiap tahunnya menghasilkan jumlah yang cukup besar. Menurut FAO (2005), Indonesia merupakan produsen padi ketiga terbesar di dunia yaitu sebesar 9% dari total produksi dunia setelah China (31%) dan India (9%). Namun, tanaman pangan di Indonesia selalu membawa hasil samping atau limbah pertanian hingga mencapai jutaan ton setiap tahunnya.
Universitas Sumatera Utara
Limbah pertanian ini terdiri atas jerami padi, daun jagung, batang jagung, daun kedelai dan lain sebagainya.
Jerami padi merupakan limbah pertanian terbesar di Indonesia. Jumlahnya sekitar 20 juta per tahun. Menurut data BPS tahun 2006, luas sawah di Indonesia adalah 11,9 juta ha. Produksi per hektar sawah bisa mencapai 12-15 ton bahan kering setiap kali panen, tergantung lokasi dan varietas tanaman. Sejauh ini, pemanfaatan jerami padi sebagai pakan ternak baru mencapai 31-39 %, sedangkan yang dibakar atau dimanfaatkan sebagai pupuk 36-62 %, dan sekitar 7-16 % digunakan untuk keperluan industri (safan, 2008). Jerami padi merupakan bagian dari batang padi tanpa akar yang tertinggal setelah diambil butir buahnya. Peningkatan produksi padi juga diiringi peningkatan limbah jerami padi.
Banyaknya jerami padi yang belum dimanfaatkan secara optimal mendorong para peneliti mengembangkan potensi jerami padi menjadi sesuatu yang mempunyai nilai ekonomi tinggi. Berikut ini adalah komponen yang ada dalam jerami padi :
- Selulosa 39 % - Hemiselulosa 27 % - Lignin 12 % - Abu 11 %
Selulosa adalah polimer yang tersusun atas unit-unit glukosa melalui ikatan α-1,4-glikosida. Bentuk polimer ini memungkinkan selulosa saling menumpuk / terikat menjadi bentuk serat yang sangat kuat. Panjang molekul selulosa ditentukan oleh jumlah unit 4 glucan di dalam polimer, disebut dengan derajat polimerisasi. Derajat polimerisasi selulosa tergantung pada jenis tanaman dan umumnya dalam kisaran 200-27.000 unit glukosa. Selulosa dapat dihidrolisis menjadi glukosa dengan menggunakan asam atau enzim (safan, 2008).
Hemiselulosa mirip dengan selulosa, namun tersusun dari bermacam-macam jenis gula. Monomer gula penyusun hemiselulosa terdiri dari monomer gula berkarbon 5 (C-5) dan 6 (C-6), seperti : xylosa, mannose, glukosa, galaktosa, arabinosa, dan sejumlah kecil rhamnosa, asam glukoroat, asam metal glukoroat, dan asam galaturonat (safan.wordpress.com, 2008). Sedangkan lignin adalah molekul kompleks yang tersusun dari unit phenylphropane yang terikat di dalam struktur tiga
Universitas Sumatera Utara
dimensi. Lignin adalah material yang paling kuat dalam biomassa, namun sangat resisten terhadap degradasi, baik secara biologi, enzimatis, maupun kimia. Karena kandungan karbon yang relatif tinggi dibandingkan denga selulosa dan hemiselulosa lignin memiliki kandungan energi yang tinggi (safan, 2008).
Lignin merupakan salah satu bagian yang berbentuk kayu dari tanaman seperti janggel, kulit keras, biji, bagian serabut kasar, akar, batang dan daun. Lignin mengandung substansi yang kompleks dan merupakan suatu gabungan beberapa senyawa yaitu karbon, hidrogen dan oksigen. Selain lignin, bagian yang lain dari jerami adalah selulosa. Selulosa merupakan polisakarida yang didalamnya mengandung zat - zat gula (Hari Hartadi, 1983).
Secara alami lignin berwarna coklat. Kalau jerami berubah warna menjadi agak putih, berarti ada sebagian lignin yang hilang. Lignin membuat jerami jadi keras dan liat. Kalau jerami menjadi lebih lunak dari jerami aslinya, berarti pelindung ligninnya sudah mulai rusak.
2.1.1 Pemanfaatan Jerami Padi
Pemanfaatan substrat jerami padi sebagai media fermentasi yang banyak mengandung selulosa untuk pertumbuhaan mikroorganisme memiliki prospek yang cerah di masa yang akan datang, karena memberikan alternatif biaya yang lebih murah jika dibandingkan dengan pembuatan enzim dengan menggunakan bahanbahan kimia sintetik sebagai media pertumbuhan mikroorganisme. Produksi enzim selulase dengan menggunakan substrat jerami padi yang mengandung selulosa ini juga akan menghasilkan produk-produk lain yang berguna bagi manusia seperti glukosa, etanol, protein sel tunggal dan lain-lain (Darwis dan Sukara, 1990).
Enzim selulase sendiri sangat penting perannya dalam hidrolisis selulosa untuk menghasilkan glukosa, yang laku dipasaran dan dibutuhkan untuk berbagai keperluan baik untuk keperluan pembuatan zat-zat kimia yang lain yang bernilai ekonomis lebih tinggi seperti etanol, aseton, dan asam-asam organik, maupun digunakan sebagai sumber karbon pengusahaan mikroba untuk produksi enzim dan antibiotik (Gunam; 1997: Wyk et al, 2003; Gunam et al, 2004).
Universitas Sumatera Utara
Jerami padi yang merupakan limbah pertanian memiliki kandungan selulosa cukup tinggi (Juliano, 1985). Memungkinkan untuk dimanfaatkan sebagai media pertumbuhan mikroorganisme untuk memproduksi enzim selulase. Sejauh ini, konsentrasi substrat jerami padi yang dibutuhkan untuk produksi enzim selulase yang optimal dari mikroorganisme pada fermentasi dengan menggunakan media dari serbuk jerami padi belum diketahui secara pasti. Pembuatan enzim selulase dari limbah jerami padi sebagai substrat dengan menggunakan mikroorganisme sebagai penghasil enzim, selain mudah dibiakan, mikroorganisme juga mempunyai kecepatan tumbuh yang tinggi dan mudah dikontrol pertumbuhannya (Reed, 1975).
Jenis fungi yang biasa digunakan dalam produksi selulase antara lain sebagai berikut: Aspergillus niger, Aspergillus fumigates, Aspergillus nidulans, Neurospora sitophila, Tricoderma viride, Tricoderma longibrachiatum, dan Saccharomyces cerevisiae. Sedangkan bakteri yang bisa menghasilkan selulase adalah Pseudomonas, Cellulomonas, Bacillus, Micrococcus, Cellovibrio, dan Sporosphytophaga.
2.2 Etanol Etanol disebut juga etil alkohol, alkohol murni, alkohol absolut, atau alkohol
saja, adalah sejenis cairan yang mudah menguap, mudah terbakar, tak berwarna, dan merupakan alkohol yang paling sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Senyawa ini merupakan obat psikoaktif dan dapat ditemukan pada minuman beralkohol dan termometer modern. Etanol adalah salah satu obat rekreasi yang paling tua.
Etanol termasuk ke dalam alkohol rantai tunggal, dengan rumus kimia C2H5OH dan rumus empiris C2H6O. Ia merupakan isomer konstitusional dari dimetil eter. Etanol sering disingkat menjadi EtOH, dengan "Et" merupakan singkatan dari gugus etil (C2H5).
Fermentasi gula menjadi etanol merupakan salah satu reaksi organik paling awal yang pernah dilakukan manusia. Efek dari konsumsi etanol yang memabukkan juga telah diketahui sejak dulu. Pada zaman modern, etanol yang ditujukan untuk kegunaan industri dihasilkan dari produk sampingan pengilangan minyak bumi (Anonim,2012 b).
Universitas Sumatera Utara
a. Sifat fisika
1. Rumus molekul 2. Massa molar
: C2H5OH : 46,07 g/mol
3. Penampilan 4. Densitas
: cairan tak berwarna : 0,789 g/cm3
5. Titik lebur
: -114,3
6. Titik didih
:78,4
7. Kelarutan dalam air
: tercampur penuh
8. Keasaman ( pKa )
: 15,9
9. Viskositas
: 1,200 cp ( 20°C)
10. Faktor kompresibilitas kritis : 0,248
11. Panas penguapan pada titik didih normal : 839,31 J/g
12. Tekanan kritis
: 6383,48 kpa
13. Panas pembakaran
: 29676,69 J/g ( Kirk & Othmer,1989)
b. Sifat kimia
1. Dapat bereaksi dengan metal seperti natrium, kalium dan kalium untuk
membentuk metal etoksid (ethylate)
2C2H5OH + 2M
2C2H5OM + H2
2. Dengan penambahan asetilena akan membentuk etyl vinyl eter
C2H5OH + HC
CH C2H5OHC
CH2
3. Dengan penambahan katalis etill alcohol pada asetilena akan
menghasilkan asetal
2C2H5OH + RCHO
RCH(OCH2CH3)2 + H2O
4. Dehidrasi pada etanol
C2H5OH
CH2 CH2 + H2O
2C2H5OH
C2H5OCH2CH3 + H2O
5. Ptoses dehidrogenasi etanol
C2H5OH
CH3CHO + H2 (Kirk & Othmer, 1989)
Universitas Sumatera Utara
2.3 Pembuatan Bioetanol
Bioetanol adalah etanol yang berasal dari sumber hayati. Bioetanol
bersumber dari karbohidrat yang potensial sebagai bahan baku seperti tebu, nira
sorgum, ubi kayu, garut, ubi jalar, sagu, jagung: jerami, bonggol jagung dan kayu.
Setelah melalui proses fermentasi, dihasilkan etanol (www.energi.lipi.go.id).
Etanol adalah senyawa organik yang terdiri dari karbon, hidrogen dan
oksigen, sehingga dapat dilihat sebagai derivat senyawa hidrokarbon yang
mempunyai gugus hidroksil dengan rumus C2H5OH.
Etanol merupakan zat cair, tidak berwarna, berbau spesifik, mudah terbakar
dan menguap, dapat bercampur dalam air dengan segala perbandingan.
a. Sifat - sifat fisik etanol
Rumus molekul BM
: C2H5OH : 46,07 gram/mol
Titik didih pada 760 mmHg : 78,4°C
Titik beku
: - 112°C
Densitas
: 0, 789 gr/ml pada 20°C
Kelarutan dalam 100 bagian
air
: sangat larut
eter
: sangat larut (Perry, 1984).
b. Sifat kimia
1. Dihasilkan dari fermentasi glukosa C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2
( Glukosa )
( etanol ) ( karbondioksida )
2. Untuk minuman diperoleh dari peragian karbohidrat, ada dua tipe yaitu tipe pertama mengubah karbohidratnya raenjadi glukosa kemudian menjadi etanol, tipe yang lain menghasilkan cuka (asam asetat).
3. Pembentukan etanol
C6H12O6 ENZIM
2CH3CH2OH + 2CO2
( glukosa )
( etanol)
( karbondioksida )
Universitas Sumatera Utara
4. Pembakaran etanol CH3CH2OH + 3O2
2CO2 + 3H2O + energi
(Fessenden,1982)
Jerami padi merupakan limbah pertanian yang mengandung polisakarida dalam bentuk selulosa, hemiselulosa, pektin dan lignin (Howard dkk., 2003 dalam Mustika, 2008). Komponen polisakarida tersebut dapat diuraikan melalui proses degradasi atau fermentasi dengan menggunakan aktifitas mikroba potensial seperti kapang Trichoderma viride untuk menghasilkan gula dan selanjutnya khamir Saccharomycess cerevisiae untuk produksi etanol (Mustika, 2008). Etanol dapat dihasilkan dari jerami padi dan alang-alang melalui proses fermentasi secara bertahap (tahap 1 fermentasi gula dengan menggunakan kapang T. viride dan tahap 2 fermentasi etanol dengan menggunakan khamir S. cerevisiae).
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Mustika, 2008 kadar gula sederhana yang dihasilkan secara fermentasi oleh kapang T. Viride cukup tinggi pada substrat jerami padi. Jerami padi memiliki potensi sebagai substrat dalam fermentasi etanol. Kadar etanol tertinggi yang dihasilkan secara fermentasi oleh khamir S. Cerevisiae pada jerami padi adalah sebesar 0,77% (Mustika, 2008). Sifat - sifat fisik etanol :
Rumus molekul
: C2H5OH
BM
: 46,07 gram/mol
Titik didih pada 760 mmHg : 78,4°C
Titik beku
: - 112°C
2.3.1 Deskripsi Proses Pembuatan Bioetanol Dari Jerami Padi
Pada dasarnya proses pembuatan bioetanol dari jerami padi melalui beberapa tahap yaitu proses delignifikasi, hidrolisis, fermentasi dan destilasi. Proses
Universitas Sumatera Utara
pembuatan serbuk jerami sendiri dengan cara penghancuran jerami yaitu diblender sampai hasilnya halus kemudian diayak.
Delignifikasi bertujuan untuk menghilangkan lignin dari jerami. Pada proses ini digunakan larutan H2SO4. Proses pembuatan glukosa dari jerami dilakukan dengan cara hidrolisis secara kimia dengan menggunakan larutan HCl sebagai penghidrolisis dan katalisator. Supaya pH yang diperoleh sesuai dengan kondisi untuk fermentasi maka hasil hidrolisa ditambah dengan HCl. Fermentasi dilakukan dengan variasi lama waktu fermentasi dan variasi konsentrasi starter. Berikut tahapan proses pembuatan bioetanol dari jerami padi.
Pembuatan bioetanol dari jerami dilakukan melalui proses persiapan bahan baku, fermentasi dan pemurnian (destilasi).
2.3.1.1 Persiapan bahan baku
Persiapan bahan baku dilakukan untuk mendapatkan glukosa. Glukosa diperoleh melalui 2 tahap yaitu delignifikasi dan hidrolisis. Pada tahap delignifikasi akan menghasilkan selulosa. Selulosa akan diproses lebih lanjut dengan proses hidrolisa sehingga akan dihasilkan glukosa.
1. Delignifikasi
Sebelum diproses, bahan baku berupa jerami padi sebelumnya diperkecil ukurannya dengan menggunakan crusher ( CR-113) hingga ukuran 0,1 mm. Kemudian di alirkan menuju tangki berpengaduk ( MT-118) dengan menggunakan conveyor ( C-115). Asam sulfat yang sudah di encerkan hingga 70% dengan penambahan air dan direaksikan pada suhu 40°C selama 1 jam di alirkan ke dalam tangki berpengaduk (MT-118) yang berfungsi untuk memisahkan selulosa dan hemiselulosa yang terikat pada lignin. Selanjutnya campuran dialirkan menuju reaktor hidrolisis (R-211).
Reaksi yang terjadi pada tangki berpengaduk (MT-118).
(C5H8O4)n + n H2O
nC6H10O5
(Hemiselulosa) (Air )
( selulosa )
Universitas Sumatera Utara
2. Hidrolisis
Campuran dari tangki berpengaduk 1 (MT-118) di pompakan menuju reaktor hidrolisa (R-211). Kemudian direaksikan pada suhu 100°C dan tekanan 1 atm dalam waktu 1 jam yang berfungsi untuk memecahkan selulosa menjadi glukosa.
Reaksi yang terjadi pada reaktor berpengaduk (R-211).
(C6H10O5)n + n(H2O)
( Selulosa )
( Air )
n(C6H12O6)
( Glukosa )
Konversi reaksi selulosa menjadi glukosa adalah 86% ( C.N.Hamelinck et.al,2005)
Setelah reaksi selesai, campuran dialirkan menuju cooler (E-212) untuk didinginkan menjadi 300C. Setelah mencapai suhu tersebut, campuran dialirkan lagi menuju filter press I (FP-214) untuk memisahkan fraksi padat dan fraksi cair. Sedangkan larutan gula yang bersifat non-elektrolit tidak akan terikat oleh resin. Sehingga larutan gula dan asam pun akan terpisah. Asam sulfat yang dipisahkan ini kemudian dipekatkan dan selanjutnya digunakan kembali. Sedangkan larutan gula kemudian dipompakan menuju mixer (M-219) untuk dicampurkan dengan urea ((NH2)2CO) dari tangki penyimpanan urea (T-218). Adapun proses ini bertujuan untuk menetralkan atau mereaksikan asam yang bersisa dengan urea sehingga larutan gula bebas dari asam. Proses ini menghasilkan gipsum (CaSO4) sebagai produk samping. Campuran kemudian dialirkan menuju ke centrifuge (FF-311) untuk memisahkan gipsum dengan cairan.
3. Fermentasi
Setelah reaksi pada reaktor hidrolisa (R-211) selesai, campuran dialirkan menuju reaktor fermentasi (R-318), Dengan menggunakan mikroba yang berfungsi sebagai katalis dan membantu proses fermentasi anaerob pada suhu 27,5°C dan tekanan 1 atm dan waktu proses fermentasi berlangsung selama 36 jam. Fermentor yang dimasukkan mikroba Saccharomyces cerevisiae dan nutrisi berupa H3PO4 dari tangki penyimpanan ( T-315) dan ragi dari tangki penyimpanan (T-317).
Reaksi yang terjadi pada reaktor fermentasi (R-318).
Universitas Sumatera Utara
C6H12O6 + Saccharomyces cereviseae
( Gula sederhana ) +
(ragi)
2 C2H5OH + 2 CO2 + Biomassa
alkohol
+ karbondioksida
4. Destilasi
Hasil fermentasi kemudian dialirkan ke tangki penyimpanan hasil fermentasi ( T-320). lalu dilewatkan menuju filter press II ( FP-322) untuk memisahkan fraksi padat dan fraksi cair. Selanjutnya campuran etanol dan air yang sudah terpisah dari gula akan dipompakan lagi menuju membran ultrafiltrasi (UF-326) untuk memisahkan gula dengan etanol berdasarkan perbedaan ukuran partikel. Selanjutnya campuran etanol dan air yang sudah terpisah dipompakan menuju menara destilasi (MD-412) untuk memisahkan antara etanol dan air. Menara destilasi dapat menghasilkan etanol dengan kadar 96,5% (kondisi azeotrop). Selanjutnya campuran etanol dan air kemudian akan di pompakan lagi menuju membran pervaporasi( PV420) yang kemudian dapat memurnikan etanol hingga 99,8%. Bioetanol dengan kadar 99,8% ini kemudian di dinginkan menggunakan cooler (E-422) hingga suhu 30°C dan kemudian disimpan dalam tangki penyimpanan bioetanol ( T-424).
Universitas Sumatera Utara
BAB III
NERACA MASSA
Berikut ini adalah hasil perhitungan neraca massa pada proses pembuatan bioetanol dari jerami padi, dengan perincian sebagai berikut :
Kapasitas bahan baku
: 1000 ton/tahun
Waktu kerja per tahun
: 330 hari/ tahun
Satuan operasi
: kilogram (kg)
3.1 Neraca massa pada unit persiapan bahan baku
Tabel 1 Neraca Massa pada Unit Persiapan Bahan Baku
Komponen
Jerami Padi Total
Masuk (kg/jam)
alur 1
alur 4
800 200
1000
keluar (kg/jam) alur 2 1000 1000
3.2 Neraca massa pada vibrating screen (vs-104)
Tabel 2 Neraca Massa pada Vibrating Screen (VS-104)
Komponen
Jerami Padi Total
masuk (kg/jam) alur 2 1000 1000
keluar (kg/jam)
alur 3 800
1000
alur 4 200
Universitas Sumatera Utara
3.3 Neraca massa tangki berpengaduk Tabel 3 Neraca Massa Tangki Berpengaduk
Komponen
Selulosa Hemiselulosa
Lignin Abu Air H2SO4 Total
Alur Masuk ( kg/jam)
35 312 216 96 88 88
- 40 800 40
3.4 Neraca massa Reaktor hidrolisa
Tabel.4 Neraca Massa Reaktor Hidrolisa
Komponen
Alur Masuk (Kg/jam)
Selulosa Hemiselulosa Lignin Abu Air H2SO4 Glukosa Xylose
8 312 216 96 88 88 40 840 2786,32
7 525 525
Alur keluar ( kg/jam )
8 312 216 96 88 88 40 840
Alur Keluar ( Kg/jam)
12 93,312 247,352 96 88 1759,06 40 432 30,60 2786,32 2786,32
Universitas Sumatera Utara
3.5 Neraca Massa pada Filter Press I
Tabel 5 Neraca Massa pada Filter Press I
Komponen Alur Masuk
Alur Keluar
(Kg/ jam)
15
Selulosa Hemiselulosa Lignin Abu H2O H2SO4 Xylose Glukosa
Filtrat
93,312 247,352 96 88 1759,06 40 30,60 328,32
H2O H2SO4 Xylose
glukosa Total
2786,32
(Kg/ jam) 16 17 - 93,312 - 247,352 - 96 - 88 - 1759,06 - 40 - 30,60 - 32,832
175,906 36
27,54 388,80 2035,494
2786,32
2786,32
Universitas Sumatera Utara
3.6 Neraca Massa Menara Evaporator
Tabel LA.6 Neraca Massa Menara Evaporator
Komponen H2SO4
H2O
Total
Input (kg/jam) Aliran 9
40
88
128 128
Output (kg/jam)
Aliran 10
Aliran 11
8 32
17,6 70,4
25,6 102,4
128
3.7Neraca massa Mixer Tabel.3.7 Neraca Massa Mixer
Komponen
Alur Masuk (Kg/jam)
Selulosa Hemiselulosa Lignin Abu Air H2SO4 Glukosa Xylose
8 312 216 96 88 88 40 840 2786,32
7 525 525
Alur Keluar ( Kg/jam)
12 93,312 247,352 96 88 1759,06 40 432 30,60 2786,32 2786,32
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
NERACA PANAS
Basis perhitungan : 1 jam operasi
Satuan operasi
: kJ/jam
Temperatur basis : 25oC
4.1 Tangki Berpengaduk (MT-118)
Tabel 4.1 Neraca Panas Tangki Berpengaduk (MT-118)
Komponen Umpan Produk Steam Total
Masuk (kJ/jam) 3797,1520 3797,1520
Keluar (kJ/jam) -
14117,6079 123,5095 14241,1174
4.2 Reaktor Hidrolisis (R-211)
Tabel 4.2 Neraca Panas Reaktor Hidrolisis (R-211)
Komponen Umpan
Masuk (kJ/jam) 14117,6079
Keluar (kJ/jam) -
Produk Panas Reaksi
Steam Total
328256,0666
-622,891023
341750,7835
197014,5730 -
197014,5730
Universitas Sumatera Utara
4.3 Cooler (E-212)
Tabel 4.3 Neraca Panas Cooler (E-212)
Komponen Umpan Produk
Air Pendingin Total
Masuk (kJ/jam) 197014,5730 197014,5730
Keluar (kJ/jam) -
-53731,2472 -250745,8202 -304477,0674
4.4 Mixer (M-219)
Tabel 4.4 Neraca Panas Mixer (M-219)
Komponen Umpan Produk
Panas Reaksi Air Pendingin
Total
Masuk (kJ/jam) 0 0 0
Keluar (kJ/jam) 0 0 0
4.5 Fermentor (R-319)
Tabel 4.5 Neraca Panas Fermentor (M-319)
Komponen Masuk (kJ/jam) Keluar (kJ/jam)
Umpan
11684,3969
-
Produk
- -317153,852
Universitas Sumatera Utara
Panas Reaksi Air Pendingin
Total
11684,3969
1342220,632 15157,7711
1040224,551
4.6 Heater (E-411)
Tabel 4.6 Neraca Panas Heater (E-411)
Komponen Umpan Produk Steam Total
Masuk (kJ/jam) 5804,1396 0,5349 5804,6745
Keluar (kJ/jam) -
6881,0816 -
6881,0816
4.7 Kondensor 1 (E-415)
Tabel 4.7 Neraca Panas Kondensor 1 (E-415)
Komponen Umpan Produk
Air Pendingin
Total
Masuk (kJ/jam) 2411670,1291 -
2411670,1291
Keluar (kJ/jam) -
374639,1178 - 7870,1305
366768,9873
4.8 Reboiler (E-414)
Tabel 4.8 Neraca Panas Reboiler (E-414)
Komponen
Umpan Produk Steam Total
Masuk (kJ/jam)
290774,1571 -
-1,7734 2907739,384
Keluar (kJ/jam)
287204,2387
287204,2387
4.9 Evaporator (FE-217)
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.9 Neraca Panas Evaporator (FE-217)
Komponen
Umpan Produk Steam Total
Masuk (kJ/jam)
37029,1684 -
-1,9861 37027,1823
Keluar (kJ/jam)
33030,76841
33030,76841
Universitas Sumatera Utara
BAB V
SPESIFIKASI PERALATAN
5.1 Gudang Penyimpanan Jerami Padi (G-111)
Fungsi : Tempat penyimpanan jerami padi
Bentuk : persegi empat dengan atap tertutup
Material : pondasi beton bertulang, dinding batu bata dan atap seng
Jumlah : 1 unit Kapasitas : 1234,284 m3
Kondisi fisik
z = Panjang = 15,6537 m
l = Lebar = 12,523 m
h = Tinggi = 6,2615 m
5.2 Conveyor (C-112)
Fungsi
: mengangkut jerami padi menuju crusher (CR-113)
Jenis
: Screw conveyor
Bahan Konstruksi : carbon steel
Jumlah
: 1 unit
Daya motor
: 314 hp
Universitas Sumatera Utara
5.3 Crusher (CR-113)
Fungsi
: Mengecilkan ukuran jerami padi sebelum masuk kedalam Vibrating screen
Jenis
: Rotary knife
Bahan konstruksi : Stainless steel
Jumlah cutter
: 5 buah
Daya motor
: 5 buah
5.4 Vibrating Screen (VS - 104)
Fungsi
: Menyaring jerami padi yang telah dihaluskan oleh Knife
Cutter (KC) sampai 1 mm
Jenis
: Heavy duty vibrating screen
Bahan konstruksi : Carbon steel SA 285 (C)
Jumlah
: 1 unit
Spesifikasinya,
Kapasitas
: 0,24 ton/jam
Luas ayakan (A) : 12,386 m2
Ukuran screen Ukuran
: 100 mesh.
: Panjang screen (P) = 4,978 m
Lebar screen (L)
= 2,489 m
Diameter lubang screen (z) = 0,0003 ft.
Universitas Sumatera Utara
5.5 Conveyor 2 (C-115)
Fungsi
: mengangkut jerami padi menuju tangki berpengaduk
(MT-118)
Jenis
: Screw conveyor
Bahan Konstruksi : carbon steel
Jumlah alat
: 1 unit
Daya motor
: 314 hp
5.6 Tangki Penyimpanan H2SO4 70% (T-116)
Fungsi
: menyimpan H2SO4 70% untuk kebutuhan 30 hari
Jenis
: Silinder tegak dengan alas datar dan tutup ellipsoidal
Bahan Konstruksi
: Carbon Steel SA-285 grade C
Jumlah Kapasitas
: 1 unit : 23,472 m3
Kondisi Penyimpanan
Temperatur : 30°C
Tekanan
: 1 atm
Kondisi fisik
Silinder
Universitas Sumatera Utara
Diameter
: 2,1120 m
Tinggi
: 6,336 m
Tebal
: 3/4 in
Tutup
Diameter
: 2,1120 m
Tinggi
: 6,864 m
Tebal
: 3/4 in
5.7 Pompa 1 (P-117 )
Fungsi Jenis
: memompa H2SO4 ke tangki berpengaduk (MT-118) : Pompa sentrifugal
Bahan Konstruksi : commercial steel
Jumlah Kapasitas
: 1 unit : 0,00478ft3/s
Daya motor
: ¼ hp
5.8 Tangki Berpengaduk (MT-118)
Fungsi
: tempat preteatment jerami padi
Jenis
: Continuous Stirred Tank Reactor
Bentuk
: Silinder tegak dengan alas datar dan tutup ellipsoidal
Bahan Konstruksi
: Carbon Steel SA-285 grade C
Universitas Sumatera Utara
Jumlah Kapasitas
: 1 unit : 2,250761269 m3
Kondisi Operasi
Temperatur
= 45°C
Tekanan
= 1 atm
Kondisi fisik
Silinder
Diameter
: 4,8371 m
Tinggi
: 4,8371 m
Tebal
: 3/8 in
Tutup
Diameter
: 4,8371 m
Tinggi
: 1,2092 m
Tebal
: 3/8 in
Pengaduk
Jenis
: turbin impeller daun enam
Jumlah baffle : 4 buah
Diameter
: 0,3225 m
Daya motor : 13 hp
Universitas Sumatera Utara
Jaket Pendingin
Diameter
: 4,8562 m
Tinggi
: 6,0463 m
Tebal
: 5 in
5.9 Pompa 2 (P-119)
Fungsi
: memompa campuran dari tangki berpengaduk (MT-118) ke
reaktor hidrolisis (R-211)
Jenis
: Pompa rotary
Bahan Konstruksi : commercial steel
Jumlah Kapasitas
: 1 unit : 0,009199 ft3/s
Daya motor
: 0,074 hp
5.10 Reaktor Hidrolisis (R-211)
Fungsi
: tempat berlangsungnya hidrolisis jerami padi
Jenis
: Continuous Stirred Tank Reactor
Bentuk
: Silinder tegak dengan alas datar dan tutup ellipsoidal
Bahan Konstruksi
: Carbon Steel SA-285 grade C
Jumlah
: 1 unit
Universitas Sumatera Utara
Kapasitas
: 1,7244 m3
Kondisi Operasi
Temperatur
= 100°C
Tekanan
= 1 atm
Kondisi fisik
Silinder
Diameter
: 0,8852 m
Tinggi
: 2,6557 m
Tebal
: 1/3 in
Tutup
Diameter
: 0,8852 m
Tinggi
: 2,6557 m
Tebal
: 1/3 in
Pengaduk
Jenis
: turbin impeller daun enam
Jumlah baffle : 4 buah
Diameter
: 0,2951 m
Daya motor : 1/4 hp
Jaket Pemanas
Universitas Sumatera Utara
Diameter
: 0,9106 m
Tinggi
: 2,6557 m
Tebal
: 1/3 in
5.11 Cooler (E-212)
Fungsi
: menurunkan temperatur hidrolisat sebelum dialirkan
ke filter press (FP-214)
Jenis
: 1-2 shell and tube exchanger
Jumlah
: 1 unit
Kapasitas : 87297,4483 kg/jam
Diameter tube : 1 1/2 in
Jenis tube
: 18 BWG
Panjang tube Pitch (PT) Jumlah tube
: 60 ft : 1 7/8 in triangular pitch : 8 buah
Diameter shell : 39 in
5.12 Pompa 3 (P-213)
Fungsi
: memompa hidrolisat dari cooler (E-212) ke filter press
(FP-222)
Jenis
: Pompa sentrifugal
Universitas Sumatera Utara
Bahan Konstruksi : commercial steel
Jumlah Kapasitas
: 1 unit : 0,01371 ft3/s
Daya motor
: 0,021 hp
5.13 Filter Press (FP – 214)
Fungsi
: memisahkan padatan dari hidrolisat
Jenis
: plate and frame filter press
Bahan Konstruksi
: Carbon Steel
Jumlah
: 1 unit
Kondisi Operasi
Temperatur
= 30°C
Tekanan
= 1 atm
Luas penyaringan : 25,21 m2
Jumlah plate
: 27,731 buah
5.14 Pompa 4 (P-215)
Fungsi
: memompa hidrolisat dari filter press (FP-214) menuju
mixer (M-219)
Jenis
: Pompa sentrifugal
Bahan Konstruksi : commercial steel
Universitas Sumatera Utara
Jumlah
Kapasitas Daya motor
: 1 unit
: 0,00655 ft3/s : 0,0186 hp
5.15 Pompa 5 (P-216)
Fungsi
: memompa campuran air-asam sulfat dari tangki berpengaduk
(MT-188) menuju evaporasi ( FE-217)