BAB 1 PRARANCANGAN PABRIK BIOETANOL DARI TKKS
BAB I PENDAHULUAN
1.1
LATAR BELAKANG
Indonesia merupakan negara agraris yang memiliki beragam kekayaan alam
terbarukan yang sangat berpotensi menghasilkan bioenergi. Bahan bakar nabati
seperti bioetanol, masih dibuat dari bahan berpati dan bergula yang merupakan bahan
pangan. Hal ini akan berdampak buruk bagi penyediaan bahan pangan yang
dibutuhkan masyarakat. Jika bahan bakar nabati (BBN) terus menerus dibuat dari
bahan pangan, maka akan terjadi persaingan antara penyediaan pangan dan energi.
Untuk menghindari persaingan tersebut, telah dikembangkan teknologi bahan bakar
nabati generasi kedua. Teknologi bahan bakar nabati generasi kedua adalah teknologi
yang mampu memproduksi bahan bakar nabati, seperti biodiesel atau bioetanol dari
bahan lignoselulosa. Ketika hasil-hasil pertanian dan perkebunan dipanen, bahan
lignoselulosa akan tertinggal sebagai limbah pertanian yang biasanya kurang
termanfaatkan. Walaupun demikian, akan tetapi lignoselulosa tersebut dapat
digunakan sebagai bahan baku produksi bahan bakar nabati.( Kristina, Evi Retno
Sari, Novia*).
Kelapa sawit merupakan tanaman dengan nilai ekonomis yang cukup tinggi
karena merupakan salah satu tanaman penghasil minyak nabati. Bagi Indonesia,
kelapa sawit memliki arti penting karena mampu menciptakan kesempatan kerja bagi
masyarakat dan sebagai sumber perolehan devisa negara. Sampai saat ini Indonesia
merupakan salah satu produsen utama minyak kelapa sawit dunia selain Malaysia dan
Nigeria. Salah satu limbah padat industri kelapa sawit adalah tandan kosong kelapa
sawit (TKKS). Limbah padat tersebut mempunyai ciri khas pada komposisinya.
Komponen terbesar adalah selulosa, disamping komponen lain meskipun lebih kecil
seperti abu, hemiselulosa dan lignin (Fauzi, 2003).
Pengolahan TKKS menjadi bioetanol pada prinsipnya sama dengan proses yang
berbahan baku singkong yaitu melalui tahapan hidrolisis, fermentasi dan destilasi.
Tetapi pada TKKS perlu adanya perlakuan tambahan berupa pretreatment .untuk
dapat menghilangkan lignin yang dapat mengganggu proses hidrolisis selulosa.
Kemudian dilanjutkan hidrolisis menggunakan enzim selulase dan dihasilkan cairan
glukosa. Cairan glukosa difermentasi menggunakan khamir Saccharomyces
cereviseae dengan kondisi anaerob fakultatif, suhu 30o C, pH 4,0 – 4,5 dan kadar
gula 10 -18% selama 30 – 72 jam dan dihasilkan bioetanol. Bioetanol kemudian
didestilasi sehingga mencapai kemurnian 95 – 98 %. Bioetanol siap digunakan
sebagai bahan bakar pada kendaraan bermotor. Penggunaanya dapat dicampur dengan
bensin tetapi bisa juga 100% bioetanol apabila mesin kendaraan bermotor tersebut
didesain khusus untuk bahan bakar bioetanol (Hidayat, R. 2005).
1.2 ALASAN PENDIRIAN PABRIK
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan salah satu contoh dari
lignoselulosa yang dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan bioetanol. TKKS
merupakan limbah dari hasil panen tanaman kelapa sawit. Ketersediaan bahan ini
sangat besar di Indonesia mengingat tanaman kelapa sawit sangat berlimpah dan
menjadi sumber mata pencaharian masyarakat Indonesia, serta limbahnya belum
dimanfaatkan secara maksimal
1.3 KAPASITAS PERANCANGAN PABRIK
Pabrik bioetanol direncanakan didirikan tahun 2023. Dalam penentuan perancangan
pabrik ini, diperlukan beberapa pertimbangan, yaitu perkiraan kebutuhan bioetanol di
Indonesia dan kapasitas rancangan minimum.
1.3.1 Kebutuhan Bioetanol dari tahun ke tahun dapat dilihat pada tabel 1.1
Tabel 1.1 Data Impor Ethyl Alcohol (Bioetanol) di Indonesia
Tahun
Harga (US$)
Kebutuhan (ton/tahun)
2012
$10,217,688
106.438
2013
$8,975,633
229.440
2014
$10,484,231
1.261.596
2015
$7,328,037
86.317
2016
$11,294,527
1.732.411
Sumber : Comtrade
Dari data pada tabel 1.1 dapat dibuat regresi linear hubungan antara tahun dengan
impor etanol
f(x) =
1,400,000
R² = 0
1,200,000
1,000,000
800,000
600,000
400,000
200,000
0
0
2
4
6
8
10
12
Gambar 1.1 Regresi Linear Hubungan Antara Tahun dengan Impor etanol
Kapasitas Produksi Etanol = data import
Y = 100.138x + 662343
Y = 100.138 (2023) + 662.343
Y = 203.241.517/1000
Y = 203.241,52 ton/tahun
Dengan asumsi pabrik yang didesain dapat memenuhi 10 % dari total kebutuhan
nasional, maka :
Kapasitas produksi
= 203.241,52 x 0,1
= 20324.152 ton/ tahun
= 20.000 ton/tahun
atau kapasitas produksi tugas pra desain sama dengan 20.000 ton/ tahun
Tabel 1.2 Data Ekspor Ethyl Alcohol (Etanol) di Indonesia
Tahun
Harga (US$)
Kebutuhan (ton/tahun)
2012
$365,761
134,285
2013
$1,370,495
256,985
2014
$832,104
252,831
2015
$701,180
193,414
2016
$2,981,761
752,599
Sumber : Comtrade
1.3.2
Produksi dan Ekspor Minyak Kelapa Sawit di Indonesia
Hanya beberapa industri di Indonesia yang menunjukkan perkembangan
secepat industri minyak kelapa sawit selama 20 tahun terakhir. Pertumbuhan ini
tampak dalam jumlah produksi dan ekspor dari Indonesia dan juga dari pertumbuhan
luas area perkebunan sawit. Didorong oleh permintaan global yang terus meningkat
dan keuntungan yang juga naik, budidaya kelapa sawit telah ditingkatkan secara
signifikan baik oleh petani kecil maupun para pengusaha besar di Indonesia (dengan
imbas negatif pada lingkungan hidup dan penurunan jumlah produksi hasil-hasil
pertanian lain karena banyak petani beralih ke budidaya kelapa sawit).Mayoritas hasil
produksi minyak kelapa sawit Indonesia diekspor. Negara-negara tujuan ekspor yang
paling penting adalah RRT, India, Pakistan, Malaysia, dan Belanda. Walaupun
angkanya sangat tidak signifikan, Indonesia juga mengimpor minyak sawit, terutama
dari India. Memang mayoritas dari minyak sawit yang diproduksi di Indonesia
diekspor (lihat tabel di bawah). Namun, karena populasi perindustrian Indonesia terus
bertumbuh (disertai kelas menengah yang berkembang pesat) dan dukungan
pemerintah untuk program biodiesel, permintaan minyak sawit domestik di Indonesia
juga terus berkembang. Meningkatnya permintaan minyak sawit dalam negeri
sebenarnya bisa berarti bahwa pengiriman minyak sawit mentah dari Indonesia akan
mandek di tahun-tahun mendatang jika pemerintah Indonesia tetap berkomitmen
terhadap moratorium konversi lahan gambut.
Tabel 1.3 Produksi dan Ekspor Minyak Kelapa Sawit Indonesia:
Produksi
(juta ton)
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
19.2
19.4
21.8
23.5
26.5
30.0
31.5
32.5
32.0
Export
(juta ton)
Export
(dollar AS)
Luas Areal
(juta ha)
15.1
17.1
17.1
17.6
18.2
22.4
21.7
26.4
27.0
15.6
10.0
16.4
20.2
21.6
20.6
21.1
18.6
18.6
n.a.
n.a.
n.a.
n.a.
9.6
10.5
10.7
11.4
11.8
Sumber: Indonesian Palm Oil Producers Association (Gapki) & Indonesian Ministry of Agriculture
Tabel di atas menunjukkan bahwa produksi kelapa sawit naik drastis selama satu
dekade terakhir. Gabungan Pengusaha Kelapa Sawit Indonesia (Gapki) menyatakan
Indonesia bisa memproduksi paling tidak 40 juta ton kelapa sawit per tahun mulai
dari tahun 2020.
Tabel 1.4 Sebaran Pabrik Kelapa Sawit di Indonesia Tahun 2014
Provinsi
Jumlah Industri Pengolahan
Kelapa Sawit
25
Kapasitas Produksi
(ton tbs/jam)
980
Sumatera Utara
92
3.815
Sumatera Barat
26
1.645
Riau
140
6.660
Kepulauan Riau
1
40
Jambi
42
2.245
Sumatera Selatan
58
3.555
Bangka Belitung
16
1.235
Bengkulu
19
990
Lampung
10
375
NAD
Jawa Barat
1
30
Banten
1
60
Kalimantan Barat
65
5.475
Kalimantan Tengah
43
3.100
Kalimantan Selatan
15
770
Kalimantan Timur
29
1.545
Sulawesi Tengah
7
590
Sulawesi Selatan
2
150
Sulawesi Barat
6
260
Sulawesi Tenggara
3
260
Papua
3
140
Papua Barat
4
360
Indonesia
608
Sumber: Kementrian BUMN Republik Indonesia
1.4 LOKASI PEMILIHAN PABRIK
5034,275
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
BIOETANOL
Bioetanol merupakan salah satu biofuel yang hadir sebagai bahan bakar
alternatif yang lebih ramah lingkungan dan sifatnya yang terbarukan. Bioetanol
(C2H5OH) adalah cairan biokimia dari proses fermentasi gula dari sumber
karbohidrat menggunakan bantuan mikroorganisme. Bioetanol bersifat multi-guna
karena dicampur dengan bensin pada komposisi berapapun memberikan dampak yang
positif. Bahan baku yang dapat dibuat bioetanol diantaranya:
1. Bahan yang mengandung glukosa
Bahan ini ada pada tetes tebu / molasse, nira aren, nira kelapa, nira tebu, sari buahbuahan dan lain-lain.
2. Bahan yang mengandung pati / karbohidrat
Bahan ini terdapat pada umbi-umbian seperti sagu, singkong, ketela, gaplek, ubi
jalar, talas, ganyong, jagung dan lain-lain.
3. Bahan yang mengandung selulosa
Selulosa terdapat dalam serat seperti serat kayu, serat tandan kosong kelapa sawit,
serat pisang, serat nanas, ampas tebu dan lain-lain (UKM, 2009).
2.2
TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
Tandan kosong kelapa sawit merupakan limbah utama dari industri pengolahan
kelapa sawit. Tandan kelapa sawit merupakan bagian dari pohon kelapa sawit yang
berfungsi sebagai tempat untuk buah kelapa sawit. Setiap tandan mengandung 62 –
70% buah dan sisanya adalah tandan kosong yang belum termanfaatkan secara
optimal (Naibaho, 1998).
Padahal tandan kosong kelapa sawit berpotensi untuk dikembangkan menjadi
barang yang lebih berguna, salah satunya menjadi bahan baku bioetanol. Hal ini
karena tandan kosong kelapa sawit banyak mengandung selulosa yang dapat
dihirolisis menjadi glukosa kemudidifermentasi menjadi bioetanol. Kandungan
selulosa yang cukup tinggi yaitu sebesar 45% menjadikan kelapa sawit sebagai
prioritas untuk dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan bioetanol (Aryafatta,
2008).
2.3
SPESIFIKASI BAHAN BAKU DAN PRODUK
2.3.1 Spesifikasi Bahan Baku
Tandan Kosong Kelapa Sawit
Menurut Darnoko (1992), dari satu ton tandan buah segar (TBS) yang diolah
akan dihasilkan minyak sawit kasar (CPO) sebanyak 0,21 ton (21%) serta minyak inti
sawit (PKO) sebanyak 0,05 ton (5%). Sisanya merupakan limbah dalam bentuk
tandan buah kosong, serat dan cangkang biji yang jumlahnya masing-masing sekitar
23%, 13,5% dan 5,5% dari tandan buah segar.
Tandan kosong kelapa sawit yang merupakan 23 persen dari tandan buah segar,
mengandung bahan lignoselulosa sebesar 55-60 persen berat kering.
Dengan
produksi puncak kelapa sawit per hektar sebesar 20-24 ton tandan buah segar per
tahun berarti akan menghasilkan 2,5-3,3 ton bahan lignoselulosa. TKKS termasuk
biomassa lignoselulosa, yang kandungan utamanya adalah selulosa 38,76%,
hemiselulosa 26,69% dan lignin 22,23%. Komposisi dari TKKS dapat dilihat pada
Tabel 1.
Tabel 1. Komposisi tandan kosong kelapa sawit
Parameter
Kandungan (%)
Lignin
17- 20
Selulosa
43 – 44
Hemiselulosa
34
Pentosan
27
Kelarutan dalam air panas
2,8-2,9
Kelarutan dalam alkohol-benzen
0,9-2,7
Abu
0,7-4,0
Silika
0,2
Kandungan hemiselulosa dan pentosan serat TKKS yang relatif tinggi (34% dan
27%) akan memberikan pengaruh baik karena berkemampuan menyerap air yang
besar sehingga memudahkan proses penggilingan pulp TKKS (fibrilisasi). Kelarutan
dalam air panas dan alkohol-benzen yang juga besar menunjukkan zat ekstraktif
dalam TKKS mengandung padatan larutan air dan sisa-sisa minyak. Analisa
komposisi kimia TKKS juga telah dilakukan oleh Sreekala (1997), dimana diperoleh
kadar selulosa 38,76%, hemiselulosa 29,11%, pentosan 26,67%, dan kadar abu
6,59%. (Anggraini, 201)
2.3.2 Spesifikasi Bahan Pendukung
Natrium Hidroksida
Letter name
Uppercase
Rumus Molekul
NaOH
Berat Molekul
40 g/mole
Titik Beku
323 °C
Titik Didih
1388 ⁰C
Spesifik Gravity
2,13
Tekanan Uap
-
Densitas Uap
-
Warna
Putih
Temperatur Kritis
-
Titik Nyala
-
Keadaan fisik
Berbentuk Padat
Tidak berbau.
Mudah larut dalam air
Reaktif terhadap oksidator, reduktor, asam, alkali, kelembaban
Amonium Sulfat
Letter name
Uppercase
Rumus Molekul
(NH4)2SO4
Berat Molekul
132,14 g/mole
Titik Beku
280 °C
Titik Didih
-
Spesifik Gravity
1,77
Tekanan Uap
-
Densitas Uap
-
Warna
Abu-abu kecoklatan sampai putih
Temperatur Kritis
-
Titik Nyala
93,3 OC
Berbentuk Padat (Kristal padat.)
Tidak berbau
Kelarutan: Larut dalam air dingin. Tidak larut dalam aseton.
2.3.3 Spesifikasi Produk
Etanol
Letter name
Uppercase
Rumus Molekul
C2H5OH
Berat Molekul
46.07 g/mole
Titik Beku
-114.1°C
Titik Didih
78.5⁰C
Densitas
785.3 kg/m3 – 809 kg/m3 at 25⁰C
Spesifik Gravity
0.789
Tekanan Uap
5.7 kPa (@ 20°C)
Densitas Uap
1.59 (Air = 1)
Warna
Tidak berwarna
Temperatur Kritis
243°C
Titik Nyala
CLOSED CUP: 12.78°C
OPEN CUP: 17.78°C
Sifat Fisik Etanol
Uap dapat bercampur dengan udara
Cairan mudah menguap, tidak berwarna
Kelarutan – air : Dapat bercampur dengan air
Kelarutan – pelarut
: Dapat bercampur dengan eter, metanol, kloroform,
dan aseton
2.4 DESKRIPSI PROSES SECARA UMUM
Pembuatan bioethanol dari Tandan Kosong Kelapa Sawit secara umum dapat
digolongkan menjadi beberapa tahapan proses yaitu :
1. Proses Pre – Treatment
2. Proses Simultan Saccharification and Fermentation (SSF)
3. Proses Pemurnian
1. Tahap Pre Treatment
Pretreatment Lignoselulosa
Tujuan dari pretreatment adalah untuk membuka struktur lignoselulosa agar selulosa
menjadi lebih mudah diakses oleh enzim yang memecah polymer polisakarida
menjadi monomer gula. Jika tidak dipretreatment terlebih dahulu, lignoselulosa sulit
untuk dihidrolisis karena lignin sangat kuat melindungi selulosa sehingga sangat sulit
melakukan hidrolisis sebelum memecah pelindung lignin. Gula yang diperoleh tanpa
pretreatment kurang dari 20%, sedangkan dengan pretreatment dapat meningkat
menjadi 90% dari hasil teoritis.
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) masuk ke pabrik diangkut menggunakan truk,
kemudian masuk ke tempat penyimpanan bahan baku (T01). Dari tempat
penyimpanan diangkut menggunakan conveyor (J01) yang berfungsi sebagai
pencucian sekaligus untuk mengalirkan bahan baku menuju chipper (C01). Selain
berfungsi sebagai pencuci, alat ini juga berfungsi sebagai alat transportasi/alat angkut
menuju chipper (C01). TKKS dipotong hingga bentuknya seperti chip.
Setelah TKKS mengalami proses pencucian, maka sebelum masuk ke reaktor
hidrolisa (R-01), bahan baku harus diperkecil ukurannya agar luas penampang TKKS
semakin besar, sehingga dapat terhidrolisis secara maksimal. Didalam alat ini,
terdapat 2 roda seperti gear yang berputar dengan cepat dan mempunyai ujung yang
tajam sehingga dapat memotong TKKS dengan cepat. Bahan baku masuk lewat atas
kemudian keluar lewat bawah yang selanjutnya masuk ke screw conveyor (J-01)
untuk dialirkan ke reaktor hidrolisis (R-01) untuk proses hidrolisa menggunakan
enzim. Reaktor hidrolis (R-01) merupakan suatu tangki terjadinya reaksi dimana
hemiselulose terkonversi menjadi xylose dan xylose oligomer serta sebagian kecil
dari selulose terkonversi menjadi glukose, glukose oligomer dan cellobiose. Sebelum
proses terkonversinya hemiselulose dan selulose menjadi gula dan monomernya.
konsentrasi padatan tak terlarut sebesar 30% dan waktu tinggal selama 32 jam.
2. Tahap Sakarifikasi dan Fermentasi Simultan (SFS)
Pada simulasi SFS proses yang terjadi berlangsung serentak dalam satu reaktor yaitu
sakarifikasi dan fermentasi. Pengkondisian sebelum inokulasi selama 4 jam dilakukan
pada suhu 50oC, bertujuan untuk memastikan jumlah konsentrasi glukosa cukup
tinggi untuk mengaktifasi fermentasi yeast dan biomass liquefaction yang lebih baik
sehingga transfer massa lebih efisien. Kemudian SFS dijalankan selama 62 jam pada
suhu 37oC
Pra Inokulasi
Suhu
50 oC
Residence time
4 Jam
Sakarifikasi dan Fermentasi
Suhu
37 oC
Residence time
62 Jam
Konversi Selulosa menjadi Glukosa
0.85%
Konversi Hemiselulosa menjadi Xilosa
0.50%
konversi Glukosa menjadi Etanol
0.90%
Konversi Xilosa menjadi Etanol
0.70%
Dua operasi yang berbeda dilakukan dalam proses ini yaitu saccharification untuk
mengubah
selulosa menjadi glukosa dengan menggunakan enzim selulase dan
fermentasi untuk mengubah glukosa dan gula lainnya menjadi etanol menggunakan
Z.Mobilis. Proses saccharification dan fermentation dilakukan secara terpisah.
Hidrolisat detoxifikasi yang terdiri dari air, cellulose dan xylose masuk ke dalam
tangki saccharification, dengan penambahan enzim selulase sehingga terjadi reaksi
hidrolisa. Setelah proses sacharification dilanjutkan proses fermentation di dalam
tangki fermentasi (R-02). Bubur Saccharified dialirkan ke fermentor dan pada saat
bersamaan dimasukkan nutrisi dan mikroba. Dalam proses fermentation digunakan Z.
mobilis bacterium rekombinan untuk mengkonvsersi glukosa dan xylose menjadi
etanol.
Reaksi yang terjadi dalam reaktor fermentasi :
Reaksi glukosa menjadi etanol :
2C6H12O6
2C2H5OH + 2CO2
Setelah mengalami proses fermentasi, bahan yang sudah mengandung etanol ini
kemudian ditampung didalam tangki penampung (F-02) yang kemudian akan
dimurnikan dan ditingkatkan kadarnya melalui proses distilasi.
3. Tahap Distilasi
Distilasi adalah suatu metode pemisahan bahan kimia berdasarkan perbedaan titik
didih komponen - komponen yang ada di dalam campuan atau kemudahan menguap
(volatilitas) bahan. Pada tahap distilasi ini, larutan bioetanol yang diperoleh dari
proses fermentasi ditampung di tanki penampung (F-02) dengan kadar etanol sebesar
30%. Kemudian larutan dialirkan menuju kolom (D-01) dengan pompa transfer (L01) yang bertujuan untuk menghilangkan CO2 terlarut dan air. Terdapat 3 jenis produk
yang dihasilkan, yaitu distilat, side stream (distilat yang keluar melalui bagian
samping dari tray), dan bottom produk. Pada bagian bawah kolom distilasi (D-01)
berisi padatan yang tidak terkonversi dan tidak terlarut. Padatan tak larut kemudian
dikeringkan dan ditransfer menuju pengolahan limbah padat untuk diproses menjadi
pupuk organik, sedangkan produk etanol dari kolom distilasi (D-01) akan
ditingkatkan kadarnya dengan menggunakan molecular sieve (D-02). Pada molecular
sieve (D- 02) terdapat zeolite sintetis yang berfungsi untuk menyerap kandungan air
pada etanol hingga kadar 99,7%.
1.1
LATAR BELAKANG
Indonesia merupakan negara agraris yang memiliki beragam kekayaan alam
terbarukan yang sangat berpotensi menghasilkan bioenergi. Bahan bakar nabati
seperti bioetanol, masih dibuat dari bahan berpati dan bergula yang merupakan bahan
pangan. Hal ini akan berdampak buruk bagi penyediaan bahan pangan yang
dibutuhkan masyarakat. Jika bahan bakar nabati (BBN) terus menerus dibuat dari
bahan pangan, maka akan terjadi persaingan antara penyediaan pangan dan energi.
Untuk menghindari persaingan tersebut, telah dikembangkan teknologi bahan bakar
nabati generasi kedua. Teknologi bahan bakar nabati generasi kedua adalah teknologi
yang mampu memproduksi bahan bakar nabati, seperti biodiesel atau bioetanol dari
bahan lignoselulosa. Ketika hasil-hasil pertanian dan perkebunan dipanen, bahan
lignoselulosa akan tertinggal sebagai limbah pertanian yang biasanya kurang
termanfaatkan. Walaupun demikian, akan tetapi lignoselulosa tersebut dapat
digunakan sebagai bahan baku produksi bahan bakar nabati.( Kristina, Evi Retno
Sari, Novia*).
Kelapa sawit merupakan tanaman dengan nilai ekonomis yang cukup tinggi
karena merupakan salah satu tanaman penghasil minyak nabati. Bagi Indonesia,
kelapa sawit memliki arti penting karena mampu menciptakan kesempatan kerja bagi
masyarakat dan sebagai sumber perolehan devisa negara. Sampai saat ini Indonesia
merupakan salah satu produsen utama minyak kelapa sawit dunia selain Malaysia dan
Nigeria. Salah satu limbah padat industri kelapa sawit adalah tandan kosong kelapa
sawit (TKKS). Limbah padat tersebut mempunyai ciri khas pada komposisinya.
Komponen terbesar adalah selulosa, disamping komponen lain meskipun lebih kecil
seperti abu, hemiselulosa dan lignin (Fauzi, 2003).
Pengolahan TKKS menjadi bioetanol pada prinsipnya sama dengan proses yang
berbahan baku singkong yaitu melalui tahapan hidrolisis, fermentasi dan destilasi.
Tetapi pada TKKS perlu adanya perlakuan tambahan berupa pretreatment .untuk
dapat menghilangkan lignin yang dapat mengganggu proses hidrolisis selulosa.
Kemudian dilanjutkan hidrolisis menggunakan enzim selulase dan dihasilkan cairan
glukosa. Cairan glukosa difermentasi menggunakan khamir Saccharomyces
cereviseae dengan kondisi anaerob fakultatif, suhu 30o C, pH 4,0 – 4,5 dan kadar
gula 10 -18% selama 30 – 72 jam dan dihasilkan bioetanol. Bioetanol kemudian
didestilasi sehingga mencapai kemurnian 95 – 98 %. Bioetanol siap digunakan
sebagai bahan bakar pada kendaraan bermotor. Penggunaanya dapat dicampur dengan
bensin tetapi bisa juga 100% bioetanol apabila mesin kendaraan bermotor tersebut
didesain khusus untuk bahan bakar bioetanol (Hidayat, R. 2005).
1.2 ALASAN PENDIRIAN PABRIK
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan salah satu contoh dari
lignoselulosa yang dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan bioetanol. TKKS
merupakan limbah dari hasil panen tanaman kelapa sawit. Ketersediaan bahan ini
sangat besar di Indonesia mengingat tanaman kelapa sawit sangat berlimpah dan
menjadi sumber mata pencaharian masyarakat Indonesia, serta limbahnya belum
dimanfaatkan secara maksimal
1.3 KAPASITAS PERANCANGAN PABRIK
Pabrik bioetanol direncanakan didirikan tahun 2023. Dalam penentuan perancangan
pabrik ini, diperlukan beberapa pertimbangan, yaitu perkiraan kebutuhan bioetanol di
Indonesia dan kapasitas rancangan minimum.
1.3.1 Kebutuhan Bioetanol dari tahun ke tahun dapat dilihat pada tabel 1.1
Tabel 1.1 Data Impor Ethyl Alcohol (Bioetanol) di Indonesia
Tahun
Harga (US$)
Kebutuhan (ton/tahun)
2012
$10,217,688
106.438
2013
$8,975,633
229.440
2014
$10,484,231
1.261.596
2015
$7,328,037
86.317
2016
$11,294,527
1.732.411
Sumber : Comtrade
Dari data pada tabel 1.1 dapat dibuat regresi linear hubungan antara tahun dengan
impor etanol
f(x) =
1,400,000
R² = 0
1,200,000
1,000,000
800,000
600,000
400,000
200,000
0
0
2
4
6
8
10
12
Gambar 1.1 Regresi Linear Hubungan Antara Tahun dengan Impor etanol
Kapasitas Produksi Etanol = data import
Y = 100.138x + 662343
Y = 100.138 (2023) + 662.343
Y = 203.241.517/1000
Y = 203.241,52 ton/tahun
Dengan asumsi pabrik yang didesain dapat memenuhi 10 % dari total kebutuhan
nasional, maka :
Kapasitas produksi
= 203.241,52 x 0,1
= 20324.152 ton/ tahun
= 20.000 ton/tahun
atau kapasitas produksi tugas pra desain sama dengan 20.000 ton/ tahun
Tabel 1.2 Data Ekspor Ethyl Alcohol (Etanol) di Indonesia
Tahun
Harga (US$)
Kebutuhan (ton/tahun)
2012
$365,761
134,285
2013
$1,370,495
256,985
2014
$832,104
252,831
2015
$701,180
193,414
2016
$2,981,761
752,599
Sumber : Comtrade
1.3.2
Produksi dan Ekspor Minyak Kelapa Sawit di Indonesia
Hanya beberapa industri di Indonesia yang menunjukkan perkembangan
secepat industri minyak kelapa sawit selama 20 tahun terakhir. Pertumbuhan ini
tampak dalam jumlah produksi dan ekspor dari Indonesia dan juga dari pertumbuhan
luas area perkebunan sawit. Didorong oleh permintaan global yang terus meningkat
dan keuntungan yang juga naik, budidaya kelapa sawit telah ditingkatkan secara
signifikan baik oleh petani kecil maupun para pengusaha besar di Indonesia (dengan
imbas negatif pada lingkungan hidup dan penurunan jumlah produksi hasil-hasil
pertanian lain karena banyak petani beralih ke budidaya kelapa sawit).Mayoritas hasil
produksi minyak kelapa sawit Indonesia diekspor. Negara-negara tujuan ekspor yang
paling penting adalah RRT, India, Pakistan, Malaysia, dan Belanda. Walaupun
angkanya sangat tidak signifikan, Indonesia juga mengimpor minyak sawit, terutama
dari India. Memang mayoritas dari minyak sawit yang diproduksi di Indonesia
diekspor (lihat tabel di bawah). Namun, karena populasi perindustrian Indonesia terus
bertumbuh (disertai kelas menengah yang berkembang pesat) dan dukungan
pemerintah untuk program biodiesel, permintaan minyak sawit domestik di Indonesia
juga terus berkembang. Meningkatnya permintaan minyak sawit dalam negeri
sebenarnya bisa berarti bahwa pengiriman minyak sawit mentah dari Indonesia akan
mandek di tahun-tahun mendatang jika pemerintah Indonesia tetap berkomitmen
terhadap moratorium konversi lahan gambut.
Tabel 1.3 Produksi dan Ekspor Minyak Kelapa Sawit Indonesia:
Produksi
(juta ton)
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
19.2
19.4
21.8
23.5
26.5
30.0
31.5
32.5
32.0
Export
(juta ton)
Export
(dollar AS)
Luas Areal
(juta ha)
15.1
17.1
17.1
17.6
18.2
22.4
21.7
26.4
27.0
15.6
10.0
16.4
20.2
21.6
20.6
21.1
18.6
18.6
n.a.
n.a.
n.a.
n.a.
9.6
10.5
10.7
11.4
11.8
Sumber: Indonesian Palm Oil Producers Association (Gapki) & Indonesian Ministry of Agriculture
Tabel di atas menunjukkan bahwa produksi kelapa sawit naik drastis selama satu
dekade terakhir. Gabungan Pengusaha Kelapa Sawit Indonesia (Gapki) menyatakan
Indonesia bisa memproduksi paling tidak 40 juta ton kelapa sawit per tahun mulai
dari tahun 2020.
Tabel 1.4 Sebaran Pabrik Kelapa Sawit di Indonesia Tahun 2014
Provinsi
Jumlah Industri Pengolahan
Kelapa Sawit
25
Kapasitas Produksi
(ton tbs/jam)
980
Sumatera Utara
92
3.815
Sumatera Barat
26
1.645
Riau
140
6.660
Kepulauan Riau
1
40
Jambi
42
2.245
Sumatera Selatan
58
3.555
Bangka Belitung
16
1.235
Bengkulu
19
990
Lampung
10
375
NAD
Jawa Barat
1
30
Banten
1
60
Kalimantan Barat
65
5.475
Kalimantan Tengah
43
3.100
Kalimantan Selatan
15
770
Kalimantan Timur
29
1.545
Sulawesi Tengah
7
590
Sulawesi Selatan
2
150
Sulawesi Barat
6
260
Sulawesi Tenggara
3
260
Papua
3
140
Papua Barat
4
360
Indonesia
608
Sumber: Kementrian BUMN Republik Indonesia
1.4 LOKASI PEMILIHAN PABRIK
5034,275
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
BIOETANOL
Bioetanol merupakan salah satu biofuel yang hadir sebagai bahan bakar
alternatif yang lebih ramah lingkungan dan sifatnya yang terbarukan. Bioetanol
(C2H5OH) adalah cairan biokimia dari proses fermentasi gula dari sumber
karbohidrat menggunakan bantuan mikroorganisme. Bioetanol bersifat multi-guna
karena dicampur dengan bensin pada komposisi berapapun memberikan dampak yang
positif. Bahan baku yang dapat dibuat bioetanol diantaranya:
1. Bahan yang mengandung glukosa
Bahan ini ada pada tetes tebu / molasse, nira aren, nira kelapa, nira tebu, sari buahbuahan dan lain-lain.
2. Bahan yang mengandung pati / karbohidrat
Bahan ini terdapat pada umbi-umbian seperti sagu, singkong, ketela, gaplek, ubi
jalar, talas, ganyong, jagung dan lain-lain.
3. Bahan yang mengandung selulosa
Selulosa terdapat dalam serat seperti serat kayu, serat tandan kosong kelapa sawit,
serat pisang, serat nanas, ampas tebu dan lain-lain (UKM, 2009).
2.2
TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
Tandan kosong kelapa sawit merupakan limbah utama dari industri pengolahan
kelapa sawit. Tandan kelapa sawit merupakan bagian dari pohon kelapa sawit yang
berfungsi sebagai tempat untuk buah kelapa sawit. Setiap tandan mengandung 62 –
70% buah dan sisanya adalah tandan kosong yang belum termanfaatkan secara
optimal (Naibaho, 1998).
Padahal tandan kosong kelapa sawit berpotensi untuk dikembangkan menjadi
barang yang lebih berguna, salah satunya menjadi bahan baku bioetanol. Hal ini
karena tandan kosong kelapa sawit banyak mengandung selulosa yang dapat
dihirolisis menjadi glukosa kemudidifermentasi menjadi bioetanol. Kandungan
selulosa yang cukup tinggi yaitu sebesar 45% menjadikan kelapa sawit sebagai
prioritas untuk dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan bioetanol (Aryafatta,
2008).
2.3
SPESIFIKASI BAHAN BAKU DAN PRODUK
2.3.1 Spesifikasi Bahan Baku
Tandan Kosong Kelapa Sawit
Menurut Darnoko (1992), dari satu ton tandan buah segar (TBS) yang diolah
akan dihasilkan minyak sawit kasar (CPO) sebanyak 0,21 ton (21%) serta minyak inti
sawit (PKO) sebanyak 0,05 ton (5%). Sisanya merupakan limbah dalam bentuk
tandan buah kosong, serat dan cangkang biji yang jumlahnya masing-masing sekitar
23%, 13,5% dan 5,5% dari tandan buah segar.
Tandan kosong kelapa sawit yang merupakan 23 persen dari tandan buah segar,
mengandung bahan lignoselulosa sebesar 55-60 persen berat kering.
Dengan
produksi puncak kelapa sawit per hektar sebesar 20-24 ton tandan buah segar per
tahun berarti akan menghasilkan 2,5-3,3 ton bahan lignoselulosa. TKKS termasuk
biomassa lignoselulosa, yang kandungan utamanya adalah selulosa 38,76%,
hemiselulosa 26,69% dan lignin 22,23%. Komposisi dari TKKS dapat dilihat pada
Tabel 1.
Tabel 1. Komposisi tandan kosong kelapa sawit
Parameter
Kandungan (%)
Lignin
17- 20
Selulosa
43 – 44
Hemiselulosa
34
Pentosan
27
Kelarutan dalam air panas
2,8-2,9
Kelarutan dalam alkohol-benzen
0,9-2,7
Abu
0,7-4,0
Silika
0,2
Kandungan hemiselulosa dan pentosan serat TKKS yang relatif tinggi (34% dan
27%) akan memberikan pengaruh baik karena berkemampuan menyerap air yang
besar sehingga memudahkan proses penggilingan pulp TKKS (fibrilisasi). Kelarutan
dalam air panas dan alkohol-benzen yang juga besar menunjukkan zat ekstraktif
dalam TKKS mengandung padatan larutan air dan sisa-sisa minyak. Analisa
komposisi kimia TKKS juga telah dilakukan oleh Sreekala (1997), dimana diperoleh
kadar selulosa 38,76%, hemiselulosa 29,11%, pentosan 26,67%, dan kadar abu
6,59%. (Anggraini, 201)
2.3.2 Spesifikasi Bahan Pendukung
Natrium Hidroksida
Letter name
Uppercase
Rumus Molekul
NaOH
Berat Molekul
40 g/mole
Titik Beku
323 °C
Titik Didih
1388 ⁰C
Spesifik Gravity
2,13
Tekanan Uap
-
Densitas Uap
-
Warna
Putih
Temperatur Kritis
-
Titik Nyala
-
Keadaan fisik
Berbentuk Padat
Tidak berbau.
Mudah larut dalam air
Reaktif terhadap oksidator, reduktor, asam, alkali, kelembaban
Amonium Sulfat
Letter name
Uppercase
Rumus Molekul
(NH4)2SO4
Berat Molekul
132,14 g/mole
Titik Beku
280 °C
Titik Didih
-
Spesifik Gravity
1,77
Tekanan Uap
-
Densitas Uap
-
Warna
Abu-abu kecoklatan sampai putih
Temperatur Kritis
-
Titik Nyala
93,3 OC
Berbentuk Padat (Kristal padat.)
Tidak berbau
Kelarutan: Larut dalam air dingin. Tidak larut dalam aseton.
2.3.3 Spesifikasi Produk
Etanol
Letter name
Uppercase
Rumus Molekul
C2H5OH
Berat Molekul
46.07 g/mole
Titik Beku
-114.1°C
Titik Didih
78.5⁰C
Densitas
785.3 kg/m3 – 809 kg/m3 at 25⁰C
Spesifik Gravity
0.789
Tekanan Uap
5.7 kPa (@ 20°C)
Densitas Uap
1.59 (Air = 1)
Warna
Tidak berwarna
Temperatur Kritis
243°C
Titik Nyala
CLOSED CUP: 12.78°C
OPEN CUP: 17.78°C
Sifat Fisik Etanol
Uap dapat bercampur dengan udara
Cairan mudah menguap, tidak berwarna
Kelarutan – air : Dapat bercampur dengan air
Kelarutan – pelarut
: Dapat bercampur dengan eter, metanol, kloroform,
dan aseton
2.4 DESKRIPSI PROSES SECARA UMUM
Pembuatan bioethanol dari Tandan Kosong Kelapa Sawit secara umum dapat
digolongkan menjadi beberapa tahapan proses yaitu :
1. Proses Pre – Treatment
2. Proses Simultan Saccharification and Fermentation (SSF)
3. Proses Pemurnian
1. Tahap Pre Treatment
Pretreatment Lignoselulosa
Tujuan dari pretreatment adalah untuk membuka struktur lignoselulosa agar selulosa
menjadi lebih mudah diakses oleh enzim yang memecah polymer polisakarida
menjadi monomer gula. Jika tidak dipretreatment terlebih dahulu, lignoselulosa sulit
untuk dihidrolisis karena lignin sangat kuat melindungi selulosa sehingga sangat sulit
melakukan hidrolisis sebelum memecah pelindung lignin. Gula yang diperoleh tanpa
pretreatment kurang dari 20%, sedangkan dengan pretreatment dapat meningkat
menjadi 90% dari hasil teoritis.
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) masuk ke pabrik diangkut menggunakan truk,
kemudian masuk ke tempat penyimpanan bahan baku (T01). Dari tempat
penyimpanan diangkut menggunakan conveyor (J01) yang berfungsi sebagai
pencucian sekaligus untuk mengalirkan bahan baku menuju chipper (C01). Selain
berfungsi sebagai pencuci, alat ini juga berfungsi sebagai alat transportasi/alat angkut
menuju chipper (C01). TKKS dipotong hingga bentuknya seperti chip.
Setelah TKKS mengalami proses pencucian, maka sebelum masuk ke reaktor
hidrolisa (R-01), bahan baku harus diperkecil ukurannya agar luas penampang TKKS
semakin besar, sehingga dapat terhidrolisis secara maksimal. Didalam alat ini,
terdapat 2 roda seperti gear yang berputar dengan cepat dan mempunyai ujung yang
tajam sehingga dapat memotong TKKS dengan cepat. Bahan baku masuk lewat atas
kemudian keluar lewat bawah yang selanjutnya masuk ke screw conveyor (J-01)
untuk dialirkan ke reaktor hidrolisis (R-01) untuk proses hidrolisa menggunakan
enzim. Reaktor hidrolis (R-01) merupakan suatu tangki terjadinya reaksi dimana
hemiselulose terkonversi menjadi xylose dan xylose oligomer serta sebagian kecil
dari selulose terkonversi menjadi glukose, glukose oligomer dan cellobiose. Sebelum
proses terkonversinya hemiselulose dan selulose menjadi gula dan monomernya.
konsentrasi padatan tak terlarut sebesar 30% dan waktu tinggal selama 32 jam.
2. Tahap Sakarifikasi dan Fermentasi Simultan (SFS)
Pada simulasi SFS proses yang terjadi berlangsung serentak dalam satu reaktor yaitu
sakarifikasi dan fermentasi. Pengkondisian sebelum inokulasi selama 4 jam dilakukan
pada suhu 50oC, bertujuan untuk memastikan jumlah konsentrasi glukosa cukup
tinggi untuk mengaktifasi fermentasi yeast dan biomass liquefaction yang lebih baik
sehingga transfer massa lebih efisien. Kemudian SFS dijalankan selama 62 jam pada
suhu 37oC
Pra Inokulasi
Suhu
50 oC
Residence time
4 Jam
Sakarifikasi dan Fermentasi
Suhu
37 oC
Residence time
62 Jam
Konversi Selulosa menjadi Glukosa
0.85%
Konversi Hemiselulosa menjadi Xilosa
0.50%
konversi Glukosa menjadi Etanol
0.90%
Konversi Xilosa menjadi Etanol
0.70%
Dua operasi yang berbeda dilakukan dalam proses ini yaitu saccharification untuk
mengubah
selulosa menjadi glukosa dengan menggunakan enzim selulase dan
fermentasi untuk mengubah glukosa dan gula lainnya menjadi etanol menggunakan
Z.Mobilis. Proses saccharification dan fermentation dilakukan secara terpisah.
Hidrolisat detoxifikasi yang terdiri dari air, cellulose dan xylose masuk ke dalam
tangki saccharification, dengan penambahan enzim selulase sehingga terjadi reaksi
hidrolisa. Setelah proses sacharification dilanjutkan proses fermentation di dalam
tangki fermentasi (R-02). Bubur Saccharified dialirkan ke fermentor dan pada saat
bersamaan dimasukkan nutrisi dan mikroba. Dalam proses fermentation digunakan Z.
mobilis bacterium rekombinan untuk mengkonvsersi glukosa dan xylose menjadi
etanol.
Reaksi yang terjadi dalam reaktor fermentasi :
Reaksi glukosa menjadi etanol :
2C6H12O6
2C2H5OH + 2CO2
Setelah mengalami proses fermentasi, bahan yang sudah mengandung etanol ini
kemudian ditampung didalam tangki penampung (F-02) yang kemudian akan
dimurnikan dan ditingkatkan kadarnya melalui proses distilasi.
3. Tahap Distilasi
Distilasi adalah suatu metode pemisahan bahan kimia berdasarkan perbedaan titik
didih komponen - komponen yang ada di dalam campuan atau kemudahan menguap
(volatilitas) bahan. Pada tahap distilasi ini, larutan bioetanol yang diperoleh dari
proses fermentasi ditampung di tanki penampung (F-02) dengan kadar etanol sebesar
30%. Kemudian larutan dialirkan menuju kolom (D-01) dengan pompa transfer (L01) yang bertujuan untuk menghilangkan CO2 terlarut dan air. Terdapat 3 jenis produk
yang dihasilkan, yaitu distilat, side stream (distilat yang keluar melalui bagian
samping dari tray), dan bottom produk. Pada bagian bawah kolom distilasi (D-01)
berisi padatan yang tidak terkonversi dan tidak terlarut. Padatan tak larut kemudian
dikeringkan dan ditransfer menuju pengolahan limbah padat untuk diproses menjadi
pupuk organik, sedangkan produk etanol dari kolom distilasi (D-01) akan
ditingkatkan kadarnya dengan menggunakan molecular sieve (D-02). Pada molecular
sieve (D- 02) terdapat zeolite sintetis yang berfungsi untuk menyerap kandungan air
pada etanol hingga kadar 99,7%.