PEMURNIAN BIOETANOL DARI BAGAS TEBU MENGGUNAKAN MOLECULAR SIEVES ADSORPTION-DISTILLATION.

LAPORAN AKHIR

PENELITIAN UNGGULAN PERGURUAN TINGGI

PEMURNIAN BIOETANOL DARI BAGAS TEBU

MENGGUNAKAN

MOLECULAR SIEVES ADSORPTION-DISTILLATION

Oleh :

Dr. Megawati, S.T., M.T. NIDN. 0006117203 Drs. Said Sunardiyo, M.T. NIDN. 0012056509 Astrilia Damayanti S.T., M.T. NIDN. 0008097306

Penelitian ini dibiayai oleh

Daftar Isian Pelaksanaan Anggaran (DIPA) Universitas Negeri Semarang, Nomor: DIPA-042.04.2.400052/2015 Tanggal 15 April 2015 dan Revisinya.

Sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Penelitian Dosen Tahun Anggaran 2015, Nomor: 2.18.5/UN37/PPK.3.1/2015 Tanggal: 18 Mei 2015

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

NOVEMBER 2015

RINGKASAN

Tujuan jangka panjang penelitian ini ialah mengkonversi biomassa lignoselulosa menjadi etanol, supaya dapat dimafaatkan menjadi bahan bakar cair untuk substitusi sebagian atau keseluruhan bahan bakar fosil yang persediaannya sudah menipis. Beberapa tahapan pembuatan bioetanol, yang dipakai sebagai peta jalan penelitian, di antaranya praperlakuan bahan baku, hidrolisis, detoksifikasi, fermentasi, dan pemurnian. Tahapan mulai praperlakuan sampai fermentasi sudah pengusul lakukan, sedangkan tahapan yang belum adalah pemurnian etanol. Kemurnian etanol untuk bahan bakar cair di atas 99,95% (hampir absolut). Sementara itu, tingkat kemurnian dari industri etanol berbasis tetes tebu hanya 95% (etanol teknis). Hal ini disebabkan karena etanol-air memiliki titik azeotrop sekitar 95%, sehingga memerlukan teknologi tambahan yang lebih rumit untuk memurnikannya kembali. Target utama dari penelitian ini adalah akan memurnikan etanol dari hasil fermentasi hidrolisat bagas tebu sampai kadar di atas azeotropnya dan target tambahannya adalah melakukan analisis eksploratif dan deskriptif tentang distilasi etanol di PT Madubaru, yang masih menghasilkan etanol teknis, sehingga hasil penelitian ini nantinya dapat diaplikasikan di industri tersebut.

Cara-cara yang dapat dilakukan untuk memurnikan etanol melampaui kadar azeotropnya adalah pressure swing-distillation, dehidrasi, distilasi ektraktif, serta distilasi dengan penjerap molekul (molecular sieves adsorption-distillation). Penelitian ini akan memilih metode distilasi menggunakan penjerap molekul karena lebih efisien, tidak memerlukan tekanan dan suhu yang bervariasi, sehingga kondisi operasinya lebih stabil. Pada proses ini, setelah kadar etanol mendekati kadar azeotropnya, distilasi dilanjutkan dalam kolom yang dilengkapi dengan bahan penjerap, yaitu karbon aktif dan gel silika dengan variasi ukuran pori.

Pemurnian bioetanol pada penelitian ini akan diawali dengan merancang dan membuat perangkat distilasi dengan penjerap molekul pada skala laboratorium. Data percobaan yang diperoleh akan digunakan untuk mempelajari apakah metode

adsoptive-distillation dapat digunakan untuk memurnikan etanol. Selain itu, nilai

parameter perpindahan massa uap air dalam penjerap dan persamaan kesetimbangan penyerapan uap air oleh gel silika dapat dicari menggunakan metode curve-fitting. Parameter tersebut sangat diperlukan untuk mendesign kolom distilasi lengkap dengan sistem pengendaliannya.

Kata kunci: bagas tebu, bioetanol, distilasi dengan penjerap molekul, pemodelan, pemurnian

PRAKATA

Laporan akhir Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi dengan judul

“Pemurnian Bioetanol dari Bagas Tebu Menggunakan Molecular Sieves

Adsorption-Distillation” ini dapat kami selesaikan dengan baik. Rancang bangun

alat distilasi-adsorpsi untuk memurnikan etanol-air sampai kadar melebihi azeotropnya sudah disusun dan dijalankan. Alat ini dicoba menggunakan adsorben gel silika dan konsentrasi etanol dapat ditingkatkan kemurniannya

Keseluruhan laporan penelitian ini, mulai dari penyusunan proposal, melakukan penelitian, penyusunan karya ilmiah publikasi dan buku ajar, dan penyusunan laporan akhir dapat tercapai atas kerjasama dari semua tim peneliti: Drs. Said Sunardiyo, M.T. dan Astrilia Damayanti, S.T., M.T., dibantu oleh Reni Ainun Jannah.

Penyusun juga menyampaikan terima kasih kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian Universitas Negeri Semarang yang telah mengijinkan dan memberikan dana sehingga penelitian ini dapat berjalan dengan lancar.

Akhir kata, semoga laporan penelitian ini dapat bermanfaat bagi nusa dan bangsa dalam mengembangkan ilmu pengetahuan khususnya di bidang pengembangan energi hijau.

Semarang, November 2015 Megawati

DAFTAR ISI

Halaman Judul Halaman Pengesahan

i ii Ringkasan

Prakata Daftar Isi Daftar Tabel Daftar Gambar Daftar Lampiran

iii iv v vi v vi I. PENDAHULUAN

1.1. Latar belakang 1

1.2. Permasalahan 3

1.3. Tujuan

1.4. Urgensi Penelitian

3 4 II. TUNJAUAN PUSTAKA

2.1. Konversi Biomassa menjadi Energi

2.2. Potensi Bagas Tebu dan Lignoselulosa menjadi Etanol 2.3. Kinetika Reaksi Hidrolisis Bagas Tebu

2.4. Distilasi Etanol 2.5. State of The Art

2.6. Gel Silika sebagai Penjerap

5 7 9 11 12 15 III. METODE PENELITIAN

3.1. Bagan Alir Penelitian 3.2. Bahan

3.3. Cakupan Penelitian

17 17 17

IV HASIL DAN PEMBAHASAN 19

KESIMPULAN DAN SARAN 27

DAFTAR PUSTAKA 28

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis Bagas Tebu pada Suhu 60 oC 7 Tabel 2.2. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis Bagas Tebu pada Suhu 70 oC 7 Tabel 2.3. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis Bagas Tebu pada Suhu 80 o_{C 7}

Tabel 2.4. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis Bagas Tebu pada Suhu 90 oC 8 Tabel 2.5. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis pada Suhu 100 oC 8 Tabel 2.6. Kadar Etanol Hasil Fermentasi dari Berbagai Jenis Bahan Baku 8 Tabel 4.1. Kadar Etanol Hasil Pemurnian Menggunakan Metode

Molecular Sieve Adsorption-Distillation

22 Tabel 4.2. Profil Kadar Etanol Sepanjang Kolom selama Proses

Pemurnian

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Proses Konversi Biomassa sebagai Sumber Energi Hijau (Demirbas, 2008)

5 Gambar 2.2. Diagram Proses Pembuatan Etanol dari Lignoselulosa

Berbasis Hidrolisis secara Kimiawi (Taherzadeh dan Karimi, 2009)

6

Gambar 2.3. Perbandingan Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kinetika Reaksi pada Suhu 70 oC dan Konsentrasi Katalis 0,6 mol/L

9

Gambar 2.4. Perbandingan Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kinetika Reaksi pada Suhu 80 o_{C dan Konsentrasi Katalis}

0,5 mol/L

10

Gambar 2.5. Perbandingan Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kinetika Reaksi pada Suhu 90 o_{C dan Konsentrasi Katalis}

0,4 mol/L

10

Gambar 2.6. Perbandingan Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kinetika Reaksi pada Suhu 100 oC dan Konsentrasi Katalis 0,3 mol/L

10

Gambar 2.7. Distilasi Menggunakan Pressure Swing-Distillation (Strand, 2001)

12 Gambar 2.8. Distilasi Menggunakan Extractive-Distillation (Strand,

2001)

12 Gambar 2.9. Elemen Volum Distilasi dengan Penjerap Molekul 13 Gambar 2.10. Grafik 1/x versus 1/y* pada Kesetimbangan Adsorpsi

Etanol-Air (dengan y* = komposisi jenuh uap air di fase uap)

14

Gambar 2.11. Gel Silika Berwarna Putih Bening, Biru, dan Merah Muda 16

Gambar 3.1. Bagan Alir Penelitian 17

Gambar 4.1. Rancang-bangun Molecular Sieve Adsorption-Distillation

untuk Memurnikan Etanol

19 Gambar 4.2. Kromatogram Etanol Hasil Distilasi Larutan Fermentasi

(Kadar Etanol 90%)

20 Gambar 4.3. Kromatogram Etanol Hasil Distilasi Menggunakan

Molecular Sieve Adsorption-Distillation selama 5 menit

(Kadar Etanol 92,348%)

21

Gambar 4.4. Kromatogram Etanol Hasil Distilasi Menggunakan

Molecular Sieve Adsorption-Distillation selama 45 menit

(Kadar Etanol 95,662%)

21

Gambar 4.5. Kromatogram Etanol Hasil Distilasi Menggunakan

Molecular Sieve Adsorption-Distillation selama 55 menit

(Kadar Etanol 96,114%)

21

Gambar 4.6. Pengaruh Waktu terhadap Kadar Etanol Hasil Pemurnian (Aufar dkk. (2011)-1 untuk zeolit dan Aufar dkk. (2011)-2 untuk CaO)

Gambar 4.7. Pengaruh Waktu terhadap Kadar Etanol Hasil Pemurnian Menggunakan Molecular Sieve Adsorption-Distillation

23 Gambar 4.8. Perbandingan antara Data dan Hasil Perhitungan (Kadar

etanol awal 90%)

24 Gambar 4.9. Profil Kadar Etanol Sepanjang Kolom Adsorber (Kadar

etanol awal 90%)

24

Gambar 4.10. Kolom Distilasi di PT Madubaru 25

Gambar 4.11. Perkiraan Peningkatan Kadar Etanol selama Pemurnian di PT Madubaru (Kadar etanol awal 96%)

26 Gambar 4.12. Profil Kadar Etanol Sepanjang Kolom Adsorber (Kadar

etanol awal 96%)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Instrumen Penelitian Lampiran 2 Personalia Tim Peneliti Lampiran 3 Surat Perjanjian Penelitian Lampiran 4 Artikel Ilmiah Publikasi Lampiran 5 Dokumentasi

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 1 BAB 1. PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang

Krisis bahan bakar minyak telah memberikan tanda bahwa cadangan energi fosil yang dimiliki Indonesia sudah menipis (BP Migas, 2009). Sebaliknya, konsumsi BBM (dalam negeri) sudah lama meningkat dari tahun ke tahun (Ditjen Migas, 2012). Terbatasnya sumber energi fosil menyebabkan perlunya pengembangan energi terbarukan dan konservasi energi. Salah satu bentuk dari energi terbarukan adalah energi biomassa (Khoo, 2015). Teknologi pemanfaatan energi biomassa terdiri dari pembakaran langsung dan konversi biomassa menjadi bahan bakar. Hasil konversi ini dapat berupa biogas, bioetanol, biodiesel, arang, dan sebagainya. Penelitian ini akan menghasilkan etanol dari biomassa bagas tebu, yang merupakan limbah industri gula dan minuman sari tebu di kota, untuk bahan bakar hijau pengganti energi fosil. Oleh karena itu, penelitian ini bermanfaat untuk kemajuan negara karena bioetanol yang dihasilkan dapat digunakan sebagai pengganti atau substitusi bakar bakar cair (Kompas, 2015) dan sesuai dengan Renstra Unnes di bidang Konservasi pada bahan kajian Bioetanol.

Beberapa tahapan untuk membuat etanol dari lignoselulosa adalah praperlakuan, hidrolisis, detoksifikasi, fermentasi, dan purifikasi (Megawati, 2011). Hidrolisis merupakan tahap awal untuk mendegradasi selulosa menjadi gula. Gula yang terbentuk ini memerlukan detoksifikasi sebelum difermentasi menjadi etanol. Etanol diperoleh dengan mendistilasi hasil fermentasi sampai kadar tertentu. Etanol untuk bahan bakar cair kendaraan bermotor harus memiliki kemurnian tinggi (+99,98%), sehingga setelah didistilasi sampai kadar azeotropnya, etanol perlu dimurnikan lagi sampai kadar hampir absolut (Megawati, 2015). Tahapan mulai dari praperlakuan sampai fermentasi sudah banyak dilakukan, sedangkan tahapan yang realtif belum adalah pemurnian etanol.

Adapun perkembangan penelitian tentang pemurnian etanol dapat diuraikan sebagai berikut. Hlaing (2007) melakukan dehidrasi etanol dengan gel silika untuk memurnikan etanol hasil fermentasi. Jadi, etanol didistilasi hanya sampai kadar azeotropnya, kemudian didehidrasi sampai kadar 99%. Penelitian yang hampir sama dengan Hlaing adalah Strand (2001) dan Chen (2013), yang masing-masing

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 2

menggunakan karbon aktif dan molecular sieves tipe 3A dan 4A untuk menggantikan gel silika sebagai penjerap air. Penelitian di atas kurang efektif karena membutuhkan banyak adsorber untuk meningkatkan kemurnian etanol dari 95 sampai 99,95%. Sedangkan Bastidas dkk. (2010) melakukan tiga cara pemurnian, yaitu distilasi azeotropik menggunakan cyclohexane, distilasi ekstraktif menggunakan ethyleneglycol, dan dehidrasi menggunakan zeolit. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa distilasi ekstraktif lebih efisien dibandingkan dua cara yang lain, namun kurang ekonomis karena membutuhkan penambahan pelarut dan akan menyebabkan limbah baru (Gil dkk., 2008). Penelitian lebih lengkap dan menarik dilakukan oleh Bowen dkk. (2010), yaitu distilasi menggunakan pressure-swing, distilasi ekstraktif dengan benzena dan

trichloroethylene, distilasi dengan penjerap molekul menggunakan butiran jagung

kering, dan dehidrasi menggunakan garam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa distilasi ekstraktif lebih efisien tetapi hanya sesuai untuk industri-industri besar karena memerlukan proses pemurnian tambahan.

Uraian di atas menunjukkan bahwa cara yang paling efektif dan ekonomis adalah distilasi dengan penjerap molekul (molecular sieves

adsorption-distillation). Pada cara ini, proses penjerapan diperlukan untuk melampaui kadar

azeotropnya saja, setelah itu distilasi biasa dapat dilanjutkan lagi, sehingga kebutuhan penjerap akan lebih sedikit dibandingkan dengan cara distilasi dilanjutkan dehidrasi. Selain untuk mengetahui kemampuan bahan penjerap, nilai parameter perpindahan massa dan persamaan kesetimbangan distilasi-adsorpsi pada sistem pemisahan etanol air ini juga perlu dipelajari. Hal ini penting untuk mendesain peralatan distilasi dengan penjerap molekul pada skala industri. Penelitian lanjutan ini memilih etanol dari bagas tebu selain karena jumlah bagas tebu melimpah juga karena rendemen gula yang didapatkan dari proses hidrolisis lebih tinggi dibandingkan bahan baku lainnya, sehingga etanolnya juga lebih banyak. Jenis bahan penjerap yang akan dipilih adalah gel silika dengan ukuran pori divariasikan dan diharapkan dapat meningkatkan kinerja pemurniannya (Bowen dkk., 2010). Di samping untuk mengkonversi bagas tebu menjadi etanol murni, hasil penelitian ini juga dapat diaplikasikan untuk industri-industri etanol

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 3

yang belum dapat menghasilkan etanol dengan kadar di atas azeotropnya, seperti unit-unit usaha etanol di Bekonang dan PT Madubaru. Aplikasi sebuah penemuan teknologi hasil penelitian untuk industri memerlukan parameter-parameter desain peralatan proses yang dapat dicari melalui simulasi berbasis data percobaan.

I.2. Permasalahan

1. Bagaimanakah desain alat untuk distilasi etanol dengan penjerap molekul skala laboratorium yang dapat digunakan untuk mencari parameter-parameter prosesnya, sehingga dapat dirancang untuk skala pilot plant.

2. Apakah etanol dapat dimurnikan menggunakan metode molecular sieve

adsortion-distillation menggunakan gel silika sebagai adsorben.

3. Berapakah nilai koefisien perpindahan massa uap air dalam sistem etanol-air pada proses distilasi etanol dengan penjerap molekul.

4. Bagaimanakah persamaan kesetimbangan penjerapan uap air pada sistem distilasi etanol dengan penjerap molekul.

5. Bagaimana kondisi di lapangan tentang distilasi etanol yang sudah diterapkan di PT Madubaru untuk mendapatkan etanol sampai kadar azeotropnya.

6. Bagaimanakah langkah-langkah tepat membangun instalasi tambahan untuk memurnikan etanol sampai kadar di atas azeotropnya menggunakan distilasi dengan penjerap molekul di PT Madubaru.

I.3. Tujuan

1. Rancang bangun alat distilasi dengan penjerap molekul skala laboratorium. 2. Melakukan proses pemurnian etanol menggunakan metode molecular sieve

adsorption-distillation menggunakan gel silika sebagai adsorben.

3. Mencari koefisien transfer massa dan persamaan kesetimbangan adsorpsi yang sesuai untuk distilasi etanol dengan penjerap molekul menggunakan gel silika. 4. Melakukan analisis eksploratif dan deskriptif tentang distilasi etanol di PT

Madubaru dalam rangka menyusun langkah-langkah tepat untuk melakukan proses pemurnian lanjut sampai kadar di atas etanol teknis yang sudah dihasilkan.

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 4

I.4. Urgensi Penelitian

Penelitian ini menghasilkan alat distilasi dengan penjerap molekul skala laboratorium dan diaplikasikan untuk melakukan pemurnian etanol dari hasil fermentasi hidrolisat bagas tebu sampai mencapai kadar etanol di atas kadar teknisnya (95%). Jadi, hasil penelitian ini akan memberikan jawaban nyata bahwa biomassa lignoselulosa dapat dikonversi menjadi etanol, yang dapat dimanfaatkan untuk bahan bakar kendaraan bermotor. Target dari penelitian ini adalah untuk membuat etanol memiliki tingkat kemurnian di atas kadar azeotrop menggunakan cara distilasi dengan penjerap molekul.

Nilai-nilai parameter distilasi bioetanol dengan penjerap molekul, seperti koefisien perpindahan massa serta persamaan kesetimbangan penting untuk dihitung guna perhitungan desain perancangan sistem pemurnian etanol hingga mencapai kadar kemurnian tinggi untuk skala industri. Berarti, hasil penelitian ini dapat diaplikasikan untuk industri etanol yang masih menghasilkan etanol teknik (95%), seperti Bekonang dan Madubaru-Yogyakarta. Jadi, bagi ilmu pengetahuan dan teknologi, penelitian ini akan memberikan manfaat untuk melakukan rekayasa proses industri kimia, terutama industri etanol.

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 5

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Konversi Biomassa menjadi Energi

Biomassa dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi terbarukan. Bila dikelola dengan baik, sumber energi ini tidak akan habis. Bentuk sumber energi biomassa yang telah banyak dibicarakan adalah pengembangan bioetanol dan biodiesel. Kedua bahan bakar ini dalam jangka panjang diharapkan dapat digunakan sebagai pengganti bahan bakar minyak. Adapun proses konversi biomassa menjadi sumber energi dapat dilihat pada Gambar 2.1. Biomassa yang dapat dimanfaatkan menjadi etanol adalah lignoselulosa, yang keberadaannya selain berlimpah juga belum dimanfaatkan dengan baik, sehingga pemakaiannya sebagai bahan baku pembuatan etanol merupakan strategi yang tepat.

Gambar 2.1. Proses Konversi Biomassa sebagai Sumber Energi Hijau (Demirbas, 2008)

Lignoselulosa merupakan senyawa polisakarida yang terdiri atas selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Hemiselulosa merupakan ikatan polimer heterogen dari polisakarida dan susunan ikatannya lebih mudah dipecah pada hidrolisis daripada selulosa. Sedangkan lignin merupakan senyawa yang berfungsi sebagai pengikat komponen penyusun tanaman (hemiselulosa dan selulosa). Proses pertama yang dibutuhkan dalam rangka produksi etanol dari lignoselulosa ialah hidrolisis, yaitu reaksi perpecahan polimer selulosa oleh molekul air dengan bantuan asam sebagai katalis.

Hidrolisis lignoselulosa dengan asam encer merupakan proses hidrolisis yang lebih ekonomis. Kesimpulan dari penjelasan di atas sesuai dengan bagan

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 6

proses pembuatan etanol dari lignoselulosa secara kimiawi yang dipaparkan oleh Taherzadeh dan Karimi (2009) dan Chandel dkk. (2012). Bagan ini dapat dilihat pada Gambar 2.2 dan bagan ini pula yang dipakai sebagai peta jalan penelitian untuk proses pembuatan etanol dari lignoselulosa. Pada peta jalan penelitian ini, kegiatan dari tahap persiapan bahan baku, hidrolisis, detoksifikasi, sampai fermentasi sudah sering dilakukan.

Gambar 2.2. Diagram Proses Pembuatan Etanol dari Lignoselulosa Berbasis Hidrolisis secara Kimiawi (Taherzadeh dan Karimi, 2009)

Hasil penelitian tersebut sudah dipublikasikan pada seminar dan jurnal pada lingkup nasional dan internasional juga buku ajar ber-ISBN (Megawati, 2007; Sediawan dkk., 2007; Megawati dkk., 2008; Megawati dkk., 2009a_{; Megawati}

dkk., 2009b_{, Megawati dkk., 2010; Damayanti dan Megawati, 2011; Megawati}

dkk., 2011; Sediawan dan Megawati, 2013; Megawati dkk., 2014; dan Megawati, 2015). Penelitian-penelitian tersebut sudah mengkaji secara rinci tentang potensi jenis bahan baku selulosa (sekam padi, serbuk gergaji kayu, tongkol jagung, daun, ranting, rumput gajah, bagas tebu, dan kulit jeruk), proses persiapan bahan baku yang ekonomis, kinetika hidrolisis dengan pendekatan reaksi homogen dan heterogen padat-cair, teknik perhitungan neraca massa depolimerisasi, pemilihan proses detoksifikasi berdasarkan jenis senyawa penetral, dan fermentasi untuk membuktikan bahwa gula hidrolisat dapat dikonversi menjadi etanol. Bagas tebu merupakan salah satu jenis bahan baku yang prospek untuk dijadikan etanol karena kadar holoselulosanya banyak dan kadar ligninnya tidak terlalu tinggi.

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 7

2.2. Potensi Bagas Tebu dan Lignoselulosa menjadi Etanol

Analisis komposisi bagas tebu yang sudah dilakukan menggunakan prosedur seperti yang dilakukan oleh Datta (1981) dengan hasil sebagai berikut; oligosakarida 16,69%, hemiselulosa 25,66%, selulosa 51,27%, dan lignin 6,38%. Kadar lignin dalam bagas tebu ini dapat dibandingkan dengan bahan baku yang lain, seperti pada Tabel 2.1. Bagas tebu memiliki kadar holoselulosa tinggi sehingga potensinya menjadi etanol lebih tinggi. Secara lebih detail potensi bagas tebu pada berbagai variasi kondisi dapat dilihat pada Tabel 2.2 sampai 2.5 dan potensi bahan lain menjadi etanol disajikan pada Tabel 2.6.

Tabel 2.1. Kadar Lignin dan Yield Gula Hidrolisis

Jenis bahan baku Kadar Lignin (%) Yield gula (%)

Daun 10,93 40,75

Sekam padi 14,78 31,13

Tongkol jagung 20,95 26,34

Serbuk gergaji kayu 30,91 26,01

Campuran - 25,49

Ranting 26,27 24,28

(Sumber: Megawati, 2010)

Tabel 2.2. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis Bagas Tebu pada Suhu 70 o_C

Waktu Asam sulfat (mol/L)

(menit) 0,3 0,4 0,5 0,6

15 0,00010 0,00010 0,00011 0,00010 30 0,00018 0,00020 0,00022 0,00020 45 0,00029 0,00028 0,00034 0,00037 60 0,00035 0,00038 0,00044 0,00050 75 0,00044 0,00045 0,00055 0,00056

Tabel 2.3. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis Bagas Tebu pada Suhu 80 o_C

Waktu Asam sulfat (mol/L)

(menit) 0,3 0,4 0,5 0,6

15 0,000288 0,000365 0,000500 0,000536 30 0,000583 0,000618 0,000636 0,000650 45 0,000693 0,000699 0,000781 0,000794 60 0,000876 0,000879 0,000919 0,000930 75 0,000945 0,000964 0,000988 0,000996

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 8

Tabel 2.2 dan 2.3 di atas menunjukkan bahwa semakin lama waktu, maka konsentrasi gula hasil hidrolisis semakin tinggi. Berarti pengaruh waktu signifikan terhadap hidrolisis bagas tebu menggunakan asam sulfat dengan konsentrasi 0,3 sampai 0,6 mol/L yang dilakukan pada suhu tidak terlalu tinggi, yaitu 70 dan 80 o_{C. Sedangkan pada suhu tinggi (90 dan 100} o_{C), seperti terlihat pada Tabel 2.4}

dan 2.5 berikut ini, konsentrasi gula terus naik selama 45 sampai 60 menit, setelah itu relatif sedikit meningkat. Sementara itu, pengaruh konsentrasi katalis (0,3 – 0,6 mol/L) terhadap konsentrasi gula mulai terasa pada 0,4 mol/L.

Tabel 2.4. Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis Bagas Tebu pada Suhu 90 o_C

Waktu Asam sulfat (mol/L)

(menit) 0,3 0,4 0,5 0,6

15 0,00066 0,00070 0,00080 0,000800 30 0,00110 0,00122 0,00124 0,001245 45 0,00124 0,00130 0,00135 0,001370 60 0,00130 0,00135 0,00140 0,001400 75 0,00140 0,00136 0,00140 0,001400

Tabel 2.5 Konsentrasi Gula Hasil Hidrolisis pada Suhu 100 o_C

Waktu Asam sulfat (mol/L)

(menit) 0,3 0,4 0,5 0,6

15 0,00140 0,00145 0,00150 0,00152 30 0,00160 0,00170 0,00172 0,00172 45 0,00172 0,00174 0,00175 0,00175 60 0,00174 0,00175 0,00175 0,00177 75 0,00174 0,00176 0,00177 0,00177

Tabel 2.6. Kadar Etanol Hasil Fermentasi dari Berbagai Jenis Bahan Baku

Jenis bahan baku _{Kadar lignin Gula Etanol}

(%) (mol/L)

Yield

(%) (%v/v) Yield (%)

Sekam Padi _{14,78 0,221 31,13 21,083 96,36}

Ranting 26,27 0,215 24,28 10,357 48,66

Tongkol Jagung 20,95 0,266 26,34 16,519 62,73

Daun 10,93 0,216 40,75 20,391 95,36

Serbuk gergaji kayu 30,91 0,190 26,01 0,7859 41,78

Campuran - 0,202 25,49 11,071 55,36

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 9

Data pada Tabel 2.6 memperlihatkan bahwa yield fermentasi dipengaruhi oleh kadar lignin pada bahan. Makin tinggi kadar lignin makin rendah yield fermentasi. Namun terasa pula bahwa selain faktor lignin ada pula pengaruh hal-hal lain, seperti kemudahan jenis gula difermentasi dan pengaruh komposisi hidrolisat sebagai penghambat fermentasi berbeda-beda (Govindaswamy dan Vane, 2010, Karimi dkk., 2006 dan Demirbas, 2005). Ulasan ini memperkuat pula bahwa bagas tebu merupakan lignoselulosa yang menjanjikan untuk diproses menjadi etanol karena hidrolisatnya dapat difermentasi dengan baik.

2.3. Kinetika Reaksi Hidrolisis Bagas Tebu

Parameter kinetika dengan pendekatan model homogen untuk bagas tebu disajikan pada Gambar 2.3 sampai 2.6. Nilai tenaga pengaktif hidrolisis dan degradasi gula pada suhu 70 oC dan konsentrasi asam 0,6 mol/L masing-masing sebesar 107,15 dan 61,7 kJ/mol. Sedangkan nilai faktor tumbukannya masing-masing sebesar 1,6.1013 L/(mol.menit) dan 3.1010 1/menit. Hasil perhitungan konsentrasi gula menunjukkan kesesuaian dengan data percobaan; pada variasi konsentrasi asam 0,6 mol/L (Gambar 2.3), 0,5 mol/L (Gambar 2.4), 0,4 mol/L (Gambar 2.5), masing-masing nilai tenaga pengaktif sebesar 107,15; 107,22; dan 107,52 kJ/mol. Nilai-nilai ini menunjukan bahwa semakin besar konsentrasi katalis, maka energi aktivasinya semakin kecil. Berarti, hasil simulasi ini berkesesuaian dengan teori tentang peranan katalis, yaitu menurunkan tenaga pengaktif sehingga reaksi berjalan lebih cepat.

Gambar 2.3. Perbandingan Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kinetika Reaksi pada Suhu 70 o_{C dan Konsentrasi Katalis 0,6 mol/L}

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 10

Gambar 2.4. Perbandingan Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kinetika Reaksi pada Suhu 80 o_{C dan Konsentrasi Katalis 0,5 mol/L}

Gambar 2.5. Perbandingan Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kinetika Reaksi pada Suhu 90 o_{C dan Konsentrasi Katalis 0,4 mol/L}

Gambar 2.6. Perbandingan Data Percobaan dan Hasil Perhitungan Kinetika Reaksi pada Suhu 100 o_{C dan Konsentrasi Katalis 0,3 mol/L}

Gambar 2.6 nampak bahwa hasil simulasi terhadap parameter kinetika menghasilkan konsentrasi gula hasil perhitungan mendekati data percobaan pada

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 11

suhu 100 oC dan konsentrasi asam 0,3 mol/L. Selain itu, nilai parameter kinetikanya pun juga sesuai dengan kajian teori bila dibandingkan dengan nilai parameter yang diperoleh untuk variabel yang lain.

2.4. Distilasi Etanol

Distilasi tradisional merupakan distilasi yang sering dilakukan untuk memisahkan dua atau lebih suatu campuran melalui penguapan pada suhu tertentu. Distilasi ini dapat digunakan untuk memurnikan campuran yang tidak memiliki titik azeotrop atau di bawah kadar azeotropnya. Pada titik azeotrop, komposisi suatu campuran di fase cair akan sama dengan di fase uap, sehingga melalui penguapan tidak akan terjadi perbedaan komposisinya. Biasanya, distilasi ini dilakukan satu tahap, namun juga dapat beberapa tahapan supaya dapat diambil beberapa nilai komponen yang berbeda.

Distilasi dengan tekanan berubah atau pressure swing distillation berbeda dengan distilasi biasa. Distilasi biasa dilakukan pada tekanan tetap, tetapi pressure

swing-distillation dilakukan pada tekanan yang berbeda. Kondisi distilasi pada

tekanan berbeda dimaksudkan untuk memurnikan suatu campuran dengan kadar melewati kadar azeotropnya. Distilasi yang dioperasikan dengan beda tekanan akan membuat komposisi azeotrop suatu campuran tersebut akan berbeda pula, sehingga komposisi azeotrop akan terlewati ketika tekanannya dibuat beda. Pada sistem distilasi ini, distilasi dilakukan bertahap menggunakan 2 kolom distilasi yang beroperasi pada tekanan yang berbeda (Gambar 2.7). Kolom distilasi pertama memiliki tekanan operasi yang lebih tinggi dari kolom distilasi kedua. Produk atas kolom pertama tersebut kemudian didistilasi kembali pada kolom yang bertekanan lebih rendah (kolom kedua).

Distilasi ini digunakan salah satunya untuk mengatasi titik azeotrop menggunakan proses ektraksi dengan pelarut lain, seperti cyclobenzene dan

ethyleneglycol. Setelah distilasi tahap awal untuk mencapai kadar azeotrop, ke

dalam distilasi kedua dimasukkan pelarut sehingga kadar azeotrop dapat teratasi. Kemudian, distilasi dilanjutkan dalam kolom ketiga untuk memurnikannya sampai kadar absolut. Rangkaian proses ini disajikan pada Gambar 2.8.

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 12

Gambar 2.7. Distilasi Menggunakan Pressure Swing-Distillation (Strand, 2001)

Gambar 2.8. Distilasi Menggunakan Extractive Distillation (Strand, 2001)

2.5. State of The Art

Pada sistem distilasi dengan penjerap molekul (Gambar 2.9), salah satu komponen uap akan dijerap supaya komposisinya berubah, maka titik azeotropnya terlampaui. Jika kebutuhan adsorbennya memenuhi sampai komposisinya murni, maka tidak perlu didistilasi. Namun, bila kebutuhan adsorbennya sangat banyak, pemurnian dapat dilanjutkan menggunakan distilasi lagi.

Model neraca massa untuk distilasi tipe ini dapat dikembangkan menjadi model tanpa adanya dispersi aksial (model 1) dan dengan adanya dispersi aksial (model 2).

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 13         t y t y S y y S a k z y

G y b G _

       . . . *) .( . .           t x *) (y y a k t x b y _    

Gambar 2.9. Elemen Volum Distilasi dengan Penjerap Molekul

Pada model 1, neraca massa etanol dituliskan seperti berikut ini.

Rin - Rout - Rreaksi = Rakumulasi

G.y(z)– G.y(z+z) + kya (y – y*).S.z + 0 = S.z.b.G. (1)

Penyelesaian persamaan (1) dituliskan sebagai berikut:

(2) dengan: G = mol etanol/waktu

y = mol H2O/mol etanol

G = mol etanol/volum

Sementara itu, neraca massa H2O dapat dituliskan seperti persamaan (3) dan (4).

kya (y – y*).S.z – 0 = S.z.b.G. (3)

(4) dengan: b = g adsorber/volum bed

x = konsentrasi etanol

z z + z

Uap, G yin

Uap, G yout

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 14

 

 

* * .

y y x

0 *) .(

.

.   

 

y y S a k z y

G y

Persamaan kesetimbangan sistem penjerapan air dalam etanol-air yang digunakan dituliskan seperti persamaan (5).

(5)

Pada distilasi yang mencapai kondisi squasi-steady state, maka persamaan (2) dapat disederhanakan menjadi persamaan berikut.

(6) Persamaan (4), (5), dan (6), dapat diselesaikan secara simultan jika tersedia data komposisi etanol setiap satuan waktu dan persamaan kesetimbangan adsorbsinya. Kesetimbangan adsorbsi dapat dicari dengan membuat grafik seperti berikut (Gambar 2.10), sehingga persamaan (5) dapat ditemukan.

Gambar 2.10. Grafik 1/x versus 1/y* pada Kesetimbangan Adsorbsi Etanol-Air (dengan y* = komposisi jenuh uap air di fase uap)

Persamaan diferensial simultan di atas dapat diselesaikan menggunakan metode curve-fitting. Nilai-nilai parameter yang dipilih adalah yang memberikan nilai Sum Square of Errors minimum (SSE). Persamaan SSE yang dipakai dituliskan sebagai persamaan (7) berikut (Sediawan dan Prasetya, 1997).

(7) Pada model kedua, yaitu model dengan memperhitungkan dispersi aksial, neraca massa etanol dapat disusun sebagai persamaan (8) berikut.

1/x

1/y * 1/



/

2

) (C_Dhitung C_Ddata SSE





Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 15 t y S y y S a k z y S D z y

G ax y b G _

          . . . *) .( . . . . ₂ 2   ) ) (z t y         ) (z z

z y                   t y 0 *) .( . . . . ₂ 2         y y S a k z y S D z y

G _{ax y}

(G.y(z)– Dax.S. – (G.y(z+z) - Dax.S. + kya (y – y*).S.z) + 0

= S.z.b.G. (8)

Penyelesaian persamaan (8) dituliskan sebagai berikut.

(9)

Sementara itu, neraca massa H2O di gas pada elemen volum seperti pada model

satu, seperti persamaan (3) dan dapat disederhanakan seperti persamaan (4). Persamaan kesetimbangan sistem penjerapan air dalam etanol-air yang digunakan dituliskan seperti persamaan (5). Pada distilasi yang mencapai kondisi

squasi-steady state, maka persamaan (9) dapat disederhanakan menjadi persamaan

berikut.

(10) Persamaan (4), (5), dan (10), dapat diselesaikan secara simultan jika tersedia data komposisi etanol setiap satuan waktu dan persamaan kesetimbangan adsorpsinya.

2.6. Gel Silika sebagai Penjerap

Gel silika dibuat secara sintetis dari silika yang dihasilkan melalui penggumpalan sol natrium silikat (NaSiO2) dan berupa butiran seperti kaca,

namun sangat berpori dengan ukuran pori rata-rata 2,4 nanometer dan memiliki afinitas yang kuat untuk molekul air. Komposisi SiO2-nya sekitar 97-99 %. Sol

mirip agar–agar ini dapat didehidrasi sehingga berubah menjadi padatan atau butiran mirip kaca yang bersifat tidak elastis. Sifat ini menjadikan gel silika dimanfaatkan sebagai zat penjerap, pengering dan penopang katalis.

Gel silika ada yang berwarna putih bening juga ada yang berwarna biru (Gambar 2.11). Masing-masing memiliki ukuran partikel 1-2, 3-4, 3-8, 5-8, 9-16, dan 16-30 mesh, pH 6-7, bobot jenis 600–700 g/L. Gel silika yang siap untuk digunakan berwarna biru, ketika telah menyerap banyak kelembapan, ia akan berubah warnanya menjadi merah muda (Gambar 2.11).

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 16

Kedua jenis gel silika ini dapat digunakan sebagai penjerap uap air hasil distilasi etanol-air, supaya kadar airnya berkurang sehingga komposisi azeotropnya terlampaui. Jika komposisi azeotrop sudah terlampaui, namun kadar etanol masih belum mencapai 99%, campuran etanol-air tersebut dapat didistilasi kembali sampai murni. Kemungkinan munculnya kondisi di atas perlu dipelajari supaya dapat didesain kolom distilasi untuk aplikasi skala laboratorium secara efisien.

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 17

BAB III. METODE PENELITIAN

3.1. Bagan Alir Penelitian

Bagan alir penelitian dapat dilihat pada Gambar 3.1 berikut ini.

Gambar 3.1. Bagan Alir Penelitian

3.2. Bahan

Bahan-bahan yang digunakan meliputi bahan baku bioetanol hasil fermentasi dengan yeast, etanol prima (95,5%) dari PT Madubaru dan gel silika yang digunakan untuk penjerap. Etanol hasil fermentasi didistilasi awal hingga mencapai kadar teknisnya (90%) dan digunakan untuk proses pemurnian.

3.3. Cakupan Penelitian 3.3.1. Prosedur Penelitian

Distilasi tradisional dilakukan secara berulang-ulang sampai mendapatkan kadar etanol mendekati kadar azeotrop. Selanjutnya, pemurnian dilanjutkan menggunakan distilasi dengan gel silika sebagai penjerap molekul. Setiap periode waktu tertentu, kadar etanol diikur. Periode waktu pengambilan sampel akan

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 18

dioptimasi sampai mendapatkan kondisi yang mendekati kondisi optimumnya. Sampel yang sudah diambil diukur kadar etanolnya.

3.3.2. Analisis hasil

Analisis konsentrasi etanol dalam sampel dilakukan menggunakan hubungan densitas dengan kadar etanol dan dilakukan di laboratorium Teknik Kimia Unnes, juga Gas Chromatography (GC) di laboratorium Analisis dan Instrumen UGM.

3.3.3. Luaran Penelitian

1. Buku Ajar Ber-ISBN dengan judul Bioetanol Generasi Kedua.

2. Artikel publikasi pada jurnal internasional bereputasi tentang bioetanol dari beberapa material berbasis lignoselulosa.

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 19

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Rancang bangun alat molecular sieve adsorption-distillation scala laboratorium sudah disusun dan dicoba untuk memurnikan etanol. Alat tersebut dapat disajikan seperti Gambar 4.1. Adapun bagian-bagian alat yang sangat penting terdiri dari reaktor kaca sebagai wadah untuk mendidihkan etanol pada kondisi atmosferis. Setelah reaktor kaca, uap yang terbentuk dari hasil pendidihkan dialirkan melalui kolom adsorber, dilanjutkan ke kondenser untuk diembunkan. Dalam kolom adsorben, uap air akan terjerap sehingga kadar etanol akan meningkat. Desain ini samadengan yang dirancang oleh Setiyorini dan Patricia (2014), namun sedikit berbeda dengan yang dirancang oleh Aufar dkk. (2011) dan Novitasari dkk. (2011). Kedua peneliti ini menambahkan pemanas pada kolom sebelum uap melewati kolom adsorber. Menurut kedua peneliti tersebut, bila proses pemanasan untuk mendidihkan campuran etanol-air kurang, maka akan ada uap yang mengembun sebelum melewati kolom adsorber karena gaya drag uap dengan partikel padatan adsorber.

Gambar 4.1. Rancang-bangun Molecular Sieve Adsorption-Distillation untuk Memurnikan Etanol

Pada penelitian ini, etanol yang akan dimurnikan berasal dari hasil distilasi bertingkat (6 tingkat) larutan hasil fermentasi hidrolisat bagas tebu. Tingkat kemurnian etanol hasil fermentasi ini sangat tinggi. Hal ini dapat dilihat pada

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 20

Gambar 4.2., yaitu grafik hasil analisis kadar etanol menggunakan Gas

Chromathography. Pada gambar kromatogram tersebut hanya terdapat satu kurva,

yang menandakan hanya ada satu senyawa kimia hasil fermentasi. Kadar etanol hasil distilasi berkisar 90%. Hasil distilasi ini berkesesuaian dengan pustaka (Pramushinta dkk., 2013) yang menggunakan bahan baku kulit nanas menjadi etanol. Adapun kadar etanol hasil distilasi pada tingkat 1 sampai 7 berturut-turut sebesar 25, 41, 68, 74, 84, 94, dan 95%.

Gambar 4.2. Kromatogram Etanol Hasil Distilasi Larutan Fermentasi (Kadar Etanol 90%)

Etanol hasil fermentasi ini dapat diproses lebih lanjut untuk ditingkatkan kadarnya. Salah satu cara yang dapat digunakan adalah molecular-sieve

adsorption distillation. Cara ini merupakan modifikasi dari distilasi biasa. Uap

campuran etanol-air tidak langsung diembunkan, namun dilewatkan kolom adsorber terlebih dahulu untuk menjerap komponen airnya sehingga kadar etanolnya meningkat. Hasil peningkatan kadar etanol setiap satu satuan waktu disajikan pada Gambar 4.3. sampai 4.6., masing-masing pada 5, 45, dan 55 menit. Setelah distilasi mencapai 55 menit, kadar etanol meningkat dari 90 menjadi 96%, yang berarti meningkat sebesar 6%. Peningkatan kadar etanol yang diperoleh dari penelitian ini relatif lebih baik daripada penelitian lain (Aufar dkk. (2011), Pramushinta dkk., 2013 dan Setiyorini dan Patricia, 2014). Aufar dkk. (2011) melakukan pemurnian etanol meggunakan zaolit alam dan CaO pada sebanyak 100 g dan kadar etanol hasil pemurnian meningkat sebesar 1,06 dan 1,46%

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 21

masing-masing untuk zeolit alam dan CaO. Pramushinta dkk. melakukan distilasi dilanjutkan adsorpsi menggunakan zeolit sebagai adsorben dan peningkatan kadar etanolnya hanya 4,8%. Sementara itu, Setyorini dan Patricia menggunakan zeolit dan gel silika dengan peningkatan kadar etanol untuk masing-masing adsorben sebesar 3,09 dan 2,10%. Adapun kadar etanol yang diperoleh selama distilasi pada penelitian dapat dilihat pada Tabel 4.1. dan Gambar 4.6.

Gambar 4.3. Kromatogram Etanol Hasil Distilasi Menggunakan Molecular Sieve Adsorption-Distillation selama 5 menit (Kadar Etanol 92,348%)

Gambar 4.4. Kromatogram Etanol Hasil Distilasi Menggunakan Molecular Sieve Adsorption-Distillation selama 45 menit (Kadar Etanol 95,662%)

Gambar 4.5. Kromatogram Etanol Hasil Distilasi Menggunakan Molecular Sieve Adsorption-Distillation selama 55 menit (Kadar Etanol 96,114%)

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 22

Tabel 4.1. Kadar Etanol Hasil Pemurnian Menggunakan Metode Molecular Sieve Distillation-Adsorption

Waktu (menit) Kadar Etanol (%)

5 92,348

10 93,570

15 94,408

20 94,585

25 94,594

30 94,892

35 94,895

40 95,498

45 95,662

50 96,114

Gambar 4.6. Pengaruh Waktu terhadap Kadar Etanol Hasil Pemurnian (Aufar dkk. (2011)-1 untuk zeolit dan Aufar dkk. (2011)-2 untuk CaO)

Pada Gambar 4.6. terlihat bahwa pada waktu 15 menit kadar etanol meningkat tajam, kemudian cenderung stabil dan meningkat kembali pada waktu 45 menit. Sementara itu, pada gambar tersebut terlihat pula bahwa pada waktu 10 menit kadar etanol meningkat kemudian turun menggunakan zeolit dan CaO (Aufar dkk., 2011). Jadi, hasil dari penelitian ini tidak menyimpang jauh dibanding pustaka. Selain itu, menurut Novitasari dkk. (2011), waktu optimum

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 23

yang diperlukan untuk pemurnian etanol menggunakan adsorber zeolit alam dan zeolit 4A sekitar 50 menit (Gambar 4.7.).

Gambar 4.7. Pengaruh Waktu terhadap Kadar Etanol Hasil Pemurnian Menggunakan Molecular Sieve Adsorption-Distillation

Hasil perhitungan parameter-parameter desain untuk proses molecular sieve adsorption-distillation, yaitu perpindahan massa atau kecepatan transfer massa volumetrik (kc.a) dan kesetimbangan sistem air-etanol dalam adsorben atau konstanta Henry (He) disajikan berupa profil peningkatan kadar etanol sepanjang kolom selama proses pemurnian terjadi (Tabel 4.2.). Melalui metode kurve-fitting antara trial-error kedua parameter di atas sehingga menghasil data hitung dibandingkan dengan data percobaan diperoleh bahwa nilai-nilai parameter tersebut adalah 0,9 1/detik dan 0,93, masing-masing untuk kecepatan transfer massa volumetris dan konstanta Henry. Adapun perbandingan antara data percobaan dan hasil perhitungan dapat dilihat pada Gambar 4.8. Sementara itu, profil kadar etanol keluar kolom adsorber selama proses pemurnian disajikan pada Gambar 4.9. Melalui Gambar 4.9. terlihat bahwa peningkatan kadar etanol sepanjang kolom terlihat sangat tajam. Hal ini menandakan bahwa gel silika dapat menjerap uap air sangat efektif sehingga kadar etanolnya meningkat. Bila kadar awal etanol yang digunakan mendekati 95%, maka kadar melebihi azeotrop akan dengan mudah tercapai melalui alat yang sudah dirancang dan dibangun serta sudah digunakan ini. Penelitian ke depan, kadar etanol yang digunakan akan lebih tinggi lagi.

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 24

Tabel 4.2. Profil Kadar Etanol Sepanjang Kolom selama Proses Pemurnian Jarak

(cm) Waktu (menit)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 90 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0,47 90 91,48 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0,94 90 91,55 92,68 0 0 0 0 0 0 0 0

1,41 90 91,55 92,76 93,62 0 0 0 0 0 0 0

1,88 90 91,55 92,76 93,7 94,36 0 0 0 0 0 0

2,35 90 91,55 92,76 93,7 94,43 94,92 0 0 0 0 0

2,82 90 91,55 92,76 93,7 94,43 95 95,37 0 0 0 0

3,29 90 91,55 92,76 93,7 94,43 95 95,45 95,71 0 0 0 3,76 90 91,55 92,76 93,7 94,43 95 95,45 95,79 95,98 0 0 4,23 90 91,55 92,76 93,7 94,43 95 95,45 95,79 96,06 96,19 0

4,7 90 91,55 92,76 93,7 94,43 95 95,45 95,79 96,06 96,27 96,35

Gambar 4.8. Perbandingan antara Data dan Hasil Perhitungan (Kadar etanol awal 90%)

Gambar 4.9. Profil Kadar Etanol Sepanjang Kolom Adsorber (Kadar etanol awal 90%)

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 25

Keberhasilan proses pemurnian etanol melebihi kadar azeotrop seperti yang sudah ditunjukkan dari penelitian ini akan dapat diterapkan di industri, khususnya industri etanol PT Madubaru-Yogyakarta. Penerapan secara konkrit tentunya memerlukan pengamatan di lapangan tentang kolom distilasi yang selama ini digunakan di lapangan dan data kadar etanol yang dihasilkan. Adapun bentuk kolom distilasinya dapat dilihat pada Gambar 4.10. dan informasi terhadap kadar etanol dapat diceritakan sebagai berikut. Kadar etanol yang dihasilkan terdiri dari etanol teknis dan prima, masing-masing berbeda poada kadarnya, yaitu 95 dan 96%. Kedua kadar etanol ini dapat ditingkatkan melebihi titik azeotrop menggunakan metode molecular sieve adsorption-distillation, seperti yang sudah dilakukan pada penelitian ini.

Gambar 4.10. Kolom distilasi di PT Madubaru

Hasil simulasi menggunakan data yang diperoleh dari penelitian ini jika akan diterapkan untuk sistem pemurnian etanol di PT Madubaru dapat dijelaskan melalui Gambar 4.11. Pada gambar tersebut nampak bahwa kadar etanol akan meningkat tajam sampai pada 25 menit (> 97,5%), selanjutkan menunjukkan kecenderungan terus naik sampai pada 45 menit. Profil peningkatan kadar etanol sepanjang kolom dapat dilihat pada Gambar 4.12. Berarti, metode pemurnian

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 26

etanol-air menggunakan molecular sieve adsorption-distillation dapat diterapkan di PT Madubaru.

Gambar 4.11. Perkiraan Peningkatan Kadar Etanol selama Pemurnian di PT Madubaru (Kadar etanol awal 96%)

Gambar 4.12. Profil Kadar Etanol Sepanjang Kolom Adsorber (Kadar etanol awal 96%)

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 27

KESIMPULAN DAN SARAN

KSEIMPULAN

Kesimpulan dari hasil penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Kadar etanol dapat ditingkatkan menggunakan metode molecular sieve

adsoption-distillation yang sudah dirancang dan dibuat untuk skala

laboratorium.

2. Gel silika memiliki kemampuan menjerap air yang baik untuk meningkatkan kadar etanol, sehingga hasilnya akan lebih murni (dapat melebihi kadar azeotropnya).

3. Nilai parameter perpindahan massa volumetris sistem etanol-air dalam gel silika sebesar 0,9 1/detik dan konstanta Henrynya sebesar 0,93.

4. Metode molecular sieve adsorption-distillation di PT Madubaru menggunakan gel silika dapat diterapkan di PT Madubaru dan kadar etanol yang dapat dicapai sebesar 97,5%.

SARAN

Beberapa saran yang dapat diterapkan untuk meningkatkan hasil penelitian yang akan datang di antaranya adalah sebagai berikut:

1. Jenis gel silika lain dapat digunakan sebagai adsorben sehingga nilai parameter perpindahan massa volumetrisnya dapat diketahui.

2. Jenis adsorben berbasis bioadsorben dapat dicoba sebagai usaha mengoptimalkan pembuatan energi hijau.

3. Rancang bangun alat molecular sieve adsorption-distillation dilengkapi dengan pengatur kecepatan uap masuk adsorber dan suhunya.

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 28

DAFTAR PUSTAKA

Aufar, Mizanul, I., dan Kusumastuti, D, 2011, “Etanol Fuel dengan Metode Adsorpsi dalam Kolom Unggun Tetap Menggunakan Adsorben CaO-Xeolit Granular”, Laporan Penelitian, Surakarta, UNS.

Bastidas, P. A., Gil, I. D., dan Rodríguez, G., 2010, Comparison of the main ethanol dehydration technologies through process simulation, 20th European Symposium on Computer Aided Process Engineering.

Bowen, E., Kennedy, S. C., dan Miranda, K, 2010, Ethanol from Sugar Beets: A Process and Economic Analysis, A Major Qualifying of WORCESTER POLYTECHNIC INSTITUTE.

BP Migas, 2009, dalam web www.bpmigas.go.id, diakses tanggal 01 Juli 2009. Chandel, A. K., Antunes, F. A. F., Arruda, P., Milessi, T. S. S., Silva, S. S., dan

Almeida-Felipe, M. G., 2012, Dilute Acid Hydrolysisn of Agro-Residues for the Depolymerization of Hemicellulose: State-of-the-Art, dalam D-Xylitol (Fermentative Production, Application and Commerciallization), Sila, S. S. dan Chandel, A. K., Springer, Chapter 2 (37).

Chen, W. C. Dan Sheng, C. T., 2013, Designing and Constructing an Optimization Operating Model for a Bioethanol Production System, Life Science Journal, 10 (2).

Damayanti, A. dan Megawati, 2011, “Pengaruh suhu terhadap kecepatan reaksi pada reaksi hidrolisis lignoselulosa dari tongkol jagung dengan asam encer pada kondisi non-isotermal”, Jurnal Kompetensi Teknik, 2, 2, 89-94.

Datta, R. 1981. “Energi Requirements for Lignocellulose Pretreatment Processes”, Process Biochem, 16-19, 42.

Demirbas, A. 2005, Bioethanol for Cellulosic Materials: A Renewable Motor Fuel from Biomass”. Energy Sour., 27, 327-337.

Demirbas, A., 2008, “Products from Lignocellulosic Materials via Degrdation Precesses”, Energy Sour., 30, 27–37.

Ditjen Migas, 2012, “Statistik Minyak dan Gas Bumi Indonesia”, dalam web:

http://esdm.go.id diakses tanggal 23 Mei 2012.

Gil, I. D., Uyazán, A. M., Aguilar, J. L., Rodríguez, G., dan Caicedo, L. A., 2008, Separation of Ethanol and Water by Extractive Distillation with Salt and Solvent as Entrainer: Process Simulation, Brazilian Journal of Chemical Engineering, 25 (1), pp. 207 – 215.

Govindaswamy, S., Vane, L.M., 2010, “Multi-stage Continuous Culture Fermentation of Glucose-Xylose Mixtures to Fuel Ethanol using Genetically Engineered Saccharomyces cerevisiae 424S”, Bioresour. Technol., 101, 1277–1284.

Hlaing, S. S., 2007, Anhydrous Ethanol Production, 4thbiomass-Asia Workshop. Karimi, K., Kheradmandinia, S., Taherzadeh, M. J., 2006, “Conversion of rice

straw to sugars by dilute-acid hydrolysis”, Biomass Bioenergy, 30, 247–253.

Khoo, H. H., 2015, Review of Bio-conversion Pathways of Lignocellulose to Ethanol: Sustainability Assesment Based on Land Footprint Projections, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 46 (2015), 100-119.

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 29

Kompas, 17 Maret 2015, Energi Alternatif-Aksi Nyata Segera.

Kompas, 18 Maret 2015, Pertamina Dukung Biodiesel-Produsen Minyak Sawit Siap Memasok.

Megawati, 2007, “Etanol dari lignoselulosa: Reaksi hidrolisis dan fermentasi”, Jurnal Profesional, 1, 5, 609-622.

Megawati, 2011, Kinetika Hidrolisis Lignoselulosa dengan Asam Sulfat Encer Dalam Rangka Produksi Etanol, Disertasi, Universitas Gadjah Mada.

Megawati, 2015, Bioetanol Generasi Kedua, Graha Ilmu.

Megawati, Sediawan, W. B., Sulistyo, H., dan Hidayat, M., 2008, “Kinetika reaksi hidrolisis lignoselulosa dengan asam encer”, Prosiding Pengembangan teknologi kimia untuk pengolahan sumber daya alam indonesia, UPN-Yogyakarta.

Megawati, Sediawan, W. B., Sulistyo, H., dan Hidayat, M., 2009, “Kinetics of dilute-acid hydrolysis of lignocellulosic substance from municipal organic waste at non-isothermal condition”, Prosiding Chemical Engineering Seminar Soebardjo Brotohardjono VI "Waste Based Energy and Chemicals”, UPN-Surabaya.

Megawati, Sediawan, W. B., Sulistyo, H., dan Hidayat, M., 2009, “Kinetika reaksi hidrolisis ranting kering dengan asam encer pada kondisi non-isotermis”, Jurnal Reaktor, Undip, 12, 4, 211–217.

Megawati, Sediawan, W. B., Sulistyo, H., dan Hidayat, M., 2010, “Pseudo -homogeneous kinetic of dilute-acid hydrolysis of rice husk for ethanol production”, International Journal of Engineering and Applied Science, 6, 1, 64–69, Waset.

Megawati, Sediawan, W. B., Sulistyo, H., dan Hidayat, M., 2011, “Kinetic of sequential reaction of hydrolysis and sugar degradation of rice husk in ethanol production: effect of catalyst concentration”, Bioresour. Technol., 102, 2, 2062-2067, Elsevier.

Novitasari, D., Kusumaningrum, D., dan Kusworo, T. D., 2011, Pemurnian Bioetanol Menggunakan Proses Adsorpsi dan Distilasi Adsorpsi dengan Adsorbent Zeolit”, Jurnal Teknologi Kimia dan Industri, Semarang, Undip. Pramushinta, D., Amraini, S. Z., dan Chairul, 2013, “Pemurnian Bioetanol Hasil

Fermentasi Kulit Nanas Menggunakan Proses Distilasi-Adsorpsi pada Variasi Jenis Perlakukan dan Ukuran Pori Adsorben”, Laporan Penelitian, Riau, Universitas Riau.

Sediawan, W. B. dan Megawati, 2013, “Monte Carlo simulation to study non-isothermal acid hydrolysis of lignocellulosic rnaterial in ethanol production”, Inter. J. Chem. Environ. Bio. Sci., 1, 3, 507-511.

Sediawan, W. B., Megawati, Millati, R., and Syamsiah, S., 2007, “Hydrolysis of Lignocellulosic Waste for Ethanol Production”, International Biofuel Conference, Bali

Sediawan, W. B. dan Prasetya, A, 1997, Pemodelan dalam Teknik Kimia, Andi Offset.

Setiyorini, N. Dan Patricia, Y, 2014, Pembuatan Etanol Absolut dari Pod Kakao dengan Proses Distilasi dan Adsorpsi Menggunakan Adsorben Molecular Sieve 3A dan Silica Gel, Tugas Akhir D3, Universitas Negeri Semarang.

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 30

Strand, G., 2001, Activated Carbon for Purification of Alcohol and Some Useful Distillation Tips, ebook, Gert Stand, Malmoe, Sweden.

Taherzadeh, M. J., Karimi, K., 2007, “Acid-Based Hydrolysis Processes for Ethanol from Lignocellulosic Materials: A Review”, BioResour., 2, 472-499.

Laporan Akhir Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 31

LAMPIRAN 1

INSTRUMEN PENELITIAN

PENELITIAN UNGGULAN PERGURUAN TINGGI

PEMURNIAN BIOETANOL DARI BAGAS TEBU

MENGGUNAKAN

MOLECULAR SIEVES ADSORPTION-DISTILLATION

Oleh :

Dr. Megawati, S.T., M.T. NIDN. 0006117203 Drs. Said Sunardiyo, M.T. NIDN. 0012056509 Astrilia Damayanti S.T., M.T. NIDN. 0008097306

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

MARET 2015

Instrumen Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 1

PEMURNIAN BIOETANOL DARI BAGAS TEBU

MENGGUNAKAN

MOLECULAR SIEVES ADSORPTION-DISTILLATION

Permasalahan

1. Bagaimanakah desain alat untuk distilasi etanol dengan penjerap molekul skala laboratorium yang dapat digunakan untuk mencari parameter-parameter prosesnya, sehingga dapat dirancang untuk skala pilot plant.

2. Bagaimanakah pengaruh variabel proses, yaitu jenis bahan penjerap (gel silika dan karbon aktif), ukuran pori, dan waktu terhadap konsentrasi etanol yang dihasilkan.

3. Berapakah nilai koefisien perpindahan massa uap air dalam sistem etanol-air pada proses distilasi etanol dengan penjerap molekul.

4. Bagaimanakah persamaan kesetimbangan penjerapan uap air pada sistem distilasi etanol dengan penjerap molekul.

5. Bagaimana kondisi di lapangan tentang distilasi etanol yang sudah diterapkan di PT Madubaru untuk mendapatkan etanol sampai kadar azeotropnya.

6. Bagaimanakah langkah-langkah tepat membangun instalasi tambahan untuk memurnikan etanol sampai kadar di atas azeotropnya menggunakan distilasi dengan penjerap molekul di PT Madubaru.

Tujuan

1. Rancang bangun alat distilasi dengan penjerap molekul skala laboratorium. 2. Melakukan optimasi kondisi proses, yaitu jenis bahan penjerap (gel silika dan

karbon aktif), ukuran pori, dan waktu pada distilasi etanol dengan penjerap molekul sampai kadarnya melampaui azeotropnya.

3. Mencari koefisien transfer massa dan persamaan kesetimbangan adsorpsi yang sesuai untuk distilasi etanol dengan penjerap molekul menggunakan gel silika dan karbon aktif.

4. Melakukan analisis eksploartif dan deskriptif tentang distilasi etanol di PT Madubaru dalam rangka menyusun langkah-langkah tepat untuk melakukan proses pemurnian lanjut sampai kadar di atas etanol teknis yang sudah dihasilkan.

Instrumen Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 2

Urgensi Penelitian

Penelitian ini akan menghasilkan alat distilasi dengan penjerap molekul skala laboratorium dan diaplikasikan untuk melakukan pemurnian etanol dari hasil fermentasi hidrolisat bagas tebu sampai mencapai kadar etanol di atas kadar teknisnya (95%). Jadi, hasil penelitian ini akan memberikan jawaban nyata bahwa biomassa lignoselulosa dapat dikonversi menjadi etanol, yang dapat dimanfaatkan untuk bahan bakar kendaraan bermotor. Target dari penelitian ini adalah untuk membuat etanol memiliki tingkat kemurnian di atas kadar azeotrop menggunakan cara distilasi dengan penjerap molekul.

Melalui alat yang dibuat ini, nilai-nilai parameter distilasi bioetanol dengan penjerap molekul, seperti koefisien perpindahan massa serta persamaan kesetimbangan dapat ditemukan. Hal ini penting untuk perhitungan desain perancangan sistem pemurnian etanol hingga mencapai kadar kemurnian tinggi untuk skala industri. Selain itu, hubungan antara variasi bahan penjerap dan ukuran pori terhadap kenaikan konsentrasi etanol hasil distilasi dapat diketahui, sehingga dapat dipilih bahan penjerap yang lebih menguntungkan. Berarti, hasil penelitian ini dapat diaplikasikan untuk industri etanol yang masih menghasilkan etanol teknik (95%), seperti Bekonang dan Madubaru-Yogyakarta. Jadi, bagi ilmu pengetahuan dan teknologi, penelitian ini akan memberikan manfaat untuk melakukan rekayasa proses industri kimia, terutama industri etanol.

Instrumen Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 3         t y t y S y y S a k x y

G _{y b G}

        . . . *) .( . .  

State of The Art

Pada sistem distilasi dengan penjerap molekul (Gambar 1), salah satu kompoenen uap akan dijerap supaya komposisinya berubah, maka titik azeotropnya terlampaui. Jika kebutuhan adsorbennya memenuhi sampai komposisinya murni, maka tidak perlu didistilasi. Namun, bila kebutuhan adsorbennya sangat banyak, pemurnian dapat dilanjutkan menggunakan distilasi lagi.

Gambar 1. Elemen Volum Distilasi dengan Penjerap Molekul

Model neraca massa untuk distilasi tipe ini dapat dikembangkan menjadi model tanpa adanya dispersi aksial (model satu) dan dengan adanya dispersi aksial (model 2). Pada model satu, neraca massa etanol dituliskan seperti berikut ini.

Rin - Rout - Rreaksi = Rakumulasi

G.y(z)– G.y(z+z) + kya (y – y*).S.z + 0 = S.z.b.G. (1)

Penyelesaian persamaan (1) dituliskan sebagai berikut:

(2) dengan: G = mol etanol/waktu

y = mol H2O/mol etanol

G = mol etanol/volum

z z + z

Uap, G yin

Uap, G yout

Instrumen Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 4         t x *) (y y a k x x b y _         * * . y y x 0 *) .( . .      y y S a k x y G y

Sementara itu, neraca massa H2O dapat dituliskan seperti persamaan (3) dan (4).

kya (y – y*).S.z – 0 = S.z.b.G. (3)

(4) dengan: b = g adsorber/volum bed

x = konsentrasi etanol

Persamaan kesetimbangan sistem penjerapan air dalam etanol-air yang digunakan dituliskan seperti persamaan (5).

(5) Pada distilasi yang mencapai kondisi squasi-steady state, maka persamaan (2) dapat disederhanakan menjadi persamaan berikut.

(6) Persamaan (4), (5), dan (6), dapat diselesaikan secara simultan jika tersedia data komposisi etanol setiap satuan waktu dan persamaan kesetimbangan adsorbsinya. Kesetimbangan adsorbsi dapat dicari dengan membuat grafik seperti berikut (Gambar 2), sehingga persamaan (5) dapat ditemukan.

Gambar 2. Grafik 1/x versus 1/y* pada Kesetimbangan Adsorbsi Etanol-Air (dengan y* = komposisi jenuh uap air di fase uap)

Persamaan diferensial simultan di atas dapat diselesaikan menggunakan metode curve-fitting. Nilai-nilai parameter yang dipilih adalah yang memberikan nilai Sum Square of Errors minimum (SSE). Persamaan SSE yang dipakai dituliskan sebagai persamaan (7) berikut (Sediawan dan Prasetya, 1997).

(7) 1/x 1/y * 1/  / 2 ) (C_Dhitung C_Ddata SSE





Instrumen Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 5 t y S y y S a k z y S D z y

G ax y b G _

          . . . *) .( . . . . ₂ 2   ) ) (z t y         ) (z z

z y                   t y 0 *) .( . . . . ₂ 2         y y S a k z y S D z y

G ax y

Pada model kedua, yaitu model dengan memperhitungkan dispersi aksial, neraca massa etanol dapat disusun sebagai persamaan (8) berikut.

(G.y(z)– Dax.S. – (G.y(z+z) - Dax.S. + kya (y – y*).S.z) + 0

= S.z.b.G. (8)

Penyelesaian persamaan (8) dituliskan sebagai berikut:

(9)

Sementara itu, neraca massa H2O di gas pada elemen volum seperti pada model

satu, seperti persamaan (3) dan dapat disederhanakan seperti persamaan (4). Persamaan kesetimbangan sistem penjerapan air dalam etanol-air yang digunakan dituliskan seperti persamaan (5). Pada distilasi yang mencapai kondisi

squasi-steady state, maka persamaan (9) dapat disederhanakan menjadi persamaan

berikut.

(10) Persamaan (4), (5), dan (10), dapat diselesaikan secara simultan jika tersedia data komposisi etanol setiap satuan waktu dan persamaan kesetimbangan adsorpsinya.

Instrumen Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 6

BAB III. METODE PENELITIAN

Bahan

Bahan-bahan yang digunakan meliputi bahan baku bioetanol hasil fermentasi dengan yeast dan bahan-bahan kimia yang digunakan untuk penjerap (karbon aktif dan gel silika). Beberapa jenis karbon aktif dan gel silika gel di pasaran akan dicoba untuk menemukan formula mekanisme penjerap yang sesuai dengan mekanisme sebenarnya dan untuk memudahkan aplikasi di lapangan.

Cakupan Penelitian

Penelitian dilakukan dalam empat tahap, yaitu studi pustaka (untuk merancang alat distilasi dengan penjerap molekul skala laboratorium dan memesannya), kegiatan di laboratorium, kegiatan menggunakan perangkat komputer, dan survei ke PT Madubaru sebagai tahapan analisis eksploratif dan deskriptif di lapangan. Kegiatan di laboratorium meliputi dua tahap, yaitu distilasi tradisional dan distilasi dengan penjerap molekul. Distilasi tradisional bertujuan untuk meningkatkan konsentrasi bioetanol hasil fermentasi sedikit di bawah titik azeotropnya, sedangkan distilasi dengan penjerap untuk meningkatkan kadar etanol melampaui titik azeotropnya.

Berdasarkan data konsentrasi konsentrasi etanol hasil distilasi kedua (distilasi dengan penjerap molekul) pada variasi kondisi, diusulkan model matematika yang diharapkan dapat menjelaskan hubungan antara nilai masing-masing variabel dengan konsentrasi etanol dan nilai-nilai optimumnya dan mencari parameter perpindahan massa dan persamaan kesetimbangan. Persamaan matematika untuk mendapatkan nilai parameter tersebut merupakan persamaan diferensial simultan, yang memerlukan bahasa program, yaitu secara analitis menggunakan MATLAB atau secara numerik menggunakan EXCEL.

Variabel Penelitian

Variabel penelitian hanya untuk distilasi dengan penjerap molekul, yaitu jenis penjerap (karbon aktif dan gel silika), ukuran pori, dan waktu.

Instrumen Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 7

Alat Percobaan

Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini adalah seperangkat alat untuk distilasi tradisional dan dengan penjerap molekul di Laboratorium Teknik Kimia Terpadu, Unnes serta peralatan untuk pengujian hasil. Peralatan distilasi dengan penjerap molekul dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Distilasi dengan Penjerap Molekul Prosedur Penelitian

Distilasi tradisional dilakukan secara berulang-ulang sampai mendapatkan kadar etanol 95% (mendekati kadar azeotrop). Selanjutnya, pemurnian dilanjutkan menggunakan distilasi dengan penjerap molekul pada variasi jenis adsorben dan ukuran pori. Setiap periode waktu tertentu, kadar etanol diikur. Periode waktu pengambilan sampel akan dioptimasi sampai mendapatkan kondisi yang mendekati kondisi optimumnya. Sampel yang sudah diambil diukur kadar etanolnya. Kondisi kesetimbangan sistem penjerapan air dicari dengan melakukan distilasi dengan penjerap molekul pada variasi konsentrasi etanol sampai kadar uap jenuhnya, yaitu komposisi uap tidak berubah lagi terhadap waktu.

Analisis hasil

Analisis konsentrasi etanol dalam sampel dilakukan menggunakan hubungan densitas dengan kadar etanol dan dilakukan di laboratorium Teknik Kimia Unnes, juga Gas Chromatography (GC). Alternatif lainnya, analisis etanol juga dapat dilakukan dengan Cawan Conway di laboratorium Chemix Pratama.

Instrumen Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 8

Luaran Penelitian

1. Artikel publikasi pada seminar internasional dengan topik pemodelan

molecular sieves adsorption-distillation etanol dari bagas tebu menggunakan

adsorben gel silika.

2. Artikel publikasi pada seminar internasional dengan topik pemodelan

molecular sieves adsorption-distillation etanol dari bagas tebu menggunakan

adsorben karbon aktif.

3. Rintisan kerjasama riset dengan PT Madubaru tentang pemurnian etanol.

Organisasi Tim

Tabel 1. Organisasi Tim Penelitian

No. Nama / NIDN Instansi Bidang Ilmu

Alokasi Waktu

Uraian Tugas

1 Dr.Megawati, S.T., M.T./0006117203

Unnes Teknik Kimia

20 (jam/minggu)

•mengkoordinir

•merancang pelaksanaan •mengambil dan

mengolah data •membuat laporan dan

artikel 3 Drs. Said

Sunardiyo, M.T /0012056509

Unnes Teknik Elektro

10 (jam/minggu)

•melakukan analisis eksploratif dan deskriptif di PT Madubaru

•Merancang program perhitungan

•Melakukan analisis aplikasi lanjut untuk PT Madubaru 2 Astrilia D, S.T.,

M.T./0008097306

Unnes Teknik Kimia

10 (jam/minggu)

•melaksanakan detoksifkasi

Instrumen Hibah Penelitian Unggulan Universitas Negeri Semarang 2015 9

Anggaran Biaya

Tabel 2. Anggaran Biaya Penelitian

NO Jenis Pengeluaran Biaya yang Diusulkan

1 Honor Tim Peneliti 8.012.000

2 Peralatan Penunjang 2.750.000

3 Bahan Habis Pakai 8.250.000

4 Perjalanan 4.240.000

5 Lain-lain 4.248.000

Jumlah 27.500.000

Jadwal Pelaksanaan

Tabel 3. Jadwal Pelaksanaan

No. Kegiatan Bulan

1 2 3 4 5 6 7

1. Penelusuran pustaka 2. Persiapan bahan 3. Distilasi tradisional 4. Distilasi dengan penjerap

molekul 5. Optimasi

6. Menyelesaikan pemodelan 7. Penyusunan Artikel 8. Penulisan laporan

LAMPIRAN 2

PERSONALIA TIM PENELITI

No. Nama / NIDN Instansi Bidang Ilmu

Alokasi Waktu

Uraian Tugas

1 Dr.Megawati, S.T., M.T./0006117203

Unnes Teknik Kimia

20 (jam/minggu)

• mengkoordinir

• merancang pelaksanaan

• mengambil dan mengolah data

• membuat laporan dan artikel

3 Drs. Said

Sunardiyo, M.T /0012056509

Unnes Teknik Elektro

10 (jam/minggu)

• melakukan analisis eksploratif dan deskriptif di PT Madubaru

• Merancang program perhitungan

• Melakukan analisis aplikasi lanjut untuk PT Madubaru

2 Astrilia D, S.T., M.T./0008097306

Unnes Teknik Kimia

10 (jam/minggu)

•melaksanakan detoksifkasi

•melakukan optimasi

LAMPIRAN 3

SURAT PERJANJIAN PENELITIAN

LAMPIRAN 4

TBFU_A_1110774.3d (Style 3) (210£297mm) 14-11-2015 15:17

PROOF COVER SHEET

Author(s): Megawati Wahyudi Budi Sediawan, Hary Sulistyo and Muslikhin Hidayat Article title: Sulfuric acid hydrolysis of various lignocellulosic materials and its mixture

in ethanol production Article no: 1110774

Enclosures: 1) Query sheet 2) Article proofs

Dear Author,

1. Please check these proofs carefully. It is the responsibility of the corresponding author to check these and approve or amend them. A second proof is not normally provided. Taylor & Francis cannot be held responsible for uncorrected errors, even if introduced during the production process. Once your corrections have been added to the article, it will be considered ready for publication.

Please limit changes at this stage to the correction of errors. You should not make trivial changes, improve prose style, add new material, or delete existing material at this stage. You may be charged if your corrections are excessive (we would not expect corrections to exceed 30 changes).

For detailed guidance on how to check your proofs, please paste this address into a new browser window: http://journalauthors.tandf.co.uk/ production/checkingproofs.asp

Your PDF proof file has been enabled so that you can comment on the proof directly using Adobe Acrobat. If you wish to do this, please save the file to your hard disk first. For further information on marking corrections using Acrobat, please paste this address into a new browser window: http://journalauthors.tandf.co.uk/production/acrobat.asp

2. Please review the table of contributors below and confirm that the first and last names are structured correctly and that the authors are listed in the correct order of contribution.This check is to ensure that your name will appear correctly online and when the article is indexed.

Sequence Prefix Given name(s) Surname Suffix

1 Megawati

2 Wahyudi Budi Sediawan

3 Hary Sulistyo

TBFU_A_1110774.3d (Style 3) (210£297mm) 14-11-2015 15:17

Queries are marked in the margins of the proofs, and you can also click the hyperlinks below.

Content changes made during copy-editing are shown as tracked changes. Inserted text is inred fontand revisions have a blue indicator_F

n.

Changes can also be viewed using the list comments function. To correct the proofs, you should insert or delete text following the instructions below, butdo not add comments to the existing tracked changes.

AUTHOR QUERIES

General points:

1. Permissions: You have warranted that you have secured the necessary written permission from the appropriate copyright owner for the reproduction of any text, illustration, or other material in your article. Please see http://journalauthors.tandf.co.uk/ permissions/usingThirdPartyMaterial.asp.

2. Third-party content: If there is third-party content in your article, please check that the rightsholder details for re-use are shown correctly.

3. Affiliation: The corresponding author is responsible for ensuring that address and email details are correct for all the co-authors. Affiliations given in the article should be the affiliation at the time the research was conducted. Please seehttp://journalauthors. tandf.co.uk/preparation/writing.asp.

4. Funding: Was your research for this article funded by a funding agency? If so, please insert ‘This work was supported by<insert

the name of the funding agency in full>’, followed by the grant number in square brackets ‘[grant number xxxx]’.

5. Supplemental data and underlying research materials: Do you wish to include the location of the underlying research materials (e.g. data, samples or models) for your article? If so, please insert this sentence before the reference section: ‘The underlying research materials for this article can be accessed at_<full link_>/ description of location [author to complete]’. If your article includes supplemental data, the link will also be provided in this paragraph. See_<http://journalauthors.tandf.co.uk/preparation/multimedia.asp_>for further explanation of supplemen-tal data and underlying research materials.

6. TheCrossRef database(www.crossref.org/) has been used to validate the references. Resulting changes are tracked inredfont.

Q1. AU: Please clarify the unit, it has become corrupted

Q2. AU: lignocelulosed: do you mean lignocellulose

Q3. AU: non-isothermis: what is this term?

Q4. AU: You have used the phrase “Hydrolysis kinetics was expressed using homogeneous with sugar degradation model

…to verify mass balance of sugar concentrations” in all of the figure captions. Please check the sense of this sentence

Q5. AU: The CrossRef database (www.crossref.org/) has been used to validate the references. Mismatches between the original manuscript and CrossRef are tracked in red font. Please provide a revision if the change is incorrect.

Q6. AU: Please provide missing page numbers for the “[14]” references list entry.

Q7. AU: Please provide year of publication for the “[24]” references list entry.

Q8. AU: Please provide volume number for the “[33]” references list entry.

Q9. AU: The reference “[40]” is listed in the references list but is not cited in the text. Please either cite the reference or remove it from the references list.

TBFU_A_1110774.3d (Style 3) (210£297mm) 14-11-2015 15:17

ethanol. At catalyst concentration of 0.18 mole/L, the homogeneous model with sugar degradation is better than without sugar degradation. Consequently, the hydrolysis of lignocellulosic materials with 0.18 mole/L of sulfuric acid will produce sugar which can be degradD242ed ata tem-perature of 180D243C. At high temperature (above D244180D245C), sugar degradation has occurred so the model with sugar degradation is more suitable compared to the one without sugar degradation. Composition of hemicellulose, celluloseD246and lignin provides strong influence to hydroly-sis reaction rate. ThehigherD247thelignin content inthe raw material, the slowerthehydrolysis reaction rate.

Acknowledgement

This work was supported by Competence Research Grant by DIKTI 288/UN37.3.1/LT/2014.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

References Q5

[1] Samuel R, Pu Y, Foston M, et al. Solid-state NMR charac-terization of switchgrass cellulose after dilute acid pretreat-ment. Biofuels 2010;1:85 90.

[2] Quintero JA, Moncada J, Cardona CA. Techno-economic analysis of bioethanol production from lignocellulosic resi-dues in Colombia: A process simulation approach. Biores. Technol. 2013;139:300 307.

[3] Leskinen T, King AWT, Kilpelainen I, et al. Fractionation of lignocellulosic Materials using ionic liquids: Part 2. Effect of particle size on the mechanisms of fractionation. Ind. Eng. Chem. Res. 2013;52:3958 3965.

[4] Wertheim E, Jeskey H. Introductory organic chemistry. 3rd ed. New York: McGraw-Hill Book Company Inc.

[5] Rowell RM, Pettersen R, Han JS, et al. Cell wall chemistry. In: Rowell RM editor. Handbook of wood chemistry and wood composities. Boca Raton: CRC Press; 2005. p.35 74.

[6] Palmqvist E, Hagerdal BH. Fermentation of Lignocellu-losic Hydrolysates. II: Inhibition and Detoxification. Bio-res. Technol. 2000;74:25 33.

[7] Demirbas A. The importance of bioethanol and biodiesel from biomass. Energy Sour. 2008;3:177 185.

[8] Taherzadeh MJ. Ethanol from Lignocellulose: Physiologi-cal Effects of Inhibitors and Fermentation Strategies, PhD Thesis. Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden; 1999.

[9] Badger PC. Ethanol from cellulose: a general review. In: Janick J, Whipkey A, editors. Trends in New Crops and New Uses. Alexandria, VA: ASHS Press; 2002. p. 17 21. [10] Gupta R, Sharma KK, Kuhad RC. Separate hydrolysis and

fermentation (SHF) of Prosopis juliflora, a woody sub-strate, for the production of cellulosic ethanol by Saccro-myces cerevisiae and Pichia stipitis-NCIM 3498. Biores. Technol. 2009;100:1214 1220.

[11] Binoj P, Sindhu R, Singhania RR, et al. Bioethanol produc-tion from rice straw: an overview. Biores. Technol. 2010;101:4767 4774.

[12] Kuhad RC, Gupta R, Khasa YP, et al. Bioethanol produc-tion from Lantana camara (red sage): Pretreatment,

sac-charification and fermentation. Biores. Technol.

2010;101:8348 8354.

[13] Rabelo S, Carrere H, Maciel Filho R, et al. Production of bioethanol, methane and heat from sugarcane bagasse in a biorefinery concept. Biores. Technol. 2011;102:1887 7895. [14] Chandel AK, Antunes FAF, Arruda PV, et al. Dilute acid hydrolysis of agro-residues for the depolymerization of hemicellulose: state-of-the-art. In: Silva SS, Chandel AK, editors. D-Xylitol. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag;

2012. Q6

[15] Njoku SI, Ahring BK, Uellendahl H. Pretreatment as the crucial step for a cellulosic ethanol biorefinery: testing the efficiency of wet explosion on different types of biomass. Biores. Technol. 2012;124:105 110.

[16] Shatalov AA, Pereira H. Xylose production from giant reed (Arundo donax L.): modeling and optimization of dilute acid hydrolysis. Carbohyd. Polym. 2012;87:210 217. [17] Karimi K, Kheradmandinia S, Taherzadeh MJ. Conversion

of rice straw to sugars by dilute-acid hydrolysis. Biomass Bioenergy 2006;30:247 253.

[18] Duque SH, Cardona CA, Moncada J. Techno-Economic and environmental analysis of ethanol production from 10 agroindustrial residues in Colombia. Energy Fuels. in press (2015).

[19] Latif F, Rajoka MI. Production of ethanol and xylitol from corn cobs by yeasts. Biores. Technol. 2001;77:57 63. [20] Govindaswamy S, Vane LM. Multi-stage continuous

cul-ture fermentation of Glucose-Xylose Mixcul-tures to fuel etha-nol using genetically engineered saccharomyces cerevisiae 424S. Biores. Technol. 2010;101:1277 1284.

[21] Canettieri EV, Rocha GJM, Carvalho JA, et al. Evaluation of the kinetics of xylose formation from dilute sulfuric acid hydrolysis of forest residues of Eucalyptus grandis. Ind. Eng. Chem. Res. 2007;46:1938 1944.

[22] Mosier NS, Ladish CM, Ladish MR. Characterization of acid catalytic domains for cellulose hydrolysis and glucose degradation. Biotechnol. Bioeng. 2002;79:610 618. [23] Torget RW, Kim JS, Lee YY. Fundamental aspects of

dilute acid hydrolysis/fractionation kinetics of hardwood carbohydrates. 1. cellulose hydrolysis. Ind. Eng. Chem. Res. 2000;39:2817 2825.

[24] Joksimovic G, Markovic Z. Investigation of the mecha-nism of acidic hydrolysis of cellulose. Acta Agriculturae

Serbia 12:51 57. Q7

[25] Kambu OJ. Studi Karakteristik Sampah Propinsi D.I. Yogyakarta Sebagai Alternatif Bahan Baku Dalam Pro-duksi Etanol, Master Thesis. Universitas Gadjah mada, Yogyakarta; 2008.

[26] Megawati , Sediawan WB, Hary S, et al. Pseudo-Homoge-nous kinetic of dilute acid hydrolysis of rice husk for etha-nol production: Effect of sugar degradation. Int. J. Eng. Appl. Sci. 2010;6(6):64 69.

[27] Megawati , Sediawan WB, Sulistyo H, et al. Kinetics of sequential reaction of hydrolysis and sugar degradation of

rice husk in ethanol production. Biores. Technol.

2011;102:2062 2067.

[28] Emerson R, Hoover A, Ray A, et al. Drought effects on composition and yield for corn stover, mixed grasses, and Miscanthus as bioenergy feedstocks. Biofuels 2015;5 (3):275 291.

[29] Girio FM, Fonseca C, Carvalheiro F, et al. Hemicelluloses

for fuel ethanol: a review. Biores. Technol.

2010;101:4775 4800.

[30] Herrera A, Tellez-Luis S, Gonzalez-Cabriales JJ, et al. Effect of hydrochloric acid concentration on the hydrolysis of sorghum straw at atmospheric pressure. J. Food Eng. 2004;63:103 109.

[31] Taherzadeh MJ, Karimi K. Acid-Based hydrolysis pro-cesses for ethanol from lignocellulosic materials: A review. BioResour. 2007;2:472 499.

[32] Datta R. Energy requirements for lignocellulose

pretreat-ment processes. Process Biochem. 1981, 16-19, 42.

520 525 530 535 540 545 550 555 560 565 570 575 575 580 585 590 595 600 605 610 615 620 625 630 635 640 Biofuels 9

TBFU_A_1110774.3d (Style 3) (210£297mm) 14-11-2015 15:17

Demirbas A. Bioethanol from cellulosic materials: a renewable motor fuel from biomass. Energy Sour. 2005;27:327 337.

[33] Chandel AK, Silva SS, Singh OV. Detoxification of ligno-cellulose hydrolysates: biochemical and metabolic engi-neering toward white biotechnology. Bioenerg. Res. 05 August (2012

Q8 ).

[34] Hendriks ATWM, Zeeman G. Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass. Biores. Technol. 2009;100:10 18.

[35] O’Brien DJ, Senske GE, Kurantz MJ, et al. Ethanol recov-ery from corn fiber hydrolysate fermentations by pervapo-ration. Biores. Technol. 2004;92:15 19.

[36] Saracoglu NE, Mutlu SF, Dilmac F, et al. A comparative kinetic study of acidic hemicellulose hydrolysis in corn

cob and sunflower seed hull. Biores. Technol.

1998;65:29 33.

[37] Taherzadeh MJ, Niklasson C. Ethanol from Lignocellu-losic Materials: Pretreatment, Acid and Ezymatic Hydroly-sis and Fermentation. 3 ed. New Jersey: Prentice-Hall International, Inc; 2003. p. 6 9.

[38] Demirbas A. Bioethanol from cellulosic materials: a renewable motor fuel from biomass. Energy Sour. 2005;27:327 337.

[39] Saeman JF. Kinetics of wood saccharification. Ind. Eng. Chem. 1945;37:43 52.

[40] Johnstone RE, Thring MW. Pilot plants, models, and Scale-up methods in chemical engineering. New York:

McGraw-Hill Book Company, Inc; 1957. Q9

645

650

655

660

660

665

670

LAMPIRAN 5

DOKUMENTASI

Gambar Alat Adsoptive-distillation

Gambar Kolom Adsorpsi

Gambar Etanol setelah Dimurnikan