firman
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
TUGAS AKHIR
PRARANCANGAN PABRIK ETANOL
DARI MOLASE DENGAN PROSES FERMENTASI KONTINYU
KAPASITAS 5.000 KILOLITER/TAHUN
Oleh :
1. Firman Asto Putro
( I 0508044 )
2. Yohanes Sigit Kurniawan
( I 0508070 )
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2012
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdulillah, segala puji hanya bagi Tuhan Yang Maha Esa,
karena limpahan rahmat dan hidayah-Nya, penulis akhirnya dapat menyelesaikan
y s
L
g s A hi
g
j
“P
c g
P bi E
Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyu Kapasitas 5.000 kL h
i
”.
Dalam penyusunan tugas akhir ini penulis memperoleh banyak bantuan
dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin mengucapkan terima kasih
kepada :
1. Dr. Sunu H. Pranolo selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia atas bimbingannya.
2. Ir. Endah Retno D., M.T. dan Ir. Paryanto, M.S. selaku dosen pembimbing atas
bimbingan dan arahannya dalam penyelesaian tugas akhir ini.
3. Dr. Sunu H. Pranolo dan Wirawan Cipto Nugroho S.T.,M.S. selaku dosen
penguji tugas akhir ini.
4. Seluruh dosen, laboran, dan administrasi Jurusan Teknik Kimia atas ilmu,
arahan, dan bantuannya selama ini.
5. Teman –
i ’ 8 UNS untuk semangatnya, we are the best!!
6. Seluruh pihak yang telah membantu, yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa laporan tugas akhir ini masih jauh dari
sempurna. Oleh karena itu, penulis membuka diri terhadap segala saran dan kritik.
Semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca
sekalian.
Surakarta, Juli 2012
commit to user
iii
Penulis
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
commit to user
iii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR ISI
Halaman Judul..................................................................................................... i
Lembar Pengesahan ............................................................................................ ii
Kata Pengantar .................................................................................................... iii
Daftar Isi.............................................................................................................. iv
Daftar Tabel ........................................................................................................ viii
Daftar Gambar ..................................................................................................... x
Intisari ................................................................................................................. xi
BAB I
PENDAHULUAN .....................................................................1
1.1. Latar Belakang Pendirian Pabrik ............................................. 1
1.2. Kapasitas Perancangan ............................................................. 2
1.3. Penentuan Lokasi Pabrik .......................................................... 4
1.4. Tinjauan Pustaka ...................................................................... 6
1.4.1
Macam-Macam Proses Pembuatan Etanol ................... 6
1.4.2
Alasan Pemilihan Proses .............................................. 11
1.4.3
Kegunan Produk ........................................................... 12
1.4.4
Sifat – sifat Fisis dan Kimia ......................................... 12
1.4.4.1 Sifat-sifat Fisis dan Kimia Bahan Baku ........... 12
1.4.4.2 Sifat-sifat Fisis dan Kimia Produk ................... 14
1.4.5
BAB II
Konsep Proses .............................................................. 15
DESKRIPSI PROSES ................................................................16
2.1. Spesifikasi Bahan baku dan Produk ......................................... 16
2.1.1
commit to user
Spesifikasi Bahan Baku................................................ 16
iv
perpustakaan.uns.ac.id
2.1.2
digilib.uns.ac.id
Spesifikasi Produk........................................................ 17
2.2. Konsep Proses .......................................................................... 17
2.2.1
Dasar Reaksi................................................................. 17
2.2.2
Tinjauan Termodinamika ............................................. 18
2.2.3
Tinjauan Kinetika ......................................................... 20
2.2.4
Kondisi Operasi ............................................................ 21
2.3. Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses ................................ 22
2.3.1
Diagram Alir Proses ..................................................... 22
2.3.2
Tahapan Proses............................................................. 25
2.3.2.1 Tahap Penyiapan Bahan Baku ......................... 25
2.3.2.2 Tahap Proses Reaksi ........................................ 26
2.3.2.3 Tahap Pemurnian Produk ................................. 26
2.4. Neraca Massa dan Neraca Panas .............................................. 28
2.4.1
Neraca Massa ............................................................... 28
2.4.2
Neraca Panas ................................................................ 32
2.5. Lay Out Pabrik dan Peralatan .................................................. 37
2.5.1
Lay Out Pabrik ............................................................. 37
2.5.2
Lay Out Peralatan ......................................................... 39
BAB III
SPESIFIKASI PERALATAN PROSES .......................................41
BAB IV
UNIT PENDUKUNG PROSES DAN LABORATORIUM..............57
4.1. Unit Pendukung Proses ............................................................ 57
4.1.1
Unit Pengadaan Air ...................................................... 58
4.1.2
Unit Pengadaan Steam.................................................. 66
4.1.3
commit to user
Unit Pengadaan Udara Tekan....................................... 68
v
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
4.1.4
Unit Pengadaan Listrik................................................. 69
4.1.5
Unit Pengadaan Bahan Bakar....................................... 74
4.1.6
Unit Pembuatan Biokatalis ........................................... 75
4.2. Unit Pengolahan Limbah.......................................................... 76
4.2.1
Pengolahan Limbah Padat ............................................ 76
4.2.2
Pengolahan Limbah Cair .............................................. 76
4.2.3
Pengolahan Limbah Gas .............................................. 77
4.3. Laboratorium ............................................................................ 77
4.3.1
BAB V
Laboratorium Analisa................................................... 79
MANAJEMEN PERUSAHAAN..................................................84
5.1
Bentuk Perusahaan ................................................................... 84
5.2
Struktur Organisasi .................................................................. 85
5.3
Tugas dan Wewenang .............................................................. 88
5.4
5.3.1
Pemegang Saham ......................................................... 88
5.3.2
Dewan Komisaris ......................................................... 88
5.3.3
Dewan Direksi .............................................................. 88
5.3.4
Kepala Bagian .............................................................. 90
5.3.5
Kepala Seksi ................................................................. 92
Pembagian Jam Kerja Karyawan ............................................. 92
5.4.1
Karyawan non shift ..................................................... 92
5.4.2
Karyawan Shift ............................................................ 92
5.5
Status Karyawan dan Sistem Upah .......................................... 94
5.6
Penggolongan Jabatan, Jumlah Karyawan, dan Gaji ............... 95
5.7
commit to user
Jaminan Sosial Tenaga Kerja ................................................... 97
vi
perpustakaan.uns.ac.id
BAB VI
digilib.uns.ac.id
ANALISA EKONOMI.................................................................99
6.1
Penaksiran Harga Peralatan...................................................... 100
6.2
Dasar Perhitungan .................................................................... 102
6.3
Penentuan (Total Capital Investment) ...................................... 102
6.4
Hasil Perhitungan ..................................................................... 104
Daftar Pustaka ..................................................................................................... xiii
Lampiran
commit to user
vii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1.
Produksi Tetes Pabrik Gula di Jawa Tengah dan Sekitarnya...... 3
Tabel 1.2.
Produksi Etanol di Indonesia ...................................................... 4
Tabel 1.3.
Kelebihan dan Kelemahan Proses Pembuatan Etanol................. 10
Tabel 1.4.
Perbandingan Proses Batch dan Proses Kontinyu....................... 11
Tabel 1.5.
Dasar Pemilihan Bahan Baku ..................................................... 12
Tabel 2.1.
Neraca Massa Overall Arus Input ............................................... 29
Tabel 2.2.
Neraca Massa Overall Arus Output ............................................ 30
Tabel 2.3.
Neraca Massa Mixer ................................................................... 30
Tabel 2.4.
Neraca Massa Reaktor Fermentasi .............................................. 31
Tabel 2.5.
Neraca Massa Filter .................................................................... 32
Tabel 2.6.
Neraca Massa Menara Destilasi I................................................ 32
Tabel 2.7.
Neraca Massa Menara Distilasi 1I .............................................. 33
Tabel 2.8.
Neraca Panas Mixer .................................................................... 33
Tabel 2.9.
Neraca Panas Reaktor Fermentasi............................................... 34
Tabel 2.10. Neraca Panas Filter ..................................................................... 35
Tabel 2.11. Neraca Panas Menara Destilasi I ................................................ 36
Tabel 2.12. Neraca Panas Menara Destilasi II ............................................... 37
Tabel 3.1.
Spesifikasi Menara Destilasi ....................................................... 44
Tabel 3.2.
Spesifikasi Condensor ................................................................. 45
Tabel 3.3.
Spesifikasi Reboiler..................................................................... 47
Tabel 3.4.
Spesifikasi Accumulator .............................................................. 49
Tabel 3.5.
commit to user
Spesifikasi Tangki ....................................................................... 51
viii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Tabel 3.6.
Spesifikasi Heat Exchanger ........................................................ 53
Tabel 3.7.
Spesifikasi Pompa ....................................................................... 55
Tabel 4.1.
Kebutuhan Air Proses.................................................................. 59
Tabel 4.2.
Kebutuhan Air Pendingin ............................................................ 60
Tabel 4.3.
Kebutuhan Air Umpan Boiler ..................................................... 62
Tabel 4.4.
Kebutuhan Air Konsumsi Umum dan Sanitasi ........................... 63
Tabel 4.5.
Kebutuhan Air Sungai ................................................................. 63
Tabel 4.6.
Kebutuhan Listrik untuk Keperluan Proses dan Utilitas ............ 70
Tabel 4.7.
Jumlah Lumen ............................................................................. 71
Tabel 4.8.
Total Kebutuhan Listrik Pabrik Disuplai Generator .................. 72
Tabel 4.9.
Total Kebutuhan Listrik Pabrik Disuplai PLN ........................... 73
Tabel 4.10. Total Kebutuhan Bahan Bakar Pabrik ........................................ 74
Tabel 5.1.
Jadwal Pembagian Kelompok Shift ............................................. 94
Tabel 5.2.
Penggolongan Jabatan, Jumlah Karyawan, dan Gaji .................. 95
Tabel 6.1.
Indeks Harga Alat........................................................................ 101
Tabel 6.2.
Fixed Capital Investment ............................................................ 104
Tabel 6.3.
Working Capital Investment ........................................................ 105
Tabel 6.4.
Direct Manufacturing Cost ......................................................... 106
Tabel 6.5.
Indirect Manufacturing Cost ....................................................... 106
Tabel 6.6.
Fixed Manufacturing Cost ......................................................... 107
Tabel 6.7.
General Expense ......................................................................... 107
Tabel 6.8.
Analisa Kelayakan....................................................................... 111
commit to user
ix
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Lokasi Pabrik Etanol ................................................................... 6
Gambar 2.1. Diagram Alir Kualitatif ............................................................... 23
Gambar 2.2. Diagram Alir Kuantitatif ............................................................. 24
Gambar 2.3. Lay Out Pabrik Etanol ................................................................. 39
Gambar 2.4. Lay Out Peralatan Proses............................................................. 40
Gambar 4.1. Skema Pengolahan Air Sungai .................................................. 59
Gambar 4.2. Skema Pembuatan Biokatalis ..................................................... 75
Gambar 5.1. Struktur Organisasi Pabrik Etanol ............................................... 87
Gambar 6.1. Grafik Linierisasi Indeks Harga .................................................. 102
Gambar 6.2. Grafik Analisa Kelayakan ........................................................... 113
commit to user
x
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
INTISARI
Firman Asto Putro, Yohanes Sigit Kurniawan, 2012, Prarancangan Pabrik
Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyu Kapasitas 5.000
kL/tahun, Jurusan Teknik Kimia, Universitas Sebelas Maret, Surakarta.
Etanol (C2H5OH) adalah bahan kimia yang digunakan untuk berbagai
industri (kosmetik, cat, farmasi, minuman berkarbonasi, pelarut, desinfektan dan
sebagai bahan bakar alternatif). Industri etanol saat ini menggunakan fermentasi
batch, untuk mengefisiensikan proses fermentasi maka dipertimbangkan pabrik
etanol menggunakan sistem fermentasi kontinyu. Pabrik etanol dari molase
dengan proses fermentasi kontinyu akan didirikan di Pati, Jawa Tengah pada
tahun 2016 dengan kapasitas 5.000 kL/tahun.
Pembuatan etanol ini melalui 3 tahap yaitu tahap persiapan bahan baku
dan biokatalis, fermentasi, serta pemurnian produk. Pada tahap persiapan bahan
baku, molase dilewatkan filter untuk menghilangkan pengotor padat seperti serat.
Setelah itu molase diencerkan menjadi larutan glukosa 15% berat. Pada persiapan
biokatalis, yeast Saccharomyces cereviseae diimobilisasi dengan menggunakan
kalsium alginat. Tahap fermentasi dilakukan dalam reaktor single bed yang berisi
dengan tumpukan biokatalis dengan kondisi operasi suhu 300C, tekanan 1 atm,
dan pH 5. Tahap pemurnian produk, larutan etanol yang terbentuk dimurnikan
dengan menara distilasi untuk memperoleh larutan etanol 95%.
Unit pendukung proses meliputi unit pengadaan air (proses, pendingin,
umpan boiler, konsumsi umum & sanitasi) yang bersumber dari sungai Juwana
dengan kebutuhan sebesar 34.140 kg/jam, unit pengadaan steam dengan
kebutuhan 6.945 kg/jam, unit pengadaan listrik sebesar 371,02 kW dari PLN dan
generator, unit pengadaan bahan bakar batubara 592 kg/jam dan IDO 0,25 L/kWh,
unit pengadaan udara tekan sebesar 160 m3/jam, unit pembuatan biokatalis untuk
membuat yeast Saccharomyces cereviseae terimobilisasi dan unit pengolahan
limbah. Limbah cair diolah secara aerob dan anaerob untuk menghasilkan biogas.
Limbah padat diolah menjadi pupuk dan limbah gas dibuang ke udara bebas.
Pabrik juga didukung dengan laboratorium yang berfungsi untuk mengontrol
kualitas bahan baku (spektrofotometer, hidrometer, viskometer tube), produk (karl
fischer titrator , GC) dan proses produksi (karl fischer titrator , pH meter, GCMS).
Bentuk perusahaan yang dipilih adalah Perseroan Terbatas dengan struktur
line and staff. Jumlah kebutuhan tenaga kerja sebanyak 202 orang.
Hasil analisis ekonomi didapatkan Rate of Return (ROI) sebesar 24,12%
sebelum pajak dan 18,09% sesudah pajak. Pay Out Time (POT) didapatkan
sebesar 3,11 tahun sebelum pajak dan 3,83 tahun sesudah pajak. Break Even Point
(BEP) sebesar 51,90%, Shut Down Point (SDP) sebesar 31,96%, dan Discounted
Cash Flow (DCF) sebesar 19,13%. Dari hasil analisa ekonomi dapat disimpulkan
pabrik etanol layak didirikan.
commit to user
xi
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Pendirian Pabrik
Sektor industri kimia banyak memegang peranan dalam memajukan
perindustrian di Indonesia. Di Indonesia kebutuhan akan etanol sangat tinggi,
karena etanol memiliki banyak manfaat, salah satunya adalah untuk industri
kosmetik, industri cat, industri farmasi, industri minuman berkarbonasi,
kebutuhan rumah sakit. Etanol juga memiliki sifat yang tidak beracun sehingga
dapat digunakan sebagai pelarut dalam industri makanan dan minuman. Etanol
dapat digunakan sebagai bahan bakar alternatif pengganti bensin (Gasohol).
Pembuatan etanol secara sintetis kebanyakan dilakukan melalui reaksi
hidrasi ethylene, namun cara tersebut membutuhkan bahan baku yang sulit
didapat dan kondisi operasi cukup tinggi. Sebagai alternative, bioetanol dapat
memecahkan permasalahan bahan baku dan kondisi operasi. Produksi bioetanol di
Indonesia sangat mungkin dilakukan, karena bahan baku bioetanol yang berasal
dari bahan nabati seperti molase, sorghum, nira aren, jagung, ubi-ubian, bahan
berserat yang berupa limbah pertanian mudah diperoleh dan selain itu kondisi
operasi produksi bioetanol dapat dilakukan pada tekanan dan suhu lingkungan.
Bioetanol yang diproduksi di Indonesia pada saat ini dilakukan dengan
cara fermentasi konvensional batch, cara ini memiliki kelemahan yaitu biaya
produksi mahal, produktivitas rendah dan proses produksi yang lama. Oleh karena
commit to user
1
Bab I Pendahuluan
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
itu, banyak negara – negara yang berinovasi mengembangkan produksi bioetanol
menggunakan fermentasi kontinyu. Dengan proses kontinyu diharapkan kapasitas
produksi bioetanol dapat meningkat, waktu proses fermentasi dapat berkurang
secara signifikan sehingga biaya produksi bioetanol tidak terlalu mahal.
1.2. Penentuan Kapasitas Pabrik
Ada beberapa pertimbangan dalam pemilihan kapasitas pabrik etanol
dari molase. Penentuan kapasitas pabrik dengan pertimbangan–pertimbangan
sebagai berikut :
1. Ketersediaan bahan baku
Produksi tetes atau molase di Jawa Tengah dan sekitarnya dapat dilihat pada
Tabel 1.1.
Tabel 1.1 Produksi Tetes Pabrik Gula di Jawa Tengah dan Sekitarnya
Pabrik
Produksi Tetes (ton/tahun)
Rajawali I
149.064
Rajawali II
89.881
PTPN IX
100.581
PT IGN
6.767
PG Trangkil
40.845
PG Madubaru
20.937
PG Pakis Baru
15.762
(Lipi.go.id)
commit to user
Bab I Pendahuluan | 2
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Dari tabel 1.1 tentang produksi tetes atau molase di Jawa Tengah
diketahui produksi tetes di Jawa Tengah dan sekitarnya rata – rata 60.548
ton/tahun. Kebutuhan tetes / molase untuk pabrik bioetanol / spiritus di Jawa
Tengah dan sekitarnya rata – rata 44.415 ton/tahun. Sehingga masih ada rata
– rata 16.133 ton/tahun tetes yang tidak digunakan.
2. Data pabrik etanol yang sudah didirikan di Indonesia beserta kapasitas
produksi etanol dapat dilihat pada Tabel 1.2.
Tabel 1.2 Produksi Etanol di Indonesia
Production Capacity
Nama Pabrik
Feedstock
(Kiloliter/tahun)
PT Aneka Kimia Nusantara
5.000
Molasses
PT Basis Indah
1.600
Molasses
PT Bukitmanikam Subur Persada
51.282
Molasses
PT Indo Acidama Chemical
42.000
Molasses
PT Madu Baru
6.720
Molasses
PT Molindo Raya Industrial
10.000
Molasses
PT Perkebunan Nusantara XI
6.000
Molasses
(Yudiarto dan Panaka, 2007)
Dari tabel 1.2 dapat dilihat bahwa kapasitas produk minimum
bioetanol agar dapat menghasilkan keuntungan adalah 1.600 kiloliter/tahun,
sedangkan kapasitas pabrik terbesar yang masih beroperasi adalah 51.282
kiloliter/tahun.
commit to user
Bab I Pendahuluan | 3
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Dengan mempertimbangkan faktor - faktor diatas maka dipilih
kapasitas pabrik etanol sebesar 5.000 kiloliter/tahun dengan kebutuhan bahan
baku tetes yang diharapkan dapat dipenuhi oleh produksi produksi tetes di
Jawa Tengah dan memberikan keuntungan secara komersial.
1.3. Penentuan Lokasi Pabrik
Letak
geografis
suatu
pabrik
sangat
berpengaruh
terhadap
kelangsungan pabrik tersebut. Beberapa faktor yang harus dipertimbangkan
untuk menentukan lokasi pabrik agar secara teknis dan ekonomis pabrik yang
didirikan akan menguntungkan antara lain: sumber bahan baku, pemasaran,
penyediaan tenaga listrik, penyediaan air, jenis transportasi, kebutuhan tenaga
kerja, perluasan areal pabrik, keadaan masyarakat, karakteristik lokasi,
kebijaksanaan pemerintah dan buangan pabrik.
Dengan mempertimbangkan beberapa faktor tersebut, maka pabrik
etanol akan didirikan di Kabupaten Pati, Jawa Tengah. Dengan pertimbangan
adalah sebagai berikut :
a. Penyediaan Bahan Baku
Dari tabel 1.1 dapat dilihat salah satu penghasil tetes terbesar adalah PG
Trangkil Pati yaitu sebesar 40.845 ton/tahun. Kebutuhan tetes untuk pabrik ini
sebesar 12.680 ton/tahun sehingga dapat tercukupi. Dengan pertimbangan
biaya transport untuk bahan baku yang lebih murah, bahan baku tetes
(molasses) dapat disuplai dari pabrik gula di sekitar daerah Pati.
commit to user
Bab I Pendahuluan | 4
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
b. Pemasaran Produk
Etanol banyak digunakan untuk industri jamu,industri kosmetik, industri
makanan minuman, industri obat – obatan, dan industri yang lain, maupun
rumah sakit yang ada di sekitar Jawa Tengah.
c. Sarana Transportasi
Sarana dan prasarana transportasi sangat diperlukan untuk proses penyediaan
bahan baku dan pemasaran produk. Pengangkutan bahan baku dan produk
menggunakan jalur darat, dimana memberi kemudahan dalam pengoperasian
melalui fasilitas jalan raya.
d. Utilitas
Sarana pendukung seperti tersedianya air dari air tanah dan Sungai Juwana,
listrik diperoleh dari pasokan listrik Jawa - Bali dan lainnya diperlukan agar
proses produksi dapat berjalan dengan baik. Kebutuhan air dapat diambil dari
air sungai. Sedangkan listrik dari PLN UPJ Pati dan generator sebagai
cadangan. Kebutuhan bahan bakar Industrial Diesel Oil berasal dari Pertamina
dan batu bara berasal dari Kaltim Prima Coal.
e. Tenaga Kerja
Tersedianya tenaga kerja yang terampil diperlukan untuk menjalankan mesin
produksi. Tenaga kerja dapat direkrut dari Pati dan sekitarnya.
f. Buangan pabrik/limbah
Limbah cair berupa vinase yang berasal dari proses diolah terlebih dahulu di
Unit Pengolahan Limbah kemudian dibuang ke Sungai Juwana.
commit to user
Bab I Pendahuluan | 5
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Berikut adalah lokasi pendirian pabrik :
Gambar 1.1 Lokasi Pabrik Etanol
1.4. Tinjauan Pustaka
1.4.1. Macam – macam proses pembuatan etanol
Dalam industri dikenal 2 (dua) cara pembuatan etanol, yaitu:
1. Cara synthetic
commit to user
Bab I Pendahuluan | 6
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Adalah suatu proses pembuatan alkohol yang sama sekali tidak
menggunakan aktivitas enzim atau jasad renik.
Cara ini ada 2 macam, antara lain :
a. Catalytic hydration of ethylene process
Cara ini dilakukan dengan membuat ethylene lebih dahulu dengan
craking minyak bumi, kemudian gas hasil ethylene dihirolisa dengan
katalis asam menjadi etanol.
Reaksi :
CH2 = CH2 + H2O →
C2H5OH
b. Sulfuric acid hydration of ethylene process
Ethylene ditambah H2SO4 (pekat) menghasilkan ethylhidro sulfonat.
Kemudian hasil ini ditambahkan diethyl dan dihidrolisis sehingga
terjadi etanol dan asam encer.
Reaksi :
CH2 = CH2 + H2SO4 → C2H5OSO2OH
2 CH2 = CH2 + H2SO4 → C2H5OSO2C2H5
C2H5OS2OH5 + C2H5OSO2C2H5 → 3C2H5OH + H2SO4
2. Cara Fermentasi
Fermentasi dapat juga didefinisikan sebagai suatu proses biokimia yang
menghasilkan energi, dimana komponen organik sebagai penerima energi.
Fermentasi merupakan proses metabolisme dimana terjadi perubahan
commit to user
Bab I Pendahuluan | 7
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
kimia dalam substrat/bahan organik karena aktivitas enzim yang
dihasilkan jasad renik. Sebagai substrat adalah glukosa dan jasad reniknya
adalah Saccharomyces cereviseae. Bila bahan dasarnya karbohidrat maka
perlu dilakukan hidrolisis terlebih dulu sehingga menjadi gula (glukosa)
untuk kemudian difermentasi.
Reaksi :
C6H12O6
Glukosa
→
2C2H5OH
Etanol
+
2CO2
Karbondioksida
(Faith Keyes, 1950)
commit to user
Bab I Pendahuluan | 8
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Tabel 1.3 Kelebihan dan Kelemahan Proses Pembuatan Etanol
Proses
Kondisi Operasi
Kelebihan
Kelemahan
-
Bahan baku
Catalytic
hydration of
ethylene
Yield etanol yang
minyak bumi
dihasilkan tinggi
terbatas
P : 1,36 atm
o
T : 300 C
yakni 95%
-
Kondisi operasi
process
cukup tinggi
-
Bahan baku
Sulfuric acid
hydration of
ethylene
Yield etanol yang
minyak bumi
dihasilkan tinggi
terbatas
P : 69,06 atm
T : 298 o C
yakni 95%
-
Kondisi operasi
process
cukup tinggi
-
Yield etanol cukup
-
Perlu pemisahan
tinggi yakni 90%
produk
P : 1 atm
Fermentasi
-
Bahan baku dari
-
o
T : 30 C
Kondisi operasi
bahan nabati yang
harus sangat
mudah diperoleh
dijaga.
-
Konstruksi murah
Dari tabel 1.3 proses pembuatan etanol yang dipilih adalah proses pembuatan
etanol secara fermentasi (bioetanol)
commit to user
Bab I Pendahuluan | 9
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Tabel 1.4 Perbandingan Proses Batch dan Proses Kontinyu
Batch
Kontinyu
Terdapat beberapa unit yang didesign
Terdapat beberapa unit yang beroperasi
untuk memulai dan berhenti secara
24 jam/hari, 7 hari/minggu, plant shut
berkala (siklus batch)
down hanya untuk maintenance
Kapasitas produksi lebih kecil dari 10 x Kapasitas produksi lebih besar dari 10
106 lb/tahun
x 106 lb/tahun
Produk biasanya disesuaikan dengan
Produk yang dihasilkan hanya 1
musim (seasonal), dalam satu plant
produk utama dan tidak terpengaruh
dapat menghasilkan lebih dari 1 produk
oleh musim
utama
Waktu reaksi yang sangat lama
Waktu reaksi singkat
Pada satu vessel dapat digunakan lebih
Satu vessel hanya untuk satu macam
dari satu macam operasi
operasi
Membutuhkan lebih banyak alat
Alat pengendalian proses yang
pengendalian proses
dibutuhkan tidak terlalu banyak
(Douglas, 1988)
Dari tabel 1.4 produksi bioetanol dengan proses fermentasi kontinyu lebih dipilih
dari pada fermentasi konvensional batch
commit to user
Bab I Pendahuluan | 10
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Tabel 1.5 Dasar Pemilihan Bahan Baku
Dasar Pemilihan
Molase
Pati
Ethylene
Perlu (diubah
Pretreatment
Tidak perlu
Tidak perlu
menjadi glukosa)
Mudah (tebu,
Mudah (jagung,
sorghum, molasses)
singkong, kentang)
Terbarukan
Terbarukan
Tidak Terbarukan
Tinggi (bahan
Tinggi (bahan
baku)
baku)
250 liter etanol/1000
200 liter
166 liter
kg
etanol/1000 kg
etanol/1000 kg
Sulit
Ketersediaan
Sifat
Nilai guna
Rendah (limbah)
Yield
Dari tabel 1.5 bahan baku yang dipilih untuk produksi bioetanol adalah bahan
baku berbasis gula, yaitu tetes atau molase.
1.4.2. Alasan Pemilihan Proses
Dari tabel 1.3, 1.4 dan 1.5 maka dipilih pembuatan bioetanol dengan cara
fermentasi proses kontinyu dan bahan baku tetes/molase. Pertimbangan
pemilihan proses ini adalah :
1. Konversi etanol dengan proses kontinyu yang relatif tinggi yaitu 93%
2. Prosesnya relatif sederhana dan ramah lingkungan.
commit to user
Bab I Pendahuluan | 11
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
3. Kondisi operasi sangat menguntungkan jika ditinjau dari segi keamanan
dan perancangan alat. Hal ini dapat berpengaruh pada biaya perancangan
alat yang lebih murah.
4. Harga bahan baku yang murah, karena bahan baku merupakan limbah.
5. Bahan baku mudah diperoleh.
1.4.3. Kegunaan Produk
Kegunaan etanol adalah sebagai berikut :
1. Sebagai bahan pelarut, misalnya pelarut cat, pelarut minyak, dan lain –
lain.
2. Sebagai campuran minuman dan campuran.
3. Sebagai obat antiseptic dengan kadar 70% dan kepentingan farmasi.
4. Sebagai desinfektan peralatan medis/laboratorium
5. Sebagai bahan baku industri, misalnya industri etil asetat, etil eter, glycol,
etil klorida dan lain – lain.
6. Sebagai biofuel/bahan bakar pada konsentrasi > 99%.
1.4.4. Sifat Fisis dan Kimia Bahan
a. Molase
Sifat Fisika Molase (PG Trangkil,2010) :
Komposisi molase adalah
- Gula
: 62%
commit to user
Bab I Pendahuluan | 12
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
- Air
: 25%
- Abu
: 8%
- Organic nonsugar
: 5%
Wujud
: cair
Warna
: coklat
Sifat Kimia Molase (Olbrich, 1963) :.
Molase dapat terdekomposisi membentuk buih dan CO2 jika
disimpan pada kondisi penyimpanan yang tidak sesuai, kondisi
penyimpanan yang sesuai yaitu pada temperatur rendah dan tekanan
atmosferik.
b. Air
Sifat Fisika (Perry, 1999)
Rumus Molekul
: H2 O
Berat molekul
: 18,01 kg/kmol
Wujud
: Cairan
Warna
: Tidak berwarna
Titik didih
: 100oC
Titik beku
: 0oC
Tekanan kritis
: 218 atm
Temperatur kritis
: 374,2oC
SG
:1
commit to user
Bab I Pendahuluan | 13
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Sifat Kimia (Hart, 2003) :
Dalam bentuk ion, air terbentuk dari ion hidrogen (H+) dan ion
hidroksida (OH-)
H+ + OH- → H2O
Reaksi adisi air (hidrasi) alkena (ethylene) akan membentuk alkohol
(etanol)
CH2 = CH2 + H2O → C2H5OH
c. Etanol
Sifat fisika Etanol (Perry, 1999) :
Rumus Molekul
: C2H5OH
Berat molekul
: 46,07 g/mol
Titik didih
: 78,32oC
Titik lebur
: -112 oC
Wujud
: Cair
Warna
: Tidak berwarna
Spesifik Gravity
: 0,786 pada 20oC
Sifat Kimia Etanol :
Reaksi adisi air (hidrasi) alkena (ethylene) akan membentuk alkohol
(etanol)
CH2 = CH2 + H2O → C2H5OH
(Hart, 2003)
commit to user
Bab I Pendahuluan | 14
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Fermentasi glukosa dengan bantuan Saccharomyces cereviceae akan
membentuk etanol (bioetanol).
C6H12O6
→
2C2H5OH
+
2CO2
(Faith Keyes, 1950)
1.4.5. Konsep Proses
Proses pembuatan bioetanol dari molase meliputi 4 tahap utama yaitu
persiapan bahan baku, pembuatan biokatalis, proses fermentasi dan pemurnian
etanol (distilasi). Pada tahap persiapan bahan baku, molase diencerkan
terlebih dahulu dengan menambahkan air sampai menghasilkan larutan
glukosa 15% (w/w). Sedangkan tahap persiapan biokalis dilakukan dengan
mengimmobilisasi cell Saccharomyces cereviseae dengan Ca alginat. Cell
yang telah terimmobilisasi tersebut disusun membentuk tumpukan (bed)
dalam reaktor. Fermentasi
dilakukan dalam reaktor yang telah berisi
tumpukan biokatalis dan dilakukan secara kontinyu. Etanol hasil fermentasi
dengan kadar 8-10% dipisahkan dari pengotor dan inert dengan proses filtrasi,
kemudian
didestilasi
untuk
mendapatkan
kadar
etanol
95%
(v/v).
commit to user
Bab I Pendahuluan | 15
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
commit to user
Bab I Pendahuluan | 16
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
BAB II
DESKRIPSI PROSES
2.1. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk
2.1.1
Spesifikasi Bahan Baku
1. Molase
Komposisi molasses :
- Gula
: 62%
- Air
: 25%
- Abu
: 8%
- Organic nonsugar : 5%
Kapasitas panas
Specific gravity
Viskositas (18o C)
: 0,5 cal/kg.oC
: 1,42
: 40 - 600 poise (pada 75 – 82 Brix)
(PG Trangkil, Pati)
2. Air
Rumus molekul
: H2O
Berat molekul
: 18,015 g/mol
Wujud
: cair
Warna
: tidak berwarna
Titik didih
: 100 oC
commit to user
16
Bab II Deskripsi Proses
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
2.1.2
Specific gravity
:1
Kemurnian
: 100 % berat
Spesifikasi Produk
1. Etanol
2.2
Rumus Molekul
: C2H5OH
Densitas
: 0,788 kg/liter
Titik didih
: 78,32oC
Titik beku
: -112 oC
Wujud
: Cair
Warna
: Tidak berwarna
Kemurnian
: 95 % volume
Impuritas ( air )
: 5 % volume
Konsep Proses
2.2.1
Dasar Reaksi
Pembuatan etanol dari molase dengan proses fermentasi secara
kontinyu dilakukan dalam reaktor yang berisi tumpukan biokatalis.
Biokatalis dipersiapkan dengan mengimobilisasi Saccharomyces
cereviseae dengan Ca alginate. Umur biokatalis ini hanya 20 hari,
maka setelah 20 hari biokatalis diganti dengan yang baru. Sedangkan
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 17
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
untuk menjaga agar proses produksi etanol terus berjalan maka dibuat
lebih dari satu reaktor dan saat biokatalis diganti aliran umpan masuk
reaktor diswitch ke reaktor yang lain. Reaksi yang terjadi sebagai
berikut :
2 C6H12O6 →
2 C2H5OH + 2 CO2 .................................(II-1)
(Hart, 2003)
2.2.2 Tinjauan Termodinamika
1. Panas reaksi
△H = -118 kJ/mol ..(II-2)
→
Dari data di atas dapat terlihat bahwa harga H < 0 sehingga reaksi
merupakan reaksi eksotermis.
2. Energi bebas Gibbs dan konstanta kesetimbangan
-
.............................................(II-3)
-
..............................................(II-4)
..........................................(II-5)
(Perry, 1999)
-
..........................................................(II-6)
[
]
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 18
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
[ (-
)
⁄
⁄
-
]— -
⁄
3. Konstanta kesetimbangan reaksi pada 298 K
Dari persamaan (15.14) Smith Van Ness edisi 5
-
........................................................................(II-7)
⁄
⁄
4. Konstanta kesetimbangan reaksi pada suhu operasi 303 K (30oC)
Dari nilai konstanta kesetimbangan pada keadaan standar 298 K,
dihitung nilai konstanta kesetimbangan reaksi pada 303 K.
ln
ln
ln
K=
=-
(
) ...................................................................(II-8)
=
)
= -0,786
.............................................................................(II-9)
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 19
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
Karena harga konstanta kesetimbangan yang cukup besar, maka reaksi
pembentukan etanol merupakan reaksi irreversible.
2.2.3
Tinjauan Kinetika
Reaksi Fermentasi
2 C6H12O6 →
2 C2H5OH + 2 CO2
Pembentukan produk pada proses fermentasi mengikuti metode
persamaan Monod untuk memudahkan proses perhitungan. Laju pengubahan
glukosa oleh yeast cell menjadi etanol dapat ditulis melalui persamaan umum
laju reaksi sebagai berikut :
Persamaan kecepatan reaksi (Monod’s Equation)
rA
Km S S
KzYm S
2
/ Ks ) (1 P/Kp
................................................... (II-
10)
Nilai parameter yang telah diketahui untuk persamaan kinetik (2-1) antara
lain:
Kz
= 1,047 jam-1
Ym
= 90 kg/m3
Km
= 1,197 kg/m3
Ks
= 1025 kg/m3
Kp
= 145,2 kg/m3
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 20
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
Dengan :
-rA
= kecepatan reaksi pengurangan C6H12O6, kg/m3.jam
KZ
= konstanta kecepatan reaksi
Ym
= fermentation power
Km
= konstanta kecepatan reaksi
Ks
= konstanta kecepatan reaksi
Kp
= konstanta kecepatan reaksi
S
= konsentrasi substrat (C6H12O6), kg/m3
P
= konsentrasi produk (C2H5OH), kg/m3
(Wei Youh Kuu, 1982)
2.2.4
Kondisi Operasi
Kondisi
operasi
sangat
menentukan
jalannya
proses
untuk
menghasilkan produk. Pada perancangan ini dipilih kondisi operasi reaksi
fermentasi sebagai berikut :
Suhu
: 30o C
Tekanan
: 1 atm
Fase reaksi
: cair
Waktu tinggal : 2708,46 detik
Biokatalis
: Cell
Support
: Saccharomyces cereviseae
: Ca Alginat (10 gram untuk setiap 0,5 gram
yeast ekstrak)
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 21
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
Diameter
: 0,004 m
Bulk density : 6,667 kg/m3
Umur
: 20 hari - 60 hari
(Wei Youh Kuu, 1982)
2.3
2.3.1
Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses
Diagram Alir Proses
Diagram alir ada tiga macam, yaitu :
a. Diagram alir proses (Terlampir)
b. Diagram alir kualitatif (Gambar 2.1)
c. Diagram alir kuantitatif (Gambar 2.2)
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 22
Prarancangan
Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
digilib.uns.ac.id
F10
Etanol
95%volum
F8
F5
Etanol
45% volum
-Etanol
-Air
CO2
P = 1 atm
T = 37o C
PRODUK
P = 1 atm
T = 35o C
P = 1 atm
T = 94,18o C
F6
F2
F4
Air
F1
Molase 62 % berat glukosa
-Glukosa
-Air
-Abu
-Nonsugar
P = 1 atm
T = 30o C
Larutan Etanol
10% volum
-Etanol
-Air
-Glukosa
Larutan etanol
10% volum + pengotor
-Etanol
-Air
-Glukosa
-Abu
-Nonsugar
Fermentor
R-01 A/B/C
Mixer
M-01
P = 1 atm
T = 37o C
P = 1 atm
T = 30o C
P = 1 atm
T = 30o C
F3
Medium Fermentasi
15% berat glukosa
-Glukosa
-Air
-Abu
-Nonsugar
Menara Destilasi I
MD-01
Menara Destilasi II
MD-02
P = 1 atm
T = 98,918o C
Filter
F-01
P = 1 atm
T = 37o C
P = 1 atm
T = 99,99o C
P = 1 atm
T = 99,99o C
F9
F11
F7
Pengotor dan Inert
-Abu
-Nonsugar
-Air
Vinase
-Air
-Etanol
Vinase
-Air
-Etanol
Gambar 2.1 Diagram alir kualitatif
Bab II Deskripsi Proses | 23
Prarancangan
Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
digilib.uns.ac.id
F10
Etanol 95% (v/v)
497,56 kg
Etanol 464,93kg
Air
32,63 kg
F5
CO2
451,30 kg
F8
Etanol 45% volum
1234,31 kg
PRODUK
Etanol 465,87 kg
Air
768,44 kg
F6
F2
Air
5016,32 kg
F4
Larutan etanol
10% volum + pengotor
6165,97 kg
Etanol
471,81 kg
Glukosa
69,48 kg
Air
5416,56 kg
Abu
128,08 kg
Nonsugar
80,05 kg
F1
Molase 62 % berat glukosa
1600,95 kg
Glukosa
Air
Abu
Nonsugar
992,59 kg
400,23 kg
128,08 kg
80,05 kg
Fermentor
R-01 A/B/C
Mixer
M-01
Larutan Etanol 10% volum
5888,37 kg
Etanol 471,81 kg
Air
5347,08 kg
Glukosa 69,48 kg
Menara Destilasi I
MD-01
Menara Destilasi II
MD-02
Filter
F-01
F3
Medium Fermentasi
15% berat glukosa
6617,27 kg
Glukosa
992,59 kg
Air
5416,56 kg
Abu
128,08 kg
Nonsugar
80,05 kg
F7
Pengotor dan Inert
277,61 kg
Air
69,48 kg
Abu
128,07 kg
Nonsugar
80,05 kg
F9
Vinase
4654,06 kg
Etanol 5,94 kg
Air
4648,12 kg
F11
Vinase
736,75 kg
Etanol 0,94 kg
Air
735,81 kg
Gambar 2.2 Diagram alir kuantitatif
Bab II Deskripsi Proses | 24
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
2.3.2 Tahapan Proses
Proses pembuatan Etanol dapat dibagi dalam tiga tahap yaitu :
1. Tahap penyiapan bahan baku
2. Tahap proses reaksi
3. Tahap pemurnian produk
2.3.2.1 Tahap Persiapan Tetes / Molase dan Biokatalis
a. Persiapan Tetes / Molase
Bahan baku molase dengan komposisi glukosa (62%), air
(25%), abu (8%), dan senyawa nonsugar (5%) dari tangki
penyimpanan T-01 disaring untuk menghilangkan pengotor padat,
seperti serat dan lain -lain.
b.
Pembuatan Biokatalis, Saccharomyces Cerevisiae teramobil Ca
Alginat
Dry yeast dikembangbiakkan dalam tangki seeding dengan
penambahan nutrien (KH2PO4 dan Na2PO4). Dari tangki seeding
dialirkan ke mixer dan dicampur dengan 2% support Na Alginat.
Keluaran mixer dimasukkan ke spray / atomizer dengan tujuan
mengubah larutan hasil mixer menjadi droplet. Droplet campuran
yeast dan sodium aginat ditampung dalam tangki yang berisi larutan
CaCl2 sehingga sodium alginate bereaksi dengan larutan CaCl2
membentuk Ca alginate. Beads yang terbentuk kemudian dilewatkan
filter dan selanjutnya disimpan dalam tangki penyimpanan biokatalis.
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 25
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
2.3.2.2 Tahap Proses Reaksi
Molase dari tangki penyimpanan molase (T-01) dipompa ke mixer
M-01. Air pada suhu 30oC ditambahkan untuk mengencerkan molase
menjadi larutan glukosa (15% w). Dari mixer (M-01) larutan glukosa
(15% w) dipompa menuju reaktor R-01 A/B/C (paralel). Reaktor R-01
A/B/C merupakan reaktor packed bed dimana pada bagian shell berisi
tumpukan bed biokatalis (saccharomyces cereviciae yang di immobilisasi
pada Ca alginate). Reaksi yang terjadi di dalam fermentor :
2 C6H12O6 →
Glukosa
2 C2H5OH + 2 CO2
Etanol
Karbondioksida
Reaksi fermentasi terjadi pada suhu 30 – 35o C, tekanan 1 atm dan
pH sebesar 5. Laju alir larutan glukosa (15% w) dari Mixer-01 sebesar
6617,27 kg/jam dan waktu tinggal dalam reaktor selama 2708,46 detik.
Larutan etanol yang terbentuk dan glukosa yang tidak bereaksi
dipompa menuju filter F-01 untuk memisahkan pengotor yang tercampur
dalam larutan etanol. Gas karbondioksida yang merupakan hasil samping
reaksi dilepaskan ke atmosfer.
2.3.2.3 Tahap Pemurnian Produk
Campuran etanol dan air hasil proses fermentasi dilewatkan filter
F-01 A/B. Dari F-01 A/B, larutan etanol dipanaskan suhunya sampai
98,9oC dalam heat exchanger E-01. Dari E-01 dipompa menuju menara
destilasi I (MD-01).
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 26
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
Umpan masuk menara distilasi MD-01 pada tekanan 1 atm dan
suhu 98,9oC. Jenis menara distilasi MD-01 adalah tray tipe sieve dan
umpan masuk pada plate ke – 6. Hasil atas MD-01 adalah larutan etanol
45% volum, yang akan dikondensasikan di condenser I (CD-01) pada
suhu 94,18o C. Dari CD-01 di pompa ke accumulator I (Acc-01),
kemudian dipompa untuk sebagian dijadikan refluks. Sebesar 19,08% w
dari CD-01 akan diumpankan ke menara destilasi II (MD-02). Sedangkan
hasil bawah akan dipompa ke unit pengolahan limbah.
Larutan etanol (45% v) hasil menara distilasi MD-01 dipompa ke
MD-02 pada tekanan 1 atm dan suhu 94,18o C. Jenis menara distilasi MD02 adalah tray tipe sieve dan umpan masuk pada plate ke – 7. Hasil atas
menara destilasi II (MD-02) adalah larutan etanol 95% volum yang akan
dikondensasikan di condenser II (CD-02) pada suhu 80,72o C. Dari CD-02
di pompa ke accumulator II (Acc-02), kemudian dipompa untuk sebagian
dijadikan refluks MD-02. Sebesar 19,08% w dari CD-02 diambil sebagai
larutan etanol produk. Sedangkan hasil bawahnya MD-02 dipompa ke unit
pengolahan limbah.
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 27
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
2.4 Neraca Massa dan Neraca Panas
2.4.1
Neraca Massa
Produk
: Etanol 95%
Kapasitas
: 5000 kL/tahun
Satu tahun produksi
: 330 hari
Waktu operasi selama 1 hari : 24 jam
Basis perhitungan
: 1 jam operasi
Satuan
: Kg/jam
2.4.1.1 Neraca Massa Overall
Tabel 2.1 Jumlah Arus Input
Nomor Arus Input (kg/jam)
Komponen
1
2
Glukosa
992,59
-
Air
400,24
5016,32
80,05
-
Abu
128,08
-
CO2
-
-
Etanol
-
-
Nonsugar
Total
6617,27
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 28
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
Tabel 2.2 Jumlah Arus Output
Nomor Arus Output (kg/jam)
Komponen
5
7
9
10
11
Glukosa
-
-
69,84
-
-
Air
-
69,48
4578,64
32,63
735,81
Nonsugar
-
80,05
-
-
-
Abu
-
128,08
-
-
-
CO2
451,30
-
-
-
-
-
-
5,94
464,93
0,94
Etanol
Total
6617,27
2.4.1.2 Neraca Massa Tiap Alat
a. Neraca Massa Di sekitar Mixer (M-01)
Tabel 2.3 Neraca Massa di Sekitar Mixer (M-01)
Input (kg/jam)
Output (kg/jam)
Komponen
F1
F2
F3
Glukosa
992,59
-
992,59
Air
400,24
5016,32
5416,56
Abu
128,08
-
128,08
80,05
-
80,05
Nonsugar
1600,95
5016,32
6617,27
Total
6617,27
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 29
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
b. Neraca Massa di Sekitar Reaktor Fermentasi (R-01 A/B/C)
Tabel 2.4 Neraca Massa di Sekitar Reaktor Fermentasi (R-01 A/B/C)
Input (kg/jam)
Output (kg/jam)
Komponen
F3
F4
F5
-
471,81
-
992,59
69,48
-
Air
5416,56
5416,56
-
Abu
128,08
128,08
-
80,05
80,05
-
-
-
451,30
Etanol
Glukosa
Nonsugar
CO2
6165,97
Total
451,30
6617,27
6617,27
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 30
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
c. Neraca Massa di sekitar Filter (F-01)
Tabel 2.5 Neraca Massa di Sekitar Filter (F-01)
Input (kg/jam)
Output (kg/jam)
Komponen
F4
F6
F7
471,81
471,81
-
69,48
69,48
-
Air
5416,56
5347,08
69,48
Abu
128,08
-
128,08
80,05
-
80,05
Etanol
Glukosa
Nonsugar
5888,37
Total
277,61
6165,97
6165,97
d. Neraca Massa di sekitar Menara Destilasi I (MD-01)
Tabel 2.6 Neraca Massa di Sekitar Menara Destilasi I (MD-01)
Input (kg/jam)
Output (kg/jam)
Komponen
F6
Etanol
Air
Glukosa
F8
F9
471,81
465,87
5,94
5347,08
768,44
4578,64
69,48
69,48
1234,31
Total
4654,06
5888,37
5888,37
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 31
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
e. Neraca Massa di sekitar Menara Destilasi II (MD-02)
Tabel 2.7 Neraca Massa di Sekitar Menara Destilasi II (MD-02)
Input (kg/jam)
Output (kg/jam)
Komponen
F8
F10
F11
Etanol
465,87
464,93
0,94
Air
768,44
32,63
735,81
497,56
736,75
1234,31
Total
1234,31
2.4.2 Neraca Panas
Basis perhitungan
: 1 jam operasi
Satuan
: kJ
c. Neraca Panas di Sekitar Mixer (M-01)
Tabel 2.8 Neraca Panas di Sekitar Mixer (M-01)
Komponen
Arus
Qin (kJ)
F1
Qout (kJ)
F2
F3
Air
8384,55 105085,97
113470,53
Glukosa
6522,97
0,00
6522,97
Abu
93451,65
0,00
93451,65
Nonsugar
91224,98
0,00
91224,98
Total panas
199584,16 105085,97
304670,13
Total
304670,13
304670,13
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 32
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
d. Neraca Panas di Sekitar Reaktor Fermentasi (R-01 A/B/C)
Tabel 2.9 Neraca Panas di Sekitar Reaktor Fermentasi (R-01 A/B/C)
Qin (kJ)
Qout (kJ)
Komponen
F3
F4
F5
-
4644,82
-
37823,51
94911,16
-
2174,30
382.32
-
Abu
31148,12
78242,20
-
Nonsugar
30404,53
76374,35
-
-
-
48710,04
101550,46
254554,86
48710,04
Etanol
Air
Glukosa
CO2
Total
303264,90
Jumlah
Reaksi
Total
201714,44
303264,90
303264,90
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 33
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
e. Neraca Panas di Sekitar Filter (F-01)
Tabel 2.10 Neraca Panas di Sekitar Filter (F-01)
Qin (kJ)
Qout (kJ)
Komponen
F4
F6
F7
13934,47
13934,47
-
1146,95
1146,95
-
Air
284733,48 281081,11
3652,37
Abu
234726,61
- 234726,61
Nonsugar
229123,05
- 2
digilib.uns.ac.id
TUGAS AKHIR
PRARANCANGAN PABRIK ETANOL
DARI MOLASE DENGAN PROSES FERMENTASI KONTINYU
KAPASITAS 5.000 KILOLITER/TAHUN
Oleh :
1. Firman Asto Putro
( I 0508044 )
2. Yohanes Sigit Kurniawan
( I 0508070 )
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2012
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdulillah, segala puji hanya bagi Tuhan Yang Maha Esa,
karena limpahan rahmat dan hidayah-Nya, penulis akhirnya dapat menyelesaikan
y s
L
g s A hi
g
j
“P
c g
P bi E
Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyu Kapasitas 5.000 kL h
i
”.
Dalam penyusunan tugas akhir ini penulis memperoleh banyak bantuan
dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin mengucapkan terima kasih
kepada :
1. Dr. Sunu H. Pranolo selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia atas bimbingannya.
2. Ir. Endah Retno D., M.T. dan Ir. Paryanto, M.S. selaku dosen pembimbing atas
bimbingan dan arahannya dalam penyelesaian tugas akhir ini.
3. Dr. Sunu H. Pranolo dan Wirawan Cipto Nugroho S.T.,M.S. selaku dosen
penguji tugas akhir ini.
4. Seluruh dosen, laboran, dan administrasi Jurusan Teknik Kimia atas ilmu,
arahan, dan bantuannya selama ini.
5. Teman –
i ’ 8 UNS untuk semangatnya, we are the best!!
6. Seluruh pihak yang telah membantu, yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa laporan tugas akhir ini masih jauh dari
sempurna. Oleh karena itu, penulis membuka diri terhadap segala saran dan kritik.
Semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca
sekalian.
Surakarta, Juli 2012
commit to user
iii
Penulis
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
commit to user
iii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR ISI
Halaman Judul..................................................................................................... i
Lembar Pengesahan ............................................................................................ ii
Kata Pengantar .................................................................................................... iii
Daftar Isi.............................................................................................................. iv
Daftar Tabel ........................................................................................................ viii
Daftar Gambar ..................................................................................................... x
Intisari ................................................................................................................. xi
BAB I
PENDAHULUAN .....................................................................1
1.1. Latar Belakang Pendirian Pabrik ............................................. 1
1.2. Kapasitas Perancangan ............................................................. 2
1.3. Penentuan Lokasi Pabrik .......................................................... 4
1.4. Tinjauan Pustaka ...................................................................... 6
1.4.1
Macam-Macam Proses Pembuatan Etanol ................... 6
1.4.2
Alasan Pemilihan Proses .............................................. 11
1.4.3
Kegunan Produk ........................................................... 12
1.4.4
Sifat – sifat Fisis dan Kimia ......................................... 12
1.4.4.1 Sifat-sifat Fisis dan Kimia Bahan Baku ........... 12
1.4.4.2 Sifat-sifat Fisis dan Kimia Produk ................... 14
1.4.5
BAB II
Konsep Proses .............................................................. 15
DESKRIPSI PROSES ................................................................16
2.1. Spesifikasi Bahan baku dan Produk ......................................... 16
2.1.1
commit to user
Spesifikasi Bahan Baku................................................ 16
iv
perpustakaan.uns.ac.id
2.1.2
digilib.uns.ac.id
Spesifikasi Produk........................................................ 17
2.2. Konsep Proses .......................................................................... 17
2.2.1
Dasar Reaksi................................................................. 17
2.2.2
Tinjauan Termodinamika ............................................. 18
2.2.3
Tinjauan Kinetika ......................................................... 20
2.2.4
Kondisi Operasi ............................................................ 21
2.3. Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses ................................ 22
2.3.1
Diagram Alir Proses ..................................................... 22
2.3.2
Tahapan Proses............................................................. 25
2.3.2.1 Tahap Penyiapan Bahan Baku ......................... 25
2.3.2.2 Tahap Proses Reaksi ........................................ 26
2.3.2.3 Tahap Pemurnian Produk ................................. 26
2.4. Neraca Massa dan Neraca Panas .............................................. 28
2.4.1
Neraca Massa ............................................................... 28
2.4.2
Neraca Panas ................................................................ 32
2.5. Lay Out Pabrik dan Peralatan .................................................. 37
2.5.1
Lay Out Pabrik ............................................................. 37
2.5.2
Lay Out Peralatan ......................................................... 39
BAB III
SPESIFIKASI PERALATAN PROSES .......................................41
BAB IV
UNIT PENDUKUNG PROSES DAN LABORATORIUM..............57
4.1. Unit Pendukung Proses ............................................................ 57
4.1.1
Unit Pengadaan Air ...................................................... 58
4.1.2
Unit Pengadaan Steam.................................................. 66
4.1.3
commit to user
Unit Pengadaan Udara Tekan....................................... 68
v
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
4.1.4
Unit Pengadaan Listrik................................................. 69
4.1.5
Unit Pengadaan Bahan Bakar....................................... 74
4.1.6
Unit Pembuatan Biokatalis ........................................... 75
4.2. Unit Pengolahan Limbah.......................................................... 76
4.2.1
Pengolahan Limbah Padat ............................................ 76
4.2.2
Pengolahan Limbah Cair .............................................. 76
4.2.3
Pengolahan Limbah Gas .............................................. 77
4.3. Laboratorium ............................................................................ 77
4.3.1
BAB V
Laboratorium Analisa................................................... 79
MANAJEMEN PERUSAHAAN..................................................84
5.1
Bentuk Perusahaan ................................................................... 84
5.2
Struktur Organisasi .................................................................. 85
5.3
Tugas dan Wewenang .............................................................. 88
5.4
5.3.1
Pemegang Saham ......................................................... 88
5.3.2
Dewan Komisaris ......................................................... 88
5.3.3
Dewan Direksi .............................................................. 88
5.3.4
Kepala Bagian .............................................................. 90
5.3.5
Kepala Seksi ................................................................. 92
Pembagian Jam Kerja Karyawan ............................................. 92
5.4.1
Karyawan non shift ..................................................... 92
5.4.2
Karyawan Shift ............................................................ 92
5.5
Status Karyawan dan Sistem Upah .......................................... 94
5.6
Penggolongan Jabatan, Jumlah Karyawan, dan Gaji ............... 95
5.7
commit to user
Jaminan Sosial Tenaga Kerja ................................................... 97
vi
perpustakaan.uns.ac.id
BAB VI
digilib.uns.ac.id
ANALISA EKONOMI.................................................................99
6.1
Penaksiran Harga Peralatan...................................................... 100
6.2
Dasar Perhitungan .................................................................... 102
6.3
Penentuan (Total Capital Investment) ...................................... 102
6.4
Hasil Perhitungan ..................................................................... 104
Daftar Pustaka ..................................................................................................... xiii
Lampiran
commit to user
vii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1.
Produksi Tetes Pabrik Gula di Jawa Tengah dan Sekitarnya...... 3
Tabel 1.2.
Produksi Etanol di Indonesia ...................................................... 4
Tabel 1.3.
Kelebihan dan Kelemahan Proses Pembuatan Etanol................. 10
Tabel 1.4.
Perbandingan Proses Batch dan Proses Kontinyu....................... 11
Tabel 1.5.
Dasar Pemilihan Bahan Baku ..................................................... 12
Tabel 2.1.
Neraca Massa Overall Arus Input ............................................... 29
Tabel 2.2.
Neraca Massa Overall Arus Output ............................................ 30
Tabel 2.3.
Neraca Massa Mixer ................................................................... 30
Tabel 2.4.
Neraca Massa Reaktor Fermentasi .............................................. 31
Tabel 2.5.
Neraca Massa Filter .................................................................... 32
Tabel 2.6.
Neraca Massa Menara Destilasi I................................................ 32
Tabel 2.7.
Neraca Massa Menara Distilasi 1I .............................................. 33
Tabel 2.8.
Neraca Panas Mixer .................................................................... 33
Tabel 2.9.
Neraca Panas Reaktor Fermentasi............................................... 34
Tabel 2.10. Neraca Panas Filter ..................................................................... 35
Tabel 2.11. Neraca Panas Menara Destilasi I ................................................ 36
Tabel 2.12. Neraca Panas Menara Destilasi II ............................................... 37
Tabel 3.1.
Spesifikasi Menara Destilasi ....................................................... 44
Tabel 3.2.
Spesifikasi Condensor ................................................................. 45
Tabel 3.3.
Spesifikasi Reboiler..................................................................... 47
Tabel 3.4.
Spesifikasi Accumulator .............................................................. 49
Tabel 3.5.
commit to user
Spesifikasi Tangki ....................................................................... 51
viii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Tabel 3.6.
Spesifikasi Heat Exchanger ........................................................ 53
Tabel 3.7.
Spesifikasi Pompa ....................................................................... 55
Tabel 4.1.
Kebutuhan Air Proses.................................................................. 59
Tabel 4.2.
Kebutuhan Air Pendingin ............................................................ 60
Tabel 4.3.
Kebutuhan Air Umpan Boiler ..................................................... 62
Tabel 4.4.
Kebutuhan Air Konsumsi Umum dan Sanitasi ........................... 63
Tabel 4.5.
Kebutuhan Air Sungai ................................................................. 63
Tabel 4.6.
Kebutuhan Listrik untuk Keperluan Proses dan Utilitas ............ 70
Tabel 4.7.
Jumlah Lumen ............................................................................. 71
Tabel 4.8.
Total Kebutuhan Listrik Pabrik Disuplai Generator .................. 72
Tabel 4.9.
Total Kebutuhan Listrik Pabrik Disuplai PLN ........................... 73
Tabel 4.10. Total Kebutuhan Bahan Bakar Pabrik ........................................ 74
Tabel 5.1.
Jadwal Pembagian Kelompok Shift ............................................. 94
Tabel 5.2.
Penggolongan Jabatan, Jumlah Karyawan, dan Gaji .................. 95
Tabel 6.1.
Indeks Harga Alat........................................................................ 101
Tabel 6.2.
Fixed Capital Investment ............................................................ 104
Tabel 6.3.
Working Capital Investment ........................................................ 105
Tabel 6.4.
Direct Manufacturing Cost ......................................................... 106
Tabel 6.5.
Indirect Manufacturing Cost ....................................................... 106
Tabel 6.6.
Fixed Manufacturing Cost ......................................................... 107
Tabel 6.7.
General Expense ......................................................................... 107
Tabel 6.8.
Analisa Kelayakan....................................................................... 111
commit to user
ix
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Lokasi Pabrik Etanol ................................................................... 6
Gambar 2.1. Diagram Alir Kualitatif ............................................................... 23
Gambar 2.2. Diagram Alir Kuantitatif ............................................................. 24
Gambar 2.3. Lay Out Pabrik Etanol ................................................................. 39
Gambar 2.4. Lay Out Peralatan Proses............................................................. 40
Gambar 4.1. Skema Pengolahan Air Sungai .................................................. 59
Gambar 4.2. Skema Pembuatan Biokatalis ..................................................... 75
Gambar 5.1. Struktur Organisasi Pabrik Etanol ............................................... 87
Gambar 6.1. Grafik Linierisasi Indeks Harga .................................................. 102
Gambar 6.2. Grafik Analisa Kelayakan ........................................................... 113
commit to user
x
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
INTISARI
Firman Asto Putro, Yohanes Sigit Kurniawan, 2012, Prarancangan Pabrik
Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyu Kapasitas 5.000
kL/tahun, Jurusan Teknik Kimia, Universitas Sebelas Maret, Surakarta.
Etanol (C2H5OH) adalah bahan kimia yang digunakan untuk berbagai
industri (kosmetik, cat, farmasi, minuman berkarbonasi, pelarut, desinfektan dan
sebagai bahan bakar alternatif). Industri etanol saat ini menggunakan fermentasi
batch, untuk mengefisiensikan proses fermentasi maka dipertimbangkan pabrik
etanol menggunakan sistem fermentasi kontinyu. Pabrik etanol dari molase
dengan proses fermentasi kontinyu akan didirikan di Pati, Jawa Tengah pada
tahun 2016 dengan kapasitas 5.000 kL/tahun.
Pembuatan etanol ini melalui 3 tahap yaitu tahap persiapan bahan baku
dan biokatalis, fermentasi, serta pemurnian produk. Pada tahap persiapan bahan
baku, molase dilewatkan filter untuk menghilangkan pengotor padat seperti serat.
Setelah itu molase diencerkan menjadi larutan glukosa 15% berat. Pada persiapan
biokatalis, yeast Saccharomyces cereviseae diimobilisasi dengan menggunakan
kalsium alginat. Tahap fermentasi dilakukan dalam reaktor single bed yang berisi
dengan tumpukan biokatalis dengan kondisi operasi suhu 300C, tekanan 1 atm,
dan pH 5. Tahap pemurnian produk, larutan etanol yang terbentuk dimurnikan
dengan menara distilasi untuk memperoleh larutan etanol 95%.
Unit pendukung proses meliputi unit pengadaan air (proses, pendingin,
umpan boiler, konsumsi umum & sanitasi) yang bersumber dari sungai Juwana
dengan kebutuhan sebesar 34.140 kg/jam, unit pengadaan steam dengan
kebutuhan 6.945 kg/jam, unit pengadaan listrik sebesar 371,02 kW dari PLN dan
generator, unit pengadaan bahan bakar batubara 592 kg/jam dan IDO 0,25 L/kWh,
unit pengadaan udara tekan sebesar 160 m3/jam, unit pembuatan biokatalis untuk
membuat yeast Saccharomyces cereviseae terimobilisasi dan unit pengolahan
limbah. Limbah cair diolah secara aerob dan anaerob untuk menghasilkan biogas.
Limbah padat diolah menjadi pupuk dan limbah gas dibuang ke udara bebas.
Pabrik juga didukung dengan laboratorium yang berfungsi untuk mengontrol
kualitas bahan baku (spektrofotometer, hidrometer, viskometer tube), produk (karl
fischer titrator , GC) dan proses produksi (karl fischer titrator , pH meter, GCMS).
Bentuk perusahaan yang dipilih adalah Perseroan Terbatas dengan struktur
line and staff. Jumlah kebutuhan tenaga kerja sebanyak 202 orang.
Hasil analisis ekonomi didapatkan Rate of Return (ROI) sebesar 24,12%
sebelum pajak dan 18,09% sesudah pajak. Pay Out Time (POT) didapatkan
sebesar 3,11 tahun sebelum pajak dan 3,83 tahun sesudah pajak. Break Even Point
(BEP) sebesar 51,90%, Shut Down Point (SDP) sebesar 31,96%, dan Discounted
Cash Flow (DCF) sebesar 19,13%. Dari hasil analisa ekonomi dapat disimpulkan
pabrik etanol layak didirikan.
commit to user
xi
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Pendirian Pabrik
Sektor industri kimia banyak memegang peranan dalam memajukan
perindustrian di Indonesia. Di Indonesia kebutuhan akan etanol sangat tinggi,
karena etanol memiliki banyak manfaat, salah satunya adalah untuk industri
kosmetik, industri cat, industri farmasi, industri minuman berkarbonasi,
kebutuhan rumah sakit. Etanol juga memiliki sifat yang tidak beracun sehingga
dapat digunakan sebagai pelarut dalam industri makanan dan minuman. Etanol
dapat digunakan sebagai bahan bakar alternatif pengganti bensin (Gasohol).
Pembuatan etanol secara sintetis kebanyakan dilakukan melalui reaksi
hidrasi ethylene, namun cara tersebut membutuhkan bahan baku yang sulit
didapat dan kondisi operasi cukup tinggi. Sebagai alternative, bioetanol dapat
memecahkan permasalahan bahan baku dan kondisi operasi. Produksi bioetanol di
Indonesia sangat mungkin dilakukan, karena bahan baku bioetanol yang berasal
dari bahan nabati seperti molase, sorghum, nira aren, jagung, ubi-ubian, bahan
berserat yang berupa limbah pertanian mudah diperoleh dan selain itu kondisi
operasi produksi bioetanol dapat dilakukan pada tekanan dan suhu lingkungan.
Bioetanol yang diproduksi di Indonesia pada saat ini dilakukan dengan
cara fermentasi konvensional batch, cara ini memiliki kelemahan yaitu biaya
produksi mahal, produktivitas rendah dan proses produksi yang lama. Oleh karena
commit to user
1
Bab I Pendahuluan
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
itu, banyak negara – negara yang berinovasi mengembangkan produksi bioetanol
menggunakan fermentasi kontinyu. Dengan proses kontinyu diharapkan kapasitas
produksi bioetanol dapat meningkat, waktu proses fermentasi dapat berkurang
secara signifikan sehingga biaya produksi bioetanol tidak terlalu mahal.
1.2. Penentuan Kapasitas Pabrik
Ada beberapa pertimbangan dalam pemilihan kapasitas pabrik etanol
dari molase. Penentuan kapasitas pabrik dengan pertimbangan–pertimbangan
sebagai berikut :
1. Ketersediaan bahan baku
Produksi tetes atau molase di Jawa Tengah dan sekitarnya dapat dilihat pada
Tabel 1.1.
Tabel 1.1 Produksi Tetes Pabrik Gula di Jawa Tengah dan Sekitarnya
Pabrik
Produksi Tetes (ton/tahun)
Rajawali I
149.064
Rajawali II
89.881
PTPN IX
100.581
PT IGN
6.767
PG Trangkil
40.845
PG Madubaru
20.937
PG Pakis Baru
15.762
(Lipi.go.id)
commit to user
Bab I Pendahuluan | 2
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Dari tabel 1.1 tentang produksi tetes atau molase di Jawa Tengah
diketahui produksi tetes di Jawa Tengah dan sekitarnya rata – rata 60.548
ton/tahun. Kebutuhan tetes / molase untuk pabrik bioetanol / spiritus di Jawa
Tengah dan sekitarnya rata – rata 44.415 ton/tahun. Sehingga masih ada rata
– rata 16.133 ton/tahun tetes yang tidak digunakan.
2. Data pabrik etanol yang sudah didirikan di Indonesia beserta kapasitas
produksi etanol dapat dilihat pada Tabel 1.2.
Tabel 1.2 Produksi Etanol di Indonesia
Production Capacity
Nama Pabrik
Feedstock
(Kiloliter/tahun)
PT Aneka Kimia Nusantara
5.000
Molasses
PT Basis Indah
1.600
Molasses
PT Bukitmanikam Subur Persada
51.282
Molasses
PT Indo Acidama Chemical
42.000
Molasses
PT Madu Baru
6.720
Molasses
PT Molindo Raya Industrial
10.000
Molasses
PT Perkebunan Nusantara XI
6.000
Molasses
(Yudiarto dan Panaka, 2007)
Dari tabel 1.2 dapat dilihat bahwa kapasitas produk minimum
bioetanol agar dapat menghasilkan keuntungan adalah 1.600 kiloliter/tahun,
sedangkan kapasitas pabrik terbesar yang masih beroperasi adalah 51.282
kiloliter/tahun.
commit to user
Bab I Pendahuluan | 3
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Dengan mempertimbangkan faktor - faktor diatas maka dipilih
kapasitas pabrik etanol sebesar 5.000 kiloliter/tahun dengan kebutuhan bahan
baku tetes yang diharapkan dapat dipenuhi oleh produksi produksi tetes di
Jawa Tengah dan memberikan keuntungan secara komersial.
1.3. Penentuan Lokasi Pabrik
Letak
geografis
suatu
pabrik
sangat
berpengaruh
terhadap
kelangsungan pabrik tersebut. Beberapa faktor yang harus dipertimbangkan
untuk menentukan lokasi pabrik agar secara teknis dan ekonomis pabrik yang
didirikan akan menguntungkan antara lain: sumber bahan baku, pemasaran,
penyediaan tenaga listrik, penyediaan air, jenis transportasi, kebutuhan tenaga
kerja, perluasan areal pabrik, keadaan masyarakat, karakteristik lokasi,
kebijaksanaan pemerintah dan buangan pabrik.
Dengan mempertimbangkan beberapa faktor tersebut, maka pabrik
etanol akan didirikan di Kabupaten Pati, Jawa Tengah. Dengan pertimbangan
adalah sebagai berikut :
a. Penyediaan Bahan Baku
Dari tabel 1.1 dapat dilihat salah satu penghasil tetes terbesar adalah PG
Trangkil Pati yaitu sebesar 40.845 ton/tahun. Kebutuhan tetes untuk pabrik ini
sebesar 12.680 ton/tahun sehingga dapat tercukupi. Dengan pertimbangan
biaya transport untuk bahan baku yang lebih murah, bahan baku tetes
(molasses) dapat disuplai dari pabrik gula di sekitar daerah Pati.
commit to user
Bab I Pendahuluan | 4
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
b. Pemasaran Produk
Etanol banyak digunakan untuk industri jamu,industri kosmetik, industri
makanan minuman, industri obat – obatan, dan industri yang lain, maupun
rumah sakit yang ada di sekitar Jawa Tengah.
c. Sarana Transportasi
Sarana dan prasarana transportasi sangat diperlukan untuk proses penyediaan
bahan baku dan pemasaran produk. Pengangkutan bahan baku dan produk
menggunakan jalur darat, dimana memberi kemudahan dalam pengoperasian
melalui fasilitas jalan raya.
d. Utilitas
Sarana pendukung seperti tersedianya air dari air tanah dan Sungai Juwana,
listrik diperoleh dari pasokan listrik Jawa - Bali dan lainnya diperlukan agar
proses produksi dapat berjalan dengan baik. Kebutuhan air dapat diambil dari
air sungai. Sedangkan listrik dari PLN UPJ Pati dan generator sebagai
cadangan. Kebutuhan bahan bakar Industrial Diesel Oil berasal dari Pertamina
dan batu bara berasal dari Kaltim Prima Coal.
e. Tenaga Kerja
Tersedianya tenaga kerja yang terampil diperlukan untuk menjalankan mesin
produksi. Tenaga kerja dapat direkrut dari Pati dan sekitarnya.
f. Buangan pabrik/limbah
Limbah cair berupa vinase yang berasal dari proses diolah terlebih dahulu di
Unit Pengolahan Limbah kemudian dibuang ke Sungai Juwana.
commit to user
Bab I Pendahuluan | 5
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Berikut adalah lokasi pendirian pabrik :
Gambar 1.1 Lokasi Pabrik Etanol
1.4. Tinjauan Pustaka
1.4.1. Macam – macam proses pembuatan etanol
Dalam industri dikenal 2 (dua) cara pembuatan etanol, yaitu:
1. Cara synthetic
commit to user
Bab I Pendahuluan | 6
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Adalah suatu proses pembuatan alkohol yang sama sekali tidak
menggunakan aktivitas enzim atau jasad renik.
Cara ini ada 2 macam, antara lain :
a. Catalytic hydration of ethylene process
Cara ini dilakukan dengan membuat ethylene lebih dahulu dengan
craking minyak bumi, kemudian gas hasil ethylene dihirolisa dengan
katalis asam menjadi etanol.
Reaksi :
CH2 = CH2 + H2O →
C2H5OH
b. Sulfuric acid hydration of ethylene process
Ethylene ditambah H2SO4 (pekat) menghasilkan ethylhidro sulfonat.
Kemudian hasil ini ditambahkan diethyl dan dihidrolisis sehingga
terjadi etanol dan asam encer.
Reaksi :
CH2 = CH2 + H2SO4 → C2H5OSO2OH
2 CH2 = CH2 + H2SO4 → C2H5OSO2C2H5
C2H5OS2OH5 + C2H5OSO2C2H5 → 3C2H5OH + H2SO4
2. Cara Fermentasi
Fermentasi dapat juga didefinisikan sebagai suatu proses biokimia yang
menghasilkan energi, dimana komponen organik sebagai penerima energi.
Fermentasi merupakan proses metabolisme dimana terjadi perubahan
commit to user
Bab I Pendahuluan | 7
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
kimia dalam substrat/bahan organik karena aktivitas enzim yang
dihasilkan jasad renik. Sebagai substrat adalah glukosa dan jasad reniknya
adalah Saccharomyces cereviseae. Bila bahan dasarnya karbohidrat maka
perlu dilakukan hidrolisis terlebih dulu sehingga menjadi gula (glukosa)
untuk kemudian difermentasi.
Reaksi :
C6H12O6
Glukosa
→
2C2H5OH
Etanol
+
2CO2
Karbondioksida
(Faith Keyes, 1950)
commit to user
Bab I Pendahuluan | 8
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Tabel 1.3 Kelebihan dan Kelemahan Proses Pembuatan Etanol
Proses
Kondisi Operasi
Kelebihan
Kelemahan
-
Bahan baku
Catalytic
hydration of
ethylene
Yield etanol yang
minyak bumi
dihasilkan tinggi
terbatas
P : 1,36 atm
o
T : 300 C
yakni 95%
-
Kondisi operasi
process
cukup tinggi
-
Bahan baku
Sulfuric acid
hydration of
ethylene
Yield etanol yang
minyak bumi
dihasilkan tinggi
terbatas
P : 69,06 atm
T : 298 o C
yakni 95%
-
Kondisi operasi
process
cukup tinggi
-
Yield etanol cukup
-
Perlu pemisahan
tinggi yakni 90%
produk
P : 1 atm
Fermentasi
-
Bahan baku dari
-
o
T : 30 C
Kondisi operasi
bahan nabati yang
harus sangat
mudah diperoleh
dijaga.
-
Konstruksi murah
Dari tabel 1.3 proses pembuatan etanol yang dipilih adalah proses pembuatan
etanol secara fermentasi (bioetanol)
commit to user
Bab I Pendahuluan | 9
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Tabel 1.4 Perbandingan Proses Batch dan Proses Kontinyu
Batch
Kontinyu
Terdapat beberapa unit yang didesign
Terdapat beberapa unit yang beroperasi
untuk memulai dan berhenti secara
24 jam/hari, 7 hari/minggu, plant shut
berkala (siklus batch)
down hanya untuk maintenance
Kapasitas produksi lebih kecil dari 10 x Kapasitas produksi lebih besar dari 10
106 lb/tahun
x 106 lb/tahun
Produk biasanya disesuaikan dengan
Produk yang dihasilkan hanya 1
musim (seasonal), dalam satu plant
produk utama dan tidak terpengaruh
dapat menghasilkan lebih dari 1 produk
oleh musim
utama
Waktu reaksi yang sangat lama
Waktu reaksi singkat
Pada satu vessel dapat digunakan lebih
Satu vessel hanya untuk satu macam
dari satu macam operasi
operasi
Membutuhkan lebih banyak alat
Alat pengendalian proses yang
pengendalian proses
dibutuhkan tidak terlalu banyak
(Douglas, 1988)
Dari tabel 1.4 produksi bioetanol dengan proses fermentasi kontinyu lebih dipilih
dari pada fermentasi konvensional batch
commit to user
Bab I Pendahuluan | 10
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Tabel 1.5 Dasar Pemilihan Bahan Baku
Dasar Pemilihan
Molase
Pati
Ethylene
Perlu (diubah
Pretreatment
Tidak perlu
Tidak perlu
menjadi glukosa)
Mudah (tebu,
Mudah (jagung,
sorghum, molasses)
singkong, kentang)
Terbarukan
Terbarukan
Tidak Terbarukan
Tinggi (bahan
Tinggi (bahan
baku)
baku)
250 liter etanol/1000
200 liter
166 liter
kg
etanol/1000 kg
etanol/1000 kg
Sulit
Ketersediaan
Sifat
Nilai guna
Rendah (limbah)
Yield
Dari tabel 1.5 bahan baku yang dipilih untuk produksi bioetanol adalah bahan
baku berbasis gula, yaitu tetes atau molase.
1.4.2. Alasan Pemilihan Proses
Dari tabel 1.3, 1.4 dan 1.5 maka dipilih pembuatan bioetanol dengan cara
fermentasi proses kontinyu dan bahan baku tetes/molase. Pertimbangan
pemilihan proses ini adalah :
1. Konversi etanol dengan proses kontinyu yang relatif tinggi yaitu 93%
2. Prosesnya relatif sederhana dan ramah lingkungan.
commit to user
Bab I Pendahuluan | 11
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
3. Kondisi operasi sangat menguntungkan jika ditinjau dari segi keamanan
dan perancangan alat. Hal ini dapat berpengaruh pada biaya perancangan
alat yang lebih murah.
4. Harga bahan baku yang murah, karena bahan baku merupakan limbah.
5. Bahan baku mudah diperoleh.
1.4.3. Kegunaan Produk
Kegunaan etanol adalah sebagai berikut :
1. Sebagai bahan pelarut, misalnya pelarut cat, pelarut minyak, dan lain –
lain.
2. Sebagai campuran minuman dan campuran.
3. Sebagai obat antiseptic dengan kadar 70% dan kepentingan farmasi.
4. Sebagai desinfektan peralatan medis/laboratorium
5. Sebagai bahan baku industri, misalnya industri etil asetat, etil eter, glycol,
etil klorida dan lain – lain.
6. Sebagai biofuel/bahan bakar pada konsentrasi > 99%.
1.4.4. Sifat Fisis dan Kimia Bahan
a. Molase
Sifat Fisika Molase (PG Trangkil,2010) :
Komposisi molase adalah
- Gula
: 62%
commit to user
Bab I Pendahuluan | 12
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
- Air
: 25%
- Abu
: 8%
- Organic nonsugar
: 5%
Wujud
: cair
Warna
: coklat
Sifat Kimia Molase (Olbrich, 1963) :.
Molase dapat terdekomposisi membentuk buih dan CO2 jika
disimpan pada kondisi penyimpanan yang tidak sesuai, kondisi
penyimpanan yang sesuai yaitu pada temperatur rendah dan tekanan
atmosferik.
b. Air
Sifat Fisika (Perry, 1999)
Rumus Molekul
: H2 O
Berat molekul
: 18,01 kg/kmol
Wujud
: Cairan
Warna
: Tidak berwarna
Titik didih
: 100oC
Titik beku
: 0oC
Tekanan kritis
: 218 atm
Temperatur kritis
: 374,2oC
SG
:1
commit to user
Bab I Pendahuluan | 13
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Sifat Kimia (Hart, 2003) :
Dalam bentuk ion, air terbentuk dari ion hidrogen (H+) dan ion
hidroksida (OH-)
H+ + OH- → H2O
Reaksi adisi air (hidrasi) alkena (ethylene) akan membentuk alkohol
(etanol)
CH2 = CH2 + H2O → C2H5OH
c. Etanol
Sifat fisika Etanol (Perry, 1999) :
Rumus Molekul
: C2H5OH
Berat molekul
: 46,07 g/mol
Titik didih
: 78,32oC
Titik lebur
: -112 oC
Wujud
: Cair
Warna
: Tidak berwarna
Spesifik Gravity
: 0,786 pada 20oC
Sifat Kimia Etanol :
Reaksi adisi air (hidrasi) alkena (ethylene) akan membentuk alkohol
(etanol)
CH2 = CH2 + H2O → C2H5OH
(Hart, 2003)
commit to user
Bab I Pendahuluan | 14
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
Fermentasi glukosa dengan bantuan Saccharomyces cereviceae akan
membentuk etanol (bioetanol).
C6H12O6
→
2C2H5OH
+
2CO2
(Faith Keyes, 1950)
1.4.5. Konsep Proses
Proses pembuatan bioetanol dari molase meliputi 4 tahap utama yaitu
persiapan bahan baku, pembuatan biokatalis, proses fermentasi dan pemurnian
etanol (distilasi). Pada tahap persiapan bahan baku, molase diencerkan
terlebih dahulu dengan menambahkan air sampai menghasilkan larutan
glukosa 15% (w/w). Sedangkan tahap persiapan biokalis dilakukan dengan
mengimmobilisasi cell Saccharomyces cereviseae dengan Ca alginat. Cell
yang telah terimmobilisasi tersebut disusun membentuk tumpukan (bed)
dalam reaktor. Fermentasi
dilakukan dalam reaktor yang telah berisi
tumpukan biokatalis dan dilakukan secara kontinyu. Etanol hasil fermentasi
dengan kadar 8-10% dipisahkan dari pengotor dan inert dengan proses filtrasi,
kemudian
didestilasi
untuk
mendapatkan
kadar
etanol
95%
(v/v).
commit to user
Bab I Pendahuluan | 15
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyudigilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/ahun
commit to user
Bab I Pendahuluan | 16
Prarancangan Pabrik Etanol dari Molase dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
BAB II
DESKRIPSI PROSES
2.1. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk
2.1.1
Spesifikasi Bahan Baku
1. Molase
Komposisi molasses :
- Gula
: 62%
- Air
: 25%
- Abu
: 8%
- Organic nonsugar : 5%
Kapasitas panas
Specific gravity
Viskositas (18o C)
: 0,5 cal/kg.oC
: 1,42
: 40 - 600 poise (pada 75 – 82 Brix)
(PG Trangkil, Pati)
2. Air
Rumus molekul
: H2O
Berat molekul
: 18,015 g/mol
Wujud
: cair
Warna
: tidak berwarna
Titik didih
: 100 oC
commit to user
16
Bab II Deskripsi Proses
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
2.1.2
Specific gravity
:1
Kemurnian
: 100 % berat
Spesifikasi Produk
1. Etanol
2.2
Rumus Molekul
: C2H5OH
Densitas
: 0,788 kg/liter
Titik didih
: 78,32oC
Titik beku
: -112 oC
Wujud
: Cair
Warna
: Tidak berwarna
Kemurnian
: 95 % volume
Impuritas ( air )
: 5 % volume
Konsep Proses
2.2.1
Dasar Reaksi
Pembuatan etanol dari molase dengan proses fermentasi secara
kontinyu dilakukan dalam reaktor yang berisi tumpukan biokatalis.
Biokatalis dipersiapkan dengan mengimobilisasi Saccharomyces
cereviseae dengan Ca alginate. Umur biokatalis ini hanya 20 hari,
maka setelah 20 hari biokatalis diganti dengan yang baru. Sedangkan
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 17
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
untuk menjaga agar proses produksi etanol terus berjalan maka dibuat
lebih dari satu reaktor dan saat biokatalis diganti aliran umpan masuk
reaktor diswitch ke reaktor yang lain. Reaksi yang terjadi sebagai
berikut :
2 C6H12O6 →
2 C2H5OH + 2 CO2 .................................(II-1)
(Hart, 2003)
2.2.2 Tinjauan Termodinamika
1. Panas reaksi
△H = -118 kJ/mol ..(II-2)
→
Dari data di atas dapat terlihat bahwa harga H < 0 sehingga reaksi
merupakan reaksi eksotermis.
2. Energi bebas Gibbs dan konstanta kesetimbangan
-
.............................................(II-3)
-
..............................................(II-4)
..........................................(II-5)
(Perry, 1999)
-
..........................................................(II-6)
[
]
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 18
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
[ (-
)
⁄
⁄
-
]— -
⁄
3. Konstanta kesetimbangan reaksi pada 298 K
Dari persamaan (15.14) Smith Van Ness edisi 5
-
........................................................................(II-7)
⁄
⁄
4. Konstanta kesetimbangan reaksi pada suhu operasi 303 K (30oC)
Dari nilai konstanta kesetimbangan pada keadaan standar 298 K,
dihitung nilai konstanta kesetimbangan reaksi pada 303 K.
ln
ln
ln
K=
=-
(
) ...................................................................(II-8)
=
)
= -0,786
.............................................................................(II-9)
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 19
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
Karena harga konstanta kesetimbangan yang cukup besar, maka reaksi
pembentukan etanol merupakan reaksi irreversible.
2.2.3
Tinjauan Kinetika
Reaksi Fermentasi
2 C6H12O6 →
2 C2H5OH + 2 CO2
Pembentukan produk pada proses fermentasi mengikuti metode
persamaan Monod untuk memudahkan proses perhitungan. Laju pengubahan
glukosa oleh yeast cell menjadi etanol dapat ditulis melalui persamaan umum
laju reaksi sebagai berikut :
Persamaan kecepatan reaksi (Monod’s Equation)
rA
Km S S
KzYm S
2
/ Ks ) (1 P/Kp
................................................... (II-
10)
Nilai parameter yang telah diketahui untuk persamaan kinetik (2-1) antara
lain:
Kz
= 1,047 jam-1
Ym
= 90 kg/m3
Km
= 1,197 kg/m3
Ks
= 1025 kg/m3
Kp
= 145,2 kg/m3
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 20
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
Dengan :
-rA
= kecepatan reaksi pengurangan C6H12O6, kg/m3.jam
KZ
= konstanta kecepatan reaksi
Ym
= fermentation power
Km
= konstanta kecepatan reaksi
Ks
= konstanta kecepatan reaksi
Kp
= konstanta kecepatan reaksi
S
= konsentrasi substrat (C6H12O6), kg/m3
P
= konsentrasi produk (C2H5OH), kg/m3
(Wei Youh Kuu, 1982)
2.2.4
Kondisi Operasi
Kondisi
operasi
sangat
menentukan
jalannya
proses
untuk
menghasilkan produk. Pada perancangan ini dipilih kondisi operasi reaksi
fermentasi sebagai berikut :
Suhu
: 30o C
Tekanan
: 1 atm
Fase reaksi
: cair
Waktu tinggal : 2708,46 detik
Biokatalis
: Cell
Support
: Saccharomyces cereviseae
: Ca Alginat (10 gram untuk setiap 0,5 gram
yeast ekstrak)
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 21
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
Diameter
: 0,004 m
Bulk density : 6,667 kg/m3
Umur
: 20 hari - 60 hari
(Wei Youh Kuu, 1982)
2.3
2.3.1
Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses
Diagram Alir Proses
Diagram alir ada tiga macam, yaitu :
a. Diagram alir proses (Terlampir)
b. Diagram alir kualitatif (Gambar 2.1)
c. Diagram alir kuantitatif (Gambar 2.2)
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 22
Prarancangan
Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
digilib.uns.ac.id
F10
Etanol
95%volum
F8
F5
Etanol
45% volum
-Etanol
-Air
CO2
P = 1 atm
T = 37o C
PRODUK
P = 1 atm
T = 35o C
P = 1 atm
T = 94,18o C
F6
F2
F4
Air
F1
Molase 62 % berat glukosa
-Glukosa
-Air
-Abu
-Nonsugar
P = 1 atm
T = 30o C
Larutan Etanol
10% volum
-Etanol
-Air
-Glukosa
Larutan etanol
10% volum + pengotor
-Etanol
-Air
-Glukosa
-Abu
-Nonsugar
Fermentor
R-01 A/B/C
Mixer
M-01
P = 1 atm
T = 37o C
P = 1 atm
T = 30o C
P = 1 atm
T = 30o C
F3
Medium Fermentasi
15% berat glukosa
-Glukosa
-Air
-Abu
-Nonsugar
Menara Destilasi I
MD-01
Menara Destilasi II
MD-02
P = 1 atm
T = 98,918o C
Filter
F-01
P = 1 atm
T = 37o C
P = 1 atm
T = 99,99o C
P = 1 atm
T = 99,99o C
F9
F11
F7
Pengotor dan Inert
-Abu
-Nonsugar
-Air
Vinase
-Air
-Etanol
Vinase
-Air
-Etanol
Gambar 2.1 Diagram alir kualitatif
Bab II Deskripsi Proses | 23
Prarancangan
Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasi Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
digilib.uns.ac.id
F10
Etanol 95% (v/v)
497,56 kg
Etanol 464,93kg
Air
32,63 kg
F5
CO2
451,30 kg
F8
Etanol 45% volum
1234,31 kg
PRODUK
Etanol 465,87 kg
Air
768,44 kg
F6
F2
Air
5016,32 kg
F4
Larutan etanol
10% volum + pengotor
6165,97 kg
Etanol
471,81 kg
Glukosa
69,48 kg
Air
5416,56 kg
Abu
128,08 kg
Nonsugar
80,05 kg
F1
Molase 62 % berat glukosa
1600,95 kg
Glukosa
Air
Abu
Nonsugar
992,59 kg
400,23 kg
128,08 kg
80,05 kg
Fermentor
R-01 A/B/C
Mixer
M-01
Larutan Etanol 10% volum
5888,37 kg
Etanol 471,81 kg
Air
5347,08 kg
Glukosa 69,48 kg
Menara Destilasi I
MD-01
Menara Destilasi II
MD-02
Filter
F-01
F3
Medium Fermentasi
15% berat glukosa
6617,27 kg
Glukosa
992,59 kg
Air
5416,56 kg
Abu
128,08 kg
Nonsugar
80,05 kg
F7
Pengotor dan Inert
277,61 kg
Air
69,48 kg
Abu
128,07 kg
Nonsugar
80,05 kg
F9
Vinase
4654,06 kg
Etanol 5,94 kg
Air
4648,12 kg
F11
Vinase
736,75 kg
Etanol 0,94 kg
Air
735,81 kg
Gambar 2.2 Diagram alir kuantitatif
Bab II Deskripsi Proses | 24
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
2.3.2 Tahapan Proses
Proses pembuatan Etanol dapat dibagi dalam tiga tahap yaitu :
1. Tahap penyiapan bahan baku
2. Tahap proses reaksi
3. Tahap pemurnian produk
2.3.2.1 Tahap Persiapan Tetes / Molase dan Biokatalis
a. Persiapan Tetes / Molase
Bahan baku molase dengan komposisi glukosa (62%), air
(25%), abu (8%), dan senyawa nonsugar (5%) dari tangki
penyimpanan T-01 disaring untuk menghilangkan pengotor padat,
seperti serat dan lain -lain.
b.
Pembuatan Biokatalis, Saccharomyces Cerevisiae teramobil Ca
Alginat
Dry yeast dikembangbiakkan dalam tangki seeding dengan
penambahan nutrien (KH2PO4 dan Na2PO4). Dari tangki seeding
dialirkan ke mixer dan dicampur dengan 2% support Na Alginat.
Keluaran mixer dimasukkan ke spray / atomizer dengan tujuan
mengubah larutan hasil mixer menjadi droplet. Droplet campuran
yeast dan sodium aginat ditampung dalam tangki yang berisi larutan
CaCl2 sehingga sodium alginate bereaksi dengan larutan CaCl2
membentuk Ca alginate. Beads yang terbentuk kemudian dilewatkan
filter dan selanjutnya disimpan dalam tangki penyimpanan biokatalis.
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 25
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
2.3.2.2 Tahap Proses Reaksi
Molase dari tangki penyimpanan molase (T-01) dipompa ke mixer
M-01. Air pada suhu 30oC ditambahkan untuk mengencerkan molase
menjadi larutan glukosa (15% w). Dari mixer (M-01) larutan glukosa
(15% w) dipompa menuju reaktor R-01 A/B/C (paralel). Reaktor R-01
A/B/C merupakan reaktor packed bed dimana pada bagian shell berisi
tumpukan bed biokatalis (saccharomyces cereviciae yang di immobilisasi
pada Ca alginate). Reaksi yang terjadi di dalam fermentor :
2 C6H12O6 →
Glukosa
2 C2H5OH + 2 CO2
Etanol
Karbondioksida
Reaksi fermentasi terjadi pada suhu 30 – 35o C, tekanan 1 atm dan
pH sebesar 5. Laju alir larutan glukosa (15% w) dari Mixer-01 sebesar
6617,27 kg/jam dan waktu tinggal dalam reaktor selama 2708,46 detik.
Larutan etanol yang terbentuk dan glukosa yang tidak bereaksi
dipompa menuju filter F-01 untuk memisahkan pengotor yang tercampur
dalam larutan etanol. Gas karbondioksida yang merupakan hasil samping
reaksi dilepaskan ke atmosfer.
2.3.2.3 Tahap Pemurnian Produk
Campuran etanol dan air hasil proses fermentasi dilewatkan filter
F-01 A/B. Dari F-01 A/B, larutan etanol dipanaskan suhunya sampai
98,9oC dalam heat exchanger E-01. Dari E-01 dipompa menuju menara
destilasi I (MD-01).
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 26
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
Umpan masuk menara distilasi MD-01 pada tekanan 1 atm dan
suhu 98,9oC. Jenis menara distilasi MD-01 adalah tray tipe sieve dan
umpan masuk pada plate ke – 6. Hasil atas MD-01 adalah larutan etanol
45% volum, yang akan dikondensasikan di condenser I (CD-01) pada
suhu 94,18o C. Dari CD-01 di pompa ke accumulator I (Acc-01),
kemudian dipompa untuk sebagian dijadikan refluks. Sebesar 19,08% w
dari CD-01 akan diumpankan ke menara destilasi II (MD-02). Sedangkan
hasil bawah akan dipompa ke unit pengolahan limbah.
Larutan etanol (45% v) hasil menara distilasi MD-01 dipompa ke
MD-02 pada tekanan 1 atm dan suhu 94,18o C. Jenis menara distilasi MD02 adalah tray tipe sieve dan umpan masuk pada plate ke – 7. Hasil atas
menara destilasi II (MD-02) adalah larutan etanol 95% volum yang akan
dikondensasikan di condenser II (CD-02) pada suhu 80,72o C. Dari CD-02
di pompa ke accumulator II (Acc-02), kemudian dipompa untuk sebagian
dijadikan refluks MD-02. Sebesar 19,08% w dari CD-02 diambil sebagai
larutan etanol produk. Sedangkan hasil bawahnya MD-02 dipompa ke unit
pengolahan limbah.
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 27
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
2.4 Neraca Massa dan Neraca Panas
2.4.1
Neraca Massa
Produk
: Etanol 95%
Kapasitas
: 5000 kL/tahun
Satu tahun produksi
: 330 hari
Waktu operasi selama 1 hari : 24 jam
Basis perhitungan
: 1 jam operasi
Satuan
: Kg/jam
2.4.1.1 Neraca Massa Overall
Tabel 2.1 Jumlah Arus Input
Nomor Arus Input (kg/jam)
Komponen
1
2
Glukosa
992,59
-
Air
400,24
5016,32
80,05
-
Abu
128,08
-
CO2
-
-
Etanol
-
-
Nonsugar
Total
6617,27
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 28
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
Tabel 2.2 Jumlah Arus Output
Nomor Arus Output (kg/jam)
Komponen
5
7
9
10
11
Glukosa
-
-
69,84
-
-
Air
-
69,48
4578,64
32,63
735,81
Nonsugar
-
80,05
-
-
-
Abu
-
128,08
-
-
-
CO2
451,30
-
-
-
-
-
-
5,94
464,93
0,94
Etanol
Total
6617,27
2.4.1.2 Neraca Massa Tiap Alat
a. Neraca Massa Di sekitar Mixer (M-01)
Tabel 2.3 Neraca Massa di Sekitar Mixer (M-01)
Input (kg/jam)
Output (kg/jam)
Komponen
F1
F2
F3
Glukosa
992,59
-
992,59
Air
400,24
5016,32
5416,56
Abu
128,08
-
128,08
80,05
-
80,05
Nonsugar
1600,95
5016,32
6617,27
Total
6617,27
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 29
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
b. Neraca Massa di Sekitar Reaktor Fermentasi (R-01 A/B/C)
Tabel 2.4 Neraca Massa di Sekitar Reaktor Fermentasi (R-01 A/B/C)
Input (kg/jam)
Output (kg/jam)
Komponen
F3
F4
F5
-
471,81
-
992,59
69,48
-
Air
5416,56
5416,56
-
Abu
128,08
128,08
-
80,05
80,05
-
-
-
451,30
Etanol
Glukosa
Nonsugar
CO2
6165,97
Total
451,30
6617,27
6617,27
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 30
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
c. Neraca Massa di sekitar Filter (F-01)
Tabel 2.5 Neraca Massa di Sekitar Filter (F-01)
Input (kg/jam)
Output (kg/jam)
Komponen
F4
F6
F7
471,81
471,81
-
69,48
69,48
-
Air
5416,56
5347,08
69,48
Abu
128,08
-
128,08
80,05
-
80,05
Etanol
Glukosa
Nonsugar
5888,37
Total
277,61
6165,97
6165,97
d. Neraca Massa di sekitar Menara Destilasi I (MD-01)
Tabel 2.6 Neraca Massa di Sekitar Menara Destilasi I (MD-01)
Input (kg/jam)
Output (kg/jam)
Komponen
F6
Etanol
Air
Glukosa
F8
F9
471,81
465,87
5,94
5347,08
768,44
4578,64
69,48
69,48
1234,31
Total
4654,06
5888,37
5888,37
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 31
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
e. Neraca Massa di sekitar Menara Destilasi II (MD-02)
Tabel 2.7 Neraca Massa di Sekitar Menara Destilasi II (MD-02)
Input (kg/jam)
Output (kg/jam)
Komponen
F8
F10
F11
Etanol
465,87
464,93
0,94
Air
768,44
32,63
735,81
497,56
736,75
1234,31
Total
1234,31
2.4.2 Neraca Panas
Basis perhitungan
: 1 jam operasi
Satuan
: kJ
c. Neraca Panas di Sekitar Mixer (M-01)
Tabel 2.8 Neraca Panas di Sekitar Mixer (M-01)
Komponen
Arus
Qin (kJ)
F1
Qout (kJ)
F2
F3
Air
8384,55 105085,97
113470,53
Glukosa
6522,97
0,00
6522,97
Abu
93451,65
0,00
93451,65
Nonsugar
91224,98
0,00
91224,98
Total panas
199584,16 105085,97
304670,13
Total
304670,13
304670,13
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 32
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
d. Neraca Panas di Sekitar Reaktor Fermentasi (R-01 A/B/C)
Tabel 2.9 Neraca Panas di Sekitar Reaktor Fermentasi (R-01 A/B/C)
Qin (kJ)
Qout (kJ)
Komponen
F3
F4
F5
-
4644,82
-
37823,51
94911,16
-
2174,30
382.32
-
Abu
31148,12
78242,20
-
Nonsugar
30404,53
76374,35
-
-
-
48710,04
101550,46
254554,86
48710,04
Etanol
Air
Glukosa
CO2
Total
303264,90
Jumlah
Reaksi
Total
201714,44
303264,90
303264,90
commit to user
Bab II Deskripsi Proses | 33
Prarancangan Pabrik Etanol Dari Molase Dengan Proses Fermentasidigilib.uns.ac.id
Kontinyu
perpustakaan.uns.ac.id
Kapasitas 5.000 Kiloliter/Tahun
e. Neraca Panas di Sekitar Filter (F-01)
Tabel 2.10 Neraca Panas di Sekitar Filter (F-01)
Qin (kJ)
Qout (kJ)
Komponen
F4
F6
F7
13934,47
13934,47
-
1146,95
1146,95
-
Air
284733,48 281081,11
3652,37
Abu
234726,61
- 234726,61
Nonsugar
229123,05
- 2