Bab II Perancangan Pabrik Bioethanol

Perancangan Pabrik Bioetanol dari JagungBAB IIDISKRIPSI PROSES

2.1. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk2.1.1. Spesifikasi Bahan BakuBiji jagung terdiri atas kulit luar (2%); lembaga (11,5%); kulit ari/perikarp (5,3%) dan endosperm yang merupakan bagian terbesar meliputi 88,3% serta pangkal biji (0,8%). Endosperm terdiri atas bagian yang lunak dan keras. Bagian yang lunak (floury), sebagian besar tersusun dari granula pati. Sedangkan bagian yang keras (horny), tempat terdapatnya interaksi yang kuat antara butiran pati dan protein. Kadar protein jagung berkisar antara 9,1 %- 11,9% [Prihatman, 2000].2.1.2.Spesifikasi ProdukProduk yang dihasilkan adalah etanol. Etanol yang dihasilkan di industri dan akan digunakan sebagai bahan bakar harus didenaturasi agar tidak dijadikan bahan minuman. Selain itu etanol yang didenaturasi tidak dikenai cukai alkohol. Etanol yang digunakan sebagai pelarut biasanya tidak didenaturasi. Berikut ini adalah spesifikasi etanol yang tidak didenaturasi :

Tabel 2.1. Persyaratan mutu produk etanol tidak didenaturasiParameter95%Absolut

Berat jenis, 20/200C, maks.0,81260,7912

Kemurnian, %-v, min.9599,9

Keasaman, %-b sbg asetat, maks.0,0020,002

Sisa penguapan, g/100 ml, maks.0,00250,0025

Daya larut dalam airSempurnaSempurna

Waktu permanganat, menit, min.4025

BauKhasKhas

Warna, APHA, maks1010

Air, %-b-0,1

Sumber: Amiruddin, 2005Apabila etanol akan dijadikan sebagai campuran bahan bakar (gasohol), maka etanol mempunyai syarat-syarat yang ditentukan menurut American Society for Testing Materials (ASTM).

Tabel 2.2. Persyaratan mutu etanol untuk pembuatan campuran bahan bakarParameterNilai

Etanol, %-V., min.92,1

Air, %-b., maks.1

Hidrokarbon (sbg denaturan). %-v.1,96-4,76

Metanol + keton, %-b., maks.0,5

Keasaman sbg. Asetat, %-b., maks.0,007

Ion khlorida, ppm, maks.40

Getah (gom), dicuci, mg/100 ml, maks.5

Tembaga (Cu), mg/kg, maks.0,1

Sumber: ASTM D 4806Dari persyaratan mutu di atas maka akan dipilih produk dengan spesifikasi etanol absolut. Dengan demikian bioetanol yang dihasilkan dapat memenuhi spesifikasi untuk pembuatan gasohol.

2.2. Konsep Proses2.2.1. Dasar ReaksiProses pembentukan etanol dari pati jagung berlangsung dalam tiga tahap yaitu proses hidrolisa pati jagung menjadi dekstrin, proses konversi dekstrin menjadi glukosa (sakarifikasi) keduanya merupakan reaksi enzimatis dan proses fermentasi glukosa menjadi etanol. Reaksi hidolisa dengan enzim bersifat endotermis (membutuhkan panas) dan ireversibel. Reaksi yang terjadi pada proses hidrolisa pati dari jagung adalah :-[C5H10O5]- a-amylase -[C6H12O6]- ..........................(1)-[C6H12O6]- glukoamylase C6H12O6 .............................(2)Kondisi operasi : Proses Hidrolisa pati pada temperatur 850C, tekanan 1 atm Proses Sakarifikasi pada temperatur 650C, tekanan 1 atmReaksi fermentasi glukosa berlangsung pada kondisi anaerob. Sedangkan untuk pertumbuhan inokulum berlangsung pada kondisi aerobik. Reaksi fermentasi bersifat eksotermis (melepaskan panas) dan ireversibel. Reaksi berjalan di dalam fermentor dan bereaksi secara stokiometris dan untuk menjaga agar pH tetap konstan digunakan larutan buffer NH3. Inokulum ditambahkan 1% dari jumlah pati dan konversi reaksi glukosa sebesar 95%. Reaksi aerobik pertumbuhan Saccharomyces cerevisiae :C6H12O6 + 2,28O2 + 2,08NH3 4CH1,6N0,52O0,16 + 5,92CO2 + 2H2O .(3)Kondisi operasi : Temperatur fermentasi 350C, 1 atmReaksi anaerob proses fermentasi glukosa menjadi etanol :C6H12O6 Ragi CH1,6O0,15 + 2C2H5OH + 2CO2 +H2O H=-1334,49....(4)Kondisi operasi : Temperatur fermentasi 350C, 1 atm, waktu 65 jam, pH 4-5. Dari tinjauan termodinamika dapat diketahui sifat reaksi (endotermis dan eksotermis), pengaruh temperatur terhadap kesetimbangan reaksi. Data termodinamika reaksi fermentasi sebagai berikut :Hof reaksi = Hof produk - Hof reaktanHof C6H12O6 = -1.264,0 kJ/molHof NH3 = -459 kJ/molHof C2H5OH = -288 kJ/molHof CH1,6N0,52O0,16 = -91 kJ/molHof H2O = -286 kJ/molHof CO2 = -394,1 kJ/molHof reaksi = -1.334,49 kJ (eksotermis).Reaksi bersifat dapat balik (reversible) dan searah (ireversibel) dapat ditentukan secara termodinamika, yaitu berdasarkan persamaan Vant Hoff. = Jika harga K besar menunjukkan bahwa reaksi fermentasi glukosa menjadi etanol searah (irreversible) maka kenaikan suhu kurang berpengaruh terhadap konstanta kesetimbangan.(Perry, 1975).2.2.2. Kinetika ReaksiReaksi hidrolisa pati dan sakarifikasi merupakan reaksi enzimatis maka laju hidrolisis pati menjadi amilosa dan amilopektin dan glukosa dinyatakan dengan persamaan:-rs = = (1)Dimana : Cs = konsentrasi substrat kg/m3 Ce = konsentrasi enzim kg/m3 Km = konstanta Michaelis-Menten kg/m3 (0,0005 kg/m3) Vmax = laju reaksi maksimum mol/kg.s (0,00015 kg/m3.s)Laju penggunaan glukosa oleh Saccharomyces cerevisiae dan laju produksi biomassa :-rx = = Mx (t)(2)-rs = + ms Ms ....(3)Dimana : Mx = konsentrasi biomassa kg/m3 Yxs = laju yield biomass mol/kg.s = laju pertumbuhan s-1Laju penggunaan glukosa oleh Saccharomyces cerevisiae dan laju produksi biomassa (X) :-rp = + mp Mx ....(4)Dimana : Yxp = laju yield produk mol/kg.s Mx = konsentrasi produk kg/m3 2.3. Diagram alir proses 2.3.1. Diagram ProsesGambar 2.1. Flow Diagram Alir Proses(terlampir) 2.3.2. Langkah ProsesRancangan proses pembuatan etanol dari jagung ini terdiri dari empat tahapan proses, yaitu tahap penyiapan inokulum, tahap pengolahan/perlakuan awal bahan baku, tahap fermentasi, dan tahap pemurnian etanol. Pada proses pembuatan etanol, dihasilkan pula limbah berupa air cucian, vinase/stillage, dan lutter water. Pada saat ini pengolahan limbah belum dilakukan, namun sedang dipikirkan cara untuk memanfaatkan limbah yang diperoleh atau penanganannya sehingga tidak berbahaya ataupun merusak lingkungan.2.3.2.1 .Tahap Persiapan Saccharomyces cerevisaeUntuk memproduksi etanol secara fermentasi, digunakan biomassa aktif, yaitu ragi Saccharomyces cerevisae yang disiapkan secara aerobik. Saccharomyces cerevisae yang dipersiapkan tersebut dikembangkan terlebih dahulu bibitnya dalam suatu media. Media merupakan suatu campuran senyawa kimia yang berupa nutrien-nutrien yang dibutuhkan oleh biomassa aktif untuk dapat tumbuh. Pada rancangan proses ini, media yang digunakan adalah bubur jagung itu sendiri dengan tambahan nutrisi nitrogen dari amoniak (NH3).Pengembangbiakan biomassa aktif dilakukan pada biakan agar miring yang biasa disebut liofilisasi. Langkah pertama, dengan teknik aseptik, tabung reaksi yang berisi sekitar 10 cc air steril diinokulasikan dengan kultur murni ragi untuk kemudian dituangkan pada media agar. Setelah inkubasi selama beberapa hari pada temperatur 25-30oC (temperatur optimum pertumbuhan ragi), kultur bisa digunakan sebagai bibit pada mash steril. Sampai pada tahap persiapan starter ini, biasanya dilakukan di laboratorium.Untuk mempertahankan keaktifannya, stock culture ini diregenerasi setelah disimpan beberapa waktu. Proses pengembangbiakan ini dilakukan secara bertahap (empat tahap), dari skala bejana Erlenmeyer volume kecil hingga skala bioreaktor dengan volume kerja yang besar. Peralihan dari volume kecil ke volume yang lebih besar ditentukan oleh waktu berkaitan dengan dengan laju pertumbuhan logaritmik biomassa. Aerasi sangat dibutuhkan dalam persiapan starter sampai pembibitannya ke dalam fermentor untuk menjaga keberadaan sel ragi pada jumlah minimum yang dibutuhkan.Tahap ini selalu berada di bawah pengawasan laboratorium, termasuk penyeleksian strain ragi, penambahan nutrien, pH, temperatur, serta pembersihan dan sterilisasi [Prescott, 1949].2.3.2.2.Tahap Pengolahan Awal Bahan BakuPengolahan awal terhadap bahan baku jagung bertujuan untuk mengubah jagung menjadi glukosa yang siap digunakan sebagai substrat pada proses fermentasi. Pada proses ini akan dilakukan treatment pengolahan jagung sebelum dilakukan proses fermentasi menjadi etanol. Tahap ini terdiri atas 4 (empat) langkah kerja yang dijabarkan sebagai berikut:A.PembersihanLangkah pertama adalah membuang pengotor. Jagung dicuci dengan air. Kotoran yang terbawa air disaring sehingga air dipakai kembali untuk mencuci bahan baku berikutnya. Jumlah kebutuhan air untuk pencucian terhadap jagung yang akan dicuci adalah 4 : 1 (massa). B.Penggilingan dan PembuburanLangkah kedua adalah penggilingan jagung untuk menjadikan struktur bahan baku supaya menjadi lebih halus (disebut tepung jagung). Setelah itu, tepung jagung dilarutkan dan dibuburkan dalam air sebanyak 4,25 (kali) beratnya. Hal ini dilakukan untuk menurunkan kekentalan/viskositas sehingga pengadukan lebih merata dan reaksi enzimatik mudah terjadi.C.Pemasakan (Cooking)Langkah berikutnya, bubur jagung dipanaskan/dimasak dengan steam 2 bar untuk menghidrolisis pati yang dikandung dalam jagung (75% minimum) menjadi amilosa dan amilopektin. Proses hidrolisis ini terjadi pada temperatur 121oC selama 15 menit dan menyebabkan granula pati mengadsorbsi air, terurai, dan pecah. Prosesnya seperti mengurai lilitan benang sehingga memanjang. Hal ini dilakukan untuk mempermudah enzim memotong rantai hidrokarbon pati. D.Hidrolisa patiLangkah keempat, proses hidrolisa pati diselenggarakan. Enzim -amilase dan glukoamilase ditambahkan sebanyak 2% dari jumlah pati untuk pada suhu 85oC selama 1 (satu) jam. Sebenarnya, enzim yang bekerja optimum pada temperatur ini adalah enzim -amilase yang akan menjadi katalis bagi reaksi hidrolisis dengan memutus ikatan ,1-4 glikosidik di tengah-tengah molekul pati secara acak, hingga dihasilkan dekstrin. E.SakarifikasiLangkah kelima, enzim -amilase dan glukoamilase ditambahkan sebanyak 12% dari jumlah pati untuk pada suhu 60oC selama 15-20 menit. Dekstrin dipecah-pecah menjadi glukosa yang siap dikonsumsi mikroorganisme dalam proses fermentasi. Jumlah glukosa yang dihasilkan sekitar 35% dari jumlah pati. Enzim glukoamilase merupakan katalis bagi reaksi hidrolisis dengan memutus ikatan ,1-4 glikosidik dari amilosa pada bagian ujung nonpereduksi hingga terlepas menjadi monomer glukosa. Enzim ini juga melepas ikatan ,1-6 glikosidik. 2.3.2.3.Tahap Reaksi FermentasiProses fermentasi yang diterapkan adalah proses batch (partaian). Proses ini diawali dengan produksi biomassa aktif (inokulum) dalam sebuah fermentor. Setelah volume fermentor telah terisi oleh medium (bubur jagung) 20% dari volume keseluruhan, maka inokulum dialirkan ke dalam bejana. Hal ini dimaksudkan untuk kesempatan bagi biomassa aktif untuk dapat tumbuh selama sisa waktu pengisian fermentor.Glukosa yang diproduksi selama sakarifikasi akan dikonsumsi oleh ragi, Saccharomyces cerevisiae yang kemudian akan menghasilkan etanol, CO2, dan pada proses fermentasi dengan reaksi keseluruhan sebagai berikut: C6H12O6 fermentasi 2C2H5OH + 2 CO2 + Energi Selama proses fermentasi berlangsung, dijaga konstan 35oC dengan mengalirkan air pendingin melalui saluran atau alat penukar panas. Pendinginan perlu dilakukan mengingat proses fermentasi ini berlangsung secara eksotermik. Saat awal fermentasi, pH ditetapkan sekitar 4 5. Nilai ini akan menurun dengan lambat selama proses fermentasi, dan dijaga untuk tetap pada harga 4,0. Hal ini dapat dilakukan dengan menambahkan buffer. Waktu fermentasi etanol dari jagung oleh ragi berkisar antara 65 jam. Produktivitas maksimum dicapai setelah 20 jam proses berlangsung. Perolehan etanol terhadap glukosa adalah 0,44 [Mavituna, 1994]. Produk samping yang dihasilkan antara lain asetaldehid dan fusel oil. Untuk 5000 Liter etanol yang dihasilkan, jumlah asetaldehid yang dihasilkan sekitar 1 Liter, sedangkan fusel oil sebanyak 5 Liter. Dari stoikiometri reaksi, perolehan sel ragi terhadap glukosa bertambah tidak lebih dari 10%.Cairan hasil fermentasi terdiri atas produk etanol dan pengotornya yang ditampung dalam sebuah bejana (holding tank/intermediate tank). Pengotor tersebut berupa sel ragi, sisa glukosa, air, zat metabolit lain yang diasumsikan sebagai zat inert. Langkah pertama yang dilakukan adalah memisahkan sel ragi dan enzim dari larutan dengan menggunakan mikrofiltrasi. Sel ragi dan enzim ini masuk ke dalam pengolahan limbah untuk dijadikan pakan ternak. Setelah itu, dialirkan ke tahap pemurnian. Broth fermentasi masuk ke kolom penyulingan mash (mass column) untuk memisahkan zat-zat volatile seperti etanol, asetaldehid, dan fussel oil hingga terpisah dari larutan. Selanjutnya, asetaldehid sebagai zat yang paling volatil di-recovery pada kolom pelucut ( Flash Column).Tahap pemurnian selanjutnya adalah distilasi pada tekanan atmosfer dalam (atmospheric distillation column). Larutan etanol hasil fermentasi dimurnikan menjadi 95%-w/w etanol (azeotrop). Fusel oil dan asetaldehid diambil sebagai draw off , sedangkan produk bawahnya adalah lutter water yang kemudian masuk ke pengolahan limbah. Etanol 95%-w/w ini kemudian diumpankan ke unit pervaporasi membran, sehingga dihasilkan produk etanol dengan kadar 99,9%.2.3.2.4. Tahap Pemisahan dan PemurnianPemisahan yang umum dilakukan untuk memisahkan etanol dari larutan fermentasi adalah distilasi. Pemisahan dan pemurnian etanol seringkali menjadi permasalahan tersendiri karena rendahnya konsentrasi etanol dalam curah fermentasi dan tuntutan kemurnian etanol yang tinggi agar dapat digunakan sebagai bahan bakar. Dengan demikian, proses pemisahan dan pemurnian dapat dikategorikan sebagai proses yang membutuhkan sejumlah besar energi. Agar proses distilasi dapat ekonomis, maka konsentrasi etanol dalam larutan fermentasi harus lebih besar dari 5%-volume. Campuran etanol-air membentuk azeotrop pada komposisi etanol 95% sehingga dehidrasi lebih lanjut untuk menghasilkan etanol fuel-grade dengan kemurnian 99,9% sudah tidak dapat dilakukan. Untuk itu dilakukan proses dehidrasi dengan distilasi atmosfer dan membran pervaporasi.Membran pervaporasi merupakan proses pemisahan campuran cair-cair menggunakan membran, permeat mengalami perubahan fasa dari fasa cair menjadi uap. Campuran azeotrop dapat dipisahkan dengan membran pervaporasi karena pemisahan dengan pervaporasi tidak didasarkan pada kesetimbangan uap-cair melainkan didasarkan pada perbedaan kelarutan sebagai wujud interaksi antara komponen campuran dengan membran. Membran yang biasa digunakan adalah membran tidak berpori (non-porous) dimana material membran terbuat dari keramik dan bersifat hidrofilik. Membran keramik lebih banyak digunakan daripada membran polimer karena membran ini tahan terhadap temperatur tinggi. Gaya dorong (driving force) pada pemisahan dengan membran pervaporasi adalah perbedaan konsentrasi dan tekanan parsial diantara kedua sisi membran.

2.3.2.5. Diagram Alir Proses Yang Dipilih

DryinggDryer Feed Mixing MEvaporationCentrifugationnDehydrationDistillationFermentationSaccharificationLiquefactionCorn MillingCooling CO2

Alpha-Amylase Gluco-amylase Yeast Fuel Grade Ethanol Denaturant Deturgent Distillers Dried Grains with Solubles Gambar 2.1. Proses Dry millling pada produksi Etanol dari JagungProses yang dipilih dalam produksi etanol dari jagung adalah dengan proses dry milling.

2.4. Neraca Massa dan Neraca Panas2.4.1. Neraca Massa

Unit Pencucian- [ C5H10O5 ] - 10339,5 H2O 4372,5Unit Pembuburan- [ C5H10O5 ] - 10339,5 H2O 62962,6Unit Hidrolisa pati- [ C5H10O5 ] - 10339,5H2O 62962,6-amylase 206,8 n [ C6H12O6 ] 3618,8 Unit Sakarifikasi- [ C5H10O5 ] - 10339,5H2O 62962,6 [ C6H12O6 ] 3618,8Glukoamylase 1240,7Unit Fermentasi- [ C5H10O5 ] - 6720,8 H2O 65654,7-amylase 206,8 [ C6H12O6 ] 3618,8Glukoamylase 1240,7CH1,6N0,52O0,16 139,5CO2 336,1C2H5OH 1640,8NH3 54,3C2H4O 1,6 C3H8O 1,5C4H10O 1,9C5H12O 5,2Unit Mikrofiltrasi- [ C5H10O5 ] - 6048 H2O 66939,7-amylase 206,8 [ C6H12O6 ] 180,9Glukoamylase 1240,7CH1,6N0,52O0,16 139,5C2H5OH 1640,8C2H4O 1,6C3H8O 1,5C4H10O 1,9C5H12O 5,2Stillage 60192,2Inert 54,3Unit Mash ColumnProduk atas H2O 14747,7C2H5OH 1640,8C2H4O 1,6C3H8O 1,5C4H10O 1,9C5H12O 5,2Produk bawahStillage 60192,2Inert 54,3Unit Flash ColumnProduk atasC2H4O 1,592Produk bawah H2O 14747,7C2H5OH 1640,8C3H8O 1,5C4H10O 1,9C5H12O 5,2 C2H4O 0,008Unit DistilasiProduk atas H2O 86,5C2H5OH 1579,3Produk bawahC2H5OH 61,5H2O 14661,2C3H8O 1,5C4H10O 1,9C5H12O 5,2C2H4O 0,008Unit Membran PervaporasiPermeat H2O 84,9RetentatC2H5OH 1640,8 H2O 1,6Unit Inokulasi [ C6H12O6 ] 292,9CH1,6N0,52O0,16 139,5H2O 2583,3CO2 195,3 O2 139,6 N2 524,82.4.1.1. Blok Diagram Neraca Massa

Gambar 2.2 Blok Diagram Neraca Massa dalam Kg/jam

2.4.1.2. Hasil Perhitungan Neraca MassaA. Unit Pencucian T-102

KomponenINPUT (kg/jam)OUTPUT (kg/jam)

M1M2M3

- [ C5H10O5 ] -10339,5010339,50

H2O4372,504372,50

Jumlah10339,504372,5014712,00

14712,0014712,00

B. Unit Pembuburan V-101


M3M2M4

- [ C5H10O5 ] -10339,5010339,50

H2O62962,6062962,60

Jumlah10339,5062962,6073302,10

73302,1073302,10

C. Unit Hidrolisa Pati V-103


M4M5M6

- [ C5H10O5 ] -10339,506720,80

H2O62962,6062962,60

-amylase206,80206,80

n [ C6H12O6 ]3618,80

Jumlah73302,10206,8073509,00

73509,0073509,00

D. Unit Sakarifikasi V-104


M6M5M7

- [ C5H10O5 ] -10339,506720,80

H2O62962,6062962,60

Glukoamylase1240,701240,70

C6H12O63618,80

Jumlah73302,101240,7074542,90

74542,9074542,90

E. Unit Inokulasi V-201

KomponenINPUT (kg/jam)INPUT (kg/jam)

M1M2M3M4

C6H12O6292,90

CH1,6N0,52O0,16139,5

O2139,6

N2524,8524,8

CO2-195,3

H2O2583,302681,00

Jumlah2876,20664,40195,303345,3

3540,603540,60

F. Unit Fermentasi V-202KomponenINPUT (kg/jam)OUTPUT (kg/jam)

M7M4M8M9

- [ C5H10O5 ] -6720,806720,80

C6H12O63618,80180,90

CH1,6N0,52O0,16139,5359,60

a-amylase206,80206,80

Glukoamylase1240,701240,70

CO2-336,10

H2O65654,7066939,70

C2H5OH-1640,80

NH354,30-

C2H4O-1,6

C3H8O-1,5

C4H10O-1,9

C5H12O-5,2

Jumlah77496,10139,5077299,50336,10

77635,6077635,60

G. Unit Mikrofiltrasi MF-201


- [ C5H10O5 ] -6048,00-

C6H12O6180,90-

CH1,6N0,52O0,16323,7-

a-amylase206,80-

Glukoamylase1240,70-

H2O66939,7014747,60

C2H5OH1640,81640,80

C2H4O1,61,6

C3H8O1,51,5

C4H10O1,91,9

C5H12O5,25,2

Stillage-60192,2

inert54,354,3

Jumlah76645,1076645,10

H. Unit Mash Column V-301


M8M10M11

H2O14747,6014747,60

C2H5OH1640,801640,80

inert54,30-54,30

C2H4O1,61,6

C3H8O1,51,5

C4H10O1,91,9

C5H12O5,25,2

Stillage60192,260192,2

Jumlah76645,1016398,6060246,50

76645,1076645,10

I. Unit Flash Column V-302


M10M12M13

H2O14747,6014747,60

C2H5OH1640,801640,80

C2H4O1,61,590,008

C3H8O1,51,5

C4H10O1,91,9

C5H12O5,25,2

Jumlah16398,601,5916397,00

16398,6016398,59

J. Unit Distilasi V-303


M13Produk Atas (M14)Produk Bawah (M15)

KomposisiLaju alirKomposisiLaju alir

%-berat(kg/jam)%-berat(kg/jam)

H2O14747,60586,598,9514661,10

C2H5OH1640,80951579,3161,5

C3H8O1,50-0,00951,5

C4H10O1,90-0,0321,9

C2H4O0,008000,000000540,008

C5H12O5,2000,000325,2

Jumlah16397,001001727,310014669,7

16397,0016397,00

K. Unit Membran Pervaporasi MP-301

KomponenINPUT (kg/hari)OUTPUT (kg/hari)

M14M16M17

PermeatRetentat

KomposisiLaju alirKomposisiLaju alirKomposisiLaju alir

%-berat(kg/jam)%-berat(kg/jam)%-berat(kg/jam)

H2O5,0086,510084,90,11,6

C2H5OH95,001579,30-99,991579,3

Jumlah1001665,810084,91001580,9

1665,81665,8

2.4.2. Neraca Panas2.4.2.1. Blok Diagram Neraca Panas

Gambar 2.3 Blok Diagram Neraca Panas dalam kJ/jam

2.4.2.2. Hasil Perhitungan Neraca PanasA. Unit Pemasakan V-102

KomponenINPUT (kJ/jam)OUTPUT (kJ/jam)

Q1QSQ2Qc

- [ C5H10O5 ] - 87709889,2-1934061893,1

H2O1319376-25290748,5

Steam-2302263524,7

Kondensat431940148,3

Total89029265,22302263524,7 1959352641,6431940148,3

2391292789,92391292789,9

B. Unit Heat Exchanger HE-101


Q2QcwcQ3Qcwh

- [ C5H10O5 ] - 1934061893,1 -1147006158,5

H2O25290748,5-15771035,01

Pendingin-398287724,11194863172,2

Total1959352641,6 398287724,11162777193,5 1194863172,2

2357640365,72357640365,7

C. Unit Hidrolisa pati


Q3Q4Qreaksi

- [ C5H10O5 ] -1147006158,4968745567869,8221

H2O15771035,016215771035,0162

n [ C6H12O6 ]289677945,6

Reaksi-111760343,0852

Total1162777193,51301051016850,4278111760343,0852

1162777193,51162777193,5

Qs = 200217562,1 kJ/jamQc = 37563902,9 kJ/jam

D. Unit Heat Exchanger HE-102


Q4QcwcQ5Qcwh

- [ C5H10O5 ] - 745567869,8 -418635053,4

H2O15771035,016-9206679,9

n [ C6H12O6 ]289677945,6162653659,2

Pendingin-230260728,9 690782186,8

Total1051016850,4 230260728,9 590495392,6690782186,8

1281277579,31281277579,3

E. Unit Sakarifikasi V-104


Q5Q6Q298

- [ C5H10O5 ] - 418635053,4277418635053,4277

H2O9206679,92579206679,9257

C6H12O6162653659,2

Reaksi162653659,2271

Total590495392,5805427841733,3534162653659,2

590495392,5805590495392,5805

Qs = 200217562,1 kJ/jamQc = 37563902,9 kJ/jam

F. Unit Heat Exchanger HE-103


Q6QcwcQ7Qcwh

- [ C5H10O5 ] - 418635053,4 -57012488,4

H2O9206679,9 -1319375,9

C6H12O6162653659,222151250,3

Pendingin-255006139765018417

Total590495392,6255006139 80483114,6765018417

845501531,6845501531,6

G. Unit Fermentor V-302


Q7Q8Q8Q298

C2H5OH38461,8267

H2O1375788,67772803521,3529

C2H4O37,6307

C3H8O36,2094

C4H10O41,2302

C5H12O123,0970

C6H12O622151250,32,23E+06

- [ C5H10O5 ] 5,70E+0757012488,35

NH31286,493846

CO22945,67873

Reaksi18457430,7857

SubTotal80540813,820962080437,35652945,6787318457430,79

TOTAL80540813,820980540813,8209

Qcwc = 46210585,14 kJ/jamQcwh = 64694819,2 kJ/jamH. Unit Heater E-301


Q8QsQ9Qc

C2H5OH38461,82666365839,9136

H2O2803521,35325190928,39

C2H4O37,63065033370,1290469

C3H8O36,2094371342,878412

C4H10O41,23015686387,5878332

C5H12O123,09699091152,803262

C6H12O6223271,95762269609,759

- [ C5H10O5 ] 1,15E+071,17E+08

Steam-160313048,8615

Kondensat3,01E+07

Total14573416,5933160313048,8615144809264,75703,01E+07

174886465,4548174886465,4548

I. Unit Mash Column V-301


Q9umpanQ10vaporQ11bottom

C2H5OH365839,9136180704,6333

H2O25190928,39491975409,327517921686,5382

C2H4O370,1290153,7838

C3H8O342,8784177,8867

C4H10O387,5878222,8723

C5H12O1152,8033614,6057

C6H12O62269609,7591744438,59

- [ C5H10O5 ] 1,17E+0889106121,36

SubTotal144809264,757036037057,8900108772246,4894

TOTAL144809264,7570144809304,3794

J. Cooler C-301


Q10QcwcwQ12Qcwh

C2H5OH180704,6333156711,3214

H2O1975409,3282463823,893

C2H4O153,7838217155,0118164

C3H8O177,8866532147,3392247

C4H10O222,8722812167,3888773

C5H12O614,605696499,2164073

Pendingin16707776,8650123330,57

Total36037057,8916707776,862621504,17150123330,57

52744834,7552744834,74

K. Unit Flash Column V-302


Q12umpanQ13vaporQ14bottom

C2H5OH156711,3214156711,3214

H2O2463823,89332463823,8933

C2H4O155,0118824,50000,7751

C3H8O147,3392147,3392

C4H10O167,3889167,3889

C5H12O499,2164499,2164

SubTotal2621504,1709824,50002621349,9342

TOTAL2621504,17092621504,409

L. Unit Heater E-302


Q14QSQ15Qc

C2H5OH156711,3214200678,3609

H2O2463823,8933130906,263

C2H4O0,7750590820,996919924

C3H8O147,3392247188,5685025

C4H10O167,3888773214,0219159

C5H12O499,2164073637,9807153

Steam-875541,3121

Kondensat1,64E+05

Total2621349,9342875541,31213332626,19141,64E+05

3496891,24633496891,2463

M. Unit Atmospheric Distilling Column V-303


Q14Qs Qcwc Q16dQ17Qcwh Qc

C2H5OH200678,4197685,7 11362,8

H2O3130906,318778,74620157,9

C2H4O0,9969-1,5227

C3H8O188,5685-284,4280

C4H10O214,0219-322,0317

C5H12O637,9807-958,6899

Steam10728925,04--

Kondensat2012911,8

Pendingin3599543,84--10798631,4

Sub total3332626,210728925,043599543,84216464,44633087,4 10798631,4 2012911,8

Total17661095,030217661095,0302

N. Unit Membran Pervaporasi MP-301


Q16 inputQsQ16pQ16rQc

C2H5OH228672,7289956,7

H2O21601,726594,2501,2

Steam82199,6

Kondensat15421,9

Total250274,482199,626594,2290457,915421,9

332474332474

2.5. Lay Out Pabrik dan Peralatan Proses3.5.1. Lay Out PabrikPabrik etanol dari jagung ini diletakkan di dalam ruangan (indoor), mengingat kebutuhan akan sterilitas (kebersihan) dan menghindari pengaruh cuaca. Lay out pabrik adalah kedudukan dari bagian pabrik yang terdiri dari tempat karyawan bekerja, tempat peralatan, tempat penyimpanan bahan baku, tempat penyimpanan produk baik itu produk utama maupun produk samping yang ditinjau dari segi hubungan satu dengan yang lainnya.Lay out pabrik harus dirancang sedemikian rupa sehingga penggunaan area yang tersedia dapat efisien dan proses produksinya dapat berjalan dengan lancar. Jadi dalam penentuan tata letak pabrik harus dipikirkan penempatan alat-alat produksi sehingga keamanan, keselamatan dan kenyamanan bagi karyawan dapat dipenuhi.Selain peralatan yang tercantum dalam flow sheet proses, beberapa bangunan fisik seperti kantor, laboratorium, bengkel, tempat ibadah, poliklinik, MCK, kantin, fire safety, pos penjagaan dan sebagainya hendaknya ditempatkan pada bagian yang tidak mengganggu jalannya proses, ditinjau dari lalu lintas barang, kontrol, dan keamanan.Hal-hal yang harus diperhatikan dalam perencanaan tata letak pabrik adalah :1. Perluasan pabrik dan kemungkinan penambahan bangunanPerluasan pabrik harus sudah direncanakan sejak awal sehingga masalah kebutuhan akan tempat tidak akan timbul di masa depannya. Area yang khusus harus dipersiapkan untuk dipakai tempat perluasan pabrik, penambahan peralatan untuk menambah kapasitas, maupun pengolahan produk.2. KeamananPenentuan tata letak pabrik harus memperhatikan masalah keamanan, apabila terjadi hal-hal seperti kebakaran, ledakan, kebocoran gas beracun dapat ditanggulangi secara tepat. Oleh karena itu ditempatkan alat-alat pengamanan seperti hidrant, penampungan air yang cukup, alat penahan ledakan dan alat sensor gas beracun. Tangki penyimpanan bahan baku atau produk yang berbahaya diletakkan pada tempat khusus sehingga dapat dikontrol dengan baik.3. Luasan area yang tersediaPemakaian tempat harus disesuaikan dengan area yang tersedia apabila harga tanah cukup tinggi maka pemakaian lahan haruslah efisien.4. Instansi dan utilitasPemasangan dan distribusi yang baik dari gas, steam, dan listrik serta utilitas lainnya akan membantu proses produksi dan perawatannya. Penempatan alat-alat kantor diatur sedemikian rupa agar karyawan mudah mencapainya dan dapat menjamin kelancaran operasi serta memudahkan perawatannya.5. Area pengolahan limbahPabrik harus memperhatikan aspek sosial dan ikut menjaga kelestarian lingkungan, yaitu dengan memperhatikan masalah buangan limbah hasil produksinya. Batas maksimal kandungan komponen berbahaya pada limbah harus diperhatikan dengan baik. Untuk itu penambahan fasilitas pengolahan limbah sangat diperlukan, sehingga buangan limbah tersebut tidak berbahaya bagi komunitas yang ada di sekitarnya.6. Jarak yang tersedia dan jarak yang dibutuhkanAlat-alat proses perlu diletakkan pada jarak yang teratur dan nyaman sesuai dengan karakteristik alat dan bahan sehingga kemungkinan bahaya kecelakaan dapat dihindarkan. Sebagian besar gerakan bahan cairan dan gas di plant menggunakan piping dan harus memperhatikan regulasi yang tepat dalam desain. Letak alat proses diusahakan tidak terlalu dekat atau terlalu jauh untuk mempermudah pengangkutan dan perbaikan.Secara umum, garis besar tata letak pabrik ini dibagi menjadi beberapa daerah utama, yaitu :1. Daerah Administrasi/ PerkantoranDaerah ini merupakan pusat kegiatan administrasi perusahaan yang mengatur kelancaran operasi dan kegiatan-kegiatan lainnya. Daerah ini ditempatkan di bagian depan pabrik agar kegiatan administrasi tidak mengganggu kegiatan dan keamanan pabrik serta harus terletak jauh dari areal proses yang berbahaya.2. Daerah Fasilitas UmumMerupakan daerah penunjang segala aktivitas pabrik dalam pemenuhan kepentingan pekerja, seperti tempat parkir, tempat ibadah, kantin dan pos keamanan.

3. Daerah ProsesMerupakan pusat proses produksi di mana alat-alat proses dan pengendali proses ditempatkan. Daerah proses ini terletak di bagian tengah pabrik yang lokasinya tidak mengganggu. Letak aliran proses direncanakan sedemikian rupa sehingga memudahkan pemindahan bahan baku dari tangki penyimpanan dan pengiriman produk ke daerah penyimpanan serta memudahkan pengawasan dan pemeliharaan terhadap alat-alat proses. Daerah proses ini diletakkan minimal 15 meter dari bangunan-bangunan atau unit-unit lain.4. Daerah Laboratorium dan Ruang KontrolLaboratorium dan ruang kontrol sebagai pusat pengendali proses, kualitas dan kuantitas bahan yang akan diproses serta produk yang akan dijual. Daerah laboratorium merupakan pusat kontrol kualitas bahan baku, produk dan limbah proses, sedangkan daerah ruang kontrol merupakan pusat kontrol berjalannya proses yang diinginkan (kondisi operasi baik tekanan, temperatur dan lain-lain yang diinginkan). Laboratorium dan ruang kontrol ini diletakkan dekat daerah proses apabila terjadi sesuatu masalah di daerah proses dapat cepat teratasi.5. Daerah Pemeliharaan Daerah pemeliharaan merupakan tempat penyimpanan suku cadang alat proses dan untuk melakukan perbaikan, pemeliharaan atau perawatan semua peralatan yang dipakai dalam proses.

6. Daerah Penyimpanan Bahan Baku dan ProdukDaerah ini terdiri dari area tangki penyimpanan bahan baku dan produk yang terletak di lingkungan terbuka dan berada di dalam daerah yang dapat terjangkau oleh angkutan pembawa bahan baku dan produk. Daerah ini biasanya ditempatkan di dekat areal proses supaya suplai bahan baku proses dan penyimpanan produk lebih mudah.7. Daerah UtilitasDaerah ini merupakan tempat untuk penyediaan keperluan yang menunjang berjalannya proses produksi berupa penyediaan air, steam, listrik. Daerah ini ditempatkan dekat dengan daerah proses agar sistem pemipaan lebih ekonomi, tetapi mengingat bahaya yang dapat ditimbulkan maka jarak antara areal utilitas dengan areal proses harus diatur (sekitar 15 m).8. Daerah Pengolahan LimbahMerupakan daerah pembuangan dan pengolahan limbah hasil proses produksi.Adapun perincian luas tanah dan bangunan pabrik dapat dilihat pada tabel di bawah ini :

Tabel 2.3. Luas Tanah BangunanNoLokasiLuas (m2)

1 Pos Jaga36

2 Parkir 500

3 Musholla200

4 Poliklinik42

5 Safety Departement300

6 Unit Utilitas1.200

7 Laboratorium500

8 Kantor1.000

9 Bengkel500

10 Kantin150

11 Gudang1.000

12 Ruang Kontrol500

13 Daerah Proses3.000

14 Daerah Perluasan4.576

15 Unit Pengolahan Limbah700

16 Taman800

17 Jalan Raya1.000

18 Storage Bahan Baku2.500

19 Tangki Produk1.500

Total20.000

Pada perancangan pabrik Bioetanol ini tata letak pabrik dapat dilihat seperti gambar berikut :

Gambar 2.4. Lay Out Pabrik

Keterangan gambar

1. Jalan raya2. Pos jaga3. Taman4. Poliklinik5. Parkir6. Mushola7. Safety department8. Kantor9. Kantin10. Gudang11. Bengkel12. Unit utilitas13. Ruang kontrol14. Daerah proses15. Storage bahan baku16. Tangki produk17. Laboratorium18. Daerah pengolahan limbah19. Daerah perluasan20. Jalan pabrik

3.5.2. Lay Out Peralatan ProsesDalam perencanaan tata letak peralatan proses pada pabrik ada beberapa hal yang perlu dipertimbangkan, yaitu:1. Arah AnginPenempatan peralatan proses harus memperhatikan arah angin. Peralatan yang harus diletakkan di bagian upwind pabrik (berlawanan dengan arah angin) adalah semua peralatan yang dapat menumpahkan zat-zat yang mudah terbakar dan unit pengelolaan limbah. Sedangkan peralatan yang diletakkan di bagian downwind pabrik (searah dengan arah angin) adalah perkantoran, laboratorium, control room, tangki penyimpan (storage) yang menampung bahan-bahan yang tidak beracun, tidak berbahaya dan tidak mudah terbakar, bengkel, kantin, mesjid, dan tempat parkir.2. CahayaPenerangan seluruh pabrik harus memadai, dan pada tempat-tempat proses yang berbahaya atau beresiko tinggi perlu diberikan penerangan tambahan.3. Lalu lintas manusiaDalam perancangan tata letak peralatan proses, perlu diperhatikan agar pekerja dapat mencapai seluruh alat proses dengan cepat dan mudah. Supaya apabila terjadi gangguan pada alat proses dapat segera diperbaiki. Selain itu keamanan pekerja selama menjalankan tugasnya perlu mendapatkan prioritas utama.

4. Lalu lintas alat beratHendaknya diperhatikan jarak antar alat dan lebar jalan agar seluruh alat proses dapat dicapai oleh pekerja dengan cepat dan mudah supaya jika terjadi gangguan alat proses dapat segeara diperbaiki.5. Perhitungan ekonomiDalam menempatkan alat-alat proses pada pabrik diusahakan agar dapat menekan biaya operasi dan menjamin kelancaran serta keamanan produksi, sehingga dapat menguntungkan dari segi ekonomi.6. Jarak alat prosesUntuk alat proses yang mempunyai suhu dan tekanan operasi tinggi, sebaiknya dipisahkan dari alat proses lainnya, sehingga apabila terjadi ledakan atau kebakaran pada alat tersebut tidak membahayakan alat-alat proses lainnya.

Pada perancangan pabrik Bioetanol ini tata letak peralatan pabrik dapat dilihat seperti gambar berikut :

Gambar 2.5. Tata Letak Peralatan Pabrik (tampak atas)Keterangan gambar:BC =Belt KonveyorC =Kondensor/ CoolerV-101 = Unit PembuburanV-102 = Unit Pemasakan V-103 = Reaktor Hidrolisa patiV-104 = Reaktor Sakarifikasi FP = Filter PressHE=Heat ExchangerV-201 = Fermentor InokulasiV-202 = FermentorV-301 = Mash ColumnV-302 = Flash ColumnV-303 = Distillation MP = Membran Pervaporasi

R =ReboilerH =CrusherT = TangkiV = Vaporizer P = PompaE = HeaterK = Expander

II - 3333

M2'

V-101

M4

M3

M6

V-103

M5

M4

V-104

M5'

M7

M6

M4'

V-201

M2

M1

M3

M8

V-202

M9

M7

M4'

MF-201

M8'

M8

M10

V-301

M8'

M11

M12

V-302

M10

M13

M15

V-303

M13

M14

MP-301

M14

M17

M16

Dari unit Pembuburan V-101

Q1

Qc

Q2

Qs

Unit PemasakanV-102

Unit HE-101

Unit HE-102

Qcwc

Qcwh

Q5

Unit SakarifikasiV-104

Qcwc

Qs

Unit HE-103

Qc

Q6

Qcwh

Q3

Qcwc

Qcwh

Q7

Unit FermentorV-202

Qcwc

Unit Hidrolisa patiV-103

Qs

Qc

Q4

Q8

Qcwh

Q7

Q8'

Unit MikrofiltrasiMF-201

Q8

Unit Heater E-301

Qs

Qc

Unit Mash Column V-301

Q10

Q11

Q9

Unit CoolerC-301

Qcwc

Qcwh

Unit Flash Column V-302

Qs

Qc

Q12

Q13

Q14

Unit DistilasiV-303

Qs

Qc

Unit MembranPV-301

Qs

Qc

Qcwc

Qcwh

Q17

Q16

Bottom produk

Bottom produk

Top produk

Top produk

Bottom produk

Top produk

Q16p

Q16r

Unit Tanki ProdukT-301

Unit HeaterE-302

Q15

Qs

Qc

Q1

Q2

Qs

V-102

Qc

Dari unit Pembuburan V-101

Ke unit HE 101

Q2

Q3

Qcwh

HE-101

Qcwc

Dari Unit Pemasakan V-102

Ke unit hidrolisa pati V-103

Q3

Q4

Qs

V-103

Qc

Qreaksi

Dari Unit HE-101

Ke unit HE-102

Q1

Q5

Qcwh

HE-102

Qcwc

Q4

Dari unit Hidrolisa pati V-103

Ke unit Sakarifikasi V-104

Q5

Q6

Qs

V-104

Qc

Qreaksi

Dari unit HE-102

Ke unit HE-103

Q6

Q7

Qcwh

HE-103

Qcwc

Dari unit Sakarifikasi V-104

Ke unit Fermentor V-302

Q7

Q8

Qcwh

V-302

Qcwc

Q8'

Q reaksi

Dari unit HE-103

Ke unit Mikrofiltrasi MF-201

Q8

Q9

Qs

E-301

Qc

Dari unit Mikrofiltrasi MF-201

Ke unit Mash V-301

Q9

Q10

Q11

Dari unit Heater E-301

Ke unit Cooler C-301

Bottom produk

Q10

Q12

Qcwh

C-301

Qcwc

Dari Unit Mash V-301

Ke unit Flash column V-302

Q12

Q13

Q14

Dari unit kondensor C-301

Ke unit Heater E-302

Top produk

Q14

Q15

Qs

E-302

Qc

Dari unit Flash V-302

Ke unit Distilasi V-303

Q15

Q16

Q17

Qcwc

Qcwh

Qc

Qs

Ke unit Membran Pervap. MP-301

Bottom produk

Dari unit Heater E-302

Q16

Q16p

Qs

Q16r

MP-301

Qc

Dari unit Distillasi V-303

Ke tanki produkT-303

6

1

14

19

18

12

3

2

2

3

3

13

11

10

5

8

17

7

4

9

15

16

2

20

20

20

20

P-303

R-301

T-303

K-301

E-301

C-301

P-201

T-302

T-303

C-301

T-303

P-113

P-110

T-106

HE-103

P-331

V-104

V-103

V-102

P-107

P-106

BC-101

P-101

T-101

BC-103

HE-102

HE- 101

FP-101

H-101

T-102

V-201

MF-301

V-301

T-301

T-102

BC-102

Ruangkontrol

AreaTangkiProduk

AreaUtilitas

Area StorageBahan Baku

V-101

P-105

P-102

V-202

V-202

V-202

V-202

P-202

V-302

E-301

V-303

MP-301

M2

T-102

M3

M1

Documents

Bab II Perancangan Pabrik Bioethanol