Pembahasan Bioetanol

Bioetanol adalah cairan biokimia yang diperoleh dari proses fermentasi gula dari sumber karbohidrat dengan menggunakan bantuan mikroorganisme yang dilanjutkan dengan proses distilasi. Bahan baku produksi bioetanol dengan cara fermentasi dapat diproduksi dari bahan-bahan yang mengandung gula atau disebut juga substansi sakharin yang rasanya manis, seperti gula tebu, gula bit, molase dan macam-macam sari buah. Selain itu dapat juga digunakan bahan yang mengandung pati, misalnya padi-padian, jagung, gandum, kentang, ubi kayu, sagu, dll. Dan dapat juga digunakan bahan yang mengandung selulosa, misalnya kayu. Pada percobaan ini digunakan bahan baku pembuatan bioetanol yaitu sagu.

Produksi bioetanol dengan bahan baku tanaman yang mengandung pati atau karbohidrat dapat dilakukan dengan proses hidrolisis. Teknologi produksi bioetanol dalam proses hidrolisis biasanya dilakukan dengan metode konvensional yaitu dengan menggunakan asam. Namun metode ini tidak ramah lingkungan karena dapat menimbulkan korosif disamping bahan kimia tersebut harganya relatif mahal. Pengembangan teknologi bioproses dengan menggunakan enzim pada proses hidrolisisnya merupakan suatu proses yang lebih ramah lingkungan. Dalam percobaan ini digunakan teknologi bioproses dengan menggunakan enzim.

Secara umum produksi bioetanol ini mencakup tiga rangkaian proses yaitu persiapan bahan baku, fermentasi, dan pemurnian. Pada proses persiapan bahan baku sagu yang sudah harus dihancurkan untuk memecahkan susunan tepungnya agar dapat bercampur dengan air secara baik. Lalu dilakukan tahapan liquefaction yaitu tahap pencampuran sagu dengan air secara merata hingga menjadi bubur,setelah itu dipanaskan sambil diaduk. Pada saat suhu pemansan mencapai 30-40oC ditambahkan enzim α-amilase dengan perbandingan yang tepat. Fungsi enzim α-amilase yaitu untuk menghidrolisis ikatan α-1,4 glikosida yang terdapat pada sagu (pati) dan dihasilkan produk yaitu dekstrin serta sejumlah glukosa dan maltosa. Kemudian dilakukan pemanasan larutan hingga suhu 90°C, dengan suhu yang semakin meningkat maka akan mengalami gelatinasi atau mengental. Proses liquefaction selesai ditandai dengan parameter dimana larutan yang diproses menjadi lebih cair. Setelah suhu pemanasan mencapai 90oC lalu diaduk selama satu jam sambil dipanaskan. Kemudian setelah pengadukan selama satu jam proses pemanasan dihentikan, lalu dilakukan tahap saccharification yaitu proses pemecahan gula kompleks menjadi gula sederhana. Larutan didinginkan sampai suhu 600C dan ditambahkan enzim glukoamilase. Enzim glukoamilase memutuskan ikatan α-1,4 glikosida pada rantai lurus pati dan memutus ikatan α-1,6 glikosida pada rantai percabangan yang terdapat pada pati secara teratur, sehingga terbentuk ranatai lurus. Lalu ditambahkan NPK dan urea ketika suhu 30oC, kemudian ditambahkan ragi. Ragi yang digunakan pada proses fermentasi yaitu khamir murni dari strain saccharomyces cerevisiae, khamir ini dapat mengubah glukosa menjadi alkohol dan CO2. Hal ini dimaksudkan agar enzim dapat bekerja dengan baik dengan menghasilkan etanol yang banyak. Selanjutnya diuji keasamannya pada pH 4, apabila pH lebih dari 4 maka larutan ditambahkan asam sulfat pekat sampai didapatkan pH 4. Tahap selanjutnya dilakukan proses fermentasi dengan didiamkan selama 2 minggu. Lalu dilakukan proses pemurnian dengan menggunakan metode distilasi.

Distilasi adalah suatu metode pemisahan bahan kimia berdasarkan perbedaan kecepatan atau kemudahan menguap (volatilitas) bahan atau didefinisikan juga teknik pemisahan bahan kimia yang berdasarkan perbedaan titik didih. Dalam proses distilasi campuran zat dididihkan sehingga menguap, dan uap ini kemudian didinginkan kembali ke dalam bentuk fase cair. Zat yang memiliki titik didih lebih rendah akan menguap terlebih dahulu, sedangkan zat yang memiliki titik didih yang lebih tinggi akan mengembun dan akan menguap apabila telah mencapai titik didihnya. Metode ini merupakan termasuk unit operasi kimia jenis perpindahan massa. Penerapan proses ini didasarkan pada teori bahwa pada suatu larutan, masing-masing komponen akan menguap pada titik didihnya. Model ideal distilasi didasarkan pada Hukum Raoult dan Hukum Dalton.

Percobaan yang dilakukan kali ini yaitu proses distilasi batch dengan kolom pelat, di mana pada operasi ini umpan dimasukkan hanya pada awal operasi, sedangkan produknya dikeluarkan secara kontinyu. Distilasi batch merupakan distilasi terfraksi, yaitu suatu metode yang digunakan untuk memisahkan atau memurnikan suatu campuran senyawa dua atau lebih yang memiliki perbedaan titik didih yang tidak terlalu jauh yaitu sekitar 30oC atau lebih. Pada distilasi batch dilakukan dengan rektifikasi. Distilasi dengan rektifikasi atau distilasi dengan refluks adalah proses pemisahan tahap kesetimbangan yang dilakukan dalam tahap yang berurutan, hal ini bertujuan untuk mendapatkan pemisahan yang lebih sempurna. Bagian-bagian dari peralatan distilasi ini terdiri atas reboiler, ketel uap, bubble cap tray, dan kondensor.

Buble cap tray adalah salah satu jenis kolom distilasi yang berfungsi sebagai tempat terjadinya kontak antara fase cair dan uap dimana uap dan cairan tersebut akan meninggalkan tiap tray dalam kondisi yang seimbang, sehingga pemisahan campuran etanol-air dapat terjadi dengan baik. pada percobaan ini terdapat 6 buah tray. Pada bagian cap akan terjadi perpindahan massa antara fase uap dan cair, sehingga menyebabkan kontak antara cairan dengan uap terjadi lebih lama. Dimana komponen yang lebih ringan dengan titik didih yang lebih rendah akan terus menguap dan masuk ke kondensor, sedangkankan komponen yang lebih besar akan turun kembali ke tangki. Kondensor berfungsi untuk mengubah fase uap yang keluar dari kolom refluks menjadi fase cair. Pada kondensor dialirkan air sebagai pendingin. Dengan adanya proses pendinginan inilah maka terjadi perubahan fase.

Bioetanol yang telah terbentuk disaring terlebih dahulu, hal ini bertujuan untuk memisahkan padatan dan cairan, untuk menghindari terjadinya penyumbatan (clogging) selama proses distilasi. Lalu bioetanol dimasukan ke ketel didih dan dilakukan proses distilasi. Setelah suhu konstan dapat dikatakan bahwa operasi refluks total telah berjalan steady state. Pada saat refluks total menunjukan kinerja maksimum kolom distilasi yang kemampuan terbaik kolom dalam memisahkan komponen-komponenya. Kemudian dilakukan penampungan distilat, pelat 1 hingga pelat 6, dan residu. Pada saat penampungan suhu dijaga tidak boleh lebih dari 90oC, hal ini menandakan steam pada reboiler besar. Apabila steam besar dikhawatirkan air akan ikut keluar sebagai distilat, oleh karena itu pada saat percobaan dilakukan pengaturan steam. Selain itu juga diperhatikan laju alir air pendingin pada kondensor. Fungsi kolom refluks adalah agar kondensat dikembalikan lagi ke dalam kolom sehingga banyak terjadi kontak antara fase uap dan dan cair yang menghasilkan pemisahan menjadi lebih baik. 

Setelah dilakukan penampungan distilat, pelat 1 sampai pelat 6, dan residu ditentukan massa jenis dari masing-masing sampel yang di tampung dengan menggunakan piknometer. Dengan penentuan densitas ini maka dapat ditentukan konsentrasi dari masing-masing sampel dengan menggunakan kurva kalibrasi campuran etanol-air.

Hubungan antara konsentrasi distilat, pelat 1 hingga 6, dan residu dengan volume yaitu semakin banyak volume yang ditampung maka konsentrasi akan semakin menurun. Hal ini disebabkan karena komposisi etanol yang terdapat dalam campuran etanol air semakin berkurang, sehingga menyebabkan penurunan konsentrasi. Uap yang keluar dari ketel didih kaya akan komponen yang mudah menguap yaitu etanol, sedangkan cairan yang tertinggal kaya akan komponen yang lebih sukar menguap yaitu air. Apabila hal ini berlangsung terus, maka komposisi di dalam cairan akan berubah, komponen etanol akan semakin sedikit dan komponen air akan semakin banyak. Hal ini juga berdampak pada komposisi uap yang dihasilkan. Jika komposisi komponen etanol di dalam cairan menurun, maka komposisi komponen etanol di dalam uap yang berada dalam kesetimbangan dengan cairan tadi juga akan menurun.

Konsentrasi rata-rata distilat yang didapat yaitu 61,10%-berat, hasil konsentrasi distilat ini sangat jauh dari yang diharapkan untuk memperoleh konsentrasi etanol yang dihasilkan seharusnya paling tidak sekitar 90%. Hal ini diakibatkan karena adanya pemanasan yang tidak konstan pada saat percobaan, sehingga transfer massa tidak berjalan dengan maksimal. Transfer massa adalah gerakan-gerakan molekul atau elemen-elemen fluida yang disebabkan karena adanya gaya pendorong. Selain itu juga campuran etanol dan air merupakan campuran azeotrop dimana apabila dipanaskan sampai mencapai titik didihnya campuran ini tidak akan terpisah. Karena pada keadaan saat itu komposisi uap dan komposisi air sama. Sehingga campuran ini tidak dapat dipisahkan dengan distilasi biasa. Salah satu cara yang dapat digunakan yaitu dengan menambahkan zat pelarut antara yang dapat melarutkan salah satu komponen dan tidak dapat melarutkan komponen yang lainnya. Selain itu faktor yang mempengaruhi kegagalan ialah efisiensi mesin yang rendah atau terjadi kegagalan pada proses fermentasi sehingga hanya menghasilkan etanol dalam jumlah kecil. 

Pada saat proses distilasi berlangsung hindari adanya kavitasi. Kavitasi merupakan gejala menguapnya zat cair yang sedang mengalir sehingga membentuk gelembung-gelembung uap disebabkan karena berkurangnya tekanan cairan tersebut sampai dibawah titik jenuh uapnya. Misalnya pada pompa maka bagian yang akan mudah mengalami kavitasi adalah pada sisi isapnya. Kavitasi pada bagian ini disebabkan karena tekanan isap terlalu rendah. Gejala kavitasi yang timbul pada pompa biasanya ada suara berisik dan getaran, unjuk kerjanya mejadi turun, jika dioperasikan dalam jangka waktu panjang akan terjadi kerusakan pada permukaan dinding saluran. Permukaan dinding saluran akan berlubang-lubang karena erosi kavitasi sebagai akibat tumbukan gelembung gelembung yang pecah pada dinding secara terus menerus.

Bioetanol dapat digunakan pada kendaraan bermotor, tanpa mengubah mekanisme kerja mesin jika dicampur dengan bensin dengan kadar bioetanol lebih dari 99,5%. Perbandingan bioetanol pada umumnya di Indonesia baru penambahan 10% dari total bahan bakar. Pencampuran bioetanol absolut sebanyak 10 % dengan bensin (90%), sering disebut Gasohol E-10. Gasohol singkatan dari gasoline (bensin) dan bioetanol. Bioetanol absolut memiliki angka oktan (ON) 117, sedangkan Premium hanya 87-88. Gasohol E-10 secara proporsional memiliki ON 92 atau setara Pertamax. Pada komposisi ini bioetanol dikenal sebagai octan enhancer (aditif) yang paling ramah lingkungan dan di negara-negara maju telah menggeser penggunaan Tetra Ethyl Lead (TEL) maupun Methyl Tertiary Buthyl Ether (MTBE).