Bioethanol and Home Distiller

Seru dan luar biasa semangatnya  teman-teman mahasiswa berdiskusi mengenai energi alternatif, energi terbarukan, green energy atau apapun namanya, dan bioetanol (bio-ethanol) merupakan salah satu topik yang cukup menarik untuk diulas sedikit karena berhubungan dengan penyulingan / distilasi / destilasi.  

Apa itu etanol? 

Bagaimana pembuatan bioetanol?

Apa perbedaan destilasi minyak atsiri dengan destilasi refluk pada etanol?

Etanol (ethanol) disebut juga etil alkohol, alkohol murni, alkohol absolut, atau alkohol saja, adalah sejenis cairan yang mudah menguap, mudah terbakar, tak berwarna, larut dalam air dan pelarut organik lainnya serta merupakan alkohol yang paling sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari.

Etanol banyak digunakan sebagai pelarut berbagai bahan-bahan kimia yang ditujukan untuk konsumsi dan kegunaan manusia. Contohnya adalah pada parfum, perasa, pewarna makanan, dan obat-obatan. Dalam kimia, etanol adalah pelarut yang penting sekaligus sebagai stok umpan untuk sintesis senyawa kimia lainnya. Dalam sejarahnya etanol telah lama digunakan sebagai bahan bakar.

Etanol dapat diproduksi dengan cara:

1.        Petrokimia melalui hidrasi etilena, biasanya untuk kebutuhan industri.

2.    Biologis melalui fermentasi menggunakan bahan baku nabati dengan enzim dalam ragi (misalnya Saccharomyces cerevisiae). Bahan baku nabati meliputi bahan baku sumber gula yaitu tebu/molase, nira; bahan baku sumber pati yaitu ubi kayu, jagung; dan bahan baku sumber serat (lignoselulosa) yaitu tongkol jagung, sekam dll. Etanol yang dihasilkan dengan cara ini disebut juga bioetanol (bioethanol). Etanol yang digunakan untuk konsumsi manusia (seperti campuran pada minuman beralkohol) dan sebagai bahan bakar (biofuel) adalah diproduksi dengan cara fermentasi. 

 

Sekilas mengenai pembuatan bio-etanol dari tetes tebu (Molasses):

            

1.   Bahan baku: Tetes tebu (mengandung kadar gula > 50%) diencerkan dengan air, terus ditambah urea dan NPK yang akan berfungsi sebagai nutrisi ragi, semuanya  diaduk hingga tercampur merata dalam sebuah wadah fermentor. Kemudian ditambah ragi jenis Saccharomyces cereviseae yang berfungsi memfermentasi gula menjadi etanol. Ragi tersebut diberi air hangat-hangat kuku secukupnya. Kemudian diaduk-aduk perlahan hingga tampak sedikit berbusa, setelah itu baru dimasukkan ke dalam wadah fermentor dan ditutup rapat

2.   Fermentasi: Proses fermentasi akan berjalan beberapa jam setelah semua bahan masuk ke dalam wadah fermentor. Gelembung-gelembung udara kecil yang merupakan gas CO₂ akan dihasilkan selama proses fermentasi. Proses fermentasi berjalan kurang lebih selama 66 jam atau kira-kira 2,5 hari. Salah satu tanda bahwa fermentasi sudah selesai adalah tidak terlihat lagi adanya gelembung-gelembung udara. Kadar etanol yang dihasilkan dari proses fermentasi masih rendah yaitu dibawah 12% sehingga memerlukan proses destilasi secara bertahap supaya kadar etanol menjadi 96%.   

Reaksi: C₆H₁₂O₆    ^zymase ------> 2C₂H₅OH  +  2CO₂

                  Gula                               Etanol            Karbon dioksida (gas)

3.    Destilasi dan Dehidrasi:  Setelah proses fermentasi selesai, masukkan cairan hasil fermentasi ke dalam wadah destilator untuk dilakukan penyulingan/destilasi.  Panaskan destilator dan suhunya dipertahankan antara 79 - 81^oC. Pada suhu ini etanol sudah menguap tetapi air belum karena alkohol memiliki titik didih 78,4 ^oC sedangkan air 100 ^oC. Kadar etanol (cairan distilat) yang dihasilkan dari destilasi pertama hanya 40-45%, apabila didestilasi lagi akan menghasilkan kadar 60-70% dan untuk menaikkan kadar etanol sampai > 95% diperlukan destilasi berulang-ulang (reflux destilation). Jadi proses destilasi ini adalah proses pemurnian alkohol. 

     Setelah kadar etanol > 95%, maka proses penghilangan air / dehidrasi etanol dapat menggunakan kapur tohor atau zeolit sintetis yaitu tambahkan kapur tohor pada etanol dan dibiarkan semalam. Kemudian didestilasi lagi hingga kadarnya kurang lebih 99.5%.

Jadi dapat dikatakan pembuatan bioetanol dari tetes tebu melalui dua tahap utama yaitu:

Pada fermentasi adalah dimana etanol diciptakan, sedangkan pada destilasi adalah dimana etanol dipisahkan dan dipindahkan.

Pencampuran Bioetanol dengan bensin: Bioetanol yang bisa digunakan sebagai bahan bakar adalah bioetanol dengan kadar 99,5% (fuel grade ethanol/FGE). Bioethanol ini bisa dicampurkan dengan bensin dengan perbandingan bioethanol : bensin sebesar 1 : 9 atau 2 : 8.

Perlu diperhatikan bahwa selain alkohol jenis “ethanol”, ada terkandung sebagian kecil alkohol jenis "methanol / metil alcohol”, dimana methanol ini merupakan alkohol tidak berwarna, larut dalam air, mudah menguap, mudah terbakar dan bersifat racun.

Proses pembuatan spiritus merupakan proses alkohol terdenaturasi karena etanolnya diberi tambahan zat-zat beracun seperti methanol, tembaga sulfat agar alkohol tidak disalah-gunakan sebagai minuman keras dan untuk membedakannya dengan alkohol yang lain, maka diberi zat pewarna seperti methylene biru agar tidak diminum.

 

Penyulingan Refluk (Reflux Distillation)

Refluk adalah suatu teknik destilasi yang melibatkan kondensasi uap dan mengembalikan kondensat (cairan kondensasi) ini ke dalam sistem dari mana kondensat tersebut berasal. Refluks dilakukan untuk meningkatkan reaksi yang lebih sempurna dengan jalan pemanasan tetapi tidak akan mengurangi jumlah zat yang ada.

 

Perbedaan Destilasi Minyak Atsiri dengan Destilasi Refluk Etanol:

1.      Proses

Destilasi minyak atsiri: uap yang dihasilkan dari pemanasan, didinginkan dan cairan distilat (kondensat) diambil.

Destilasi refluk etanol: uap yang dihasilkan dari pemanasan, didinginkan dan cairan distilat  dialirkan kembali ke pipa kolom destilasi untuk didestilasi ulang.

2.      Pemisahan

Destilasi minyak atsiri: pemanasan dilakukan pada suhu 100 ^oC atau lebih, agar uap air yang mendidih dapat memisahkan minyak atsiri dari komponen padatnya.

Destilasi refluk etanol:  untuk memisahkan campuran etanol-air, maka pemanasan dilakukan pada suhu antara 79 - 81^oC dimana etanol sudah menguap sedangkan air belum (hanya mengembun).

3.      Tujuan

Destilasi minyak atsiri: untuk mendapatkan minyak atsiri dimana cairan hasil destilasi yang mengandung air dan minyak atsiri akan terpisah jika didiamkan karena adanya perbedaan bobot jenis.  

Destilasi refluk etanol: untuk mendapatkan etanol dengan kadar kemurnian > 95% dimana cairan hasil destilasi mengalami berulang-ulang destilasi (refluks) untuk reaksi pemurnian.

4.     Untuk alat suling/destilasi skala kecil (Home Distiller)

Pada destilasi refluk etanol terdapat kolom yang didalamnya berisi packing, pipa refluk terhubung ke kolom destilasi dan katup refluk (reflux valve) serta katup keluar (output valve). 

5.      Rasio refluk (reflux ratio)

Pada destilasi refluk etanol  perlu diperhatikan tingkat pemanasan selama proses refluk dan pengaturan refluk rasio yang efisien dan tepat. 

Refluk rasio adalah rasio jumlah cairan distilat yang dialirkan kembali ke kolom destilasi (refluk) per jumlah cairan distilat yang diambil/dikeluarkan dari proses destilasi. Semakin tinggi rasio refluk bisa diartikan semakin tinggi tingkat kemurnian hasil destilasi, tetapi hasil destilasi yang diambil menjadi semakin lambat.

 

Penambahan bagian/item pada alat suling minyak atsiri skala kecil agar dapat berfungsi sebagai destilasi refluk:

Gambar di bawah ini adalah alat suling/distilasi/destilasi minyak atsiri skala kecil. 

  

  

Ada 4 (empat) item/bagian yang ditambah pada alat suling destilasi minyak atsiri skala kecil seperti gambar di bawah ini, sehingga dapat berfungsi sebagai destilasi refluk (misalnya untuk destilasi etanol):

 

 

1. Pipa refluk: Berfungsi untuk mengalirkan cairan kondensasi (cairan distilat) ke kolom destilasi. Umumnya pada destilasi refluk skala besar, cairan distilat lebih dulu dialirkan ke wadah penampung (reflux drum), kemudian baru dilanjutkan ke kolom destilasi (refluk).

2. Katup refluk (reflux valve) dan katup keluar (output valve).  Reflux valve bisa dibuka atau ditutup sesuai kebutuhan destilasi refluk, sedangkan output valve untuk mengatur reflux ratio dan keluarnya hasil produk destilasi. Valve yang digunakan sebaiknya jenis needle valve karena lebih akurat/tepat dalam mengontrol aliran cairan.

3.   Pipa kolom destilasi

Penambahan pipa kolom destilasi dengan tinggi 60 – 90 cm sesuai keinginan dan diameter 2 inchi, dimana pipa kolom disambungkan dengan tri-camp atas dan bawah sehingga jadi fleksibel untuk dilepas jika tidak dibutuhkan.

Pada dasarnya kolom destilasi semakin tinggi (panjang) semakin baik karena proses reaksi pemisahan komponen yang terjadi semakin baik/murni, tapi perlu diingat bahwa semakin tinggi kolom maka kebutuhan energi untuk mengantarkan uap menuju kondensor juga semakin besar dan waktu yang diperlukan dalam proses tersebut juga lebih lama.

Di dalam kolom destilasi biasanya berisi baki-baki (trays), plat-plat (plate) atau packing, dan untuk alat destilasi skala kecil (home distiller) digunakan packing. Kolom yang diisi packing disebut kolom kontak berkesinambungan (continuous-contact columns), sedangkan kolom yang berisi baki atau plat disebut kolom kontak bertingkat (staged-contact columns) dikarenakan cara kerja uap dan cairan melakukan kontak.

Untuk mengetahui efisiensi kolom destilasi refluk dan packing adalah dengan HETP (high equivalent to a theoritical plate) yaitu perbandingan antara tinggi kolom terhadap jumlah platnya.  Penjelasan lebih lanjut dan hitungannya, dapat dilihat di  website  www.homedistiller.org  & www.separationprocesses.com/distillation.

4.   Packing

Berfungsi untuk meningkatkan pemisahan komponen.

Bentuk dan bahan (material) packing dirancang untuk menahan cairan dan memberi area permukaan yang luas agar menghasilkan kontak yang baik antara uap panas dan cairan distilat sehingga diperoleh pemisahan komponen yang baik.

Perlu diperhatikan agar packing tidak menyumbat aliran uap panas naik ke atas dan juga tidak membuat tekanan berlebihan cairan distilat yang menetes ke bawah. Bahan packing yang digunakan adalah tidak berkarat dan tidak bereaksi dengan zat yang didestilasi.   

Tipe packing dapat dikategorikan jadi dua yaitu: random packing dan structured packing.

Bentuk random packing berupa raschig ring, cross ring, pall ring, cascade mini ring  super intalox, intalox saddle, berl saddle, small ball, metal pro-pak, metal heli-pak, dll.

 

Contoh material packing yang umum dan harga relatif murah untuk dipakai pada alat destilasi skala kecil (home distiller) adalah skrub baja tahan karat (stainless steel wool scrubber), potongan marmer (marbles diameter 10mm), cincin keramik (6mm ceramic raschig rings & 13mm ceramic raschig Rings), cincin kaca (glass ring).  

Pengisian packing di kolom pada bagian bawahnya disangga dengan sebuah plat yang berlubang-lubang agar material packing tidak melorot atau jatuh ke bawah.

Proses destilasi refluk di dalam pipa kolom destilasi:

Uap yang terkondensasi dan menjadi cairan distilat dialirkan kembali ke kolom destilasi. Di dalam kolom akan terjadi proses dimana cairan refluk tersebut yang jatuh/turun ke bawah akan bertemu uap yang dari bawah naik ke atas sehingga terjadi proses pelepasan panas oleh uap naik dan penyerapan panas oleh cairan yang turun, akan menyebabkan etanol yang terkandung pada cairan menguap karena bertitik didih lebih rendah dari pada air, sementara kandungan airnya akan mengembun dan terus turun ke bawah sampai mendapatkan panas yang cukup untuk menguap lagi.  Proses ini terjadi berulang ulang didalam kolom sampai akhirnya sebagian uap berhasil lolos menuju kondensor. Uap yang lolos ini sudah berkadar etanol tinggi karena sudah beberapa kali mengalami proses naik-turun atau destilasi berulang kali didalam kolom.

Packing di dalam kolom mempunyai peranan yang penting untuk meningkatkan pemisahan komponen etanol dan air. Packing harus bisa menahan cairan, memberi area permukaan yang luas dan ruang kosong yang cukup sehingga kontak aliran uap dan cairan berjalan secara maksimal.  Cairan akan lebih mudah menguap apabila bersentuhan dengan suatu permukaan yang bersuhu berbeda. Demikian juga uap akan lebih mudah terkondensasi apabila bersentuhan dengan permukaan yang berbeda suhu.

Termometer ditempatkan pada posisi untuk memantau suhu uap sebelum keluar menuju kondensor. Diperlukan beberapa kali mencoba sebelum dapat mengetahui dengan tepat pada suhu berapa (dikisaran 79 - 81 ^oC), alat destilasi skala kecil dapat menghasilkan kadar etanol tertinggi. Apabila suhu terlalu tinggi, etanol yang dihasilkan akan berkadar rendah, tetapi bila suhu terlalu rendah, etanol tidak akan keluar. Selama tidak ada tekanan balik, destilasi akan berjalan pada tekanan normal (1 atm).

Penyulingan/destilasi etanol merupakan pekerjaan yang cukup beresiko dan sudah seharusnya dilakukan, dibimbing dan diawasi oleh professional atau guru/dosen yang berpengalaman. Mengingat etanol merupakan zat yang mudah terbakar dan untuk menghindari bahaya kebakaran, selalu perhatikan dan kontrol alat destilasi dari kemungkinan adanya kebocoran.

Di bawah ini adalah ilustrasi gambar dan foto mengenai home distiller ethanol rancangan Nixon-stone (Nixon style of condenser) yang pernah ditanyakan oleh teman-teman beberapa waktu yang lalu: 

Foto-foto dan penjelasan mengenai keunggulan dan kelemahan model Nixon-stone dapat dilihat di www.homedistiller.org .

Disclaimers:

Semua tulisan di blog ini merupakan ekspresi pandangan dan pendapat mengenai topik-topik yang disampaikan dan diterima serta hanya untuk tujuan diskusi tukar pendapat. Semua tulisan di blog ini DILARANG dan/atau TIDAK DAPAT digunakan sebagai informasi, referensi, acuan atau pedoman untuk melakukan tindakan apapun.

Untuk mengetahui lebih lengkap dan memadai mengenai topik yang ditulis, silakan cari buku dan artikel-artikel ilmiahnya melalui google, wikipedia atau website lainnya serta dapat juga menanyakan kepada dosen pada bidang ilmu yang bersangkutan atau ahli professional di Industri yang bersangkutan.

Terima kasih atas kunjungan ke blog ini.

Best Regards.