PENGEMBANGAN MODEL RANCANG BANGUN ALAT DESTILASI ETHANOL YANG EFEKTIF DAN EFISIEN BAGI MASYARAKAT

PENGEMBANGAN MODEL RANCANG BANGUN ALAT DESTILASI

 ETHANOL YANG EFEKTIF DAN EFISIEN BAGI MASYARAKAT

S.P. Abrina Anggraini

Program Studi Teknik Kimia

Universitas Tribhuwana Tunggadewi ; Jl. Telaga Warna Malang

E-mail : sinar_abrina@yahoo.co.id

ABSTRAK

Bioethanol merupakan alternatif dalam mengatasi semakin menipisnya ketersediaan bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui, yang dapat memberikan dampak di segala sektor kehidupan terutama bahan bakar sebagai kebutuhan rumah tangga bagi masyarakat kalangan bawah. Bahan bakar minyak adalah bahan bakar fosil yang tidak dapat diperbaharukan. Hal tersebut tentu menjadikan bahan bakar minyak suatu saat akan mengalami devisit yang pada akhirnya akan habis sama sekali. Dimana masyarakat bawah adalah konsumen terbanyak bahan bakar minyak untuk kebutuhan rumah tangganya. Dalam hal ini bahan bakar minyak tanah. Akibatnya, masyarakat sangat bergantung pada pemerintah untuk pengadaan bahan bakar. Padahal semakin hari seiring dengan meningkatnya pertumbuhan penduduk, maka semakin tinggi kebutuhan bahan bakar untuk rumah tangga.

Penelitian ini bertujuan untuk mendesain, membuat dan menguji alat destilasi ethanol yang lebih efektif dan efisien bagi masyarakat dengan bahan baku yang mudah di dapat yaitu gula sebagai ketahanan sosial masyarakat di bidang energi terhadap gejolak sosial yang mungkin timbul karena krisis BBM di masa mendatang. Metode pengembangan alat destilasi ini menggunakan penggabungan antara tiga model destilasi yaitu model “pot” , model “kolom”, dan model “kolom dengan reflux”.

Penggabungan tiga model alat destilasi berdasarkan survey dapat menghasilkan bioethanol dengan bahan baku gula sebanyak 2,8 liter untuk masa fermentasi 11 – 20 hari dan 2,4 litter untuk masa fermentasi 3 – 10 hari dalam waktu 1 jam. Secara keseluruhan hanya diperlukan satu kali penyulingan dan bioethanolnya dapat menyala ketika disulut api. Model tersebut juga sangat efisien dimana kapasitasnnya 50 liter tersebut dibuat dengan biaya kurang dari Rp. 750.000,- dan 100 liter dengan biaya kurang dari Rp. 1.000.000,-

Kata Kunci : gula, destilasi, bioethanol

PENDAHULUAN

Latar belakang

Kelangkaan bahan bakar minyak yang terjadi belakangan ini telah memberikan dampak yang sangat luas di berbagai sektor kehidupan. Fluktuasi suplai dan harga minyak bumi seharusnya membuat kita sadar bahwa jumlah cadangan minyak yang ada di bumi semakin menipis. Karena minyak bumi adalah bahan bakar yang tidak bisa diperbaharui maka kita harus mulai memikirkan bahan penggantinya.

Meskipun pemerintah sudah mulai memberlakukan kebijakan konversi minyak tanah ke gas, namun sering keberadaan gas mengalami kelangkaan di beberapa daerah.

Penelitian tentang bioetanol pada saat ini masih sangat jarang melibatkan masyarakat kalangan bawah secara langsung. Dimana mereka adalah konsumen terbanyak bahan bakar minyak untuk kebutuhan rumah tangga. Akibatnya, masyarakat sangat bergantung pada pemerintah untuk pengadaan bahan bakar. Padahal semakin hari seiring dengan meningkatnya pertumbuhan penduduk, maka semakin tinggi kebutuhan bahan bakar untuk rumah tangga. Sementara upaya pemerintah dan para ilmuwan belum membuahkan hasil secara signifikan.

Menyikapi hal tersebut, peneliti berupaya menciptakan suatu alat bantu bagi masyarakat untuk mengembangkan sendiri bahan bakar minyak jika suatu saat terjadi

kelangkaan bahan bakar yang parah. Upaya ini selain untuk memberdayakan masyarakat dalam hal pengadaan bahan bakar untuk rumah tangga secara mandiri, juga untuk menciptakan alat ketahanan sosial masyarakat bidang energi secara mandiri khususnya diaat krisis energi yang parah yang mungkin terjadi di masa mendatang.

Penelitian ini memfokuskan pada penciptaan alat destilasi yang mudah, murah, berdaya guna dan berhasil guna untuk membuat bahan bakar bioetanol. Ada dua hal yang menjadi fokus utama dalam penelitian ini, yaitu: (1) membuat alat destilasi yang murah dan mudah, (2) bahan baku yang tidak sulit didapat dan sederhana pengolahannya.

Beberapa model alat destilasi etanol, yakni: model “pot”, model “kolom”, dan model “kolom dengan reflux”. Destilasi model pot adalah alat destilasi yang memiliki pengalir keluaran uap secara langsung di atas panci pemanasnya dan langsung masuk pada penukar dingin (kondenser). Destilasi model kolom adalah alat penyulingan yang memerlukan “menara” berbentuk silinder setelah keluar uap dari panci pemanas sebelum masuk pada kondenser. Menara ini tingginya beragam, namun rata-rata setinggi 3 - 4 meter dengan diameter umumnya 4 inchi atau lebih. Guna kolom adalah menahan uap air yang terbawa bersama uap etanol. Destilasi model kolom dengan reflux adalah alat penyulingan yang tersedia ruang atau alat untuk mengembalikan uap air yang mencair setelah keluar dari kolom ke panci pemanas sebelum masuk ke kondensor. Sementara uap etanol diteruskan ke kondensor.

Sementara untuk bahan baku pembuatan bioetanol peneliti menetapkan gula sebagai bahan baku utama. Dipilihnya gula karena bahan baku tersebut mudah dipasaran dan harganya relatif murah. Terutama untuk yang berkualitas rendah. Gula misalnya, dapat menggunakan gula karungan berkualitas rendah yang dijual di warung-warung. Selain itu, air gula, hanya memerlukan bahan fermentasi satu jenis saja, yaitu Saccharomycess Cerevisiae (Ragi Tape) yang mudah didapatkan di pasar-pasar tradisional dan tidak memerlukan bahan fermentasi lainnya seperti enzim alfaamylase dan glucoamylase untuk singkong yang sangat sulit didapatkan.

Teknologi sederhana ini bisa diterapkan secara luas oleh masyarakat untuk membuat sendiri bahan bakar guna memenuhi kebutuhan mereka. Sehingga masyarakat tidak terlalu bergantung akan minyak tanah dan tidak melakukan pengrusakan hutan dengan menebang pohon untuk dijadikan kayu bakar.

Pada destilasi terdapat dua model system operasi yaitu batch dan kontinyu, untuk sistem batch umumnya digunakan dalam skala laboratorium dimana kapasitas yang digunakan relatif kecil dibandingkan sistem kontinyu. Laju destilasi dengan metode batch akan semakin menurun dengan semakin lamanya proses destilasi. Sedangkan destilasi sistem kontinyu umumnya digunakan dalam skala industri dimana kapasitas relatif lebih besar. Prinsip destilasi kontinyu yaitu dengan mengalirkan bahan masuk dan bahan keluar secara kontinyu. (Sigit S.,2009).

Tujuan Penelitian

Mendesain, membuat, dan menguji alat destilasi bioetanol yang terbuat dari aluminium sesuai dengan parameter yang diamati.

METODOLOGI PENELITIAN

Penelitian ini merupakan penelitian pengembangan model pembuatan alat destilasi etanol yang efektif dan efisien bagi masyarakat dalam pembuatan bahan bakar bioetanol. Pendekatan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah pendekatan Trial and Error dengan merujuk model-model alat destilasi yang sudah dikenal selama ini dengan merekayasa bentuk alat destilasi etanol agar efektif dan efisien. Mengingat model alat destilasi yang ada selama ini begitu mahal dan tidak mudah pengoperasiannya bagi masyarakat biasa/awam.

Pelaksanaan penelitian ini dilakukan melalui beberapa tahapan, yaitu: (1) Tahap pembuatan alat destilasi; (2) Tahap pengolahan bahan baku dengan fermentasi sederhana; (3) Pengujian alat destilasi berorientasi hasil yaitu etanol minimal berkadar sekitar 30% (setidaknya dapat menyala ketika disulut api).

Metode Pelaksanaan Kajian

            Pendekatan pelaksanaan studi merupakan kumpulan langkah-langkah yang dilakukan serta dipakai dalam melaksanakan dan menyelesaikan kajian. Metode ini terdiri dari pengumpulan data, analisis data, pemecahan masalah dan penarikan kesimpulan.

Analisis Data

Informasi atau data dari literatur dan internet diolah untuk merumuskan permasalahan-permasalahan yang ada mengenai sumber energi alternatif yang merupakan dampak dari kelangkaan dan pengurangan subsidi bahan bakar minyak terutama minyak tanah yang berimbas pada masyarakat. Dengan menawarkan bioethanol sebagai energi alternatif tersebut untuk dikembangkan di daerah pedesaan dan dimanfaatkan secara luas oleh masyarakat maka analisis dilakukan untuk mengetahui dan mengkaji kelemahan-kelemahan yang ada kemudian dianalisis juga relevansinya dengan penelitian-penelitian terbaru dari internet. Hasil analisis ialah berupa konsep baru yang dianggap mampu memberikan tingkat keberhasilan dan pemanfaatan yang lebih baik dari sebelumnya.

Pemecahan Masalah

Dari analisis masalah yang ada, perlunya pencarian sumber energi alternatif yang dapat mensubtitusi minyak tanah dengan sumber energi alternatif yang efektif dan efisien. 

Pemecahan masalah yang dapat dilakukan saat ini adalah :

1.    Menemukan metode pengujian sistem operasi alat destilasi yang efektif dan efisien.

2.    Menemukan teknologi sederhana yang aplikatif dan efektif dalam memproduksi bioethanol untuk masyarakat bawah.

Dengan mengatasi permasalahan lewat alternatif solusi tersebut diharapkan dapat mengurangi ketergantungan masyarakat dalam menggunakan minyak tanah dan beralih pada bioethanol.

Metode Pengujian

Pengujian data terdiri dari tiga metode yaitu metode sistem batch tanpa refluks (BTR), metode batch dengan refluks (BR) dan metode kontinyu dengan refluks (KR). Dari setiap metode pengujian menggunakan sampel etanol yang sama yaitu etanol dengan konsentrasi etanol 30% serta pengembangan rekayasa model-model alat destilasi yaitu pot, kolom, dan reflux untuk mendapatkan alat destilasi yang lebih efektif dan efisien.

Pada tahap satu yaitu tahap pembuatan alat destilasi, peneliti melakukan kegiatan sebagai berikut:

1)   Pembuatan alat destilasi dengan model-model yakni model pot, kolom, dan reflux yang sudah ada, guna mencari kelemahan dari ketiga model tersebut.

2)   Merekayasa ketiga bentuk model yang sudah ada untuk mengembangkan model baru yang efektif dan efisien. Dikatakan efektif bila : mudah pengoperasiannya, menghasilkan bioetanol yang dapat langsung dapat menyala ketika disulut api. Dikatakan efisien bila pembuatannya mudah dan murah.

Pada tahap dua yaitu tahap pengolahan bahan baku bioetanol melalui fermentasi sederhana, peneliti melakukan:

1)   Mempelajari ketersediaan bahan baku yang mudah didapat dikalangan masyarakat.

2)   Melakukan pengujian bahan baku bioetanol dengan perbedaan masa fermentasi, yaitu 3-10 hari, 11-30 hari.

Pada tahap tiga yaitu pengujian alat destilasi hasil pengembangan yang berorientasi hasil yaitu bioetanol minimal berkadar sekitar 30% (setidaknya dapat menyala ketika disulut api). Dalam hal ini peneliti melakukan:

1)   Penetapkan beberapa bentuk model alat destilasi hasil pengembangan yang akan di uji.

2)   Melakukan pengujian alat destilasi dengan menggunakan bahan baku hasil fermentasi dengan  keseluruhan waktu fermentasi.

3)   Pengujian alat destilasi etanol menggunakan tiga metode dengan konsentrasi sampel yang sama. Tiga metode yang digunakan yaitu sistem batch tanpa refluks (BTR), sistem batch dengan refluks (BR), dan sistem kontinyu dengan refluks (KR). Konsentrasi yang digunakan dalam setiap metode yaitu dengan konsentrasi etanol 30%.

Pengukuran konsentrasi etanol pada produk atas dan produk bawah

Pengujian alat destilasi etanol bertujuan untuk mengetahui tingkat keberhasilan dari alat yang sudah dirancang dengan mengetahui konsentrasi produk atas dan produk bawah. Metode yang digunakan untuk mengetahui konsentrasi etanol yaitu dengan menggunakan alkoholmeter dan piknometer. Alkoholmeter digunakan untuk mengetahui kadar etanol secara cepat (sebagai data awal) sedangkan piknometer digunakan untuk mengecek kadar alkohol dengan nilai akurasi lebih baik.

Prinsip pengukuran kedua alat ini yaitu berdasarkan densitas. Pengukuran konsentrasi dengan piknometer memiliki nilai akurasi yang lebih baik dengan persamaan di bawah ini.

Maq = mpic,aq - mpic,0	(1)
𝑉𝑝𝑖𝑐 = 𝑚𝑎𝑞ρaq	(2)
mspl = mpic,spl – mpic,0	(3)
𝜌𝑎𝑞𝜌𝑠𝑝𝑙= 𝑚𝑎𝑞𝑚𝑠𝑝𝑙	(4)

Perhitungan energi yang terpakai per volume etanol murni

Proses pemurnian etanol dengan cara destilasi membutuhkan energi sebagai sumber panasnya. Sumber energi yang digunakan di hitung dari banyaknya air yang diuapkan untuk memanaskan etanol selama proses destilasi berlangsung. Perhitungan jumlah energi yang digunakan adalah dengan mengalikan banyaknya massa air yang hilang dikalikan dengan nilai kalor seperti pada persamaan di bawah ini.

Q = mair x Δh	(5)
Δh = hstm - hkond	(6)

Pengujian Alat Distilasi Etanol

Pengujian alat bertujuan untuk mengetahui kinerja alat distilasi etanol yang telah dirancang. Setelah itu, data yang diperoleh dianalisis untuk mengetahui tingkat keberhasilan kinerja alat tersebut. Pengujian alat dimulai dengan pengujian pendahuluan yaitu dengan menguji distilator dengan sampel etanol 30%.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari berbagai uji coba dengan pendekatan Trial and Error dari model pot, kolom, dan reflux. Diperoleh hasil model baru yaitu gabungan dari ketiga model yang sudah ada, yaitu model pot dengan kolom diatasnya sehingga uap yang mencair sebelum kondensor dapat langsung masuk ke panci pemanas secara langsung dan etanol dapat segera dihasilkan dengan satu kali penyulingan.

Hal tersebut dapat terjadi karena panci yang berdiameter 38 cm dengan tinggi 40 cm yang diatasnya terdapat kolom yang dibuat setinggi 2,5 meter dari pipa bekas tersebut, dimana kolomnya terdiri dari 1,5 meter berdiameter 4 inch dan diisi dengan batu koral untuk taman. Sedang 1 meter diatasnya berdiameter 3 inch dengan output uap yang langsung masuk ke kondenser. Antara pipa besi 4 inch dan 3 inch tersebut, disambung dengan penghubung 4 inch ke 3 inch.

Dari hasil pengujian alat destilasi dengan bahan baku gula serta perbedaan masa fermentasi, diperoleh hasil bioetanol dengan perbedaan kuantitas, yaitu dari 6 Kg dengan campuran air 10 liter, diperoleh bioetanol 2,8 liter untuk masa fermentasi 11-20 hari dan 2,4 liter untuk masa fermentasi 3–10 hari. Secara keseluruhan hanya diperlukan satu kali penyulingan dan bioetanolnya dapat menyala ketika disulut api.

Konsentrasi Hasil Pengujian

Berikut ini data konsentrasi alkohol produk atas (etanol) pada pengujian distilasi dengan tiga metode yang berbeda.

Gambar 1. Konsentrasi destilat (top product) pada destilasi etanol

Destilasi dengan sampel etanol 30% dihasilkan destilat dengan tingkat konsentrasi yang bervariasi. Konsentrasi destilat pada metode BTR.30 dan KR.30 adalah 92.5% sedangkan metode BR.30 adalah 97.65%. Metode BR.30 adalah metode batch dengan refluks dimana hasil destilatnya memiliki tingkat konsentrasi paling tinggi dibandingkan dengan metode yang lain. Konsentrasi destilat melebihi batas azeotropnya yaitu 95.6% (v/v).

Selain produk atas, produk bawah juga diukur konsentrasi alkohol dengan menggunakan piknometer. Produk bawah adalah air dengan kandungan etanol yang sangat kecil dan berupa air yang hampir murni. Tujuannya pengukuran kadar alkohol pada produk atas dan produk bawah adalah untuk mengetahui tingkat efisiensi pada alat distilasi yang telah dirancang.

Hasil rancang bangun alat destilasi bioethanol sederhana dengan menggunakan sumber pemanas elektrik oleh Muhammad Makky  dkk (2009) menyatakan bahwa kadar bio ethanol yang didestilasi menggunakan alat ini dapat ditingkatkan hingga diperoleh kadar alkohol sebanyak 60%. Namun demikian, kapasitas alat tersebut kurang memadai, dimana kapasitas kerjanya adalah 6 liter/jam. Berikut ini data konsentrasi produk bawah pada metode batch tanpa refluks dan dengan refluks.

Gambar 2. Konsentrasi produk bawah (bottom  product) pada distilasi etanol

Kadar alkohol produk bawah pada metode BTR dengan sampel etanol 30% adalah 6.47%, sedangkan metode BR didapatkan produk bawah dengan konsentrasi adalah 8.09%. Pengukuran konsentrasi produk bawah destilasi metode KR yaitu dengan menggunakan alkoholmeter sehingga diperoleh data konsentrasi destilat yang kurang akurat. Konsentrasi pada metode  KR.30 2%. Meskipun demikian, data tersebut mampu mewakili data konsentrasi produk bawah.

Definisi kadar alkohol atau ethanol/bio-ethanol dalam % (persen) volume adalah “volume ethanol pada temperatur 15 ⁰C yang terkandung dalam 100 satuan volume larutan ethanol pada temperatur tertentu (pengukuran).“ Berdasarkan BKS Alkohol Spiritus, standar temperatur pengukuran adalah 27,5 ⁰C dan kadarnya 95,5% pada temperatur 27,5 ⁰C atau 96,2% pada temperatur 15 ⁰C (Wenten G, 2009).

Hasil konsentrasi pada pengujian dengan metode KR menghasilkan produk bawah dengan konsentrasi paling kecil. Hal ini disebabkan panas yang tersedia paling besar sehingga mampu memisahkan etanol dan air dalam etanol sampel hampir seluruhnya. Dua pengujian yang lain yaitu metode BTR dan BR masih memiliki produk bawah dengan konsentrasi cukup besar.

Kebutuhan panas untuk memurnikan etanol-air sehingga diperoleh produk bawah yang hampir murni tergantung pada titik didih produk bawah yaitu air. Suhu kolom bawah seharusnya mendekati titik didih air yaitu 100°C agar kandungan etanol seluruhnya menguap dan hanya air yang terkandung dalam kolom bawah. Pada pengujian sistem batch suhu kolom bawah hanya mampu mencapai suhu 95°C sedangkan sistem kontinyu lebih tinggi yaitu mencapai 97°C sehingga sistem kontiyu memiliki produk bawah dengan konsentrasi alkohol paling rendah.

Gambar 3. Energi yang terpakai untuk destilasi

Dari grafik diatas dapat diketahui bahwa penggunaan energi terbesar yaitu pada pengujian distilasi dengan metode BR.30 yaitu sebesar 23.21 kJ/ml sedangkan energi terkecil yaitu sistem BTR.30 yaitu sebesar 16.91 kJ/ml. Secara umum, penggunaan energi dalam destilasi per ml volume etanol murni pada sampel etanol 30% membutuhkan energi lebih kecil karena volume distilat yang dihasilkan lebih banyak sehingga jumlah energi tiap ml etanol distilat yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan sampel etanol 10%.

Dari pengujian dengan sampel berbeda, metode BTR lebih efisien dalam penggunaan energi dibandingkan dengan metode BR. Hal ini disebabkan dengan pemberian aliran refluks proses distilasi berlangsung lebih lama. Metode KR yaitu distilasi kontinyu membutuhkan energi yang relatif lebih efisien dibandingkan dengan metode BR. Metode kontinyu akan lebih efisien untuk kapasitas yang lebih besar karena setiap prosesnya tidak dilakukan secara berulang-ulang. Tetapi pada pengujian dengan sampel etanol 30% metode KR membutuhkan energi lebih besar dibandingkan dengan metode BTR. Hal ini disebabkan adanya penggunaan refluks untuk pengayaan uap sebagai produk atas.

KESIMPULAN

1.    Pengujian dengan metode refluks menghasilkan distilat dengan konsentrasi lebih tinggi dibandingkan dengan distilasi tanpa refluks yaitu pada metode  BR.30 sebesar 97.6%.

2.    Hasil konsentrasi pada pengujian dengan metode KR menghasilkan produk bawah dengan konsentrasi paling kecil yaitu sebesar 2% jika dibandingkan dengan metode BTR dan BR yaitu sebesar 6,47% dan 8,09%.

3.    Energi yang terpakai per ml volume etanol setara etanol murni pada pengujian dengan metode BTR.30, BR.30, dan KR.30 masing-masing adalah 16.91 kJ/ml, 23.21 kJ/ml, dan 21.18 kJ/ml.

4.    Model alat destilasi baru yang dikembangkan peneliti ternyata cukup efektif menghasilkan bioetanol dengan cukup satu kali penyulingan tanpa menjaga suhu dalam panci pemanas. Artinya dalam panci pemanas suhu boleh suhu 100º C (padahal titik didih etanol berkisar 78 º C) dimana etanol dan air akan menguap secara bersama. Kemudian uap air akan didinginkan oleh batuan koral taman yang terdapat pada kolom tersebut akan masuk ke dalam panci pemanas, sementara uap etanol akan diteruskan ke kondenser lalu dicairkan yang kemudian ditampung dalam botol bio etanol. Hal ini tentu sangat membantu masyarakat awam dalam kemudahan pengoperasiannya. Bahan baku gula 6 Kg dengan campuran air sebanyak 10 liter, diperoleh bioetanol 2,8 liter untuk masa fermentasi 11– 20 hari dan 2,4 liter untuk masa fermentasi 3 – 10 hari. Model tersebut juga sangat efisien dimana kapasitasnnya 50 liter tersebut dibuat dengan biaya kurang dari Rp. 750.000,- dan 100 liter dengan biaya kurang dari Rp. 1.000.000,- .

DAFTAR PUSTAKA

(1)     Gede Wenten. 2009. Terowongan Pengatrol Kadar Etanol. Teknologi Kimia Institut Teknologi Bandung.

(2)     Muhammad Makky, Novialdi,dan Dinah Cherie. 2009. Rancang Bangun Alat Destilasi Bioethanol Berpendingin Air Menggunakan Sumber Pemanas Elektrik. Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Andalas, Padang

(3)     Sigit Susilo.2009.Rancangan Dan Uji Kinerja Alat Distilasi Etanol Dengan Metode Rektifikasi. Institut Pertanian Bogor, Bogor.