ETANOL
Etanol, disebut juga etil alkohol, alkohol murni, atau alkohol, adalah sejenis cairan yang mudah menguap, mudah terbakar, tak berwarna, dan merupakan alkohol yang paling sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Etanol termasuk ke dalam alkohol rantai tunggal, dengan rumus kimia C2H5OH dan rumus empiris C2H6O.
Etanol sering disingkat menjadi EtOH, dengan "Et“ merupakan singkatan dari gugus etil (C2H5).
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 bahan untuk sintesis senyawa kimia lainnya. Dalam sejarahnya etanol telah lama digunakan sebagai bahan bakar.
Ethanol merupakan senyawa yang tidak terdapat secara bebas di alam. Zat ini adalah golongan alkohol biasa atau alkohol primer yang dibuat dari glukosa atau jenis gula yang lain dengan jalan peragian.
KARAKTERISTIK BAHAN DAN PRODUK
Sifat-sifat:
Ethanol merupakan zat cair jernih dan dapat tercampur dengan air dalam semua perbandingan (bersifat missible)
Dapat melarutkan senyawa organik
BAHAN BAKU
Bahan baku untuk memproduksi ethanol dengan cara fermentasi dapat di produksi dari 3 macam karbohidrat, yaitu:
Bahan-bahan yang mengandung gula atau disebut juga sustansi sakharin, rasanya manis seperti misalnya gula tebu, gula bit, molase (tetes), macam-macam sari buah-buahan dan lain-lain.
Bahan yang mengandung pati, misalnya: padi-padian, jagung, gandum, kentang sorgum, malt, barley, ubi kayu dan lain-lain.
Bahan-baha yang mengandung selulosa, misalnya: kayu, cairan buangan pabrik pulp dan kertas (waste sulfite liquor)
1. Substansi Sakharin
Pada umumnya sebagai media untuk produksi alkohol secara komersial pada industri fermentasi alkohol. Di Indonesia dipakai tetes (molase) yang bisadidapatkan setelah sakharosanya dikristalisasi dan disentrifuse dari sisi gula tebu. Sisa tetes/cairan ini disebut sebagai “black strap mollase” yang merupakan campuran kompleks yang mengandung sakharosa, gula invert, garam-garam dan bahan-bahan non gula. Bahan-bahan ini antara lain karamel yag terjadi karena pemanasan gula, melanoidin yang mengandung nitrogen dan terdapat pula hidroksi metil furfural, asam formiat dan lain-lain. Kualitas molase yang dihasilkan dari suatu industri gula dipengaruhi oleh cara pembersihan niranya.
2. Mikroba Frementasi
Dalam proses fermentasi alkohol digunakan ragi. Ragi ini dapat merubah glukosa menjadi alkohol dan gas CO2. Ragi merupakan mikroorganisme bersel satu, tidak berklorofil dan termasuk golongan Eumycetes.Pada umumnya ragi yang dipakai untuk membuat alkohol adalah jenis Saccharomyces cerevisiae, yang mempunyai pertumbuhan sempurna pada suhu ± 30oC dan pH 4,8.
PROSES PRODUKSI ETANOL
Pada dasarnya ada 2 macam cara pembuatan etanol, yaitu:
Secara sintesis, dilakukan dengan menggunakan reaksi elementer ( hidrasi katalitik etena), untuk mengubah bahan baku menjadi etanol. Adapun secara fermentasi, dilakukan dengan bantuan aktifitas mikroorganisme.
Fermentasi bioetanol
Proses produksi bioetanol dari tetes (molase)
1. Pengolahan Tetes
Pengolahan ini dimaksudkan untuk mendapatkan kondisi yangoptimumkan untuk pertumbuhan ragi dan untuk selanjutnya. Yang perlu disesuaikan dalam pengolahan ini adalah pH, konsentrasi gula dan pemakaian nutrisi.Tetes yan dihadapkan dari pabrik gula biasanya masih terlalu paket (850 Brix),oleh karena itu perlu diadakan pengenceran lebih dahulu untuk mendapatkankadar gula yang optimum (120 Brix untuk pembibitan dan 240 Brix padafermentasi).Pengaturan pH diatur dengan penambahan asam H2SO4 hingga dicapai pH 4 – 5.Meskipun tetes cukup mengandung zat sumber nitrogen namun seperti ammonium sulfat atau ammonium fosfat
2. Tahap Penimbangan Tetes
Pada penimbangan tetes ini dipakai jenis timbangan cepat dengan kapasitas timbang tertentu, dilengkapi dengan alat pembuka dan penutup berupa katup buangan yang dioperasikan secara manual. Dan juga panel on-off pompa tetes yang yang diatur secara otomatis. Cara kerjanya dengan menimbang tetes yang dipompa dari gudang penyimpan tetes untuk setiap harinya.
3. Tahap Pencampuran Tetes.
Tahap pencampuran tetes ini menggunakan tangki pencampur tetes dengan kapasitas tertentu yang dilengkapi pancaran uap air panas (steam), yang berfungsi sebagai pengaduk dan pemanas tetes. Cara kerjanya yaitu pertamatama air panas bersuhu 70o C dimasukkan ke dalam tangki pencampur tetes (mixing tank), kemudian disusul dengan tetes yang telah ditimbang. Setelah itu disirkulasi dengan menggunakan pompa hingga tetes dan air tercampur dengan baik. Pencampuran dianggap selesai dengan indikasi kepekatan mencapai 90o brix dan dipanskan dengan uap air panas (steam) sampai suhunya mencapai 90o C. Tujuan diberikannya air panas adalah untuk mempercepat proses pelarutan, sedangkan pemanasan dengan uap air panas (steam) adalah untuk sterilisasi larutan tetes. Setelah semua tercampur dengan baik ditambahkan asam sulfat (H2SO4) teknis dengan kepekatan 96,5 % sampai pH mencapai 4,5 - 5. Pemberian asam sulfat (H2SO4) ini bertujuan untuk mengendapkan garam garam mineral di dalam tetes dan untuk memecah di-sakarida (sukrosa) didalam tetes menjadi monosakarida berupa senyawa d-glukosa dan d-fruktosa.
4. Tahap pengendapan
Pada tahap pengendapan ini menggunakan tangki yang dilengkapi dengan pipa decanter. Pada tahap ini larutan tetes dengan kepekatan 40o brix dari tangki pencampur ditampung dalam tangki ini dan diendapkan selama 5 jam untuk mengendapkan kotoran-kotoran tetes (sludge), terutama endapan garam. Pengendapan ini bertujuan untuk mengurangi kerak yang terjadi pada mash column (kolom destilasi pertama). Setelah 5 jam, cairan tetes dipompa menuju tangki fermentor melalui decanter dan heat exchanger (HE). Heat exchanger ini berfungsi untuk menurunkan suhu sampai 30oC sebagai syarat operasi fermentasi. Sedangkan cairan sisa yang berupa endapan kotoran-kotoran dan sebagian cairan tetes dipompa ke tangki pencuci endapan kotoran tetes (tangki sludge).
5. Tahap Separator
Tangki Pencuci Endapan Kotoran Tetes.
Sisa cairan tetes sebanyak ± 5% volume dari tangki pengendap tetes yang berupa endapan kotoran-kotoran dipompa keluar dari tangki pengendap melalui pipa decanter untuk ditampung di tangki sludge hingga mencapai volume tertentu. Kemudian cairan tetes diendapkan hingga waktu tertentu untuk selanjutnya dipompa kembali ke tangki mixing. Tujuan pencucian kotoran tetes ini adalah untuk efisiensi bahan baku berupa tetes agar bahan baku dapat dipakai semaksimal mungkin tanpa harus membuang sebagian yang tersisa.
6. Tahap Fermentasi
Proses fermentasi ini dibagi menjadi beberapa tahap, yaitu tahap pembiakan ragi dan fermentasi.
Tahap pembiakan ragi
Tahap ini menggunakan tangki prefermentor yang dilengkapi pipa aliran udara dan pipa aliran air pendingin pada bagian luar dinding tangki. Tahap ini bertujuan untuk mengembangbiakkan ragi jenis saccharomycescereviseae dengan menggunakan media tetes. Untuk pembuatan larutan ragi, mula-mula diawali dengan cara memasukkan air proses bersuhu 15o C dan tetes 40o brix dari tangki pengendap tetes ke dalam tangki seeding dan mencampurnya hingga mencapai kekentalan sekitar 12 - 13o brix yang disertai aliran udara dari blower dengan fungsi ganda yaitu untuk mempercepat tercampurnya tetes dengan air dan juga untuk konsumsi kebutuhan oksigen bagi ragi saccharomyces cereviseae yang berlangsung pada suasana aerob. Selain itu juga menjaga suhu tangki konstan pada 30o C dengan mengalirkan air pada dinding luar tangki. Jika tidak dijaga, maka ragi sedang dikembangbiakkan akan terganggu kelangsungan hidupnya dan kemudian akan mati. Kemudian memasukkan ragi roti (gist) yang telah dilarutkan dengan air secukupnya. Untuk nutrisinya, dimasukkan urea, diammonium phospat, dan ammonia. PHP juga ditambahkan ke
dalam larutan ini dengan tujuan untuk mempertahankan pH agar tetap konstan yaitu 4.5 – 5. Dari hasil campuran ini didapatkan biakan ragi. Pada Tangki pre-fermentor terdapat beberapa
reaksi yaitu: reaksi hidrolisa, reaksi penguraian urea serta reaksi pertumbuhan yeast. Asumsi pada reaksi hidrolisa adalah konversi yang terjadi 95%. Persamaan reaksi hidrolisa sebagai berikut: C12H22O11 +H2O 2C6H12O6
Persamaan reaksi pada 95% konversi proses penguraian urea adalah:
(NH2)2CO + H2O 2NH3 + H2O
Persamaan reaksi untuk pertumbuhan yeast adalah:
C6H12O6 + 3.198O2 + 0.316NH3 1.929CH1.703N0.171O0.459 +4.098CO2+ 4.813H2O (∆Hr 298 = -855.7055 kcal/kg)
Tahap fermentasi
Tahap ini menggunakan tangki fermentor dengan dilengkapi pipa aliran udara dan pipa aliran
air pendingin yang berasal dari air sungai untuk menjaga suhu fermentasi pada 30-32o C. Fermentasi ini bertujuan untuk mendapatkan alcohol dengan kadar 8,5 – 9 % atau lebih. Pertama-tama dimulai dengan sterilisasi tangki fermentor yamg masih kosong dengan uap
air panas (steam) sampai suhu 121o C lalu membiarkan suhu di dalam tangki turun sampai 30o C. Setelah itu memasukkan air proses dengan suhu 30o C, larutan tetes 40o brix, proses fermentasi ini berjalan secara aerob. Selanjutnya biakan ragi yang telah dibiakkan pada tangki pre-fermentor dipompa masuk ke tangki fermentor. Setelah itu, tetes 40o brix dipompa masuk ke tangki dan proses berlangsung selama 36 jam. Untuk pH larutan ini dijaga sekitar 4,5 - 5. Kemudian memasukkan ragi roti yang telah dilarutkan dengan air secukupnya dan yeast cream. Untuk nutrisinya, dimasukkan urea, ammonium, dan diammonium phospat. Sedangkan turkey red oil ditambahkan sebagai anti foam untuk mencegah pembentukan foam selama proses terjadi. Hal ini dilakukan selama 15 menit setelah persiapan media pada tangki fermentor selesai. Kemudian dimasukkan ke dalam 2 tangki fermentor pada waktu yang disesuaikan dengan jam awal fermentasi. Tahap fermentasi ini berlangsung selama 24 jam hingga kadar alkohol mencapai 8,5 - 9% dan kekentalan 6,5 - 7o brix. Setelah kadar alkohol sebesar 8,5 - 9% terpenuhi, larutan hasil fermentasi dipompa menuju separator untuk dipisahkan antara hasil fermentasi (cairan mash) dengan ragi (yeast cream). Separator ini menggunakan alat rotary vacuum filter yang merupakan alat dengan prinsip vacuum sehingga
ragi (yeast cream) dan cairan hasil fermentasi (cairan mash) yang memilliki perbedaan massa jenis dapat dipisahkan. Ragi yang didapatkan masih dalam konsentrasi yang tinggi. Dari hasil fermentasi tidak semuanya dipisahkan raginya, hanya sekitar 80-90% saja. Sisanya 10-20% tidak diambil raginya karena mengandung kotorankotoran sisa berupa endapan garam mineral. Hasil fermentasi yang telah dipisahkan ini langsung masuk ke tangki mash (mash tank). Dan selanjutnya didestilasi hingga menjadi alkohol prima (fine alkohol) dengan kadar mencapai 96,5%. Pada tahap fermentasi ini terjadi reaksi hidrolisa, dimana sukrosa diubah menjadi glukosa. Persamaan reaksi hidrolisa yaitu:
C12H22O11 +H2O 2C6H12O6
Sedangkan reaksi utama adalah reaksi fermentasi, dimana glukosa diubah menjadi etanol dan air. Persamaan reaksinya adalah:
C6H12O6 2 C2H5OH + 2CO2
Pada main fermenter selain terbentuk etanol, juga akan terbentuk produk samping. Hasil samping dalam persen berat (%gula) adalah sebagai berikut:
Asam asetat = 0,65%
Fusel Oil = 0,85%
Asetaldehid = 0,05%
Reaksi samping yang terjadi pada main fermenter yaitu:
C6H12O6 C3H8O3 + CH3CHO + 2 CO2
C6H12O6 + H2O 2 C3H8O3 + CH3COOH + C2H5OH + 2CO2 (∆Hr 298 = -324.3860 kcal/kg)
Komponen pada fusel oil meliputi:
Propanol = 12,5 %
Isobutyl alcohol = 15 %
Amyl alcohol = 30 %
Isoamyl alcohol = 32,5 %
Etanol = 10 %
7. Tahap Distilasi
Produk hasil fermentasi mengandung alkohol yang rendah, disebut bir (beer)dan sebab itu perlu di naikkan konsentrasinya dengan jalan distilasi bertingkat.Beer mengandung 8 – 10% alkohol.Maksud dan proses distilasi adalah untuk memisahkan etanol dari campuranetanol air. Untuk larutan yang terdiri dari komponen-komponen yang berbedanyata suhu didihnya, distilasi merupakan cara yang paling mudah dioperasikandan juga merupakan cara pemisahan yang secara thermal adalah efisien.Pada tekanan atmosfir, air mendidih pada 1000C dan etanol mendidih padasekitar 770C. perbedaan dalam titik didih inilah yang memungkinkan pemisahancampuran etanol air.Prinsip : Jika larutan campuran etanol air dipanaskan, maka akan lebih banyak molekul etanol menguap dari pada air. Jika uap-uap ini didinginkan(dikondensasi), maka konsentrasi etanol dalam cairan yang dikondensasikan ituakan lebih tinggi dari pada dalam larutan aslinya. Jika kondensat ini dipanaskan lagi dan kemudian dikondensasikan, maka konsentrasi etanol akan lebih tinggi lagi. Proses ini bisa diulangi terus, sampai sebagian besar dari etanol dikonsentrasikan dalam suatu fasa. Namun hal ini ada batasnya. Pada larutan 96% etanol, didapatkan suatu campuran dengan titik didih yang sama(azeotrop). Pada keadaan ini, jika larutan 95-96% alkohol ini dipanaskan, maka rasio molekul air dan etanol dalam kondensat akan teap konstan sama. Apabila kadar etanolnya sudah 95% dilakukan dehidrasi atau penghilangan air. Untuk menghilangkan air bisa menggunakan kapur tohor atau zeolit sintetis. Tambahkan kapur tohor pada etanol. Biarkan semalam. Setelah itu didistilasi lagi hingga kadar airnya kurang lebih 99.5%.
Fermentasi etanol dari bahan yang mengandung pati
Proses produksi etanol dari hasil pertanian yang mengandung pati ( seperti jagung, gandum, dan lain-lain) hampir sama dengan proses produksi etanol dengan bahan dasar molase. Namun, dalam proses fermentasi kali ini, pada tahap awal akan dibutuhkan proses tambahan yang tidak dilakukan pada fermentasi molase. Tahap tahap nya adalah sebagai berikut:
1. Proses Gelatinasi
Dalam proses gelatinasi, bahan baku ubi kayu, ubi jalar, atau jagung dihancurkan dandicampur air sehingga menjadi bubur, yang diperkirakan mengandung pati 27-30 persen.Kemudian bubur pati tersebut dimasak atau dipanaskan selama 2 jam sehingga berbentuk gel. Proses gelatinasi tersebut dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu:Bubur pati dipanaskan sampai 130oC selama 30 menit, kemudian didinginkan sampaimencapai temperatur 95oC yang diperkirakan memerlukan waktu sekitar ¼ jam. Temperatur 95oC tersebut dipertahankan selama sekitar 11/4 jam, sehingga total waktu yang dibutuhkan mencapai 2 jam. Bubur pati ditambah enzyme termamyl dipanaskan langsung sampai mencapai temperatur 130oC selama 2 jam. Gelatinasi cara pertama, yaitu cara pemanasan bertahap mempunyai keuntungan , yaitu pada suhu 950C aktifitas termamyl merupakan yang paling tertinggi, sehingga mengakibatkan yeast atau ragi cepat aktif. Pemanasan dengan suhu tinggi (1300C) pada cara pertama ini dimaksudkan untuk memecah granula pati, sehingga lebih mudah terjadi kontak dengan air enzyme. Perlakuan pada suhu tinggi tersebut juga dapat berfungsi untuk sterilisasi bahan, sehingga bahan tersebut tidak mudah terkontaminasi. Gelatinasi cara kedua, yaitu cara pemanasan langsung (gelatinasi dengan enzymetermamyl) pada temperature 130oC menghasilkan hasil yang kurang baik, karenamengurangi aktifitas yeast. Hal tersebut disebabkan gelatinasi dengan enzyme pada suhu130oC akan terbentuk tri-phenyl-furane yang mempunyai sifat racun terhadap yeast.Gelatinasi pada suhu tinggi tersebut juga akan berpengaruh terhadap penurunan aktifitastermamyl, karena aktifitas termamyl akan semakin menurun setelah melewati suhu 95oC(Wasito, 1981).
2. Proses Saccharifikasi
Tahap sakarifikasi merupakan tahap pemecahan gula kompleks menjadi gula sederhanayang dilakukan pada sebuah tabung pada rangkaian peralatan untuk produksi bioethanol.Saccharifikasi melibatkan proses sebagai berikut:
• Pendinginan bubur sampai suhu optimum enzim sakarifikasi bekerja
• Pengaturan pH optimum enzim• Penambahan enzim (glukoamilase) secara tepat
•Mempertahankan pH dan temperature pada rentang 50 sd 600C, sampai proses saccharifikasi selesai (Dilakukan dengan pengetesan gula sederhana yang dihasilkan).
3. Fermentasi
Proses fermentasi akan berjalan beberapa jam setelah semua bahan dimasukkan ke dalam fermentor. Kalau anda menggunakan fermentor yang tembus padang (dari kaca misalnya), maka akan tampak gelembung-gelembung udara kecil-kecil dari dalam fermentor. Gelembung-gelembung udara ini adalah gas CO2 yang dihasilkan selama proses fermentasi. Kadang-kadang terdengar suara gemuruh selama proses fermentasi ini. Selama proses fermentasi ini usahakan agar suhu tidak melebihi 36oC dan pH nya dipertahankan 4.5 – 5. 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 di dalam cairan fermentasi kurang lebih 7% – 10 %.
4. Distilasi dan Dehidrasi
Setelah proses fermentasi selesai, masukkan cairan fermentasi ke dalam evaporator atau boiler. Panaskan evaporator dan suhunya dipertahankan antara 79 – 81oC. Pada suhu ini etanol sudah menguap, tetapi air tidak menguap. Uap etanol dialirkan ke distilator. Bioetanol akan keluar dari pipa pengeluaran distilator. Distilasi pertama, biasanya kadar etanol masih di bawah 95%. Apabila kadar etanol masih di bawah 95%, distilasi perlu diulangi lagi (reflux) hingga kadar etanolnya 95%. Apabila kadar etanolnya sudah 95% dilakukan dehidrasi atau penghilangan air. Untuk menghilangkan air bisa menggunakan kapur tohor atau zeolit sintetis. Tambahkan kapur tohor pada etanol. Biarkan semalam. Setelah itu didistilasi lagi hingga kadar airnya kurang lebih 99.5%
sumber: Fuel from Farms - A Guide to Small Scale Ethanol Production, Solar Energy Research Institute (SERI), 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401.
Memproduksi alkohol dari alkena
Pembuatan etanol dari etena dalam skala produksi
Etanol dibuat dalam skala produksi dengan mereaksikan etena dengan uap. Katalis yang digunakan adalah silikon dioksida padat yang dilapisi dengan asam fosfat(V). Reaksi yang terjadi dapat balik (reversibel).
Diagram alir untuk reaksi yang terjadi dapat digambarkan sebagai berikut:
Kegunaan etanol
Spirit (minuman keras) bermetil yang diproduksi dalam skala industri
Etanol biasanya dijual sebagai spirit (minuman keras) bermetil yang diproduksi dalam skala industri yang sebenarnya merupakan sebuah etanol yang telah ditambahkan sedikit metanol dan kemungkinan beberapa zat warna. Metanol beracun, sehingga spirit bermetil dalam skala industri tidak cocok untuk diminum.
Sebagai bahan bakar
Etanol dapat dibakar untuk menghasilkan karbon dioksida dan air serta bisa digunakan sebagai bahan bakar baik sendiri maupun dicampur dengan petrol (bensin). "Gasohol" adalah sebuah petrol / campuran etanol yang mengandung sekitar 10 – 20% etanol. Karena etanol bisa dihasilkan melalui fermentasi, maka alkohol bisa menjadi sebuah cara yang bermanfaat bagi negara-negara yang tidak memiliki industri minyak untuk mengurangi import petrol mereka. Reaksi yang terjadi :
Sebagai pelarut
Etanol banyak digunakan sebagai sebuah pelarut. Etanol relatif aman, dan bisa digunakan untuk melarutkan berbagai senyawa organik yang tidak dapat larut dalam air. Sebagai contoh, etanol digunakan pada berbagai parfum dan kosmetik.
