ETANOL

INDUSTRI ETANOL

I. PENDAHULUAN
Etanol (disebut juga etil-alkohol atau alkohol saja), adalah alkohol yang paling sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Karena sifatnya yang tidak beracun bahan ini banyak dipakai sebagai pelarut dalam dunia farmasi dan industri makanan dan minuman. Etanol tidak berwarna dan tidak berasa tapi memilki bau yang khas. Bahan ini dapat memabukkan jika diminum. Etanol sering ditulis dengan rumus EtOH. Rumus molekul etanol adalah C2H5OH atau rumus empiris C2H6O.

II. Bahan-Bahan Pembuatan Etanol

a. Bahan baku
Produksi etanol dengan cara fermentasi bisa diproduksi dari 3 macam
karbohidrat, yaitu :
1. Bahan-bahan yang mengandung gula atau disebut juga substansi sakharin yang rasanya manis, seperti misalnya gula tebu, gula bit, molase (tetes), macam-macam sari buah-buahan dan lain-lain. Molase mengandung 50- 55% gula yang dapat difermentasi, yang terdiri dari atas 69% sakhrosa dan 30% gula inversi.
2. Bahan yang mengandung pati misalnya: padi-padian, jagung, gandum, kentang sorgum, malt, barlrey, ubi kayu dan lain-lain.
3. Bahan-bahan yang mengandung selulosa, misalnya: kayu, cairan buangan pabrik pulp dan kertas (waste sulfire liquor)
4. Gas-gas hidrokarbon

b. Bahan tambahan
1. Malt
Malt berasal dari biji barley (hordenun sativum) yang telah dikecambahkan selama beberapa hari dan kemudian dikeringkan untuk menghentikan pertumbuhan selanjutnya, proses keseluruhan dari biji barley hingga malt dinamakan malting.
2. Hop
Bunga hop berasal dari bunga betina dua spesies humulus, Humulus lupulus L dan humulus Japanicus. Bunga hop terdiri atas (1) stipular bract yang tidak berguna dan (II) biji bracteole yang melekat pada tangkai utama.
3. Air
4. Bahan baku pati tambahan
5. Ragi
Ragi yang digunakan untuk fermentasi alkohol alkohol adalah Saccharomyces
cerevisiae.

III. Kegunaan Etanol
Produksi alkohol dari biomassa, telah dilakukan orang sekurang-kurangnya sudah 2.000 tahun. Dengan adanya kendaraan mobil dalam skala komersial pada akhir abad yang lampau, alkohol digunakan pula sebagai bahan bakar. Setelah banyaknya ditemukan sumber bahan bakar minyak, maka pengunaan alcohol menjadi berkurang. Dengan meningkatnya harga bahan bakar minyak, maka alcohol menjadi penting lagi.
Pengunaan alkohol antara lain :
1. Sebagai minuman
2. Sebagai bahan kimia dan pelarut
3. Sebagai bahan bakar motor
4. Dalam bidang farmasi
Prinsip pembuatan etanol sangat sederhana, etanol berkadar 6-12% dimasukan ketangki evaporator dan dipanaskan sampai temperatur 78 C (titik didih etanol). Temperatur ini perlu dijaga karena jika temperatur didalam evaporator melewati 80 C, uap air akan ikut masuk kealat destilasi. uap etanol dialirkan alat destilasi, dialam alat destilasi uap etanol akan terkondensasi menjadi etanol cair.

IV. Sifat-Sifat Etanol
Etanol asli ialah cecair jernih yang mudah terbakar dengan titik didih pada 78.5°C dan titik beku pada - 114.5°C. Etanol digunakan sebagai bahan anti-beku dan mempunyai bau vodka. Density etanol ialah 789 g/l, iaitu kurang 20% daripada density air. Etanol mudah larut dalam air, dan merupakan pelarut yang baik untuk pewangi, cat, dan tinktur. Ini membolehkan perisa ditambah ke dalam etanol semasa proses pembruan (brewing). Etanol boleh digunakan sebagai pembasmi kuman (70% hingga 85% etanol). Larutan tersebut boleh membunuh organisma dengan cara mengubah protein dan melarut lipid, dan menghalang kebanyakan bakteria, fungus, dan sesetengah virus. Namun, etanol tidak efektif terhadap spora bakteria. Disebabkan sifat ini, etanol boleh disimpan untuk tempoh masa yang sangat lama (sebagai minuman alkohol). Etanol merupakan asid lemah, lebih lemah daripada air dan membentuk ion etanoat ( C2 H5 O).

V. PROSES PRODUKSI ETHANOL
a. Proses Produksi Ethanol Secara Sintetik
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).

Hanya 5% dari etena yang diubah menjadi etanol pada setiap kali pemasukan ke dalam reaktor. Dengan mengeluarkan etanol dari campuran kesetimbangan dan mendaur-ulang etena, maka pengubahan etena menjadi etanol secara keseluruhan dapat mencapai 95%.

b. Proses Produksi Bio-Ethanol dengan Fermentasi
Produksi ethanol/bio-ethanol (alkohol) dengan bahan baku tanaman yang mengandung pati atau karbohydrat, dilakukan melalui proses konversi karbohidrat menjadi gula (glukosa) larut air. Glukosa dapat dibuat dari pati-patian, proses pembuatannya dapat dibedakan berdasarkan zat pembantu yang dipergunakan, yaitu Hydrolisa asam dan Hydrolisa enzyme. Berdasarkan kedua jenis hydrolisa tersebut, saat ini hydrolisa enzyme lebih banyak dikembangkan, sedangkan hydrolisa asam (misalnya dengan asam sulfat) kurang dapat berkembang, sehingga proses pembuatan glukosa dari pati-patian sekarang ini dipergunakan dengan hydrolisa enzyme. Dalam proses konversi karbohidrat menjadi gula (glukosa) larut air dilakukan dengan penambahan air dan enzyme; kemudian dilakukan proses peragian atau fermentasi gula menjadi ethanol dengan menambahkan yeast atau ragi. Reaksi yang terjadi pada proses produksi ethanol/bio-ethanol secara sederhana ditujukkan pada reaksi berikut :

H2O + (C6H10O5)n -------------------------> nC6H12O6
enzyme       (pati)                                                      (glukosa)

(C6H12O6)n ------------------------>  2C2H5OH + 2CO2.
yeast (ragi)                                               (glukosa) (ethanol)

Industri kimia dengan proses fermentasi bisa dikatakan mempunyai fleksibilitas tinggi terhadap bahan bakunya. Terdapat banyak variasi bahan baku yang dapat digunakan dalam industri fermntasi. Dan hampir semuanya, bahan baku untuk proses fermentasi, baik secara langsung maupun tidak langsung menggunakan hasil pertanian seperti : tebu, jagung, kentang dan lain-lain.

Secara singkat teknologi proses produksi ethanol/bio-ethanol tersebut dapat dibagi dalam tiga tahap, yaitu gelatinasi, sakharifikasi, fermentasi dan destilasi, yaitu :
1. Proses Gelatinasi
Dalam proses gelatinasi, bahan baku ubi kayu, ubi jalar, atau jagung dihancurkan dan dicampur 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 sampai mencapai temperature 95oC yang diperkirakan memerlukan waktu sekitar ¼ jam. Temperatur 95oC tersebut dipertahankan selama sekitar 1 ¼ 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 95oC aktifitas termamyl merupakan yang paling tinggi, sehingga mengakibatkan yeast atau ragi cepat aktif. Pemanasan dengan suhu tinggi (130oC) 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 enzyme termamyl) pada temperature 130oC menghasilkan hasil yang kurang baik, karena mengurangi aktifitas yeast. Hal tersebut disebabkan gelatinasi dengan enzyme pada suhu 130oC akan terbentuk tri-phenyl-furane yang mempunyai sifat racun terhadap yeast. Gelatinasi pada suhu tinggi tersebut juga akan berpengaruh terhadap penurunan aktifitas termamyl, karena aktifitas termamyl akan semakin menurun setelah melewati suhu 95oC (Wasito, 1981).

2. Proses Saccharifikasi
Tahap sakarifikasi merupakan tahap pemecahan gula kompleks menjadi gula sederhana yang 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. Pemurnian
Sebagaimana disebutkan diatas, untuk memurnikan bioetanol menjadi berkadar lebih dari 95% agar dapat dipergunakan sebagai bahan bakar, alkohol hasil fermentasi yang mempunyai kemurnian sekitar 40% tadi harus melewati proses destilasi untuk memisahkan alkohol dengan air dengan memperhitungkan perbedaan titik didih kedua bahan tersebut yang kemudian diembunkan kembali.

c. Proses Pembuatan Alkohol dari Tetes
Proses pembuatanlakohol secara industri tergantung bakunya. Bahan yang mengandung gula biasanya tidak atau sedikit saja memerlukan pengolahan pendahuluan. Tetapi bahan-bahan yangmengandung pati atau seluloda harus dihidrolisa terlebih dahulu menjadi gula yang dapat menjadi gula yang dapat difermentasikan.
Pada prinsipnya reaksi dalam proses pembuatan alcohol dengan fermentasi
adalah sebagai berikut :
C6H12O6 ---------> C2H5OH + CO2

Jika digunakan disakhaarida seperti sakhorosa reaksinya adalah sebagai berikut :
- Reaksi hidrolisa :
Invertasa
C12H22O11 + H2O -------> 2C6H12O6
Sakhrosa Monosakharida
( Glukosa dan fruktosa)

- Reaksi fermentasi
Zimasa
C6H12O6 2C2H5 2CO2
Sakhrosa Alkohol Gas karbon dioksida
Proses fermentasi dari tetes yang meliputi sederhana banyak dikerjakan
secara industri. Pada pokoknya, proses ini meliputi pengenceran tetes,
pengembangbiakan (peragian) ragi, fermentasidan distilasi. Tiap ton produksi
mengahasilkan lebih kurang 190 liter molase. Rata-rata molase mengandung 50 –
55% gula yang dapat difermentasi (terutama sakhrosa (70%(, glukosa dan fluktosa
(30%)). Tipa ton molase dapat menghasilakan 280 liter alcohol.

Tahap –Tahap Proses

Pada prinsipnya pembuatan alcohol terbagi dalam tahap–tahap proses
sebagai berikut :
1. Pengolahan Tetes
Pengolahan tetes merupakan hal yang penting dalam pembuatan alcohol.
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 mendapatkan
kadar gula yang optimum (120 Brix untuk pembibitan dan 240 Brix pada
fermentasi).
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. Sterilisasikan tetes
Untuk mencegah adanya mikroba kontamin hidup pembibitan maupun selama
fermentasi, tetes dipasteurisasikan dengan pemanasan memakai uap pada suhu
sekitar 750C, kemudian diingikan selama 1 jam sampai suhu 300C.
Tetes yang telah banyak sedikit sterisl ini siap dipaki untuk kebutuhan dalam
pembibitan atau fermentasikan.

3. Pengembangbiakan (Pembibitan) ragi
Proses ini dimaksudkan untuk memperbanyak sel – sel ragi supaya sejumlah sel
ragi banyak sebelum digunakan dalam fermentasi alcohol. Ragi yang digunakan
pada fermentasi alcohol sel ragi ini tidak dapat dilakukan secara langsung, tetapi
harus dilakukan secara bertahap dengan maksud untuk adaptasi dengan
lingkungan.
Mula – mula dilakukan dalam jumlah kecil pada skala laboratorium, kemudian
dikembangkan lebih lanjut dalam tangki induk pembibitan. Tangki-tangki
tersebut dilengkapi dengan cooler dengan aerobic dengan erasi udara. Tangkitangki
tersebut dilengkapi dengan cooler dengan maksud untuk pengaturan suhu
28 – 300 selama diinkubasi.

4. Fermentasi
Fermentasi dilakukan dalam tangki fermentasi. Fermentasi dilakukan pada
kepekatan tetes baru. pH diatur menjadi 4 – 5.
Untuk terjadinya fermentasi alcohol, maka dibutuhkan kondisi anaerob hingga
diharapkan sel ragi dapat melakukan peragian yang akan mengubah tetes yang
mengandung gula menjadi alcohol. Pada proses fermentasi ini dapat diserap,
maka diperlukan pendinginan untuk menjada temperature tetap pada 300C
selama proses fermentasi yang berlangsung selama 30 – 40 jam.
Gas CO2 yang terjadi dalam tangki fermentasi ditampung menjadi satu untuk
kemudian direcovery. Alcohol yang ikut aliran gas CO2 dipisahkan dengan jalan
ditangkap oleh air yaitu adanya water scrubber yang diletakkan diatas tangki.
Pada akhir fermentasi, kadar alcohol berkisar antara 8 – 10% volume. Hasil
fermentasi ini dialirkan ke bak penampung, kemudian dipompa ke bagian
distilasi. Cairan hasil fermentasi disebut bir (“beer”).

5. 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 campuran
etanol air. Untuk larutan yang terdiri dari komponen-komponen yang berbeda
nyata suhu didihnya, distilasi merupakan cara yang paling mudah dioperasikan
dan juga merupakan cara pemisahan yang secara thermal adalah efisien.
Pada tekanan atmosfir, air mendidih pada 1000C dan etanol mendidih pada
sekitar 770C. perbedaan dalam titik didih inilah yang memungkinkan pemisahan
campuran 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 itu
akan lebih tinggi dari pada dalam larutan aslinya. Jika kondensat ini dipanaskan
lagi dan kemudian dikondensasikan, maka konsentrasi etanol akan lebih tinggi
lagi. Proses ini biasdiulangi 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 96% alkohol ini dipanaskan, maka
rasio molekul air dan etanol dalam kondensat akan teap konstan sama. Jika
dengan cara distilasi ini, alcohol tidak bias lebih pekat dari 96%.

Cara distilasi
Untuk memisahkan alkohol dari campuran dan meningkatkan kadar alkohol,
beer perlu didistilasi.
Pada prinsipnya unit distilasi mempunyai 3 jenis kolom, yaitu :
−Kolom “beer” (beer still)
−Kolom “rektifikasi” (rectifying column)
−Kolom pemurnian (purifying column)

Kolom Beer
Dari bak penampung, “beer” dengan kadar alkohol 8–10% dipompakan
ke dalam kolom “beer” melalui alat penukar panas (heat exchanger). Di dalam
alat ini “beer” akan mengalami pemanasan karena adanya perpindahan panas.
Didalam kolom “beer” alkohol dan zat yang mudah menguap lainnya akan dari
cairan yang mempunyai titik didih tinggi. Cairan ini merupakan campuran air dan
bahan-bahan bergula yang tidak terfermentasi. Cairan ini merupakan limbah
yang disebut “stillage” atau “vinasse panas”. Kemudian cairan ini dialirkan dari
bagian bawah kolom melalui alat penukar panas dengan suhu tertentu untuk
selanjutnya dibuang. Stillage ini mengandung protein–protein, sisa–sisa gula,
dan dalam keadaan tertentu juga produk–prroduk vitamin. Baik untuk makan
ternak.

Kolom rektifikasi
“Kolom pemurnian” (purirying column) berfungsi untuk mempertinggi
kualitas alkohol yang dihasilkan. Di dalam kolom ini alkohol dipisahkan dari
aldehida dan zat yang mudah menguap lainnya hingga diperoleh alcohol 96%
yang biasa dikenal sebagai alkohol teknis. Dalam kondisi ini alkohol absolute
harus dilakukan proses dehidrasi di dalam “dehydrating still” dengan
penambahan larutan ketiga sebagai pengikat air yang ada dalam campuran
azeotrop tersebut.
Diagram alir proses pembuatan alkohol dapat dilihat pada gambar berikut :

Minuman beralkohol
Minuman beralkohol yang dibuat dengan fermentasi dapat dibagi dalam 3
(tiga ) tipe :
1. Tipe “mead” yang menggunakan bahan baku madu atau cairan tumbuh–
tumbuhan, seperti cairan (lobong) pohon enau.
2. Tipe anggur (rome) dari sari buah–buahan, dan
3. Tipe bir dengan bahan baku zat pati yang berasal dari biji-bijian.

Bir
Kita kenal 3 istilah untuk minuman yang disebut bir, ialah: bir, ale dan
stout.
1. Bir adalah minuman yang fermentasi dengan menggunakan ragi bawah (bottom
fermenting yeast);
2. Ale adalah bir yang difermentasi dengan menggunakan ragi atas (top
fermenting yeast);
3. Stout ialah bir yang difermentasi dengan ragi atas seperti ale, namun bahan
baku yang digunakan hanya malt saja, tanpa tambahan sumber pati lain seperti
jagung, dan produknya berwarna kehitam–hitaman.

Fungsi peralatan yang digunakan dalam industri etanol
1. mesin penggiling. berfungsi untuk menghaluskan bahan baku. dapat dibeli ditoko penjual alat-alat industri.
2. tangki pemasak. berfungsi untuk memasak dan mengaduk bahan baku sebelum dimasukan ke alat penukar panas (heat exchanger). dapat dibuat dari drum bekas.
3. alat penukar panas. berfungsi untuk mendinginkan bahan baku (saat proses sakarifikasi) lebih cepat. dapat dibuat dari stainless steel (desain alat penukar panas akan dibahas pada topik berikutnya).
4. tanki fermentasi. berfungsi untuk menghasilkan etanol kadar 6-12 %. dapat dibuat dari drum bekas maupun tangki stainless steel.
5. evaporator. berfungsi untuk menguapkan etanol yang akan dialirkan ke alat destilasi. dibuat dari stainless steel. untuk mengatur temperatur evaporator pada alat ini dipasang termostat (alat pengatur temperatur).
6. alat destilasi. berfungsi untuk mengkondensasikan uap etanol menjadi etanol cair. dapat dibuat dari drum bekas maupun stainless steel. pipa koil berbentuk spiral (untuk membentuknya digunakan alat curving pliers) terbuat dari tembaga.