UJI EKSPERIMENTAL PERBANDINGAN UNJUK KERJA MOTOR BAKAR BERBAHAN BAKAR PREMIUM DENGAN CAMPURAN PREMIUM-BIOETANOL (GASOHOL BE-5 DAN BE-10) SKRIPSI

Transkripsi

1 UJI EKSPERIMENTAL PERBANDINGAN UNJUK KERJA MOTOR BAKAR BERBAHAN BAKAR PREMIUM DENGAN CAMPURAN PREMIUM-BIOETANOL (GASOHOL BE-5 DAN BE-10) SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik RIDHO DANIEL SIHALOHO NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009

2 KATA PENGANTAR Puji dan Syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Kuasa, atas segala karunia dan rahmatnya yang senantiasa diberikan kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini. Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun Skripsi yang dipilih, diambil dari mata kuliah Motor Bakar, yaitu Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Barbahan Bakar Premium dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol BE-5 dan BE-10). Dalam penulisan Skripsi ini, penulis telah berupaya dengan segala kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh dari perkuliahan, menggunakan literatur serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing. Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Kedua Orang Tua penulis, Ayahanda tercinta H. Sihaloho dan Ibunda S. A. Sijabat yang terus membimbing dan mengarahkan penulis. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H Napitupulu, DEA, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing penulis dalam menyelesaikan Skripsi ini. 3. Bapak Dr.-Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus,ST. MT, selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 4. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc. dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitoru, ST. MT, selaku dosen pembanding I dan II. 5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

3 6. Staff Laboratorium Motor Bakar Deparetemen Teknik Mesin USU, Bang Atin yang telah banyak membantu dan membimbing penulis selama penelitian ini berjalan. 7. Kakakku dan adikku tersayang (dr. Kristina Sihaloho, Lestarina Veronika Sihaloho, S.Ked., Benny Sihaloho dan Evan Josep Sihaloho), terima kasih atas segala bantuan dan dukungan yang telah diberikan baik berupa moril dan materil selama kuliah hingga menyelesaikan Skripsi ini. 8. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin, terkhusus stambuk 2005 yang tidak dapat disebutkan namanya satu persatu, Solidarity Forever. 9. Rekan-rekan Polisi Toba, Andriko Silitonga, Ronny Z. P Situmeang, Gunawan Simanjuntak, terima kasih atas segala kebersamaan dalam suka dan duka yang telah kita lalui bersama. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi penyempurnaan di masa mendatang. Akhir kata, penulis berharap semoga tulisan ini berguna bagi kita semua. Semoga Tuhan Yang Maha Esa selalu menyertai kita. Medan, Juli 2009 Penulis, Ridho Daniel Sihaloho NIM

4 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI... iii DAFTAR TABEL... v DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR NOTASI... viii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Pengujian Manfaat Pengujian Ruang Lingkup Pengujian Sistematika Penulisan... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Bioetanol Pembuatan Bioetanol Manfaat Bioetanol Bioetanol Ramah Lingkungan Motor Bensin Cara Kerja Motor Bensin 4 Langkah Performansi Motor Bensin Teori Pembakaran Nilai Kalor Bahan Bakar Emisi Gas Buang Harga Premium di Indonesia BAB III METODOLOGI PENULISAN Waktu dan Tempat Bahan dan Alat Bahan Alat... 32

5 3.3 Metode Pengumpulan Data Pengamatan dan Tahap Pengujian Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar Prosedur Pengujian Performansi Motor Bensin Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang BAB IV ANALISA HASIL DAN PENGUJIAN Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar Pengujian Performansi Motor Bakar Bensin Torsi Daya Konsumsi Bahan Bakar Spesifik Rasio Perbandingan Udara Bahan Bakar (AFR) Effisiensi Volumetris Effisiensi Thermal Brake Pengujian Emisi Gas Buang Kadar Carbon Monoksida (CO) Dalam Gas Buang Kadar Carbon Dioksida (CO 2 ) Dalam Gas Buang Kadar Unburned Hidro Carbon (UHC) Dalam Gas Buang Kadar Sisa Oksigen (O 2 ) Dalam Gas Buang Analisa Perhitungan Harga Gasohol BE-5 dan BE Hasil Pengujian BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

6 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Konversi bahan baku tanaman yang mengandung pati atau karbohidrat dan tetes menjadi bioetanol... 6 Tabel 2.2 Sifat-sifat bahan bakar dari bioetanol, gasoline, dan butil eter Tabel 2.3 Perbandingan emisi bahan pencemar dari campuran bioetanol dan premium Tabel 2.4 Perbandingan harga premium di Amerika Serikat dan Indonesia Tabel 3.1 Spesifikasi Mesin Bensin TD4A langkah Tabel 3.2 Spesifikasi TD4A 241 Instrumen Unit Tabel 4.1 Data hasil pengujian dan perhitungan bom kalorimeter Tabel 4.2 Data hasil pembacaan langsung langsung unit instrumentasi untuk bahan bakar premium pada putaran yang bervariasi Tabel 4.3 Data hasil pembacaan langsung langsung unit instrumentasi untuk bahan bakar gasohol BE-5 pada putaran yang bervariasi Tabel 4.4 Data hasil pembacaan langsung langsung unit instrumentasi untuk bahan bakar gasohol BE-10 pada putaran yang bervariasi Tabel 4.5 Hasil perhitungan daya Tabel 4.6 Hasil perhitungan konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc) Tabel 4.7 Hasil perhitungan perbandingan udara dan bahan bakar (AFR) Tabel 4.8 Hasil perhitungan efisiensi volumetris Tabel 4.9 Hasil perhitungan efisiensi thermal brake Tabel 4.10 Kadar CO dalam emisi gas buang Tabel 4.11 Kadar CO 2 dalam gas buang Tabel 4.12 Kadar UHC dalam gas buang Tabel 4.11 Kadar sisa oksigen O 2 dalam gas buang Tabel 4.14 Hasil uji nilai kalor atas bahan bakar (HHV) Tabel 4.15 Hasil uji performansi untuk beban 10 kg Tabel 4.13 Hasil uji performansi untuk beban 25 kg Tabel 4.13 Perbandingan kondisi performansi... 81

7 Tabel 4.13 Hasil uji emisi gas buang untuk beban 10 kg Tabel 4.13 Hasil uji emisi gas buang untuk beban 25 kg Tabel 4.13 Perbandingan kondisi emisi gas buang... 82

8 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Reaksi pengubahan piruvat menjadi alkohol... 9 Gambar 2.2 Proses Produksi Bioetanol dari bahan berpati Gambar 2.3 Diagram alir proses pembuatan Bioetanol dari ubi kayu Gambar 2.4 Daur ulang karbondioksida pada siklus Bioetanol Gambar 2.5 Siklus Otto Ideal Gambar 3.1 Bom Kalorimeter Gambar 3.2 Diagram alir pengujian nilai kalor bahan bakar Gambar 3.3 Mesin Uji TD4A Gambar 3.4 TD4A Stroke Bensin Engine Gambar 3.5 TD4A 024 Instrumentatio Unit Gambar 3.6 Diagram alir pengujian performansi motor bakar bensin Gambar 3.7 Autologic gas analyzer Gambar 3.8 Diagram alir pengujian emisi gas buang motor bakar bensin Gambar 4.1 Grafik hasil pengujian bom kalorimeter Gambar 4.2 Grafik Torsi vs Putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.3 Grafik Torsi vs Putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.4 Grafik Daya vs Putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.5 Grafik Daya vs Putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.6 Grafik Sfc vs Putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.7 Grafik Sfc vs Putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.8 Kurva Viscous Flow Meter Calibration Gambar 4.9 Grafik AFR vs Putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.10 Grafik AFR vs Putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.11 Grafik Efisiensi Volumetris vs Putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.12 Grafik Efisiensi Volumetris vs Putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.13 Grafik Efisiensi Thermal Brake vs Putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.14 Grafik Efisiensi Thermal Brake vs Putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.15 Grafik Kadar CO vs Putaran untuk beban 10 kg... 71

9 Gambar 4.16 Grafik Kadar CO vs Putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.17 Grafik Kadar CO 2 vs Putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.18 Grafik Kadar CO 2 vs Putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.19 Grafik Kadar UHC vs Putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.20 Grafik Kadar UHC vs Putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.21 Grafik Kadar O 2 vs Putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.22 Grafik Kadar O 2 vs Putaran untuk beban 25 kg... 78

10 DAFTAR NOTASI Simbol Arti Satuan AFR Air Fuel Ratio C v Panas jenis bom kalorimeter kj/kg 0 C HHV Nilai kalor atas kj/kg LHV Nilai kalor bawah bahan bakar kj/kg M. f Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture) m laju aliran bahan bakar kg/jam m a laju aliran masa udara kg/jam n Putaran mesin rpm P G Daya keluaran Watt Q in Kalor masuk ke ruang bakar J/kg Q out Kalor yg dibuang pada proses exhaust. J/kg R konstanta gas J/ kg.k Sfc konsumsi bahan bakar spesifik g/kw.h sg f Spesific gravity T Torsi N.m T a Temperatur udara K T kp Kenaikan temperatur akibat kawat penyala T 1 Temperatur air pendingin sebelum penyalaan Temperatur air pendingin sesudah penyalaan T 2 t f Waktu untuk menghabiskan bahan bakar sebanyak volume uji s P a Tekanan udara Pa V s Volume langkah torak m 3 V f Volume bahan bakar yang diuji ml 0 C 0 C 0 C

11 Simbol Yunani Simbol Arti Satuan ρ a Kerapatan udara kg/m 3 ηv Efisiensi volumetrik % η b Effisiensi thermal brake %

12 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Suatu saat bahan bakar fosil yang ditambang dari perut bumi akan habis, mengingat bahwa bahan bakar fosil merupakan bahan bakar yang tidak dapat diperbarui (unrenewable). Minyak bumi merupakan salah satu bahan bakar fosil, dimana suplai sudah semakin berkurang. Hal ini yang membuktikan bahwa cadangan minyak bumi sudah semakin menipis. Penggunaan bahan bakar fosil juga telah menimbulkan dampak negatif pada lingkungan. Perubahan suhu yang semakin meningkat merupakan permasalahan yang sangat mengkhawatirkan bagi dunia pada saat ini. Hal ini disebut dengan pemanasan global (global warming) yaitu adanya proses peningkatan suhu rata-rata atmosfer, laut, dan daratan bumi. Suhu rata-rata global pada permukaan bumi telah meningkat 0,74 ± 0,18 C (1,33 ± 0,32 F) selama seratus tahun terakhir. Pemanasan global juga disebabkan peningkatan jumlah emisi gas rumah kaca di atmosfer. Dimana yang termasuk dalam kelompok gas rumah kaca adalah karbondioksida (CO 2 ), metana (CH 4 ), dinitro oksida (N 2 O), hidrofluorokarbon (HFC), perfluorokarbon (PFC), dan sulfur heksafluorida (SF 6 ). Jenis gas rumah kaca yang memberikan sumbangan paling besar bagi emisi gas rumah kaca adalah karbondioksida (CO 2 ). Sementara, untuk gas rumah kaca lainnya (HFC, PFC, dan SF 6 ) hanya menyumbang kurang dari 1% [38]. Salah satu sumber penyumbang karbondioksida adalah pembakaran bahan bakar fosil. Penggunaan bahan bakar fosil mulai meningkat pesat sejak revolusi industri pada abad ke-18. Pada saat itu, batu bara menjadi sumber energi dominan untuk kemudian digantikan oleh minyak bumi pada pertengahan abad ke-19. Sumber utama penghasil emisi karbondioksida secara global ada 2 macam. Pertama, pembangkit listrik bertenaga batu bara. Kedua, pembakaran kendaraan bermotor. Emisi gas rumah kaca harus dikurangi, jadi harus dibangun sistem industri dan transportasi yang tidak bergantung pada bahan bakar fosil yaitu minyak bumi dan batu bara. Maka untuk mengatasi hal ini diperlukan sumber energi alternatif yang

13 dapat mengurangi penggunaan bahan bakar fosil sekaligus dapat mengurangi emisi karbondioksida. Salah satu sumber energi yang dapat mengurangi pengunaan bahan bakar fosil adalah bahan bakar nabati yaitu bioetanol [39]. Bioetanol adalah alkohol yang diproduksi dari tumbuh-tumbuhan dengan menggunakan mikroorganisme melalui proses fermentasi. Pengenalan energi alternatif ini juga merupakan upaya untuk mengurangi penggunaan bahan bakar minyak di Indonesia. Bioetanol merupakan bentuk sumber energi alternatif yang menarik untuk dikembangkan karena kelimpahannya di Indonesia dan sifatnya yang dapat diperbarui. Ada 3 kelompok bahan penghasil bioetanol yaitu nira bergula, pati, dan bahan serat alias lignoselulosa. Semua bahan baku bioetanol itu mudah didapatkan dan dikembangkan di Indonesia yang memiliki lahan luas dan subur [2]. Di Indonesia saat ini, penggunaan etanol sudah digunakan secara luas. Selain digunakan sebagai campuran premium, etanol juga digunakan dalam dunia industri sebagai pelarut (solven) dan juga sebagai bahan baku industri kimia yang lain seperti pembuatan etil asetat [28]. Hampir semua industri memerlukan etanol antara lain industri makanan dan minuman, bidang kedokteran, farmasi, dan lain-lain. Data perkembangan konsumsi etanol dunia dari tahun 1975, menunjukkan bahwa peningkatan konsumsi terbesar diakibatkan penggunaan etanol sebagai bahan bakar. Saat ini konsumsi etanol sebagai bahan bakar terutama di Brazil, Amerika Serikat, Kanada, Uni Eropa dan Australia berkisar 63-67% dari total penggunaan bahan bakar di dunia. Perlu pula dicatat bahwa 95% dari etanol yang diproduksi di dunia sekarang ini adalah bioetanol [6]. Penggunaan premium telah menimbulkan emisi berbagai gas-gas yang menjadi polutan berbahaya di udara. Disamping itu, bahan aditif timbal yang selama ini digunakan sebagai peningkat angka oktan (octane enhancer) pada premium ikut berkontribusi terhadap pencemaran udara tersebut. Penggunaan MTBE (Methyl Tertiary Buthyl Ether) sebagai pengganti TEL (Tetra Ethyl Lead) merupakan upaya untuk mengurangi pencemaran lingkungan, namun bahan tersebut harus diimpor, dan penggunaannya sudah mulai dilarang di berbagai negara. Bioetanol dapat menggantikan fungsi dari TEL (Tetra Ethyl Lead) dan MTBE (Methyl Tertiary

14 Buthyl Ether) sebagai campuran pada premium. Bioetanol memiliki angka oktan 117 atau lebih tinggi dibanding bensin yang hanya 87-88, sehingga campuran premium-bioetanol secara langsung akan meningkatkan angka oktan [42]. 1.2 Tujuan Pengujian 1. Untuk memperoleh perbandingan nilai kalor pembakaran bahan bakar premium dengan nilai kalor pembakaran bahan bakar campuran premium-bioetanol (Gasohol BE-5 dan BE-10). 2. Untuk memperoleh perbandingan unjuk kerja motor bakar berbahan bakar premium dengan campuran premium-bioetanol (Gasohol BE-5 dan BE-10). 3. Untuk memperoleh perbandingan komposisi dari beberapa emisi gas buang motor bakar berbahan bakar premium dengan campuran premium-bioetanol (Gasohol BE-5 dan BE-10). 1.3 Manfaat Pengujian 1. Untuk memperoleh campuran yang paling baik dari premium-bioetanol dengan pertimbangan ekonomis dan ramah lingkungan. 2. Memotivasi masyarakat, para petani pada khususnya, dalam memanfaatkan lahan kosong untuk areal penanaman bahan baku bioetanol. 3. Sebagai pertimbangan terhadap pemerintah untuk menghemat devisa negara terhadap anggaran subsidi bahan bakar premium. 4. Memberikan pertimbangan terhadap pemerintah untuk mengurangi ketergantungan bahan bakar fosil khususnya premium. 1.4 Ruang lingkup Pengujian 1. Bioetanol yang digunakan adalah bioetanol yang berbahan baku ubi kayu. 2. Alat uji yang digunakan untuk menghitung nilai kalor pembakaran bahan bakar adalah Bom Kalorimeter.

15 3. Mesin uji yang digunakan untuk mendapatkan unjuk kerja motor bakar bensin adalah Mesin Bensin 4-langkah dengan 4-silinder (TecQuipment type.td4a 024) pada laboratorium Motor Bakar Departemen Teknik Mesin USU. 4. Unjuk kerja mesin bensin yang dihitung adalah: - Daya (Brake Power) - Rasio perbandingan udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) - Konsumsi bahan bakar spesifik (Specific Fuel Consumtion) - Efisiensi Volumetris (Volumetric Effeciency) - Efisiensi termal brake (Brake Thermal Effeciency) 5. Alat uji yang digunakan untuk mengetahui komposisi emisi gas buang motor bakar bensin adalah Autologic Gas Analyzer 6. Senyawa gas buang motor bakar bensin yang diamati adalah karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO 2 ), unburned hidrokarbon (UHC) dan oksigen (O 2 ). 7. Pada pengujian unjuk kerja dan pengamatan komposisi emisi gas buang motor bakar bensin, dilakukan variasi putaran dan beban yang meliputi: - Variasi putaran : 2000-rpm, 2500-rpm, 3000-rpm, 3500-rpm, 4000-rpm - Variasi beban : 10 kg dan 25 kg. 1.5 Sistematika Penulisan Untuk mempermudah pembaca dalam memahami tulisan ini, maka dilakukan pembagian bab berdasarkan isinya. Tulisan ini akan disusun dalam lima bab, BAB I PENDAHULUAN, berisi latar belakang, tujuan, manfaat, dan ruang lingkup pengujian. BAB II TINJAUAN PUSTAKA, berisi landasan teori yang diperoleh dari literatur untuk mendukung pengujian. BAB III METODOLOGI PENGUJIAN, berisi metode pengujian, peralatan dan perlengkapan yang digunakan serta prosedur kerja dari pengujian yang dilakukan. BAB IV DATA DAN ANALISA, berisi data hasil pengujian, perhitungan dan analisa terhadap data hasil pengujian. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN, berisi kesimpulan dari hasil pengujian dan saran-saran.

16 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bioetanol Bioetanol adalah etanol yang dihasilkan dari fermentasi glukosa yang dilanjutkan dengan proses destilasi. Etanol merupakan kependekan dari etil alkohol (C 2 H 5 OH); sering pula disebut grain alcohol atau alkohol. Wujud dari etanol berupa cairan yang tidak berwarna, mudah menguap dan mempunyai bau yang khas. Berat jenisnya adalah sebesar 0,7939 g/ml, dan titik didihnya 78,320 o C pada tekanan 766 mmhg. Sifat lainnya adalah larut dalam air dan eter, serta mempunyai panas pembakaran kkal. Etanol digunakan dalam beragam industri seperti sebagai bahan baku industri turunan alkohol, campuran untuk minuman keras seperti sake atau gin, bahan baku farmasi dan kosmetik, dan campuran bahan bakar kendaraan, peningkat oktan, dan bensin alkohol (gasohol) [34]. Pemakaian etanol sebagai sumber energi dalam industri dan kendaraan akan sangat mengurangi pembuangan gas CO 2 yang mengakibatkan pemanasan global. Cepat atau lambat sumber minyak (fosil fuel) akan habis karena depositnya terbatas. Minyak bumi merupakan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui. Keterbatasan itu mendorong negara industri melirik etanol (biofuel) sebagai sumber energi altenatif. Selain terus-menerus dapat diproduksi oleh mikroorganisme, etanol juga ramah lingkungan [3]. Beberapa keunggulan dari penggunaan etanol sebagai bahan bakar [43] yaitu: 1. Diproduksi dari tanaman yang bersifat renewable. 2. Mengandung kadar oksigen sekitar 35% sehingga dapat terbakar lebih sempurna. 3. Penggunaan gasohol dapat menurunkan emisi gas rumah kaca. 4. Pembakaran tidak menghasilkan partikel timbal dan benzena yang bersifat karsinogenik (penyebab kanker). 5. Mengurangi emisi fine-particulates yang membahayakan kesehatan manusia. 6. Mudah larut dalam air dan tidak mencemari air permukaan dan air tanah.

17 Proses destilasi dapat menghasilkan etanol dengan kadar 95%, untuk digunakan sebagai bahan bakar perlu lebih dimurnikan lagi hingga mencapai 99,5% yang sering disebut Fuel Grade Ethanol (FGE). Mengingat pemanfaatan etanol yang beraneka ragam, maka kadar etanol yang dimanfaatkan harus berbeda sesuai dengan penggunaannya. Etanol yang mempunyai kadar 90-96,5% dapat digunakan pada industri, sedangkan etanol yang mempunyai kadar 96-99,5% dapat digunakan sebagai campuran untuk miras dan bahan dasar industri farmasi. Etanol yang dimanfaatkan sebagai campuran bahan bakar untuk kendaraan yang harus betul-betul kering dan anhydrous supaya tidak korosif, sehingga etanol harus mempunyai kadar sebesar 99,5-100%. Perbedaan besarnya kadar akan berpengaruh terhadap proses pengolahan karbohidrat menjadi glukosa larut air [4]. 2.2 Pembuatan Bioetanol Pembuatan bioetanol yang menggunakan bahan baku tanaman yang mengandung pati, dilakukan dengan cara mengubah pati menjadi gula (glukosa) larut air. Konversi bahan baku tanaman yang mengandung pati atau karbohidrat dan tetes menjadi bioetanol ditunjukkan pada Tabel 2.1. Tabel 2.1. Konversi bahan baku tanaman yang mengandung pati atau karbohidrat dan tetes menjadi bioetanol Kandungan Bahan Baku Jumlah Hasil Gula dalam Perbandingan Konversi Bahan Baku Bahan Baku Jenis Konsumsi (kg) Bioetanol (liter) (kg) dan Bioetanol Ubi Kayu ,6 6,5:1 Ubi Jalar :1 Jagung :1 Sagu :1 Tetes :1 Sumber :

18 Pengubahan pati menjadi gula dapat dilakukan dengan dua metode yaitu hidrolisa asam dan hidrolisa enzim. Namun, pada saat ini metode yang lebih banyak digunakan adalah dengan hidrolisa enzim. Pada proses pengubahan pati menjadi gula larut air yang menggunakan metode hidrolisa enzim dilakukan dengan penambahan air dan enzim, selanjutnya dilakukan proses fermentasi gula menjadi etanol dengan menambahkan ragi. Reaksi yang terjadi pada proses produksi bioetanol secara sederhana ditujukkan pada reaksi 1 dan 2 [30] dibawah ini: (C 6 H 10 O 5 )n + H 2 O N C 6 H 12 O 6 (1) (pati) enzim (glukosa) (C 6 H 12 O 6 )n 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 (2) (glukosa) ragi (etanol) Secara sederhana teknologi proses produksi bioetanol yang menggunakan bahan baku ubi kayu dapat dibagi dalam tiga tahap, yaitu gelatinasi, sakharifikasi, dan fermentasi. Pada proses gelatinasi ubi kayu dihancurkan kemudian ditambahkan air sehingga akan diperoleh bubur ubi kayu, dimana pati yang dihasilkan diperkirakan mencapai %. Kemudian pati yang telah diperoleh dari bubur ubi kayu tersebut dipanaskan selama 2 jam sehingga berbentuk gel. Pada umumnya, proses gelatinasi dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu: 1. Bubur pati dipanaskan sampai 130 o C selama 30 menit, kemudian didinginkan sampai mencapai temperatur 95 o C yang diperkirakan memerlukan waktu sekitar 15 menit. Kemudian selama sekitar 75 menit, kondisi temperatur 95 o C tersebut dipertahankan, sehingga total waktu yang dibutuhkan mencapai 2 jam. 2. Pati langsung ditambah enzim termamyl, kemudian dipanaskan sampai mencapai temperatur 130 o C selama 2 jam.

19 Gelatinasi cara pertama, yaitu cara pemanasan bertahap mempunyai keuntungan yaitu pada suhu 95 o C aktifitas termamyl merupakan yang paling tinggi, sehingga mengakibatkan ragi cepat aktif. Pemanasan dengan suhu 130 o C pada cara pertama tersebut dimaksudkan untuk memecah granula pati, sehingga lebih mudah terjadi kontak dengan air dan enzim serta dapat berfungsi untuk sterilisasi bahan, sehingga bahan tersebut tidak mudah terkontaminasi. Gelatinasi cara kedua, yaitu cara pemanasan langsung (gelatinasi dengan enzim termamyl) pada temperatur 130 o C menghasilkan hasil yang kurang baik, karena mengurangi dapat mengurangi aktifitas dari ragi. Hal tersebut disebabkan gelatinasi dengan enzim pada suhu 130 o C akan terbentuk tri-phenyl-furane yang mempunyai sifat racun terhadap ragi. Gelatinasi pada suhu tinggi tersebut juga akan berpengaruh terhadap penurunan aktifitas termamyl, karena aktifitas termamyl akan semakin menurun setelah melewati suhu 95 o C. Selain itu, tingginya temperature tersebut juga akan mengakibatkan half life dari termamyl semakin pendek, sebagai contoh pada temperature 93 o C, half life dari termamyl adalah 1500 menit, sedangkan pada temperature 107 o C, half life termamyl tersebut adalah 40 menit. Hasil gelatinasi dari ke dua cara tersebut didinginkan sampai mencapai temperatur 55 o C, kemudian ditambah SAN untuk proses sakharifikasi dan selanjutnya difermentasikan dengan menggunakan ragi. Ragi yang sering digunakan dalam fermentasi alkohol adalah Saccharomyces cerevisiae, karena jenis ini dapat berproduksi tinggi, toleran terhadap alkohol yang cukup tinggi (12-18%), tahan terhadap kadar gula yang tinggi dan tetap aktif melakukan fermentasi pada suhu 4-32 o C [31]. Proses fermentasi dimaksudkan untuk mengubah glukosa menjadi bioetanol. Mekanisme reaksi pada proses fermentasi dapat dilihat pada Gambar 2.1. Pada saat keadaan aerob asam piruvat diubah menjadi asetil-koenzima. Tetapi karena ragi Saccharomyzes ceraviseze dalam keadaan anaerob, asam piruvat diubah menjadi etanol dengan bantuan piruvat dekarboksilase dan alkohol dehidrogenase melalui proses fermentasi alkohol [19].

20 O O C O piruvat dekarboksilase alcohol dehidrogenase C H CH2 OH C O CO 2 CH 3 NADH NAD+ CH 3 CH 3 Pyruvat Acetaldehida Ethanol Lehninger, A. L Dasar-Dasar Biokimia, hal 18. Gambar 2.1 Reaksi pengubahan piruvat menjadi alkohol. Bioetanol yang dihasilkan dari proses fermentasi biasanya masih mengandung gas-gas antara lain CO 2 dan aldehyde. Gas CO 2 pada hasil fermentasi tersebut biasanya mencapai 35 %, sehingga untuk memperoleh bioetanol yang berkualitas baik, maka bioetanol tersebut harus dibersihkan dari gas tersebut. Proses pembersihan CO 2 dilakukan dengan menyaring bioetanol yang terikat oleh CO 2, sehingga dapat diperoleh bioetanol yang bersih dari gas CO 2. Pada umumnya bioetanol atau alkohol yang dihasilkan dari proses fermntasi yang mempunyai kemurnian sekitar 30 40%, sehingga harus dimurnikan lagi. Agar mendapatkan kadar bioetanol lebih dari 95% dan dapat dipergunakan sebagai bahan bakar, alkohol hasil fermentasi yang mempunyai kemurnian sekitar 30 40% tersebut harus melewati proses destilasi untuk memisahkan alkohol dengan air [32]. Destilasi merupakan pemisahan larutan berdasarkan titik didihnya. Titik didih etanol murni adalah 78 o C sedangkan air adalah 100 o C. Dengan memanaskan larutan pada suhu rentang o C akan mengakibatkan sebagian besar etanol menguap [29]. Destilasi fraksinasi merupakan pemisahan atau pengambilan uap dari setiap tingkat yang berbeda dalam kolom destilasi. Produk yang lebih berat diperoleh di bagian bawah, sedangkan yang lebih ringan akan keluar dari bagian atas kolom. Dari hasil destilasi ini, kadar bioetanolnya berkisar antara 95-96%. Namun, pada kondisi tersebut campuran membentuk azeotrope, yang artinya campuran alkohol dan air sukar untuk dipisahkan. Untuk memperoleh bioetanol dengan kemurnian lebih tinggi

21 dari 99,5% atau yang umum disebut Fuel Grade Ethanol, masalah yang timbul adalah sulitnya memisahkan hidrogen yang terikat dalam struktur kimia alkohol dengan cara destilasi biasa, oleh karena itu untuk mendapatkan Fuel Grade Etanol dilaksanakan pemurnian lebih lanjut dengan cara azeotropic destilasi. Untuk menghasilkan anhydrous alcohol, kondisi azeotrope harus dipecahkan dengan bahan pelarut lain. Bahan pelarut yang biasa digunakan adalah benzene atau n-hexane. Cara lain yang umum dipakai adalah desiccants process dan molecular sieves. Pada proses desiccant, untuk mendapatkan anhydrous alcohol digunakan bahan kimia yang sifatnya stabil yang bereaksi hanya dengan air, dan tidak bereaksi dengan alkohol. Contohnya adalah kalsium oksida. Reaksi antara CaO dengan air mengeluarkan panas, sehingga perlu rancangan khusus pada kolomnya. Selain itu berbagai macam pati juga dapat dipakai sebagai dessicant. Molecular sieves adalah kristal aluminosilikat, merupakan bahan penyaring yang tidak mengalami hidrasi maupun dehidrasi pada struktur kristalnya. Molekul penyaring ini secara selektif menyerap air, karena lubang kristalnya mempunyai ukuran lebih kecil dibanding ukuran molekul alkohol, dan lebih besar dibandingkan molekul air. Alkohol yang berbentuk cair maupun uap dilewatkan kolom yang berisi bahan penyaring, air akan tertahan dalam bahan tersebut dan akan diperoleh alkohol murni. Biasanya proses ini menggunakan dua kolom, kolom kedua untuk aliran uap alkohol sedangkan pada kolom pertama setelah proses dialirkan udara atau gas panas untuk menguapkan air [40]. Pada industri pembuatan etanol, juga akan diperoleh hasil lain, baik yang dapat dimanfaatkan langsung maupun harus diproses lebih lanjut. Hasil samping tersebut antara lain stillage, karbondioksida, dan minyak fusel. Stillage adalah sisa destilasi yang tertinggal dalam kolom bagian bawah dan masih bercampur dengan air. Stillage tersebut masih banyak mengandung bahan-bahan organik yang tidak terfermentasikan. Stillage dari proses destilasi jumlahnya cukup besar, yaitu kali jumlah alkohol yang dihasilkan. Mengingat bahan yang terkandung di dalamnya, maka stillage dapat dimanfaatkan sebagai pupuk, makanan ternak dan biogas. Sedangkan gas karbondioksida yang dihasilkan selama proses fermentasi biasanya

22 diserap dan dimurnikan kemudian ditekan menjadi bentuk cair. Minyak fusel yang pada prinsipnya merupakan campuran n-amyl, n-butyl, isobutyl, n-propyl dan isopropyl alkohol juga asam-asam, ester maupul aldehid, dapat digunakan sebagai bahan baku kimia, bahan pelarut dan bahan bakar [41]. Sumber: Gambar 2.2 Proses produksi bioetanol dari bahan berpati. Sumber: Gambar 2.3 Diagram alir proses pembuatan bioetanol dari ubi kayu.

23 2.4 Manfaat Bioetanol Pada dasarnya etanol dapat diperoleh melalui 2 cara. Pertama, etanol yang diperoleh melalui proses fermentasi dengan bantuan mikroorganisme. Kedua, etanol diperoleh dari hasil sintesa etilen. Bioetanol dapat digunakan untuk berbagai keperluan. Bioetanol banyak digunakan dalam industri minuman, kosmetik dan industri farmasi seperti deterjen, desinfektan dan lain-lain. Alkohol dari produk petroleum atau dikenal sebagai alkohol sintetis banyak dipakai untuk bahan baku pada industri acetaldehyde, derivat acetyl dan lain-lain. Selain bioetanol dikenal pula gasohol, yang merupakan campuran bioetanol dengan premium yang digunakan sebagai bahan bakar. Brazil, Amerika Serikat, Argentina, Australia, Kuba, Jepang, Selandia Baru, Afrika Selatan, Swiss dan lain-lain telah mengunakan bahan bakar alternatif ini untuk digunakan pada kendaraan bermotor [14]. Campuran bioetanol dan premium dapat divariasikan kadarnya. Misalnya Gasohol BE-10, yang mengandung 10% bioetanol, sisanya premium. Kualitas etanol yang digunakan tergolong fuel grade etanol yang kadar etanolnya 99%. Etanol mengandung 35% oksigen dapat meningkatkan efisiensi pembakaran dan mengurangi emisi gas rumah kaca. Rendahnya biaya produksi bioetanol karena sumber bahan bakunya merupakan limbah pertanian yang tidak bernilai ekonomis dan berasal dari hasil pertanian budidaya yang dapat diambil dengan mudah. Dilihat dari proses produksinya juga relatif sederhana dan murah [15]. Keuntungan lain dari bioetanol adalah nilai oktannya lebih tinggi dari premium sehingga dapat menggantikan fungsi bahan aditif, seperti Metil Tertiary Butyl Ether (MTBE) dan Tetra Ethyl Lead (TEL). Kedua zat aditif tersebut telah dipilih menggantikan timbal pada premium. Etanol absolut memiliki angka oktan (ON) 117, sedangkan Premium hanya Gasohol BE-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). Hal tersebut terlihat pada Tabel 2.2.