PUSAT PENELITIAN DAN PENGEMBANGAN HASIL HUTAN BADAN PENELITIAN, PENGEMBANGAN DAN INOVASI KEMENTERIAN LINGKUNGAN HIDUP DAN KEHUTANAN SERI PAKET IPTEK TEKNIK PENGOLAHAN BIO-OIL DARI BIOMASSA Santiyo Wibowo, STP, M.Si. Djeni Hendra, M.Si. PUSAT PENELITIAN DAN PENGEMBANGAN HASIL HUTAN BADAN PENELITIAN, PENGEMBANGAN DAN INOVASI KEMENTERIAN LINGKUNGAN HIDUP DAN KEHUTANAN BOGOR, JULI 2015
SERI PAKET IPTEK TEKNIK PENGOLAHAN BIO-OIL DARI BIOMASSA Santiyo Wibowo, STP, M.Si. Djeni Hendra, M.Si. PUSAT PENELITIAN DAN PENGEMBANGAN HASIL HUTAN BADAN PENELITIAN, PENGEMBANGAN DAN INOVASI KEMENTERIAN LINGKUNGAN HIDUP DAN KEHUTANAN BOGOR, JULI 2015
Judul Buku: Seri Paket Iptek Teknik Pengolahan Bio-Oil dari Biomassa Penulis: Santiyo Wibowo, STP, M.Si., Djeni Hendra, M.Si. Desain Sampul dan Penata Isi: Army Trihandi Putra Jumlah Halaman: 13 + 5 halaman romawi Pusat Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan Badan Penelitian, Pengembangan dan Inovasi Kementerian Lingkungan Hidup dan Kehutanan Jl. Gunung Batu No. 5, Bogor Telp/Fax: 0251-8633 378/8633413 E-mail: info@pustekolah.org Website: www.pustekolah.org ISBN: 978-979-313-261-7 Dicetak oleh IPB Press, Bogor - Indonesia Isi di Luar Tanggung Jawab Percetakan 2015, HAK CIPTA DILINDUNGI OLEH UNDANG-UNDANG Dilarang mengutip atau memperbanyak sebagian atau seluruh isi buku tanpa izin tertulis dari penerbit
KATA PENGANTAR Semakin menurun potensi minyak bumi, tetapi konsumsinya terus menerus meningkat sehingga banyak negara di dunia mulai mengembangkan berbagai alternatif bahan bakar nabati (BBN), seperti bioetanol, biodiesel, dan bio-oil. Bio-oil adalah sejenis minyak bakar yang memiliki berat jenis tinggi, tetapi minyak ini dibuat dari bahan nabati, khususnya dari bahan berligno-selulosa, seperti limbah kehutanan dan industri hasil hutan. Pada umumnya, penggunaan bio-oil khususnya di dalam industri digunakan sebagai bahan bakar untuk boiler atau bahan bakar langsung untuk tujuan pengeringan seperti halnya minyak residu. Informasi teknis ini berisi informasi awal teknik pembuatan bio-oil dari biomassa yang di mulai dari persiapan bahan baku sampai pembuatan bio-oil. Kami mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang berkontribusi dalam penyusunan informasi teknis ini. Bogor, Juli 2015 Kepala Pusat, Dr. Ir. Dwi Sudharto, M.Si iii
DAFTAR ISI Kata Pengantar... iii Daftar Isi... iv Daftar Gambar... v I Pendahuluan... 1 II Proses Pembuatan... 3 A. Persiapan Bahan... 5 B. Pembuatan Bio-oil... 6 III Kinerja... 8 IV Rekomendasi...10 Daftar Pustaka...12 iv
DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Diagram alir pembuatan bio-oil... 4 Gambar 2. Penjemuran bahan baku... 5 Gambar 3. Alat pembuat serbuk gergaji... 5 Gambar 4. Alat penyaring serbuk biomassa... 6 Gambar 5. Bio-oil... 6 Gambar 6. Alat free fall reactor... 7 v
BAB I PENDAHULUAN Konsumsi minyak bumi semakin meningkat, tetapi potensinya semakin menurun. Hal ini telah mendorong banyak negara di dunia mulai mengembangkan berbagai alternatif bahan bakar nabati (BBN) salah satunya adalah bio-oil. Bio-oil atau pyrolysis oil adalah sejenis minyak bakar yang memiliki berat jenis tinggi, dibuat dari bahan nabati khususnya dari bahan berlignoselulosa, seperti biomassa limbah kehutanan, industri hasil hutan, dan pertanian. Bio-oil terbuat dari berbagai senyawa oksigenat organik yang berbeda-beda dan tidak bercampur dengan bahan bakar minyak pada umumnya. Hal ini karena tingginya kadar air, yakni sekitar 15 20% yang berfungsi juga sebagai pengikat ratusan molekul yang berbeda sehingga disebut sebagai emulsi mikro. 1
Crude bio-oil dapat digunakan untuk pemanas rumah tangga, bahan bakar untuk boiler, atau bahan bakar langsung untuk tujuan pengeringan seperti halnya minyak residu dan bila dimurnikan atau di upgrading akan menjadi bahan bakar yang lebih murni dan tinggi kalorinya, serta bisa digunakan untuk berbagai kebutuhan dalam industri kimia, seperti halnya petroleum fuel. Bio-oil dapat dimurnikan (refined oil) untuk bahan bakar dan bila diolah lanjut dapat digunakan sebagai bahan kimia (oleo-kimia). Bio-oil dihasilkan melalui proses pirolisis lambat (slow pyrolysis) ataupun pirolisis cepat (fast pyrolysis). Pada pirolisis lambat, produk utama yang dihasilkan adalah arang, selain itu dihasilkan destilat yang mengandung bio-oil. Pirolisis cepat (fast pyrolisis), yaitu biomassa dipanaskan secara cepat (waktu tinggal biomassa di dalam reaktor cepat, yakni sekitar 1 2 detik) pada suhu sekitar 450 600 o C tanpa keberadaan oksigen. Produk utama pirolisis cepat adalah crude bio-oil, arang, dan gas. Beberapa jenis teknologi fast pyrolysis antara lain bubbling fluidized bed, circulating fluidized beds/trasport reactor, rotating cone pyrolyzer, ablative pyrolysis, vacum pyrolysis, auger reactor, dan free fall reactor. 2
BAB II PROSES PEMBUATAN Secara umum bahan baku berlignoselulosa atau biomassa dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan bio-oil. Bahan baku yang digunakan adalah biomassa yang berasal dari kehutanan dan pertanian atau limbah industri kehutanan dan pertanian. Sementara peralatan yang dibutuhkan dalam pembuatan bio-oil adalah alat pembuat serbuk, saringan, alat pirolisis free fall reactor, timbangan, dan peralatan pendukung lainnya. Pembuatan bio-oil dilakukan dengan teknik pirolisis cepat menggunakan free fall reactor. Alat free fall reaktor memanfaatkan gaya gravitasi, yakni bahan akan jatuh dari feeder menuju penampung arang (Gambar 5) sehingga tidak memerlukan atau hanya memerlukan sedikit gas nitrogen sebagai pendorong (bila diperlukan). Berbeda halnya bila menggunakan alat bubling fluidized bed karena bahan baku akan didorong ke atas menuju reaktor panas sehingga memerlukan gas nitrogen dalam jumlah banyak. Bahan baku berupa serbuk dimasukkan dari bagian atas reaktor pada saat suhu perlakuan telah tercapai dan kontak bahan dengan panas hanya berlangsung dalam hitungan detik. Adapun proses pembuatan bio-oil, meliputi persiapan bahan berupa pengecilan ukuran bahan baku (pembuatan serbuk), penyaringan atau pengayakan, pengeringan dan pembuatan bio-oil yaitu pengumpanan bahan ke dalam alat free fall reactor. 3
Gambar 1. Diagram alir pembuatan bio-oil 4
Gambar 2. Penjemuran bahan baku 1. Persiapan Bahan Gambar 3. Alat pembuat serbuk gergaji Bahan baku biomassa yang berukuran besar harus dikecilkan terlebih dahulu menggunakan mesin pembuat chip kayu atau mesin pencacah bila bahan baku berupa rumput-rumputan, seperti rumput gajah atau rumput gelagah. Bahan baku kemudian dikeringkan dengan panas matahari selama 4 5 hari bergantung cuaca atau dapat menggunakan oven dengan suhu 80 o C sampai kering. Selanjutnya, dihancurkan menjadi serbuk dan diseragamkan ukurannya yaitu lolos ayakan 40 tertahan di ayakan 60 mesh (selanjutnya ditulis 40 60 mesh). 5
Paket Seri Iptek Pengolahan Bio-Oil dari Biomassa 2. Pembuatan Bio-oil Pembuatan bio-oil menggunakan alat pirolisis free fall reactor (Gambar 6). Alat dipanaskan sampai suhu mencapai 550 o C, setelah suhu tercapai ditunggu sekitar 30 menit agar panas di dalam reaktor konstan dan merata. Selanjutnya, bahan baku dengan ukuran serbuk 40 60 mesh dimasukkan ke dalam penampung bahan di screw feeder dan wadah bahan ditutup rapat untuk mencegah masuknya udara atau keluarnya asap melalui wadah penampung bahan. Selanjutnya, screw feeder dihidupkan dengan putaran rendah atau perlahan sehingga bahan baku akan terdorong dan jatuh ke dalam reaktor. Reaktor yang sudah panas, seketika akan membakar bahan baku, dan akan menghasilkan asap, arang, dan gas. Kemudian, asap yang dihasilkan dari reaktor akan menuju kondenser (pendingin) dan menghasilkan kondensat/ liquid. Sementara itu, arang yang terbentuk akan masuk dalam penampungan arang di bagian bawah reaktor. Gambar 4. Alat penyaring serbuk biomassa Gambar 5. Bio-oil 6
Paket Seri Iptek Pengolahan Bio-Oil dari Biomassa Gambar 6. Alat free fall reactor 7
BAB III KINERJA Biomassa yang digunakan dalam pembuatan biooil dengan alat free fall reaktor harus melalui proses pengecilan ukuran menjadi serbuk (sekitar 40 60 mesh). Dari penelitian pendahuluan, diketahui bahwa ukuran serbuk yang terlalu besar (20 mesh atau lebih besar lagi) akan menyebabkan bahan baku tidak terbakar sempurna dengan panas reaktor pada saat bahan dimasukkan (warna arang yang dihasilkan tidak seluruhnya berwarna hitam). Hal ini karena waktu kontak bahan dengan panas sangat cepat hanya berlangsung sekitar 2 4 detik, yaitu saat bahan memasuki reaktor sampai tiba di wadah penampung arang. Sementara pada ukuran yang lebih halus (80 mesh atau lebih halus) akan menyebabkan terjadi sumbatan di screw feeder atau menempel pada dinding reaktor bagian atas. 8
Paket Seri Iptek Pengolahan Bio-Oil dari Biomassa Kinerja pembuatan bio-oil menggunakan teknik free faal reactor sebagai berikut. 1. Pembuatan bio-oil tahun 2013 menggunakan limbah biomassa industri hasil hutan berupa serbuk gergajian kayu mahoni, kulit kayu mahoni, dan sludge kertas pada suhu reaksi 550 o C. Diperoleh rendemen kondensat bio-oil masing-masing 25%, 16,1%, dan 7,33%, rendemen arang sebanyak 32,67%, 34%, dan 50%; kadar ph 2,98; 3,19; dan 3,31; bobot jenis 1,092; 1,088; dan 1,089; nilai kalor hanya serbuk kayu mahoni yang terdekteksi yaitu 9,28 MJ/ kg, daya nyala serbuk kayu mahoni termasuk katagori sedang (menyala setelah 3 5 detik). Sementara kulit kayu mahoni dan sludge kertas mempunyai daya nyala lambat (menyala setelah >6 detik). Bio-oil yang dihasilkan didominasi oleh asamasam, terutama asam asetat dan fenol, serta terdapat beberapa komponen zat yang mudah terbakar yaitu aseton, benzene, dan furfuril alkohol. 2. Pembuatan bio-oil tahun 2014 menggunakan biomassa rumput gelagah (Saccharum spontaneum). Pada bahan baku dengan ukuran lolos ayakan 40 60 mesh pada suhu 550 o C, dihasilkan rendemen kondensat bio-oil 30,88%, ph 2,62, bobot jenis 1,1108 g/cm 3, nilai kalor 25,29 MJ/kg, serta daya nyala di atas 6 detik (lambat). Biooil yang dihasilkan didominasi oleh asam-asam, terutama asam asetat dan fenol, serta terdapat beberapa komponen zat yang mudah terbakar yaitu aseton, benzene, dan toluen. 9
BAB IV REKOMENDASI Pembuatan bio-oil dari biomassa yang dilakukan dengan teknik pirolisis free fall pyrolysis akan diperoleh rendemen liquid berkisar antara 10 40% bergantung bahan baku yang digunakan. Proses yang direkomendasikan adalah bahan baku sebaiknya mempunyai ukuran seragam 40 60 mesh dengan suhu 550 o C. Liquid atau cairan hasil pirolisis merupakan gabungan antara produk cair (terdiri atas asam pyrolignic atau cuka kayu) dan fase minyak (tar kayu atau pyrolitic oil). Untuk dapat menggunakan cairan pirolisis secara langsung (dibakar langsung), harus dipisahkan antara cuka kayu dan fase minyaknya. Meskipun sudah dipisahkan dengan cuka kayu, bio-oil masih mengandung air sekitar 15 20% yang berikatan dengan senyawa kimia lainnya. 10
Paket Seri Iptek Pengolahan Bio-Oil dari Biomassa Hal inilah yang menyebabkan daya nyala (kemampuan terbakar) bio-oil termasuk katagori lambat terbakar jika dibandingkan dengan bahan bakar bensin. Untuk dapat memperbaiki daya nyala bio-oil, dapat dilakukan dengan mencampurkan bahan aditif polar seperti etanol. Setelah bio-oil dipisahkan dengan bagian airnya (cuka kayu), lalu dicampurkan etanol 96% antara 20 50%. Adanya penambahan polar aditif seperti etanol tersebut dapat menurunkan kekentalan dan mempebaiki atomisasi yang lemah, serta meningkatkan nilai kalor yang rendah dari bio-oil. Meskipun demikian, produk crude bio-oil penggunaannya masih terbatas pada penggunaan untuk bahan bakar combuster untuk pemanas dan belum dapat digunakan secara langsung sebagai bahan bakar mesin kinerja tinggi karena nilai asamnya cukup tinggi yaitu ph berkisar antara 2 3. Untuk meningkatkan mutunya (upgrading), bio-oil harus melalui proses cracking. Proses cracking diperlukan untuk pemecahan senyawa organik rantai panjang menjadi dua atau lebih senyawa organik rantai lebih pendek. Hasil samping pengolahan biooil dari biomassa adalah arang dengan rendemen berkisar antara 20 40% yang dapat dimanfaatkan sebagai energi alternatif arang briket dan pelet, serta arang aktif yang berpotensi meningkatkan nilai tambah. 11
DAFTAR PUSTAKA Brown RC, J Holmgren. (2012). Fast Pyrolisis and bio-oil upgrading. http://www.ascension-publishing.com/biz/hd50.pdf. Diakses 27 Februari 2012. Wibowo S, Hendra D. (2013). Teknologi pengolahan bahan bakar nabati berbasis selulosa dan hemiselulosa (bio-oil). Laporan Hasil Penelitian. Pustekolah. Bogor. (Tidak diterbitkan). Wibowo S, Hendra D. (2013). Teknologi pengolahan bahan bakar nabati berbasis selulosa dan hemiselulosa (bio-oil). Laporan Hasil Penelitian. Pustekolah. Bogor. (Tidak diterbitkan). 12