BIOETANOL GENERASI KEDUA, oleh Dr. Megawati, S.T., M.T. Hak Cipta 2015 pada penulis GRAHA ILMU Ruko Jambusari 7A Yogyakarta 55283 Telp: 0274-889398; Fax: 0274-889057; E-mail: info@grahailmu.co.id Hak Cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memper banyak atau memindahkan sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apa pun, secara elektronis maupun mekanis, termasuk memfotokopi, merekam, atau dengan teknik perekaman lainnya, tanpa izin tertulis dari penerbit. ISBN: 978-602-262-440-0 Cetakan Pertama, tahun 2015 Semua informasi tentang buku ini, silahkan scan QR Code di cover belakang buku ini
BAB... KATA PENGANTAR Guru Besar Teknik Kimia, Universitas Gadjah Mada Prof. Wahyudi Budi Sediawan, SU., Ph.D. P ertama-tama saya mengucapkan selamat kepada Dr. Megawati, S.T., M.T., yang telah berhasil menyelesaikan buku tentang Bioetanol Generasi Kedua. Tentunya keberhasilan ini didahului oleh dedikasi dan kerja keras di antara berbagai kegiatan rutinnya sebagai dosen. Dengan melihat realitas relatif sedikitnya buku yang dihasilkan para dosen di Indonesia, keberhasilan ini tentunya merupakan prestasi yang pantas diapresiasi. Saya percaya buku ini bermanfaat bagi para pembaca, bagi para dosen yang mengajar topik terkait dan bagi siapa saja yang membacanya. Buku ini dapat dikatakan bersifat undivided, dalam arti membahas permasalahan bioetanol generasi kedua dari hulu penelitian sampai ke hilir, yaitu dari aspek latar belakang permasalahan energi di Indonesia, potensi bioetanol, studi pustaka, penelitian laboratorium yang dilakukan penyusun, pengolahan data laboratorium berbasis teori dasar kinetika dan transfer massa, perancangan pabrik skala besar berbasis penelitian laboratorium yang dilakukan, serta analisis kelayakan ekonomi pabrik tersebut. Ini adalah salah satu contoh analisis yang bisa mengantarkan hasil penelitian laboratorium ke aplikasinya pada skala industri. Aspek ilmiah juga tersaji melalui analisis kinetika reaksi dan transfer massa yang cukup mendalam. Para pembaca dari berbagai bidang keminatan bisa mendapatkan kemanfaatan dengan membaca secara spesifik bagian-bagian tertentu dari buku ini, antara lain: 1. Pembaca yang berminat pada permasalahan makro akan mendapat manfaat dengan membaca bahasan tentang latar belakang problematika energi di Indonesia. 2. Pembaca yang tertarik pada potensi pemanfaatan sumber daya alam Indonesia, kelestarian lingkungan dan permasalahan perubahan iklim akan mendapat manfaat dengan membaca analisis tentang pemanfaatan limbah lignoselulosa menjadi bioetanol. 3. Pembaca yang tertarik pada studi teoretis fundamental tentu akan berminat pada analisis kinetika reaksi dan transfer massa yang disajikan.
vi Bioetanol Generasi Kedua 4. Pembaca yang tertarik pada kalkulasi numerik akan bisa melihat dan mengkritisi metode kalkulasi yang dipakai. 5. Pembaca yang menekuni metodologi penelitian akan bisa tertarik pada pola studi yang dipakai untuk usaha mengorelasikan penelitian laboratorium dengan perancangan pabrik skala komersial. 6. Pembaca dengan kompetensi perancangan pabrik kimia diharapkan bisa mendapat manfaat dari hasil generalisasi data percobaan laboratorium dalam bentuk sejumlah persamaan matematis fundamental yang dihasilkan, yang bisa dimanfaatkan untuk perancangan alat-alat industri kimia. 7. Pembaca yang tertarik pada engineering and construction akan bisa melihat potensi pemanfaatan hasil process engineering yang dihasilkan untuk konstruksi pabrik skala industri. 8. Pembaca yang berminat pada aspek ekonomi akan mendapat informasi tentang aspek ekonomis pemanfaatan limbah lignoselulosa menjadi bioetanol. Sebagai lazimnya sebuah buku, penyempurnaan terus menerus buku ini akan selalu terbuka. Semoga pada edisi-edisi berikutnya, buku ini bisa disempurnakan dan diperkaya dengan materimateri yang bermanfaat. Kepada penyusun, saya juga mengharapkan produktivitas ilmiah penyusun termasuk dalam penulisan buku bisa dipertahankan dan bahkan ditingkatkan.
BAB... KATA PENGANTAR PENULIS B uku ini berjudul Bioetanol Generasi Kedua, disusun untuk menyediakan bacaan akademik yang berbahasa Indonesia, yang mengupas tentang pembuatan bioetanol generasi kedua. Buku ini juga dapat digunakan sebagai pegangan untuk mata kuliah teknologi pengolahan sumber alam terbarukan, teknik reaksi kimia, mata kuliah pilihan biomassa dan bioenergi dan tugas perancangan pabrik kimia. Materi yang disajikan dalam buku ini terdiri atas pengertian bioetanol generasi kedua hingga perhitungan analisis ekonomi untuk biaya pendirian pabriknya. Pokok-pokok bahasan yang akan dipelajari meliputi latar belakang pentingnya kehadiran bioetanol generasi kedua, jenis-jenis biomassa yang prospek sebagai bahan baku, jenis-jenis proses pembuatan, perpindahan massa dan kinetika reaksi pada tahapan hidrolisis dan perhitungan analisis ekonomi untuk biaya produksinya. Mengingat luasnya cakupan materi dalam buku ini, penyusun juga merancang soal-soal setiap bab, yang meliputi pentingnya pokok-pokok pikiran tentang bioetanol generasi kedua. Hal ini dapat dipakai untuk mengevaluasi tingkat pemahaman tentang peranan biomassa lignoselulosa dan prospeknya untuk dijadikan etanol. Selain itu, soal-soal juga disajikan tentang beberapa studi kasus yang sering terjadi guna menyiapkan pembaca menyelesaikan penelitian untuk skripsi dan tugas akhir perancangan. Soal-soal yang disusun merupakan permasalahan yang sebaiknya diselesaikan secara mandiri atau secara kelompok. Harapannya, semua latihan soal akan bermanfaat dalam mengevaluasi tingkat pemahaman dan menambah wawasan pembaca tentang bioetanol generasi kedua. Semua pokok bahasan yang disajikan pada buku ini didukung oleh hasil-hasil penelitian yang pernah dilakukan (Hibah Dosen Pemula, Penelitian Dasar (Fundamental), Penelitian untuk Disertasi, serta Hibah Kompetensi dan Publikasi Internasional), data nyata pada kondisi masyarakat sekitar dan terbitan berkala ilmiah terbaru tentang bioetanol generasi kedua. Buku ini belum sepenuhnya menjawab seluruh permasalahan yang berkaitan dengan bioetanol generasi kedua, terutama tentang proses percabangannya menjadi senyawa-senyawa kimia lain sebagai produk
viii Bioetanol Generasi Kedua yang bermanfaat, sehingga dapat dikembangkan untuk bio-refinery. Jika proses pengolahan semua biomassa, tidak hanya yang berbasis lignoselulosa, sudah dapat ditangani dengan baik seperti petro-refinery, maka industri bioetanol dengan konsep bio-refinery ini akan menjawab semua permasalahan yang berkaitan dengan keterbatasan bahan tak terbarukan dan akan dapat menciptakan teknologi konversi bahan terbarukan tidak hanya menjadi etanol, tetapi produk-produk lain yang kaya manfaat dan berdaya guna tinggi. Beberapa produk kimia hasil bio-refinery memiliki potensi tinggi untuk kehidupan manusia, di antaranya dapat digunakan sebagai kosmetik, senyawa penetral, bioplastik, pelarut dan herbisida. Tidak inginkah kita ikut berpartisipasi untuk menemukan salah satu dari teknologi ini? Juga, pemanfaatan atau penggunaan kembali limbah yang dihasilkan pada setiap tahapan tidak dibahas di dalam buku ini. Sementara itu, tidak semua perancangan bioetanol generasi kedua juga dibahas dalam buku ini. Perancangan hanya dikerjakan untuk proses pembuatan bioetanol generasi kedua dengan cara kimiawi. Namun, buku ini sangat dapat membantu pembaca mendapatkan informasi penting yang berkaitan dengan produksi etanol sebagai bahan bakar cair dari biomassa berbasis lignoselulosa. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Prof. Ir. Suminar Setiati Achmadi, M.Sc., Ph.D., Guru Besar Institut Pertanian Bogor atas dukungan penuh dan bimbingan yang sangat berharga; Bapak Prof. Ir. Wahyudi Budi Sediawan, SU., Ph.D., Guru Besar Universitas Gadjah Mada atas prakata yang sangat memotivasi untuk terus berkarya; Bapak Ir. Hary Sulistyo, SU., Ph.D. dan Muslikhin Hidayat, S.T., M.T., Ph.D., dosen senior Universitas Gadjah Mada, yang sudah membimbing mengerjakan Penelitian untuk Disertasi dan menulis karya ilmiah internasional; Astrilia Damayanti, ST., M.T. dan Dr. Dewi Selvia Fardhyanti, S.T., M.T. sebagai teman seperjuangan dalam mengerjakan Hibah Penelitian Fundamental dan Kompetensi; Chrismastanto sebagai teman seperjuangan dalam hidup yang selalu memberi teladan untuk kerja keras dan meningkatan kualitas diri dalam segala hal dan semua pihak, di antaranya Yaniz, Tyas, Vani, serta Christoph dan Ian yang telah membantu menyunting dengan penuh kesabaran. Semoga bermanfaat. Semarang, Januari 2015 Megawati
BAB... DAFTAR ISI KATA PENGANTAR GURU BESAR TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS GADJAH MADA KATA PENGANTAR PENULIS DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL PENDAHULUAN BAB I APAKAH BIOETANOL GENERASI KEDUA? 1 1.1 Bioetanol Generasi Kedua 1 1.2 Krisis Energi Fosil 3 1.3 Gas Berbahaya CO2 di Atmosfer 7 1.4 Limbah Lignoselulosa yang Menumpuk 12 1.5 Etanol Sebagai Bahan Bakar Cair 25 1.6 Penaksiran Siklus Hidup (PSH) untuk Penggunaan Biomassa Lignoselulosa 29 Sebagai Bahan Baku Pembuatan Bioetanol Generasi Kedua BAB II PROSES PEMBUATAN BIOETANOL GENERASI KEDUA 37 2.1 Persiapan Bahan Baku 38 2.2 Depolimerisasi Selulosa dan Hemiselulosa Menjadi Gula 51 2.3 Fermentasi Gula Hidrolisat 72 2.4 Proses Pembuatan Bioetanol Generasi Kedua 76 BAB III PEMODELAN MATEMATIS UNTUK KINETIKA HIDROLISIS LIGNOSELULOSA 87 DENGAN ASAM SULFAT ENCER 3.1 Model Homogen Semu dengan Mengabaikan Degradasi Gula (Model 1) 88 3.2 Model Homogen Semu dengan Anggapan Adanya Degradasi Gula (Model 2) 100 v vii ix xi xv xix
x Bioetanol Generasi Kedua 3.3 Model Heterogen dengan Mengabaikan Degradasi Gula (Model 3) 111 3.4 Model Heterogen dengan Anggapan Adanya Degradasi Gula (Model 4) 124 BAB IV PERHITUNGAN ANALISIS EKONOMI INDUSTRI BIOETANOL GENERASI KEDUA 143 4.1 Uraian Proses Pembuatan Bioetanol Generasi Kedua dengan Tahapan 144 Dehidrasi Menggunakan Distilasi Penjerap Molekul (Tipe 1) 4.2 Perhitungan Evaluasi Ekonomi untuk Pembuatan Bioetanol Generasi Kedua 149 dengan Tahapan Dehidrasi Menggunakan Distilasi Penjerap Molekul (Tipe 1) 4.3 Uraian Proses Pembuatan Bioetanol Generasi Kedua dengan Tahap 155 Dehidrasi Menggunakan Distilasi Ekstraktif (Tipe 2) 4.4 Perhitungan Evaluasi Ekonomi untuk Pembuatan Bioetanol Generasi Kedua 159 dengan Dehidrasi Menggunakan Distilasi Ekstraktif DAFTAR PUSTAKA 165 GLOSARIUM 175 INDEKS 187 -oo0oo-