Lampiran 1 (Neraca Massa)

121

LAMPIRAN IPERHITUNGAN NERACA MASSA

Kapasitas Produksi: 90.000 Ton/TahunWaktu Operasi: 300 Hari/TahunBasis: 1 Jam OperasiBahan Baku: Jerami PadiProduk: Bioetanol

Kapasitas Produksi Bioetanol Per JamKapasitas = 12.500 kg/jamKemurnian Bioetanol= 95%(data didapat dari situs teknologietanol.blogspot.com/2008_04_01_archive.html)Maka,Bioetanol= 95% x 12.500 kg= 11.875 kgH2O= 5% x 12.500 kg= 625 kg

Komposisi Lignoselulosa Dalam Biomassa Jerami PadiKomposisiPersentase

Selulosa42%

Hemiselulosa25%

Lignin28%

Air5%

Reaksi yang Terjadi Pada Hidrolisis(C12H20O10)n + nH2O n(C12H22O11)

C12H22O11 + H2O 2 C6H12O6

C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2

1. OZONIZING TANK (OT-01)Fungsi: Untuk memutuskan ikatan senyawa pembentuk material lignoselulosa dalam biomassa jerami padi.

Gambar :

Keterangan :Aliran (1) = Aliran fresh jerami padiAliran (2) = Aliran ozon yang diinputAliran (3) = Aliarn ozon yang menguap ke atmosferAliran (4) = Aliran feed menuju Washing Tank (WT-01)

Kondisi Operasi :Temperatur (T)= 29 CTekanan (P)= 1 atm

Biomassa Lignoselulosa input 11.875 kg terdiri dari :Selulosa = 42% x 11.875 kg = 4.987,5 kgHemiselulosa= 25% x 11.875 kg = 2.968,75 kgLignin= 28% x 11.875 kg= 3.325 kgAir = 5% x 11.875 kg= 593,75 kg

Degradasi lignin oleh ozon :BM lignin (C9H12)= 120 gr/molC + 2/3 O3 CO2

2 H + 1/3 O3 H2O

Reaksi :

Stoikiometri :C+2/3 O3CO29 69(dalam mol)108288396(dalam gr)

2H+1/3O3H2O12 2 6(dalam mol)2496108(dalam gr)

Total ozon dari reaksi diatas= 288 gr + 96 gr= 384 grOzon yang digunakan=1% x 384 gr= 3,84 gr O3

% Ozon untuk mendegradasi lignin dari 11.875 kg biomassa := = 106,4 kg= 1,064 %

Jadi, ozon yang digunakan untuk mendegradasi lignin yaitu sebanyak 1 % dari 11.875 kg biomassa := 1% x 11.875 kg=118,75 kg

Kandungan udara = (100/2) x 118,75 kg= 5.937,5 kg udara

Komposisi udara Nilai komposisi udara

N279% x (5.937,5 118,75) = 4.596,8125 kg

O221% x (5.937,5 118,75) = 1.221,9375 kg

NERACA MASSA OZONIZING TANK (OT-01)KomponenMasuk (kg)Keluar (kg)

Aliran (1)Aliran (2)Aliran (3)Aliran (4)

Selulosa4.987,5--4.987,5

Hemiselulosa2.968,75--2.968,75

Lignin3.325--3.325

Air593,75--593,75

Ozon-118,75118,75-

N2-4.596,81254.596,8125-

O21.221,93751.221,9375-

TOTAL11.8755.937,55.937,511.875

TOTAL KESELURUHAN17.812,517.812,5

2.WASHING TANK (WT-01)Fungsi : Untuk menurunkan atau menghilangkan kandungan lignin pada material biomassa.

Gambar :

Keterangan :Aliran (4) = Aliran feed menuju Washing Tank (WT-01)Aliran (5) = Aliran air yang ditambahkanAliran (6) = Aliran air dan lignin yang terbuangAliran (7) = Aliran feed menuju Solid Tank (ST-01)


Air yang ditambahkan sebesar 15% (dari patent) dari fresh feed, maka jumlah air yang dibutuhkan adalah sebesar := 15% x 11.875 kg= 1.781,25 kg

NERACA MASSA WASHING TANK (WT-01)KomponenMasuk (Kg)Keluar (Kg)


Selulosa4.987,5--4.987,5


Lignin3.325-3.325-

Air593,751.781,252.375-

TOTAL11.8751.781,255.7007.956,25


3.SOLID TANK (ST-01)Fungsi: Untuk mengatur pH pada material biomassa lignosellulosa.

Gambar:

Keterangan :Aliran (7) = Aliran feed menuju Solid Tank (ST-01)Aliran (8) = Aliran kapur yang ditambahkanAliran (9) = Aliran asam sulfat yang ditambahkan Aliran (10) = Aliran pati ke Liquefication and Presaccharification Tank (LPT-01)


Kapur yang ditambahkan = 3% dari fresh feed (dari patent)Maka jumlah kapur yang ditambahkan= 3% x 11.875 kg = 356,25 kg

Asam sulfat yang ditambahkan= 3% dari fresh feed (dari patent)Maka jumlah asam sulfat yang ditambahkan = 3% x 11.875 kg = 356,25 kg

NERACA MASSA SOLID TANK (ST-01)KomponenMasuk (Kg)Keluar (Kg)


Selulosa4.987,5--4.987,5


Kapur-356,25-356,25

Asam sulfat--356,25356,25

TOTAL7.956,25356,25356,258.668,75


4.LIQUEFICATION AND PRESACCHARIFICATION TANK (LPT-01)Fungsi : Untuk merombak pati menjadi sukrosa dengan menambahkan enzim -amilase.

Gambar :

Keterangan :Aliran (10) = Aliran pati ke Liquefication and Presaccharification Tank (LPT-01)Aliran (11) = Aliran enzim -amilase yang ditambahkanAliran (12) = Aliran air yang ditambahkanAliran (13) = Aliran slurry menuju Saccharification Tank (SR-01)Kondisi Operasi :Temperatur (T)= 180 C,Tekanan (P)= 16,4 atmKonversi= 75% (dari patent)% Enzim= 20% dari berat pati (dari patent)

Massa pati masuk = 8.668,75 kgInert = 11.875 kg 8.668,75 kg= 3.206,25 kgMol pati= 53,5108 x 1/n kmolJumlah enzim= 20% x 8.668,75 kg= 1.733,75 kgReaksi yang terjadi : 2(C6H10O5)n +nH2O

n(C12H22O11)

M : 53,5108 x 1/n 26,7554 -B : 40,1331 x 1/n 20,066520,0665S : 13,3777 x 1/n 6,6888 20,0665

Massa air yang dibutuhkan= 20,0665 kmol x 18 kg/kmol= 481,5972 kgAir sisa reaksi= 6,6888 kmol x 18 kg/kmol= 120,3993 kgMassa sukrosa terbentuk= 20,0665 kmol x 342 kg/kmol= 6.862,7604 kgMassa pati sisa= 13,3777 kmol x 162 kg/kmol= 2.167,1875 kg

Penambahan air sesuai kelarutan sukrosa terhadap air, yaitu sebesar 108/100 kg sukrosa/kg air sama dengan 1.08 kg sukrosa/kg air. (Tabel 2-2 Physical Properties of Organic Compounds, Perry's Chemical Engineering's Handbook)Air pelarutan = 6.862,7604 kg / 1,08= 6.354,4078 kgTotal air yang diperlukan= 481,5972 kg + 6.354,4078 kg= 6.836,0050 kg

NERACA MASSA LIQUEFICATION AND PRESACCHARIFICATION TANK (LPT-01)KomponenMasuk (Kg)Keluar (Kg)


Pati8.668,75--2.167,1875

Inert3.206,25--3.206,25

Air--6.836,00506.474,8071

-Amilase-1.733,75-1.733,75

Sukrosa---6.862,7604

TOTAL11.8751.733,756.836,005020.444,7550


5.SACCHARIFICATION TANK (SR-01)Fungsi : Untuk merombak sukrosa menjadi glukosa dengan menggunakan enzim glukoamilase.

Gambar :

Keterangan :Aliran (13) = Aliran slurry menuju Saccharification Tank (SR-01)Aliran (14) = Aliran enzim glukoamilase yang ditambahkanAliran (15) = Aliran air yang ditambahkanAliran (16) = Aliran feed menuju Fermentor (FR-01)

Kondisi Operasi :Temperatur(T)= 180 CTekanan (P)= 16,4 atmKonversi= 75% (dari patent)% Enzim= 20% dari berat pati (dari patent)

Massa sukrosa= 6.862,7604 kgMol sukrosa= 20,0665 kmolJumlah enzim= 20% x 6.862,7604 kg = 1.372,5521 kgReaksi yang terjadi :C12H22O11+H2O

2(C6H12O6)

M : 20,066520,0665-B : 15,049915,0499 30,0998S : 5,0166 5,0166 30,0998

Massa air yang dibutuhkan= 20,0665 kmol x 18 kg/kmol= 361,1979 kgAir sisa reaksi= 5,0166 kmol x 18 kg/kmol= 90,2994 kgMassa glukosa terbentuk = 30,0998 kmol x 180kg/kmol= 5.417,9687 kgMassa sukrosa sisa= 5,0166 kmol x 342 kg/kmol= 1.715,6901 kg

Penambahan air yang sesuai dengan glukosa terhadap air adalah 0,82 kg glukosa/kg air. (Tabel 2-2 Physical Properties of Organic Compounds, Perry's Chemical Engineering's Handbook)Air yang dibutuhkan= 5.417,9687 kg / 0.82 = 6.607,2789 kgTotal air yang diperlukan= 361,1979 kg + 6.607,2789 kg = 6.968,4768 kg

NERACA MASSA SACCHARIFICATION TANK (SR-01)KomponenMasuk (Kg)Keluar (Kg)


Pati2.167,1875--2.281,25

Inert3.206,25--493,6697

Air6.474,8071-493,66976.697,5784

-Amilase1.733,75--1.733,75

Sukrosa6.862,7604--1.715,6901

Gluko Amilase-1.372,5521-1.372,5521

Glukosa---5.417,9687

TOTAL20.444,75501.372,5521493,669722.310,9768


6.INTERMEDIATE TANK (IT01)Fungsi: Untuk menampung produk dari Saccharification Tank (SR-01) sebelum masuk ke Fermentor (FR-01).

Gambar :

Keterangan :Aliran (16) = Aliran feed menuju Intermediate Tank (IT-01)Aliran(17) = Aliran feed menuju Fermentor (FR-01)

Reaksi pada Fermentor berlangsung selama 72 jam, sedangkan reaksi pada Saccharification Tank hanya berlangsung 24 jam. Dengan demikian, produk dari Saccharification Tank perlu ditampung di Intermediate Tank sebelum ke Fermentor. Fermentor juga disusun paralel sebanyak 3 buah agar dapat berproses secara bergantian. Maka, Intermediate Tank (IT-01) didesain untuk menampung sebanyak 72 kali.

NERACA MASSA INTERMEDIATE TANK (IT-01)KomponenMasuk (Kg)Keluar (Kg)

Aliran (16)Aliran (17)

Pati156.037,5156.037,5

Inert230.850230.850

Air482.225,6479482.225,6479

-Amilase124.830124.830

Sukrosa123.529,6875123.529,6875

Gluko Amilase98.823,7598.823,75

Glukosa390.093,75390.093,75

TOTAL1.606.390,3351.606.390,335

7.FERMENTOR (FR-01)Fungsi : Sebagai tempat terjadinya fermentasi (mengkonversi glukosa menjadi Bioetanol dan CO2) dengan bantuan ragi Saccharomices Cerevisiae.

Gambar :

Keterangan :Aliran (17) = Aliran feed menuju Fermentor (FR-01)Aliran(18) = Aliran ragi saccharomices cerevisiae yang ditambahkanAliran (19) = Aliran air yang ditambahkanAliran (20) = Aliran CO2 yang keluarAliran (21) = Aliran feed menuju Filter Press (FP-01)

Kondisi Operasi :Temperatur(T)= 40 CTekanan (P) = 1 atmKonversi= 75%% Ragi= 12,5% ragi/kg bahan baku

Massa glukosa = 390.093,75 kgMol glukosa = 390.093,75 kg / 180 kg/kmol= 2.167,1875 kmolJumlah ragi = 12.5% x 390.093,75 kg= 48.800 kg

Reaksi yang terjadi :C6H12O6

2(C2H5OH)+2 CO2

M : 2.167,1875 - -B : 1.625,3906 3.250,78123.250,7812S : 541,7968 3.250,78123.250,7812

Massa glukosa sisa= 541,7968 kmol x 180 kg/kmol = 97.523,4375 kgMassa Bioetanol terbentuk= 3.250,7812 kmol x 46 kg/kmol = 149.535,938 kgMassa CO2 terbentuk= 3.250,7812 kmol x 44 kg/kmol = 143.034,375 kg

Dari Bioetanol yang didapat, maka dapat dihitung kemurniannya dengan membandingkan dalam larutan Bioetanol-air :Kemurnian Bioetanol= 95,7131 %

Kemurnian Bioetanol dijaga 10% berat agar ragi dapat bekerja optimal. Untuk mencapai kemurnian 8% berat, maka ditambahkan air sebanyak :% Berat= Massa air= 1.345.823,44 kgAir yang ditambahkan= 1.345.823,44 kg 6.697,5784 kg = 1.339.125,86 kg

NERACA MASSA FERMENTOR (FR-01)KomponenMasuk (Kg)Keluar (Kg)

Aliran (17)Aliran (18)Aliran (19)Aliran (20)Aliran (21)

Pati156.037,5---156.037,5

Inert230.850---230.850

Air482.225,6479-1.339.125,86-1.821.351,507

-amilase124.830---124.830

Glukoamilase98.823,75---98.823,75

Sukrosa123.529,6875---123.529,6875

Glukosa390.093,75---97.523,4375

Ragi-48.800--48.800

Bioetanol----149.535,938

Karbondioksida---143.034,375-

TOTAL1.606.390,33548.8001.339.125,86143.034,3752.850.000

TOTAL KESELURUHAN2.990.0002.990.000

8.FILTER PRESS (FP01)Fungsi: Untuk memisahkan stillage dari larutan Bioetanol-air.

Gambar :

Keterangan :Aliran (21) = Aliran feed menuju Filter Press (FP-01)Aliran (22) = Aliran stillage keluarAliran (23) = Aliran feed menuju Kolom Destilasi (KD-01)

Kondisi Operasi : Temperatur (T)= 40 CTekanan (P)= 1 atm

Aliran (21) merupakan aliran dari Fermentor yang dialirkan ke Filter Press secara beresinambungan per jam. Hal ini karena adanya Intermediate Tank dan rangkaian 3 buah Fermentor secara paralel. Aliran (21) keluar dari Fermentor perjam, masing-masing 24 jam. Maka, aliran keluar Fermentor atau masuk Filter Press dibagi 24.

Aliran yang keluar adalah stillage yaitu berupa pati, inert, ragi, glukosa, dan sukrosa. (Kirk-othmer, 1967). Air yang keluar sebanyak 2% dari cake yang terbentuk (kelembaban cake dari filter press = 2% berat). (Perry's Chemical Engineering's Handbook, hal 18 - 76).

NERACA MASSA FILTER PRESS (FP01)KomponenMasuk (Kg)Keluar (Kg)

Aliran (21)Aliran (22)Aliran (23)

Pati6.501,56256.501,5625-

Inert9.618,759.618,75-

Air75.889,646174.371,85321.517,7929

-Amilase5.201,255.201,25-

Gluko Amilase4.117,65624.117,6562-

Sukrosa5.147,07035.147,0703-

Glukosa4.0604.060-

Ragi2.0302.030-

Bioetanol6.230,6640-6.230,6640

TOTAL119.000111.0007.748,4569

TOTAL KESELURUHAN119.000119.000

9.KOLOM DESTILASI-01 (KD-01)Fungsi : Untuk memisahkan air dari campuran Bioetanol-air.

Gambar:

Keterangan :Aliran (23) = Aliran feed menuju Kolom Destilasi (KD-01)Aliran (25) = Aliran jumlah residuAliran (29) = Aliran jumlah destilat

Kondisi operasi : Kondisi Feed : Bubble PointKondisi Bottom: Bubble PointKondisi Top: Dew Point

Menentukan kondisi operasi feed, top dan bottom : Kondisi FeedKomposisi umpan masuk Kolom Destilasi (KD-01)KomponenMassa (Kg)KmolXf (berat)%wt

Bioetanol6.230,6640135,44920,6280,41

Air1.517,792984,32180,3819,59

Total7.748,45695.775,011100

PerPersamaan Antoine :

Dimana :Temperatur (T) = KTekanan (P) = mmHg Data Konstanta Antoine :KomposisiABC

Bioetanol18,91193.803,98-41,68

Air18,30363.816,44-46,13

Dengan Trial dan Error, didapat kondisi operasi umpan masuk Kolom Destilasi (KD-01) :Temperatur (T)= 81 C= 354 KTekanan (P)= 0,6 atm = 456,0012 mmHgKomponenPiKiXi.Ki

Bioetanol838,94771,83981,1339

Air367,72260,80640,3094

Total1.206,67032,64621, 4433

Diketahui :XF= 0,62XD= 0,95XB= 0,01Maka,F= B + D7.748,4569= B + DB= 7.748,4569 D

F (XF)= B (XB) + D (XD)7.748,4569 (0,620)= 0,01 B + 0,95 D4.775,5264= 0,01 (7.748,4569 D) + 0,95 D4.775,5264= 77,4845 0,01 D + 0,95 D4.698,0418= 0,94 DD = 4.997,9168 kgB= 2.750,5402 kg

Kondisi TopKomposisi Top Kolom Destilasi (KD-01) :

KomponenMassa (Kg)KmolXf

Bioetanol4.748,0210103,21780,95

Air249,895813,88310,05

Total4.997,9168117,10091

Dengan Trial dan Error, didapat kondisi operasi top Kolom Destilasi (KD-01) :Temperatur (T)= 80 C= 353 KTekanan (P)= 1 atm = 760,002 mmHgKomponenPiKiXi/Ki

Bioetanol12,65450,00024.564,3676

Air4,73640,0001641,8386

Total17,39090,00035.206,2062

Kondisi BottomKomposisi Bottom Kolom Destilasi (KD-01) :KomponenMassa (Kg)KmolXf (berat)

Bioetanol27,50540,59790,01

Air2.723,0347151,27970,99

Total2.750,5401151,87761

Dengan Trial dan Error, didapat kondisi operasi bottom Kolom Destilasi (KD-01) :Temperatur (T)= 102 C= 375 KTekanan (P)= 1 atm = 760,002 mmHgKomponenPiKiXi.Ki

Bioetanol1.807,14492,37780,0237

Air811,50701,06771,0571

Total2.618,65193,44551,0808

NERACA MASSA KOLOM DESTILASI (KD-01)

KomponenMasukKomponenKeluar

(Kg)(Kg)

Bioetanol6.230,6640DestilatBioetanol4.748,0210

Air249,8958

Air1.517,7929ResiduBioetanol27,5054

Air2.723,0347

TOTAL7.748,4569TOTAL7.748,4569

10.CONDENSER (CD-01)Fungsi : Untuk mengkondensasi produk atas Kolom Destilasi (KD-01).

Gambar :

Keterangan :Aliran (27) = V : Aliran uap Kolom Destilasi (KD-01)Aliran (28) = L : Aliran refluks Kolom Destilasi (KD-01)Aliran (29) = D : Aliran destilat Kolom Destilasi (KD -01)

Kondisi Operasi :Temperatur (T)= 80 C= 353 KTekanan (P) = 1atm= 760,002 mmHg

Dari Kurva Kesetimbangan antara Bioetanol-air, dengan XF = 0,62 dan XD = 0,95 didapat : ...(dari grafik)Rm + 1= 2,0652Rm= 1,0652R= 1,4913

Neraca Bahan Enriching SectionV = L+ D (Eq.18.17 Mc Cabe)Dengan :R= L/D= 1,4913V= (R+1) x D= 12.451,332 kgL= R x D= 7.453,4151 kg

Komposisi umpan masuk Condenser (CD-01)KomponenXi(berat)KgKmol

Bioetanol0,9511828,7654257,1470

Air0,05622,566634,5870

Total112451,332291,7340

Komposisi keluar Condenser (CD-01)KomponenXi(berat)KgKmol

Bioetanol0,954748,0210103,2178

Air0,05249,895813,8831

Total14997,9168117,1009

Komposisi refluksKomponenXi(berat)KgKmol

Bietanol0,957080,7444153,9292

Air0,05372,670720,7039

Total17453,4151174,6331

NERACA MASSA CONDENSER (CD-01)KomponenMasuk (Kg)Keluar (Kg)

DestilatRefluks

Bioetanol11.828,76544.748,02107.080,7444

Air622,5666249,8958372,6707

TOTAL12.451,33204.997,91687.453,4151


11.ACCUMULATOR-01 (ACC-01)Fungsi : Untuk menampung hasil kondensasi dari Condenser (CD-01).

Gambar :

Keterangan :Aliran (27) = Aliran liquid dari Condenser (CD-01)Aliran (28) = Aliran refluks ke Kolom Destilasi (KD-01)Aliran (29) = Aliran destilat ke Kolom Destilasi (KD-01)

NERACA MASSA ACCUMULATOR (ACC-01)KomponenMasuk (Kg)Keluar (Kg)


Bioetanol11.828,76544.748,02107.080,7444

Air622,5666249,8958372,6707

TOTAL12.451,33204.997,91687.453,4151


12.REBOILER-01 (RB-01)Fungsi: Menguapkan sebagian produk bottom Kolom Destilasi (KD-01).

Gambar :

Keterangan : Aliran (24) = L* : Aliran feed Reboiler-01 (RB-01)Aliran (25) = B* : Aliran bottom produk Kolom Destilasi-01 (KD-01)Aliran (26) = V* : Aliran vapor Reboiler-01 (RB-01) (refluks reboiler)

Kondisi Operasi :Temperatur (T)= 102 C= 375 KTekanan (P) = 1 atm= 760,002 mmHg q = L* - L/(F)dimana : q = 1Maka,L* = (q x F) + L= 15.201,8721 kgV* = V + (q - 1) F= 12.451,3320 kgB* = L* - V*= 2.750,5401 kg

FeedXiKgKmol

Bioetanol0,01152,01873,3047

Air0,9915.049,8534836,1029

Total115.201,8721839,4076

Boil-upXiKgKmol

Bioetanol0,01124,51332,7068

Air0,9912.326,8187684,8232

Total112.451,332687,5300

ProdukXiKgKmol

Bioetanol0,0127,50540,5979

Air0,992.723,0347151,2797

Total12.750,5401151,8776

NERACA MASSA REBOILER (RB-01)KomponenMasuk (Kg)Keluar (Kg)


Bioetanol152,0187124,513327,5054

Air15.049,853412.326,81872.723,0347

TOTAL15.201,872112.451,3322.750,5401


97

text

Text

Text

text

Text

Text

text

Text

Text

text

Text

Text

Documents

Lampiran 1 (Neraca Massa)