Ali Altway 2 , and Susianto 3

## PEMODELAN DAN SIMULASI DISTILASI BATCH BROTH
FERMENTASI PADA TRAY COLUMN DENGAN SERABUT WOOL
Ratih Permatasari 1 , Ali Atlway 2 , and Susianto 3
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh November Sukolilo, Surabaya 60111Indonesia E-mail: ratihpermatasarie@gmail.com

## Abstrak
Keter s ediaan energi sangat penting peranannya bagi kelanjutan kehidupan suatu negara. Pemanfatan energi terbarukan masih relatif kecil. Beberapa hal yang menghambat pengembangan energi  terbarukan. Dan salah satu energi  terbarukan adalah  bahan bakar nabati. Bahan bakar nabati seperti bioetanol  merupakan hasil fermentasi. Untuk memperoleh bioetanol dari fermentasi biasanya menggunakan distilasi batch multikomponen. Distilasi batch multikomponen  adalah  proses  pemisahan  zat  tertentu  berdasarkan  titik  didihnya.  Untuk  menunjang  hal  tersebut, maka  dilakukan  penelitian  permodelan  distilasi  batch  multikomponen  ethanol  dari  broth  fermentasi.  Kemudian validasi  dari  model  matematika  yang  dibuat  dengan  hasil  penelitian  distilasi  yang  telah  dilakukan.  Penyelesaian numerik  digunakan  adalah  ODE  45  pada  MATLAB  yang  menggunakan  metode  Runge-Kutta.Dengan  variasi penggunaan  reflux  ratio,  dapat  mempengaruhi  konsentrasi  pada  distillat  setiap  waktu.  Sehingga,  dapat  diketahui waktu yang optimal untuk memperoleh etanol dengan kadar yang diinginkan dalam distilasi batch multikomponen. Hasil  sementara  antara  simulasi  dan  eksperiment  mempunyai  kesalahan  sebesar  10%.  Dari  hasil  distilat etanol,amly alkohol dan aseton dengan  waktu 10,20,30,40,50 dan 60 menit sebesar (90%,89%,88%,86%,84% dan 80% untuk hasil distilat etanol), (0,001, 0,0012, 0,0014, 0,0015, 0,0010 dan 0,0005 untuk hasil amly alkohol) dan (0,001, 0,0007, 0,0005, 0,00051, 0,00051 dan 0,00051 untuk hasil aseton).
Kata Kunci : etanol, destilasi batch multikomponen, broth fermentasi

## Abstract
Energy resource is really important for a country. Fossil energy resource still used as main resource energy but the availability of fossil energy resource is dwindling. Renewable energy is a solution as alternative energy but utilization of renewable energy still little. And one of renewable energy is biofuel. Biofuel made of bioethanol from fermentation.  To  recover  bioethanol  from  broth  fermentation,  usually  using  multicomponent  batch  distillation. Multicomponent  batch  distillation  is  refining  process  based  on  the  volatility.  To  support  this,  the  research  about modelling of multicomponent batch distillation of ethanol from broth fermentation. Then validating the result data of  modelling  with  experimental  data.  Numerical  solution  used  is  ODE  45  on  MATLAB  which  based  Runge-Kutta method.Variation  of  reflux  ratio  can  be  done  to  study  the  effect  of  concentration  in  distillate  every  time.  So,  the optimum  time  can  be  known  to  obtain  desired  concentration  of  ethanol  in  distillate.Preliminary  results  of  the simulation  experiment  has  an  error  of  10%.  For  preliminary  distilat  etanol,  amly  alcohol  and  aceton  vs  time 10,20,30,40,50  and  60  minute  for  ((82,28%,92,37%,91,12%,93,25%,93,10%  dan  92,99%  distilat  etanol),  0,001, 0,0012,  0,0014,  0,0015,  0,0010  dan  0,0005  amly  alkohol)  dan  (0,001,  0,0007,  0,0005,  0,00051,  0,00051  dan 0,00051 aceton)
Keyword : ethanol, multicomponent batch distillation, broth fermentation

## PENDAHULUAN
Proses  fermentasi  bahan  yang  mengandung  gula untuk  menghasilkan  etanol  banyak  diaplikasikan  dalam industri.  Produk  yang  dihasilkan  dapat  diklasifikasikan menjadi  dua  yaitu  sebagai  minuman  beralkohol  seperti anggur (wine) dengan konsentrasi etanol relative rendah (sekitar  7,0-8,5  persen  berat)  atau  sebagai  bahan  bakar dengan  konsentrasi  etanol  setidaknya  92,5-93,8  persen berat  atau  food  grade  ethanol  yang  selain  kandungan ethanol  nya  relative  tinggi  juga  tidak  mengandung impurities  seperti  minyak  fusel,  asam  cuka,  acetalde- hyde,  dan  lain-lain  yang  merupakan  produk  samping fermentasi.  Untuk  menghasilkan  produk    dengan konsentrasi  etanol  yang  cukup  tinggi  ini  perlu  proses pemisahan. Umumnya proses pemisahan yang digunakan adalah proses distilasi.
Distilasi paling umum digunakan  untuk pemisahan campuran  cairan  homogen.  Pemisahan  dilaksanakan dengan  memanfaatkan  perbedaan  titik  didih  atau volatilitas antara komponen-komponen dalam campuran dengan  mendidihkan  atau  menguapkan  lebih  banyak komponen  yang  lebih  volatil(Smith  &  Jobson,  2000). Ketika campuran cairan dari dua komponen dipanaskan, maka  uap  yang  keluar  akan  mengandung  komponen lebih  volatil  yang  lebih  besar dibanding cairan didalam ketel.  Sebaliknya,  ketika  uap  didinginkan,  bahan  yang mempunyai  titik  didih  lebih  tinggi  mempunyai kecendrungan  lebih  mudah  mengembun  dari  pada komponen dengan titik didih lebih rendah.
Proses  distilasi  dapat  dibagi  menjadi  dua  jenis yaitu:  distilasi batch dan  distilasi kontinyu .  Distilasi batch ini  banyak  digunakan  di  bidang  seperti,  farmasi, minyak  esensial  dan  beberapa  produk  minyak  bumi. Pada  kolom  distilasi  batch,  umpan  mula-mula dituangkan  kedalam  ketel  dan  tak  ada  lagi  bahan  yang ditambahkan  sampai  berakhirnya  proses.  Perbedaan pokok dari kedua proses distilasi ini adalah bahan untuk distilasi  kontinu,  umpan  di  alirkan  masuk  ke  dalam kolom  secara  terus-menerus  dan  sehingga  membuat proses  dalam  kondisi  steady  state.  Untuk  proses  batch, komponen  dengan  titik  didih  lebih  tinggi  makin  lama makin meningkat.
Keuntungan  proses  batch  dibanding  kontinyu, proses  batch  lebih  flexible  daripada  proses  kontinu. Proses  batch  lebih  disukai  daripada  proses  kontinu  bila konsentrasi  umpan  berubah-ubah.  Pada  proses  batch, pemisahan  campuran  yang  terdiri  dari  n  komponen dapat dilaksanakan pada satu kolom dengan mengguna- kan banyak tangki-tangki produk, sedang untuk distilasi kontinyu  diperlukan  (n-1)  kolom.  Disamping  keuntu- ngan,  ada  kekurangan  dari  distilasi  batch  yaitu perubahan  yang  terus  menerus  dari  bahan  umpan  dan
dinamika  kolom  yang  kompleks.  Sangat  sulit  untuk menentukan  perubahan  komposisi  dengan  waktu diseluruh bagian dari kolom distilasi batch pada refluks rasio  optimum  dengan  cara  eksperimen  karena kerumitan  dinamika  kolom  (Kreul  dkk,  1999).  Oleh karena  itu  diperlukan  pembuatan  model  matematik untuk  memprediksi  kinerja  dinamik  kolom  distilasi batch untuk sistim multi komponen.
Permodelan distilasi multikomponen dengan sistem batch meliputi  pembentukan  neraca  massa, neraca  energy,  neraca  momentum,  pemakaian  korelasi hubungan  kesetimbangan,  dan  korelasi  perpindahan panas  dan  massa  yang  umumnya  menghasilkan  sistim persamaan diferensial parsial atau persamaan diferensial biasa  dan  sistim  persamaan  aljabar.  Sistem  ini  sangat kompleks  sehingga  diperlukan  asumsi-asumsi  untuk penyederhanaan  nya.  Ditinjau  dari  kerumitan  dan keakuratan model, model matematik ini diklasifikasikan menjadi tiga yaitu model regorous, model semi regorous dan  model  short  cut.  Model  short  adalah  yang  paling sederhana,  sedang  model  regorous  adalah  yang  paling rumit.  Oleh  karena  itu  penentuan  asumsi-asumsi  yang resonable  diperlukan  untuk  mendapatkan  model  yang cukup  akurat  namun  tidak  terlalu  rumit  sehingga memerlukan waktu komputasi yang tak terlalu lama, Untuk  packed  column  terdapat  dua  tipe  packing yang  digunakan  yaitu  random  packing  dan  structured packing.  Untuk  random  packing,  bahan  packing dimasukkan kedaam kolom secara acak dengan dituang begitu saja. Contoh dari random packing adalah Raschig ring, Berl saddles dan Pall ring. Sedang untuk structured packing,  bahan  packing  disusun  secara  teratur  didalam kolom.  Contoh  structured  packing  adalah  Sulzer  dan Flexipac.  Penelitian  akhir-akhir  ini  diarahkan  untuk merekayasa  suatu  structured  packing  yang  memenuhi kriteria  pressure  drop  yang  kecil  namun  efisiensi perpindahan  massa  yang  tinggi  ( Mc  Keiguedan Natarajan, 1997; Schultes, 1999; Pagade, 2002; Irwin dkk ,2002; Hayashida dkk ,2002).

## METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  secara  teoritis  dan eksperiment.  Penelitian  secara  teoritis  dilaksanakan dengan  mengembangkan  model  matematik  proses distilasi batch multi  komponen  dari  bahan  baku (fermentasi  molases)  pada sieve  tray modifikasi  yang diisi  dengan packing .  Sistem  yang  dipelajari  adalah sieve  tray dengan  spesifikasi  kolom  distilasi  dengan diameter kolom 5,87 cm, tinggi kolom 2,5 m, dan jenis packing adalah steel wool .
Langkah-langkah  penelitian  dapat  dilihat  pada Gambar 1 dibawah ini:
Ali Altway 2 , and Susianto 3
Gambar1 Langkah-langkah pembuatan model matematik untuk proses distilasi batch multikomponen dari bahan baku (fermentasi molases) dalam sieve tray

## Sistem yang Ditinjau
Sistem yang ditinjau adalah sistem distilasi multikomponen batch ditunjukan seperti Gambar 2 sebagai berikut :
i=NT+1 i=NT i=3 i=2 L1 Rebolier Q1 Vapor Boilup, V2 Reflux-Drum i=NT+2 Condenser VNT+2 Product-cut Tank
Gambar 2 Sistem distilasi batch multikomponen dari bahan baku (fermentasi molases) dalam tray column
Bahan yang digunakan :
1. Etanol (6%)
2. Amly Alkohol
3. Aseton.
4. Glycerine
5. Asam Asetat
6. Air
Variabel tetap pada penelitian ini adalah  :
1. Tekanan 760 mmHg (atmosferik)
2. Penambahan  packing  pada  tray  ke-1  sampai tray ke-16
3. Reflux rasio 3,5
4. Tinggi Packing 3 cm, 5 cm dan tanpa packing.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian  ini  dilakukan  menggunakan  data  dari study  case yang  berasal  dari  jurnal  dan  eksperimen. Data ini digunakan untuk mendapatkan hasil dan model matematis  yang  sesuai  dengan  keadaan  yang  ada. Pemodelan dan simulasi yang dilakukan pada penelitian ini  bertujuan  untuk  melakukan  eksperimen  distilasi batch pada tray  column yang  diisi packing steel  wool untuk  memisahkan  ethanol  dari broth ferementasi  dan mengkaji  secara  teoritis  dengan  cara  simulasi  untuk mengkaji  pengaruh  berbagai  variabel  proses  seperti refluks  ratio,  lama  distilasi,  porositas  packing  terhadap komposisi  dan  yield  produk.  Penelitian  ini  dilakukan dengan  menggunakan  sebuah random  packing berupa
steel  wool . Steel  wool digunakan  karena  memiliki performa  terbaik  jika  dibandingkan  dengan  packing lainnya  pada  diameter  yang  kecil  (2-4  in),  tetapi  pada diameter  besar  penggunaan steel wool kurang disarankan karena steel wool dapat terbawa liquid sebab steel wool hanya bekerja maksimal jika disusun merata.
Variabel yang digunakan pada penelitian ini antara lain  komponen-  komponen  yang  digunakan  untuk  feed ethanol  6  (w/w%),  aseton  0,00015,  asam  asetat 0,000236,  glycerine  0,0007,  amly  alkohol  0,00015 (w/w%), dan water 93,876 (w/w%),  Pada penelitian ini menggunakan packed serabut  besi  dengan  variable tinggi    3  cm  dan  5  cm  dengan void  fraction 0,94  dan luas  alas  20,5  cm 2 .  Temperatur  yang  digunakan  76,50 o C.  Semua  data  hasil  simulasi  divalidasi  berdasarkan data  operasi  riil  yang  diperoleh  dari  literatur  dan eksperiment.
Perbandingan  Hasil  Konsentasi  Vs  Time  (h) Simulasi  Dengan  Literatur  (Ethanol,  Amly  Alkohol, daN Aseton)
Gambar 3. Komposisi Ethanol (Distilat) Vs Time (h)
Dari hasil dari Gambar 3. menunjukkan bahwa konsentrasi etanol bahwa konsentrasi etanol adalah antara 70 sampai 90%(w/w) dalam10 menit dan 20 menit pertama distilasi. Setelah waktu ini, ada penurunan tajam dalam konsentrasi etanol, mencapai nilai mendekati 65% (w/w) pada suhu 60 menit.
Gambar 4 Komposisi Amly Alkohol (Distilat) Vs Time (h) 0 50 100 0 20 40 60 80 E than ol ( w /w) Time (min) Ethanol (w/w) Vs Time (min) Ethanol (w/w%) Ethanol (w/w%) Jurnal -1 0 1 2 0 20 40 60 80 am ly al k oh ol (% ) Time (h) Amly Alkohol (%) Vs Time (h) Amly Alkohol Amly  Alkohol (Jurnal)
Ali Altway 2 , and Susianto 3
Gambar 5. Komposisi Acetone (Distilat) Vs Time (h)
Pada kondisi tempertur yang tetap, kenaikan waktu (time) berpengaruh terhadap kadar (mg/L) amly alkohol dan  aseton  yang  dihasilkan.  Semakin  lama  waktu keadaan  distilat  maka  kadar  untuk  amly  alkohol  makin meningkat  pada  waktu  40  menit,  namun  pada  suhu  50 menit ke atas kadar amly alkohol menurun karena untuk amly alkohol tidak tahan terhadap suhu tinggi (berada di distilat) sedangkan untuk  aceton pada  Gambar 5  aseton (di  dalam  distilat)  bertahan  pada  waktu  10  menit menghasilkan  (10,8  mg/L)  tapi  pada  waktu  diatas  20 menit  konsentrasi  aseton  menunjukkan  menurun  atau hampir  sama  dengan  waktu  20–60  menit  sebesar  7 (mg/L).  Sedangkan  Gambar  5  untuk  kadar  acetone menunjukkan  suhu  semakin  lama  maka  kadar  aseton  8 (mg/L).Sedangkan  untuk  komponen  glycerine  adalah komponen  yang  paling  banyak  (paling  bawah)  sangat bertahan di dalam distilat karena komponen ini memiliki titik  tinggi  dan  konsentrasi  di  dalam  flask  (bejana) distilasi yang sama.

## KESIMPULAN
Telah  dikembangkan  program  simulasi  untuk Pemodelan  dan  Simulasi  Proses  Distilasi  Batch  Broth Fermentasi  pada  Tray  Column  Dengan  Serabut  Baja ( Steel  Wool )  Rigourus Model. Hasil    prediksi  simulasi cukup  dekat  dengan  data  literatur  eksperiment  dengan kesalahan  rata-rata  10%.  Pada  hasil  perhitungan simulasi ( rigourus model ) dengan hasil yang didapatkan dari    literatur  tidak  ada  perbedaan  yang  cukup  jauh untuk  hasil  konsentrasi  ethanol,  acetone,  dan  asam asetat.

## DAFTAR PUSTAKA
Alkaya, D., “ Determination of A Suitable Measurement Structure  for  Better  Control  of  Distillation Columns ”,  M.  Sc.  Thesis,  Middle  East  Technical University, Ankara (1990).
Chen, G. X., Afacan,  A., Xu, C., Chuang,  K. T., 1990,
Performance  of  Combined  Mesh  Packing  and Sieve Tray in Distillation , The Canadian Journal of Chemical Engineering, 68: 382-385.
Hayashida , S., Kihara, H., Kawakami H.,2002. “ Vapor- Liquid  Contactor,  Cryogenic  Air  Separation  Unit and  Method  of  Gas  Separation ”,  Nippon  Sanso Corporation, US 2002/0157537.
Irwin,  N.C.,  Krisnamurphy,  R.,  McKeigue,  K.,  2002.
“ Structured Packing ”. US 2002/014130.
Jimenez,  L.,  Basualdo,  M.S.,  Gomez,  J.C.,  Toselli,  L.,
Rosa,  M.,  “ Nonlinear  Dynamic  Modeling  of Multicomponent Batch Distillation: A Case Study ”, Brazilian  Journal  of  Chemical  Engineering, Volume  19,No.  03,  pp.  307  –  317,  July  – September (2002).
Kreul,  L.  U.,  Górak,  A.,  Barton,  P.I.,“Dynamic  Rate  –
Based Model for Multicomponent Batch Distillation”,  AIChE  Journal,  Volume  45,  No.9, pp. 1953 – 1962, September (1999).
Macias  –  Salinas,  R.  and  Fair,  J.  R., “ Axial  Mixing  in Modern Packings, Gas, and Liquid Phases: II. Two Phase  Flow”,  AIChE  Journal,  Volume  46,  No.1, pg. 79- 91 (2000).
0 2 4 6 8 10 12 0 20 40 60 80 A se ton ( m g/L ) Time (h) Aseton (mg/L) Vs Time (h) Acetone Acetone (Jurnal)
Mario E.T. Alvarez., John H. Bermudez., Elenise B. de Moraes.,  Anderson  J.  Bonon.,  Maria  R.  Wolf-
Maciel.,“Heat Transfer Evalution of Multicomponent  Batch  Distillation  of  the  Wine Sugarcane  Fermentation”  AIDIC Journal, Volume 32, (2013). Mori, H., Ito, C., Oda, A. and Aragaki, T., “Total Reflux Simulation  of  Packed  Column  Distillation” , Journal  of  Chemical  Engineering  of  Japan, Volume 32, No. 1, pp. 69 – 75 (1999).
Yuwono,  K  (2013),  “Karakteristik    Performa  Packing
Serabut  untuk  Proses  Distilasi,  Surabaya  :Teknik Kimia ITS.