Pembuatan Spiritus dari Fermentasi Tetes Tebu

INDUSTRI SPIRITUS DARI FERMENTASI TETES TEBU

A.                 TUJUAN

Mengetahui proses pembuatan spiritus dari hasil samping produksi gula

B.                  BATASAN MASALAH

      Pembahasan dalam makalah ini dikhususkan pada pembuatan spiritus dengan bahan baku tetes tebu yang merupakan produk samping dari pembuatan gula dengan cara fermentasi.

C.                  PEMBAHASAN

Menurut Ralph J. Fessender dan Joan s. Fessenden (1997), alkohol merupakan senyawa yang mempunyai rumus alkohol R-OH, dimana R(C_nH_2n+1) adalah gugus alkil atau alkil tersubstitusi. Gugus ini dapat merupakan rantai terbuka maupun rantai tertutup dan dapat mempunyai ikatan rangkap atau mengikat gugus aromatik.

            Istilah alkohol biasanya digunakan untuk menyebut etanol (C2H5OH), yang berupa cairqan jernih tidak berwarna, mudah menguap dan uapnya mudah membius dan berbau tajam. Alkohol banyak digunakan dalam industri sebagai pelarut, di dalam industri asetaldehid, farmasi, kedokteran, dll.

Alkohol juga dikenal dengan nama etil alkohol yang mengandung 96% C₂H₅OH dan 4% H₂O, sedangkan alkohol dalam perdagangan terbagi dalam tiga macam yaitu  alkohol prima dengan konsentrasi 95 – 96%, alkohol teknis dengan konsentrasi 94 – 95%, dan alkohol premium dengan kadar 96%. Alkohol prima dan premium dianggap murni karena jumlah impuritas (zat-zat pengotor) yang terkandung di dalamnya relatif kecil. Impuritas yang ada biasanya berupa minyak fusel, methanol, aldehid, asam asetat, dan zat-zat pereduksi lain.

Alkohol teknis mempunyai impuritas (zat-zat pengotor) yang relatif lebih banyak. Alkohol teknis ini dimanfaatkan sebagai bahan pembuatan spiritus dengan penambahan bahan-bahan lain dan penambahan zat pewarna yaitu methanol, minyak tanah, dan pewarna metylen blue. Spiritus adalah alkohol yang mempunyai konsentrasi 94 – 95% yang digunakan sebagai pelarut dan bahan bakar (fuel oil) pengganti bahan bakar minyak yang tidak menimbulkan jelaga. Metanol merupakan alkohol yang tidak berwarna, larut dalam air, dan bersifat racun. Metanol sering dipakai sebagai bahan bakar, anti pembekuan, dan pelarut. Spiritus biasanya berwarna biru atau ungu karena ditambah dengan metylen blue atau metylen violet. Selain itu, spiritus juga akan mengalami penambahan zat beracun seperti tembaga sulfat agar tidak salah digunakan sebagai minuman keras. Limbah tetes tebu dari pabrik gula dapat diolah menjadi spiritus. Spiritus banyak digunakan untuk bahan bakar. Proses pembuatan spiritus merupakan proses alkohol terdenaturasi yaitu etanol yang diberi tambahan zat beracun supaya alkoholnya tidak diminum.

Menurut Samuel Cate Prescott Sc. D (1990), sampai saat ini bahan baku yang banyak digunakan untuk produksi alkohol adalah tetes (molase). Tetes dianggap sebagai bahan baku yang relatif murah dan berkualitas baik. Tetes (molase) merupakan sirup gula yang tidak mengkristal setelah melalui proses kristalisasi. Meskipun terdapat bahan baku lain, namun umumnya pabrik pembuat alkohol lebih senang menggunakan tetes, hal ini dikarenakan:

1.      Molase lebih murah dan mudah didapat

2.      Prosesnya lebih sederhana

3.      Kandungan sukrosa tinggi

4.      Selain gula, tetes juga mengandung nitrogen, phosphor, belerang, mineral, dan vitamin yang dibutuhkan oleh yeast.

5.      Pada umumnya bahan baku yang akan dipakai dalam pembuatan alcohol berupa tetes (molase) yang mengandung beberapa komponen. Komponen-komponen yang terkandung didalam tetes dapat dilihat pada tabel berikut:

Tabel komposisi tetes (molase)

No	Komponen	Kisaran	Rata-rata
1	Air (persen)	17 -25	20
2	Senyawa organik (persen) Sukrosa Glukosa Fruktosa Gula reduksi lain Protein kasar Asam amino	30 – 40 4 – 9 5 – 12 1 – 5 2,5 – 4,5 0,3 – 0,5	35 7 9 3 4 0,4
3	Senyawa anorganik (persen) K2O CuO MgO Na2O Fe2O3 SO3 Cl P2O5 SiO2 tak larut		4,80 1,20 0,98 0,10 0,12 1,90 1,80 0,60 0,60
4	Wax, phospolipid, dan sterol (persen)		0,40
5	Vitamin Biotin (H) Cholin (B4) Folic acid (B complex) Niacin (B complex) Riboplavin (B2) Panthotenic acid (B complex) Pyridoxine (B6) Thiamine (B1)		2 880 0,35 23 40 2,50 4 0,80

Tetes (molase) bersifat asam dan mempunyai pH 5,5 – 6,5 yang disebabkan oleh adanya asam-asam organik bebas. Selain itu dibutuhkan komponen-komponen pembantu lainnya yang berfungsi nutrient untuk proses pertumbuhan yeast.

Bahan yang mengandung sakarosa atau sukrosa yairu, gula tebu, gula bit, air sari buah, dan tetes (black strap molases). Sakarosa (merupakan disakarida) akan mengalami hidrolisa dengan bantuan katalis enzim sakarase (invertase) atau oleh oengaruh asam mineral encer (misalnya asam sulfat atau asam klorida encer) menjadi glukosa dan fluktosa dengan bantuan enzim zymase menjadi alkohol dan CO₂.

Reaksi:

C₁₂H₂₂O₁₁  +  H₂          ^H2SO4     _------>     C₆H₁₂O₆   +  C₆H₁₂O₆

Sakarosa                                             glukosa       fluktosa

C₆H₁₂O₆              ^zymase        ----->   2C₁₂H₅OH   +    2CO₂

Monosakarida                                      ethanol

           

Molase sebelum diproses lebih lanjut, perlu adanya pengolahan pendahuluan. Proses pengolahan ini dimaksudkan untuk mendapatkan kondisi bahan baku (molase) yang optimum untuk pertumbuhan yeast dalam proses fermentasi. Yang harus diatur dalam pengolahan pendahuluan ini adalah:

1.      pH

Pengaturan pH dilakukan dengan cara penambahan asam sulfat (H₂SO₄). pH awal sekitar 5,5 – 6,5 akan turun menjadi 4,5 – 5 . Asam sulfat yang digunakan adalah asam sulfat dengan kadar 98% volume dengan kondisi pekat yang memungkinkan yeast dapat tumbuh secara optimum. Penambahan asam sulfat berfungsi untuk pengatur pH agar sesuai dengan pertumbuhan yeast Hal ini ditujukan agar yeast Saccharomyces cereviceae dapat tumbuh secara optimum dan mencegah terjadinya kontaminasi bakteri lain di udara.. Selain itu asam sulfat juga berfungsi sebagai katalisator untuk reaksi hidrolissa sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa, dan sebagai pencegah kontaminasi bakteri lain di udara.

2.      Konsentrasi gula

Tetes tebu (molase) yang didapat dari hasil samping pabrik gula biasanya masih terlalu pekat 85°- 90° brix, oleh karena itu perlu diencerkan terlebih dahulu untuk mendapatkan kadar gula yang optimum untuk pertumbuhan yeast (14°brix untuk pembibitan dan 18° brix untuk fermentasi). Jika konsentrasi gula terlalu tinggi akan menghambat aktifitas yeast. Selain itu juga akan mengakibatkan waktu fermentasi lebih lama dan sebagian gula tidak terkonversi sehingga proses fermentasi menjadi tidak ekonomis.

BAHAN-BAHAN YANG DIGUNAKAN

1.      Bahan baku

Tetes dianggap sebagai bahan baku yang relatif murah dan berkualitas baik. Tetes (molase) merupakan sirup gula yang tidak mengkristal setelah melalui proses kristalisasi. Atau dengan kata lain tetes merupakan hasil lain dari industri gula yang masih mengandung sukrosa.

2.      Bahan pembantu

a.       Urea (46%N)

Berfungsi untuk nutrient/makanan bagi ragi, karena urea mengandung N, S, dan P yang baik untuk pertumbuhan yeast/ragi.

Menurut Perry (1984), urea mempunyai sifat fisis sebagai berikut:

§  Warna                                : putih

§  Bentuk                              : Kristal/prisma

§  Rumus molekul                 : CO(NH2)2

§  Berat molekul                    : 60,06 gr/mol

§  Spesifik gravity                 : 1,335

§  Melting point (titi lebur)   :132,07° C

§  Boiling point (titik didih)  : decomposes

§  Kadar nitrogen (formula)  : 46,76%

§  Spesifik panas                   : 0,320 cal/gr°C (20°C)

§  Kelarutan dalam air           : 78 gr/100ml pada 5°C

Menurut George T. Austin (1996), urea dalam air akan terhidrolisis menjadi ammonium karbanat yang kemudian penguraiannya menjadi ammonium dan karbondioksida.

Dalam proses fermentasi, urea diperlukan sebagai sumber nitrogen untuk pertumbuhan dan mempertinggi aktifitas yeast. Dimana unsur nitrogen yang diperlukan berasal dari penguraian ammonium karbanat menjadi ammonium yang akan diambil nitrogennya saja. Sedang unsur lain akan keluar bersama sisa metabolise.

b.      NPK (N 15%, P 15%, dan K 15%)

Ditambahkan sebagai sumber nitrogen, phosphor, dan kalium yang mempunyai konsentrasi masing-masing ssebesar 15% sehingga akan mempertinggi aktifitas dan pertumbuhan yeast

c.       Asam sulfat (H₂SO₄)

Menurut Perry (1984), asam sulfat mempunyai sifat fisis sebagai berikut:

§   Warna                                         : putih

§   Bentuk                                       : cairan

§   Rumus molekul                          : H₂SO₄

§   Berat molekul                             : 98,08 gr/mol

§   Berat jenis                                  : 1,8305 gr/ml

§   Spesifik gravity                          : 1,834

§   Melting point (titi lebur)            :10,49° C

§   Boiling point (titik didih)           : 340° C

§   Kadar nitrogen (formula)           : 46,76%

§   Kelarutan dalam air                    : tak terhingga

Menurut vogel (1984), asam sulfat mempunyai sifat sebagai berikut:

§   Merupakan asam kuat dan bersifat hidrogkopis

§   Bereaksi dengan barium dan perak membentuk endapan putih

Asam sulfat yang digunakan adalah asam sulfat dengan kadar 98% volume dengan kondisi pekat yang memungkinkan yeast dapat tumbuh secara optimum. Penambahan asam sulfat berfungsi untuk pengatur pH agar sesuai dengan pertumbuhan yeast. Selain itu asam sulfat juga berfungsi sebagai katalisator untuk reaksi hidrolissa sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa, dan sebagai pencegah kontaminasi bakteri lain di udara.

d.      Superflok

Superflok yang digunakan adalah C₆H₅NH₂.HCl. Superflok ini berbentuk bubuk putih yang berfungsi untuk mengendapan kotoran pada tangki peragian, agar tidak menimbulkan kerak pada kolom distilasi.

e.       TRO (Turkey Red Oil)

               Penambahan TRO atau minyak jarak ini untuk mengurangi timbulnya buih yang terjadi selama proses fermentasi.

3.    Yeast (ragi)

                                    Khamir atau ragi adalah mikroorganisme bersel tunggal, tidak berklorofil, termasuk golongan Eumycetes dan dipasok sumber C, N, dan nutrient untuk pertumbuhannya. Khamir berukuran antara 5-20 mikron, dan berkembang biak dengan cara pembelahan atau fusi.

            Yeast yang dapat digunakan untuk proses fermentasi harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut:

1.                   Cepat beradaptasi dngan lingkungan

            2.                   Sifatnya stabil

            3.                   Mampu berkembang biak dengan cepat

Pada proses pembuatan alkohol di PS Madukismo menggunakan proses fermentasi mikrobiologis untuk menghasilkan enzim. Enzim yang digunakan sebagai biokatalisator yang berfungsi untuk mempercepat reaksi kimia. Mikroba yang digunakan sebagai stater adalah Saccharomyces cereviceae. Pemilihan Saccharomyces cereviceae dikarenakan:

1.                  Daya fermentasiya tinggi

2.                  Selektifitas yang tinggi dalam menghasilkan produk

3.                  Kemampuannya dalam menguraikan berbagai jenis gula seperti maltose, glukosa, sukrosa, fruktosa, dan galaktosa.

4.                  Tahan terhadap kadar etanol yang tinggi yaitu antara 9 – 10 % volume

5.                  Tahan terhadap kadar glukosa yang tinggi 14 – 25° brix

6.                  pH optimum pertumbuhan yang rendah antara 4,5 – 5

7.                  Suhu optimum pertumbuhan yang relative tinggi antara 25 – 30° C

8.                  Akumulasi produk samping yang rendah

PROSES PEMBUATAN

1.      Tahap Awal

·                Air sebagai pengencer molase agar di dapatkan kondisi proses yang optimal. Karena kadar gula yang terlalu tinggi (>35%) akan menghambat pertumbuhan yeast, sedangkan untuk kadar gula rendah (<35%) mengakibatkan hasil yang diperoleh terlalu sedikit.

·                NPK (pupuk) sebagai sumber nitrogen, phosphor, dan kalium untuk mempertinggi aktivitas dan pertumbuhan yeast.

·                Urea (CO(NH₂)₂) dalam proses fermentasi diperlukan sebagai sumber nitrogen untuk pertumbuhan dan mempertinggi aktivitas yeast. Unsur hasil penguraian ammonium karbonat menjadi ammonium dan nitrogen. Dalam proses ini yang diperlukan hanya N-nya saja, sedangkan unsure yang lain akan dikeluarkan bersama sisa metabolisme.

·                Asam sulfat (H₂SO₄) penambahannya berfungsi untuk pengatur pH agar sesuai dengan pertumbuhan yeast. Selain itu asam sulfat juga berfungsi sebagai katalisator untuk reaksi hidrolisa sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa, dan sebagai pencegah kontaminasi bakteri lain di udara.

2.      Tahap pembibitan

          Pembibitan dalam laboratorium bertujuan untuk memperbanyak yeast. Pembibitan dilakukan dengan menambahkan yeast ke dalam  campuran bahan-bahan seperti pada tahap pertama.  Hasilnya kemudian disterilkan dalam Autoclave selama 3 jam sampai mendidih dan dibiarkan dalam suhu kamar. Proses berlangsung secara aerob.

3.      Tahap Pre-fermentasi

Adalah tahap untuk persiapan fermentasi dimana yeast hasil pembibitan dicampurkan dengan bahan campuran tahap awal. Hasil proses pencampuran ini di diamkan selama 16 jam pada suhu 30°C, sambil dialiri udara selama 6 jam pertama untuk memecah sel yeast. Suhu pada tangki dijaga 30^oC dengan cara dialiri air pendingin.

4.      Tahap fermentasi

            Fermentasi adalah proses produksi energi dalam sel dalam keadaan anaerobik (tanpa oksigen). Secara umum, fermentasi adalah salah satu bentuk respirasi anaerobik, akan tetapi, terdapat definisi yang lebih jelas yang mendefinisikan fermentasi sebagai respirasi dalam lingkungan anaerobik dengan tanpa akseptor elektron eksternal.

Proses fermentasi berjalan selama 50 – 60 jam dan berjalan baik pada suhu 30°C. Untuk menjaga suhu tetap 30°C maka dialirkan air pendingin. Gas CO₂ yang terjadi di semua tangki ditarik dengan blower dan dibuang ke udara sebagai limbah. Selama proses fermentasi akan timbul buih dan untuk menguranginya maka ditambahkan Turkey Red Oil (TRO) seperlunya, biasanya TRO yang digunakan sebanyak 2 liter. Untuk mempercepat proses pengendapan kotoran yang ada dalam adonan ditambahkan Superflok 200 gram. Maksud penambahan ini adalah untuk mencegah terjadinya kerak dalam kolom distilasi jika fermentasi terlalu kuat.

5.      Tahap destilasi

Setelah dari tahap fermentasi, campuran yang dihasilkan kemudian dipisahkan melalui proses destilasi, untuk memisahkan alkohol dari campuranya. Selain itu dalam proses fermentasi kadar alkohol hanya sekitar 12%. Jadi untuk menaikannya, harus dilakukan proses destilasi.

6.      Tahap denaturasi

Pada tahap ini dilakukan penambahan zat-zat beracun seperti methanol, minyak tanah dan tembaga sulfat agar alkohol tidak digunakan sebagai minuman keras serta untuk menghindari kewajiban pajak miras. Untuk membedakan bahan ini dengan alkohol lainnya diberi zat pewarna yaitu methylen biru agar tidak diminum.

D.        KESIMPULAN

Reaksi yang terjadi dalam pembuatan alkohol dengan cara fermentasi tetes tebu adalah:

C₁₂H₂₂O₁₁+H₂      ^H2SO4    ---->     C₆H₁₂O₆   +  C₆H₁₂O₆

Sakarosa                                          glukosa          fluktosa

C₆H₁₂O₆                ^zymase    ---->   2C₁₂H₅OH   +  2CO₂

Monosakarida                                   ethanol

E.    DAFTAR PUSTAKA

1.      Ariyani, Desi. 2009. Laporan Kerja Praktek di Pabrik Spirtus Madu Kismo. Yogyakarta: STTN-BATAN

2.                  http://id.wikipedia.org/wiki/Fermentasi

3.                  http://id.wikipedia.org/wiki/Ethanol

4.                  http://id.wikipedia.org/wiki/Methanol