kemajuan tesis 2
-
Upload
annas-frendytre -
Category
Documents
-
view
236 -
download
5
description
Transcript of kemajuan tesis 2
Ayu Ratna Permanasari (2311201909) Pembimbing:
Prof. Dr. Ir. Tri Widjadja, M.Eng Prof. Dr. Ir. Ali Altway, M.Sc
DESAIN PROSES PRODUKSI ETANOL SECARA
FERMENTASI EKSTRAKTIF UNTUK
MENINGKATAN PRODUKTIVITAS DAN YIELD
ETANOL: EKSPERIMEN DAN PEMODELAN
Laporan Kemajuan Tesis I
PROGRAM PASCA SARJANA
JURUSAN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
Latar Belakang
Etanol diperlukan untuk substitusi BBM
Pada proses batch yang sering digunakan dalam pembuatan etanol memiliki kelemahan yaitu produktivitasnya dan yield yang rendah dan adanya inhibisi produk akhir terhadap mikroorganisme
Dilakukan proses fermentasi secara kontinyu dengan immobilisasi sel untuk mengatasi kelemahan yang terdapat pada proses fermentasi batch, yang terintegrasi dengan proses ekstraksi untuk memperoleh etanol yang lebih murni
Untuk meningkatkan yield dan produktivitasnya maka diperlukan recycle rafinat ke fermentor dengan mempertimbangkan pemilihan pelarut yang tidak meracuni mikroorganisme
Pemilihan pelarut didasarkan pada jumlah atom C-nya (Offeman, 2008)
Batasan Masalah
Eksperimen
Bahan baku molases
M.o: Zimomonas mobilis termutasi
Packed bioreaktor kontinyu
Suporting matriks: karaginan
Pelarut: n-amylalkohol, 1-oktanol, 1-dodekanol
Rasio recycle rafinat: 40%, 50%, 60%, dan 70%
Pemodelan
Konversi substrat dilakukan oleh sel yang terimmobil
Sel keluar makropore dan bed void space diabaikan
Konsentrasi massa sel sama sepanjang kolom bioreaktor
Partikel bulat dan ukurannya sama
Aliran plug flow dan Film diffusion diabaikan
Akumulasi CO2 di diabaikan
Tujuan 1. Mengetahui pengaruh pelarut yang digunakan berdasarkan berat
molekul (jumlah atom C-nya) terhadap performa ekstraksi dan mempertimbangkan aspek toksisitasnya terhadap mikroorganisme yang digunakan.
2. Mengembangkan model matematis dari proses fermentasi-ekstraktif menggunakan MATLAB 6.1 serta membandingkan hasilnya antara eksperimen dan pemodelannya
3. Meningkatkan produktivitas dan yield etanol dengan fermentasi kontinyu menggunakan Z. mobilis termutasi yang terimmobilisasi dengan metode penjebakan (entrapment) dalam matriks berpori dan ekstraksi secara terintegrasi dengan adanya sistem recycle dari rafinat.
4. Mengetahui jenis pelarut yang terbaik dalam proses fermentasi-ekstraktif dari segi %recovery dan tingkat inhibisinya terhadap mikroorganisme
BAHAN BAKU Molases digunakan sebagai bahan baku karena:
Jumlahnya melimpah (produk samping pabrik gula)
Masih mengandung gula total yang cukup tinggi (50-60%)
Harganya murah
Karakteristik: • Tahan pada pH rendah antara 4-5 • Morfologi lebih besar dengan gerakan lebih sedikit • Fase adaptasi kurang lebih 3 jam • Tahan pada suhu tinggi 50oC
(Alfena ,2008)
Kelebihan dibandingkan Saccharomyces cerevisiae: • Produksi biomass lebih rendah • Tidak perlu mengontrol kelebihan oksigen
selama proses fermentasi • Yield etanol yang dihasilkan lebih tinggi • Waktu fermentasi yang lebih singkat • Laju metabolisme dari gulanya lebih tinggi
(Bai,2008)
Zymomonas mobilis termutasi
Dasar Pemilihan Supporting Matrice
Kalsium Alginat Kappa Karaginan
Polimer dari kelas alga Phaeophyceae
Metode untuk memproduksi
bead alginat skala pilot masih sedikit
Gel Strenght: 229,99 - 242,77 g/cm2 (LIPI)
Polimer dari rumput laut merah seperti Chondrus crispus dan Eucheuma cottonii
Metode untuk memproduksi bead karaginan skala pilot sudah ada
Gel Strenght: 700-1500 g/cm2 (Seatech Carrageenan Company)
(Philkington, 1997)
Teknik Dasar Immobilisasi sel Immobilisasi dari sel didefinisikan sebagai penempatan dari sel pada
suatu region pada tempat dengan penjagaan aktifitas katalitik
Entrapment
attachment
Agregation of cell / crosslinking agents
barrier
Tahapan Eksperimen Uji Toksisitas Pelarut
Membuat starter dan bead immobilisasi sel
Membuat persediaan feed dari molases yang diberi campuran pelarut dengan perbandingan feed:pelarut= 9:1
Menempatkan bead di dalam fermentor dan mengalirkan feed campuran dengan laju alir feed 4 mL/menit
Proses fermentasi dilakukan selama 90 jam
Mengambil sample setiap 6 jam dan menganalisa kadar glukosa sisa
Tahapan Eksperimen Performa Ekstraksi dari Berbagai Pelarut
Menyiapkan broth hasil fermentasi yang akan diekstraksi
Mengalirkan broth terlebih dahulu dengan laju alir 10mL/menit, setelah itu mengalirkan pelarut secara counter current dengan laju alir 10, 20, 30, dan 40mL/menit
Setelah kondisi steady state (kurang lebih 10 menit) maka diambil sampel dari aliran ekstrak dan rafinat
Sample dianalisa untuk kadar etanolnya dengan GC
Tahapan Eksperimen Fermentasi-Ekstraktif
• Pretreatment Molases Untuk Pembuatan Feed
• Pembuatan Starter dan Immobilisasi Sel karaginan
• Proses fermentasi ekstraktif (dengan dan tanpa recycle)
• Pengukuran konsentrasi glukosa sisa dan konsentrasi etanol
• Pembuatan model matematik proses fermentasi-ekstraktif
Simple Schematic Extractive -Fermentation Process
1 Solvent tank 2 Feed thank 3 Fermentor 4 Extractor 5 Extract tank 6 Raffinat thank 7 Solvent peristaltic pump 8 Feed peristaltic pump 9 Raffinate peristaltic pump
Performa Ekstraksi untuk Berbagai Pelarut L % Recovery Etanol
(cm3/menit) n-amyl alcohol 1-dodecanol 1-Octanol
0 0 0 0
10 37,60 4,63 25,91
20 38,69 5,29 26,99
30 43,29 10,07 29,12
40 45,19 12,64 33,29
N-amylalkohol (C-5) memberikan %recovery etanol yang tertinggi, jika dibandingkan dengan 1-oktanol (C-8) dan 1-dodekanol (C-12). Semakin panjang rantai alkohol, Koefisien distribusinya (KDE) semakin kecil (Offeman et al, 2008). KDE mempengaruhi nilai dari % recovery etanol, semakin besar nilai KDE semakin besar pula kapasitas pelarut dalam mengekstrak etanol, sehingga %recoverynya juga semakin besar.
Uji Toksisitas Pelarut
020406080
100120140160180
0 20 40 60 80 100 120
resi
du
al g
luco
se (
g/L
)
Time
feed + n-amylalcohol
feed + 1-Dodecanol
pure feed
feed + n-octanol
n-amylalcohol memberikan sifat inhibisi yang paling besar jika dibandingkan dengan feed murni dan feed yang dicampurkan dengan 1-Dodecanol ataupun 1-oktanol. Karena adanya sifat inhibisi ini, maka kemampuan mikroorganisme untuk menguraikan substrat di dalam fermentor akan semakin menurun dengan adanya campuran pelarut. Sehingga glukosa yang dapat dikonversi menjadi etanol akan menurun dan konsentrasi glukosa sisa menjadi tinggi kembali
Pengaruh Recycle Rafinat Pada Proses Fermentasi-Ekstraktif Terhadap Yield
14,62
18,98
31,25
10,19 8,61
15,58
20,68
32,58 29,86
21,66
11,16
18,77
22,49 25,24
20,99
0
5
10
15
20
25
30
35
no recycle 40% 50% 60% 70%
Yie
ld (
%)
ratio recycle
Pengaruh Recycle Ratio Terhadap Yield Fermentor
1-dodecanol
n-amyl alcohol
1-octanol
9,05 10,01
12,67
8,34
5,32
8,79
11,32
20,03
16,67
9,49 8,89
11,54 12,57 13,45
12,00
0
5
10
15
20
25
no recycle 40% 50% 60% 70%
Yie
ld (
%)
ratio recycle
Pengaruh Recycle Ratio Terhadap Yield Overall System
1-dodecanol
n-amyl alcohol
1-octanol
Pengaruh Recycle Rafinat Pada Proses Fermentasi-Ekstraktif Terhadap Produktivitas
50,65
90,78
168,19
75,78 58,46 61,25
113,47
192,15 187,84
144,82
43,87
103,00
132,63
158,76
140,33
0
50
100
150
200
250
no recycle 40% 50% 60% 70%
Pro
du
ktiv
itas
(g/
L.ja
m)
ratio recycle
Pengaruh Recycle Ratio Terhadap Produktivitas Fermentor
1-dodecanol
n-amyl alcohol
1-octanol
35,59
54,91
74,71
52,49
35,54 34,54
62,11
118,16
104,85
63,46
34,93
63,30 74,16
84,62 80,25
0
20
40
60
80
100
120
140
no recycle 40% 50% 60% 70%
Pro
du
ktiv
itas
(g/
L.ja
m)
ratio recycle
Pengaruh Recycle Ratio Terhadap Produktivitas System Overall
1-dodecanol
n-amyl alcohol
1-octanol
Pemodelan Fermentasi Ekstraktif Proses fermentasi ekstraktif dimodelkan secara matematis dan disimulasikan menggunakan bahasa pemrogaman Matlab R2009 untuk memvalidasi hasil yang diperoleh dari eksperimen. Adapun tahapannya sebagai berikut:
Pembuatan model matematis proses fermentasi
Pembuatan model matematis proses ekstraksi
Penggabungan dua model dan penyesuaian dengan proses sebenarnya
Error atau penyimpangan hasil dari eksperimen dan pemodelan (diharapkan error yang minimum)
Pemodelan Proses Fermentasi
Profil Mass Transfer Flok dan Kapsul
Profil Transfer Massa Packed Bed Fermentor
Pemodelan Proses Fermentasi
𝑃 = 𝑃𝑏 +𝑟𝑠𝑌𝑝𝜌𝐷𝑝6 𝐾𝑔𝑃
𝑆 = 𝑆𝑏 −𝑟𝑠𝜌𝐷𝑝6 𝐾𝑔𝑆
𝑆𝑏 =
𝐴𝑆𝐾𝑔𝑆
𝐴𝑡𝑓𝐾𝑔𝑆 𝑆𝑏+𝑆
1+𝐴𝑆𝐾𝑔𝑆
𝐴𝑡𝑓𝐾𝑔𝑆
𝑃𝑏 =
𝐴𝑆𝐾𝑔𝑃𝐴𝑡𝑓𝐾𝑔𝑃
𝑃𝑏 + 𝑃
1 +𝐴𝑆𝐾𝑔𝑃𝐴𝑡𝑓𝐾𝑔𝑃
𝑟𝑆=𝜇𝑚𝐾𝑝𝑆
𝑌𝐶 𝐾𝑝 + 𝑃 𝐾𝑆 + 𝑆 + (𝑆2
𝐾𝐼)+
𝜇𝑚𝐾𝑝′
𝑌𝐶 𝐾𝑝′ + 𝑃
𝑑𝑆 𝑏𝑑𝑍
= −𝑎𝐴𝐿
𝑞𝐾 𝑔𝑆 𝑆 𝑏 − 𝑆𝑏
𝑑𝑃 𝑏𝑑𝑍
= −𝑎𝐴𝐿
𝑞𝐾 𝑔𝑝 𝑃 𝑏 − 𝑃𝑏
Pemodelan Ekstraksi
F
ayyK
dz
dy od )( *
Persamaan Neraca Massa untuk packed column Ekstraktor
)()()()( yFxEyFxE outin
Penetapan Parameter Kinetika Melalui Fermentasi Batch Pada Fermentasi dengan Immobilisasi Sel
Untuk menentukan parameter kinetik maka dilakukan eksperimen secara batch immobilisasi. Parameter ditentukan dengan cara fitting menggunakan metode hooke jeeves pada matlab 7.8 dengan meminimalkan jumlah kuadrat error untuk konsentrasi glukosa sisa, kadar etanol, serta konsentrasi biomass antara experimen dan teoritis yang diturunkan dari 3 persamaan berikut:
𝑑𝑋
𝑑𝑡= 𝜇𝑚𝑎𝑥
𝑆
𝐾𝑠𝑥+𝑆1 − 𝐾𝑝𝑥𝑃 𝑋 (1)
𝑑𝑃
𝑑𝑡= 𝑞𝑚𝑎𝑥
𝑆
𝐾𝑠𝑝+𝑆1 − 𝐾𝑝𝑝𝑃 𝑋 (2)
𝑑𝑆
𝑑𝑡= −
1
𝑌𝑥 𝑠
𝑑𝑋
𝑑𝑡−
1
𝑌𝑝 𝑠
𝑑𝑃
𝑑𝑡 (3)
Hasil Fitting Parameter Kinetika dari Fermentasi Batch Beberapa nilai parameter yang ditentukan berdasarkan referensi:
Parameter Nilai Referensi max 0,33 h-1 Elnashaie dkk, 1993 Yx/s 0,04392 Eksperimen Yp/s 0,207425 Eksperimen qmax 1,9157 g/g.jam Jin dkk (2011) Ksx 0,2575 g/L Jin dkk (2011) Ksp 0.8295 g/L Jin dkk (2011) Kpx 0,1118 Hasil Fitting Kpp 0,1237 Hasil Fitting
Hasil Fitting Parameter Kinetika dari Fermentasi Batch
Profil perbandingan nilai konsentrasi (a) biomass, (b) etanol, (c) glukosa sisa antara experimen dan pemodelan untuk Fitting Parameter Kpx dan Kpp
a b c
Penetapan Parameter Kinetika dan Fisik Fermentasi Ekstraktif
Parameter Simbol Nilai Referensi
Parameter kinetik
µm 0,33 h-1 Elnashaie dkk,1993 KP 0,2355 g/l Fitting dari eksperimen batch KS 1,7 g/l Elnashaie dkk,1993 YC 0,044 Eksperimen batch YP 0,207 Eksperimen batch K’P 3 g/l Elnashaie dkk,1993 Ki 1,283 dm/h Abasaeed dkk, 1993
Penetapan Parameter Kinetika dan Fisik Fermentasi Ekstraktif
Parameter Simbol Nilai Referensi
Parameter Fisik
DP 0,019629 dm Perhitungan DeS 9,36 x 10-5 dm2/h Elnashaie dkk, 1993 DeP 17,2 x 10-5 dm2/h Elnashaie dkk, 1993 𝐾𝑔𝑆 0,01638 dm/h Perhitungan 𝐾𝑔𝑃 0,0301 dm/h Perhitungan KgS 207,8 dm/h Fitting KgP 28,7595 dm/h Fitting A 0,1526 dm2 Perhitungan a 84,24 dm-1 Perhitungan
As 0,005029 dm2 Perhitungan Atf 0,001212 dm2 Perhitungan
Validasi Eksperimen dan Pemodelan Proses Fermentasi Ekstraktif
Proses fermentasi ekstraktif tanpa recycle pada tiga jenis pelarut yang digunakan.
Jenis Pelarut
Yield overall sistem (%) Produktivitas (g/L.jam)
Eksp model Error Eksp model Error
N-amyl alcohol
8,79 7,89 10,23 34,54 30,99 10,26
1-dodecanol 9,05 7,49 17,26 35,59 29,44 17,28
1-octanol 8,89 7,62 14,24 34,93 29,66 15,09
Rencana Selanjutnya Pemodelan fermentasi ekstraktif dirancang dengan menggunakan aliran recycle dari rafinat ke fermentor untuk memvalidasi hasil eksperimen fermentasi ekstraktif dengan recycle 40%, 50%, 60%, dan 70%.