IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisis Energi Proses Produksi Biodiesel
4.1.1 Analisis Energi Proses Produksi Biodiesel Secara Non-katalitik
Analisis energi pada produksi biodiesel secara non-katalitik dilakukan dengan tiga tahapan yaitu skala laboratorium, scale-up proses produksi biodiesel menjadi 1 ton per jam dan memodifikasi proses produksi biodiesel skala 1 ton per jam.
4.1.1.1 Skala Laboratorium
Analisis energi pada proses produksi biodiesel secara non-katalitik dilakukan pada skala laboratorium dengan volume reaktor 200 mL. Proses ini berlangsung secara kontinu. Metanol dialirkan dengan menggunakan pompa yang memliki daya sebesar 30 watt ke evaporator dan superheater sebelum masuk ke reaktor dengan laju 3 ml/min (Gambar 7). Suhu evaporator dan superheater sesuai dengan suhu reaksi di reaktor. Minyak yang sudah diisikan ke dalam reaktor juga dipanaskan sesuai suhu reaksi (290 oC).
Gambar 7 Diagram alir pada proses non-katalitik skala laboratorium
Hasil pengukuran pada penelitian menunjukkan bahwa produksi biodisel adalah sebesar 25,59 g/jam dengan laju umpan minyak (asumsi 100 % TG) sebesar 25,69 g/jam atau setara dengan 0,03 gmol/jam. Kemurnian ME yang dihasilkan adalah 95,1 % w/w yaitu setara 24,34 g/jam. Hal ini menunjukkan bahwa ada bagian minyak yang belum bereaksi tetapi terikut pada produk sebesar 1,25 g/jam. Bagian dari produk yang tidak mengalami reaksi metanolisis dinyatakan sebagai un-methyl-esterified (uME). Jumlah metanol yang dibutuhkan adalah 142,2 g/jam atau setara dengan 4,44 gmol/jam dan metanol yang bereaksi hanya sebesar 2,72 gr/jam. Hal ini menunjukkan ada metanol yang tidak bereaksi sebesar 139,48 g/jam. Dengan demikian, rasio mol metanol terhadap minyak adalah sebesar 148 (mol/mol). Pada umumnya rasio metanol terhadap minyak yang dibutuhkan pada proses non-katalitik jauh lebih besar daripada proses katalitik.
Gliserol (GL) yang dihasilkan pada penelitian ini adalah sebesar 2,736 g/jam, sedangkan GL yang terbentuk berdasarkan persamaan stokionometri (Pers. 3.4) adalah 2,607 g/jam. Hal ini berarti bahwa ada GL yang terdapat dalam minyak yang tidak bereaksi (uME) sebesar 0,129 g/jam. Keseimbangan massa ditunjukkan pada Tabel 6. Berdasarkan keseimbangan massa tersebut, terdapat 0,03 gr minyak yang tersisa direaktor dan tidak bereaksi dengan metanol.
Tabel 6 Keseimbangan massa produksi biodiesel secara non-katalitik skala laboratorium Komponen Laju massa Input Laju massa Output
(g/jam) (g/jam) Oil (TG) 25,64 MeOH 142,2 139,49 Produk Biodiesel : 25,59 Pure ME 24,34 uME 1,25 Produk Gliserol: 2,736 Pure GL 2,607 uME 0,129
Oil (TG) yang tidak
bereaksi 0,03
Total 167,84 167,84
Energi panas yang dibutuhkan untuk menguapkan metanol di evaporator
dan superheater serta untuk memanaskan minyak sampai mencapai suhu 290 oC ditunjukkan pada Tabel 7. Nilai pada tabel tersebut dihitung dengan Pers. (3.1),
(3.2), dan (3.3). Pada perhitungan tersebut diasumsikan bahwa efisiensi pemanasan adalah sebesar 70 %.
Tabel 7 Energi panas yang dibutuhkan pada proses produksi non-katalitik skala laboratorium
Stasiun Energi panas Energi spesifik (kJ) (MJ) (kJ/kg ME) (MJ/kg ME) Evaporator -1 140,48 0,14 5489,64 5,49 Evaporator -2 17,47 0,02 682,69 0,68 Superheater -1 19,70 0,02 760,84 0,76 Superheater -2 15,76 0,02 615,86 0,62 Reaktor 6,75 0,01 263,78 0,26 Total 200,17 0,20 7822,20 7,82
4.1.1.2 Scale-up Proses Produksi Biodiesel
Keseimbangan massa untuk skala produksi 1 ton/jam diperoleh melalui pembesaran skala (scale-up) laboratorium dengan volume reactor 200 mL seperti yang dijelaskan di atas. Pembesaran skala dilakukan secara teoritis berdasarkan konsep stoikiometri dengan asumsi proses dan efisiensi alat 100 %. Hasil yang diperoleh ditunjukkan pada Tabel 8.
Tabel 8 Keseimbangan massa pada proses produksi biodiesel secara non-katalitik skala 1 ton
Komponen Laju massa Input (kg/jam)
Laju massa Output
(kg/jam) Oil (TG) 1001,71 MeOH 5550,73 5444,69 Produk Biodiesel : 1000 Pure ME 951 uME 49 Produk Gliserol: 106,64 Pure GL 101,62 uME 5,02
Oil (TG) yang tidak
bereaksi 1,1
Total 6552,43 6552,43
Jika proses produksi 1 ton biodiesel per jam didasarkan pada produktivitas skala laboratorium, maka volume minyak dalam reaktor adalah
sebesar 7,8 m3 (dibulatkan menjadi 8 m3), laju aliran metanol 5550,73 kg/jam (massa jenis metanol 790 kg/m3), dan volume metanol adalah sebesar 7,03 m3.
Berdasarkan keseimbangan massa pada Tabel 8 diperoleh besarnya energi panas untuk menguapkan metanol di evaporator dan superheater serta untuk memanaskan minyak pada produksi biodiesel skala produksi per jam seperti ditunjukkan pada Tabel 9. Kebutuhan energi panas yang paling besar adalah untuk menguapkan MeOH terdapat di evaporator-1, karena perbedaan suhu metanol yang cukup besar. Pada perhitungan tersebut diasumsikan bahwa efisiensi pemanasan adalah sebesar 70 %.
Tabel 9 Energi panas yang dibutuhkan pada proses produksi biodiesel non- katalitik skala 1 ton/jam
Stasiun Energi panas Energi spesifik (kJ) (MJ) (kJ/kg ME) (MJ/kg ME) Evaporator-1 5483442,8 5483,4 5483,44 5,48 Evaporator-2 681946,3 681,9 681,95 0,68 Superheater-1 769172,0 769,2 769,17 0,77 Superheater-3 615337,6 615,3 615,34 0,62 Reaktor 1476835,5 1476,8 1476,84 1,50 Total 9164576,9 9164,6 9164,58 9,16
Energi listrik yang dibutuhkan pompa untuk mengalirkan minyak dan metanol berdasarkan laju aliran cairan diperoleh dari Nevers (2005) seperti ditunjukkan pada Tabel 10.
Tabel 10 Energi listrik yang dibutuhkan pompa untuk mengalirkan minyak dan metanol
Komponen Daya Waktu Energi
(kW) (Jam) (kJ) (MJ)
Pompa methanol 4,50 1,00 16200,00 16,20
Pompa minyak 0,72 1,00 2592,00 2,59
Total 5,22 18792,00 18,79
4.1.1.3 Modifikasi Proses Produksi Biodiesel
Untuk meningkatkan efisiensi penggunaan energi, proses produksi biodiesel secara non-katalitik dapat dimodifikasi sehingga panas dari reaktor
didaur-ulang dan dimanfaatkan kembali untuk memanaskan dan menguapkan metanol. Pendauran-ulangan tersebut memerlukan 4 buah alat penukar kalor (APK) seperti ditunjukkan pada Gambar 8. Dalam perhitungan APK yang digunakan diasumsikan mempunyai efektivitas sebesar 0,7 (Tabel 11).
Pada diagram alir yang ditunjukkan pada Gambar 8, minyak yang bersuhu 30 oC dialirkan melalui APK-1 dengan memanfaatkan panas produk yang keluar dari APK-4 yang memiliki suhu 117 oC, sehingga suhu minyak mengalami peningkatan menjadi 108 oC. Selanjutnya, minyak tersebut dialirkan melalui APK-2 untuk saling bertukar panas dengan aliran produk bersuhu 290 oC yang keluar dari reaktor, sehigga minyak mengalami peningkatan suhu dari 108 oC menjadi 280 oC.
Metanol yang bersuhu 27 oC dipanaskan terlebih dahulu dengan memanfaatkan panas dari produk yang melewati APK-3 dan APK-4. Metanol yang melewati APK-3 akan mengalami peningkatan suhu dari 27 oC dan berubah fase menjadi uap hingga mencapai suhu 112 oC. Selanjutnya, uap metanol tersebut dialirkan ke APK-4 dengan memanfaatkan panas produk yang masih memiliki suhu 223 oC, sehingga suhu metanol kembali meningkat menjadi 213 o
C dan selanjutnya baru dialirkan ke dalam reaktor yang bersuhu 290 oC.
Dengan demikian, energi termal yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu umpan minyak yang masuk ke dalam reaktor bersuhu 290 oC dapat diminimalisasi. Dengan demikian, energi panas yang diperlukan untuk memproduksi biodiesel secara non-katalitik termodifikasi ini hanya untuk mempertahankan suhu reaktor.
Gambar 8 Diagram alir proses produksi biodiesel secara non-katalitik termodifikasi
Tabel 11 Efektivitas APK pada proses produksi biodiesel skala scale-up
keterangan Kalor EFEKTIVITAS (kJ) (MJ) APK- 2 APK- 3 APK- 4 APK- 1 QR (5-7) panas 742958.83 742.96 0.70 Q1 (3-6) dingin 518604.85 518.60 Q2 (7-9) panas 179483.63 179.48 0.71 Q3 (8-10) dingin 127520.78 127.52 Q4 (9-4) panas 1358947.48 1358.95 0.70 Q5 (10,12-11) dingin 953059.57 953.06 Q6 (4-2) panas 336973.74 336.97 0.70 Q7 (1-3) dingin 235181.27 235.18
Perbandingan energi panas yang dibutuhkan antara skala laboratorium,
scale-up, dan proses yang dimodifikasi ditunjukkan pada Tabel 12. Sebagaimana diharapkan, energi spesifik untuk pemanasan pada proses yang dimodifikasi adalah yang terkecil.
Tabel 12 Energi panas total yang dibutuhkan pada proses produksi biodiesel baik dengan skala laboratorium, scale-up maupun sistem yang sudah dimodifikasi
Skala produksi Evaporator- 1 Evaporator- 2 Superheater- 1 Superheater- 2 Reaktor Total Energi spesifik (MJ) (MJ) (MJ) (MJ) (MJ) (MJ) (MJ/kg ME) Laboratorium 0,14 0,02 0,02 0,02 0,01 0,20 7,82 Scale-up 1 ton biodiesel 5483,44 681,95 769,17 615,34 1476,84 9026,74 9,03 Modifikasi scale-up proses 0,00 0,00 0,00 0,00 1476,84 1476,84 1,5
4.1.2 Analisis Energi Proses Produksi Biodiesel Secara Katalitik
Keseimbangan massa pada proses produksi biodiesel secara katalitik dengan kapasitas 1 ton biodiesel per batch ditunjukkan pada Tabel 13, dan diagram alir ditunjukkan pada Gambar 9. Keseimbangan massa ini diperoleh dari data sekunder proses katalitik Balai Rekayasa Desain dan Sistem Teknologi, Serpong 2007 (Lampiran 7).
Tabel 13 Keseimbangan massa pada proses produksi biodiesel secara katalitik
Komponen Massa Input
(kg/batch) Massa Output (kg/batch) Minyak TG dalam biodiesel dalam crude glycerol
dalam waste water
FA
dalam biodiesel dalam crude glycerol
dalam waste water
MeOH
dalam biodiesel dalam waste water
dalam crude glycerol
dalam drying tank
dalam distilation column
dalam refluk tank losses dalam refluk tank
NaOH
dalam crude glycerol
H2O
dalam waste water
dalam crude glycerol
dalam distilation column dalam methanol vapour
dalam vacuum dryer
Produksi biodiesel: Pure ME
dalam crude glycerol
dalam waste water
Produksi Gliserol: Pure GL dalam biodiesel dalam waste water
dalam drying tank
dalam distilation column
dalam refluk tank losses dalam pure GL Sabun
dalam biodiesel dalam waste water
dalam crude glycerol
dalam vacuum dryer losses dalam evaporator
Kotoran (Impurities)
dalam biodiesel dalam waste water
dalam crude glycerol
1045,66 1039.2 5,42 523,96 11,04 1770,9 11,8 7,16 1,56 3,08 5,42 3,78 0,02 1,62 412,504 0,12 11,04 0,72 1,10 0,84 397,601 1,083 1,64 1,64 1770,9 1045,60 3,46 706,9 14,86 0,08 1007,3 999,72 2,56 5,02 110,49 19,35 0,82 4,98 0,82 15,72 0,043 68,757 31,146 0,64 3,00 8,32 0,64 18,546 0,2 0,02 0,08 0,10 Total 3351,56 3351,56
Energi panas yang dibutuhkan pada proses produksi biodiesel secara katalitik dapat dilihat pada Tabel 14. Energi panas pada reaktor bertanda negatif,
menunjukkan bahwa energi yang dihasilkan pada proses reaksi sebagai akibat dari reaksi eksotermik, berdasarkan keseimbangan energi lebih besar dibandingkan untuk pemanasan produk.
Tabel 14 Energi panas yang dibutuhkan pada proses produksi biodiesel secara katalitik
Komponen Energi panas Energi spesifik
(kJ) (MJ) (MJ/kg ME)
Mixing Methanol Tank 10217,80 10,22 0,0102
Reaktor -25407,41 -25,41 -0,0254 Washing Tank 93054,63 93,05 0,0935 Vacuum Dryer 220037,16 220,04 0,2200 Evaporator Tank 29287,80 29,29 0,0293 Distilation Tank 802583,69 802,58 0,8026 Total 1129773,67 1129,77 1,13
Energi listrik yang dibutuhkan pompa dan elektromotor untuk mengalirkan bahan dan produk serta untuk mengaduk campuran ditunjukkan pada Tabel 15.
Tabel 15 Energi listrik yang dibutuhkan pompa dan elektromotor pada produksi biodiesel katalitik
Komponen Daya Waktu Energi
(kW) (Jam) (kJ) (MJ)
Mixed Methanol Pump 0,37 0,50 666,0 0,67
Reaktor 1 Circulation Pump 1,10 1,00 3960,0 3,96
Reaktor 2 Circulation Pump 1,10 1,00 3960,0 3,96
Drying Circulation Pump 1,10 2,00 7920,0 7,92
Vacuum Pump 2,20 1,00 7920,0 7,92
Evaporator Pump 0,20 3,33 2397,6 2,40
Distilation Feed Pump 0,20 3,33 2397,6 2,40
Reflux Pump 0,37 3,33 4435,6 4,44
Cooling Tower Pump 0,75 3,33 8991,0 8,99
Hot Water Pump 0,75 0,33 891,0 0,89
Mixer 2 Mixing Catalyst 1,10 0,50 1980,0 1,98
Mixer 3 Reactor 1 1,50 1,00 5400,0 5,40
Mixer 4Reactor 2 1,50 1,00 5400,0 5,40
4.1.3 Perbandingan Rasio Energi Proses Produksi Biodiesel Secara Non- katalitik dan Katalitik
Kandungan energi pada proses produksi biodiesel secara non-katalitik skala laboratorium maupun skala 1 ton/jam serta pada produksi biodiesel secara katalitik dapat ditunjukkan pada Tabel 16.
Tabel 16 Kandungan energi bahan umpan dan produk pada proses produksi biodiesel secara non-katalitik dan katalitik
Nama
massa (kg) Unit Energi (MJ)
Non-katalitik Katalitik (MJ/kg) Non-katalitik katalitik skala laboratorium skala 1 ton/jam skala laboratorium skala 1 ton/jam CPO 0,02564 1001,71 1045,66 36,00 0,923 36061,53 37643,76 Metanol 0,00271 106,03 111,46 19,90 0,054 2110,09 2217,97 Biodiesel 0,02559 1000,00 999,72 39,70 1,016 39700,00 39688,88 CPO sisa 0,00003 1,10 11,80 36,00 0,001 39,60 424,80
Energi total yang dibutuhkan untuk memproduksi tiap kilogram biodiesel dapat ditunjukkan pada Tabel 17. Energi input per kg biodiesel yang terkecil dan energi output terbesar adalah pada proses produksi secara non-katalitik hasil modifikasi yaitu sebesar 39,63 MJ/kg dan 39,74 MJ/kg.
Tabel 17 Energi input dan output per kilogram produksi biodiesel
Proses produksi
energi (MJ/ton biodiesel)
energi (MJ/kg biodiesel)
Input Output Input Output
Katalitik 41047,83 40113,68 41,05 40,12
scale-up 1 ton proses non-
katalitik 47315,41 39739,60 47,32 39,74
Modifikasi scale-up proses non-
katalitik 39627,65 39739,60 39,63 39,74
Tabel 18 Rasio energi proses produksi biodiesel secara non-katalitik dan katalitik
Proses produksi energi panas (MJ) energi listrik (MJ) Kandungan energi (MJ) Rasio energi
Input Output Input Output Input Output Katalitik 1129,77 56,32 39861,73 40113,68 0,98
scale-up 1 ton proses
non-katalitik 9164,57 18,79 38171,62 39739,60 0,84 Modifikasi scale-up
Berdasarkan energi panas dan energi listrik yang diperlukan pada dua proses tersebut serta kandungan energi bahan umpan dan produk, maka diperoleh rasio dan efisiensi energi seperti yang ditunjukkan pada Tabel 18. Dari tabel tersebut, rasio terbesar adalah pada proses non-katalitik yang telah dimodifikasi. Hal ini menunjukkan bahwa penggunaan Alat Penukar Kalor (APK) yang memiliki efektivitas 0,7 pada proses non-katalitik yang dimodifikasi dapat meningkatkan rasio energi.
Dari Tabel 16, kandungan energi CPO adalah 36,00 MJ/kg sedangkan kandungan energi biodiesel adalah 39,70 MJ/kg, sehingga secara alamiah, perbandingan kandungan energi biodiesel terhadap CPO adalah sebesar 1,10. Proses konversi CPO menjadi biodiesel selalu membutuhkan energi berupa energi panas maupun energi listrik, sehingga jika energi proses tersebut diperhitungkan maka rasio energi harus lebih kecil dari 1,10. Ini menunjukkan bahwa capaian rasio energi sebesar 1,00 pada proses produksi non-katalitik termodifikasi adalah baik.
Tabel 18 menunjukkan bahwa energi spesifik yang dibutuhkan untuk memproduksi per kilogram biodiesel pada proses produksi biodiesel secara non- katalitik untuk skala laboratorium dan skala 1 ton produksi biodiesel lebih besar dibandingkan dengan proses produksi secara katalitik. Akan tetapi, jika sistem dimodifikasi maka proses produksi non-katalitik lebih baik dibandingkan dengan katalitik. Hal ini juga dapat dilihat dari rasio energi, bahwa setelah modifikasi proses produksi non-katalitik lebih baik dibandingkan dengan proses produksi katalitik seperti yang ditunjukkan Tabel 19.
Tabel 19 Ringkasan hasil analisis energi proses produksi biodiesel non-katalitik dan proses produksi katalitik
Proses produksi non-katalitik
Proses produksi katalitik Skala laboratorium skala 1 ton produksi biodiesel skala 1 ton sistem dimodifikasi
Laju aliran (kg/jam) Laju aliran (kg/jam)
Input Output Input Output Input Output Input Output
CPO (TG) 0,02564 0,00003 1001,71 1,1 1001,71 1,1 1039,2 11,8
MeOH 0,1422 0,13949 5550,73 5444,69 5550,73 5444,69 523,96 412,504
Biodiesel 0,02559 1000 1000 999,72
GL 0,002736 106,64 106,64 110,49
Proses produksi non-katalitik
Proses produksi katalitik Skala laboratorium skala 1 ton produksi biodiesel skala 1 ton sistem dimodifikasi
Energi (MJ) Energi (MJ)
Input Output Input Output Input Output Input Output
Panas 0,200 9164,57 1476,84 1129,77
Listrik 0,108 18,79 18,79 56,32
Kandungan energi 0,977 1,017 38171,62 39739,6 38171,62 39739,6 39861,73 40113,68
Total 1,285 1,017 47354,98 39739,6 39667,25 39739,6 41047,82 40113,68
Proses produksi non-katalitik
Proses produksi katalitik Skala laboratorium skala 1 ton produksi biodiesel skala 1 ton sistem dimodifikasi
Energi spesifik (MJ/kg biodiesel) Energi (MJ/kg biodiesel)
Input Output Input Output Input Output Input Output
Total 50,21 39,74 47,356 39,74 39,67 39,74 41,05 40,11