BAB I
PENDAHULUAN
I.1. LATAR BELAKANG
Pemakaian energi yang berasal dari fosil (minyak bumi) terus meningkat seiring dengan peningkatan jumlah penduduk dan industri. Indonesia merupakan salah satu negara dengan populasi penduduk yang padat, sehingga kebutuhan energi sangat tinggi terutama digunakan dalam sektor transportasi. Cadangan minyak bumi semakin menipis menyebabkan krisis energi dimana harga minyak mentah/crude oil dunia saat ini mencapai $65 perbarel (Agarwal, 2007), bahkan menembus angka di atas $100 perbarel (Kompas, 6 Mei 2008). Pemakaian biodisel pensubstitusi solar akan mengurangi pemakaian bahan bakar dari minyak bumi. Biodisel bisa digunakan dengan kadar 100% atau dicampur dengan disel konvensional. Pemakaian 10% (disebut B10) tidak memerlukan modifikasi mesin kendaraan/motor. Pemerintah telah mentargetkan pemakaian biodisel sebanyak 5% dari konsumsi BBM disel konvensional maka dengan konsumsi BBM disel 23,4 juta ton pertahun memerlukan biodisel sebanyak 1,15 juta ton (Dept. Energi dan Sumber Daya Mineral, 2008). Namun pemakaian biodisel di Indonesia belum sesuai target karena beberapa kendala diantaranya penguasaan IPTEK dalam produksi biodisel.
buang sebanyak 59% (Usta et al., 2005). Kelebihan–kelebihan yang dimiliki oleh biodiesel ini karena sifat dari biodisel yang dapat teroksigenasi relatif sempurna atau terbakar habis, non-toksik, dan dapat terurai secara alami (Van Gerpen, 2005) sehingga gas buang yang ditimbulkan aman bagi lingkungan.
Pemicu utama global warming adalah meningkatnya emisi karbon, akibat penggunaan energi fosil (bahan bakar minyak, batu bara dan sejenisnya yang tidak dapat diperbaharui). Intergovermental Panel and Climate Change (IPCC) menyatakan pada tahun 2005 terjadi peningkatan suhu rata-rata 0.6 – 0.7 sedangkan di Asia lebih tinggi yaitu sebesar 1.0. peningkatan suhu ini berakibat ketersediaanya air dinegeri-negeri tropis berkurang 10–30 persen (http:// www.andaka.com, februari 2008). Ini adalah kondisi yang sangat memprihatinkan jika penggunaan bahan bakar fosil tidak dihentikan, maka dari itu penggunaan biodisel perlu segera dilakukan.
Biodisel diproduksi dari minyak nabati dengan proses transesterifikasi. Namun kendala yang dihadapi dalam produksi biodisel dari minyak nabati secara konvensioanal menggunakan katalisator basa adalah adanya hasil samping yang berupa sabun menyebabkan penurunan konversi reaksi dan menyulitkan pemurnian biodisel dari sabun (Marchetti dan Errazu, 2008). Salah satu alternatif produksi biodisel adalah dari bahan baku asam oleat. Asam oleat berasal dari reaksi hidrolisis minyak nabati seperti minyak sawit. Minyak sawit adalah minyak yang diekstraksi dari pohon sawit (Elaeis Guienis). Minyak sawit mengandung asam lemak jenuh dan tak jenuh dalam jumlah yang sama. Kandungan asam lemak terdiri dari asam oleat 42%, asam linoleat 9%, dan asam palmitat 43%, asam stearat 4%, dan asam miristik 2% (Baileys, 1996). Asam lemak dan ester asam lemak adalah produk yang terpenting dari bahan kimia oleochemical. Asam lemak digunakan untuk bahan baku sabun. Minyak sawit adalah produk penting di Indonesia karena biaya produksinya lebih rendah daripada minyak-minyak vegetable yang lain. Hal ini membuka peluang pengembangan keuntungan ekonomi dari produk-produk ester asam lemak.
Produksi biodisel dari asam oleat disebut reaksi esterifikasi. Esterifikasi pada dasarnya adalah reaksi balik dari reaksi hidrolisa. Reaksi asam lemak dengan alkil alkohol membentuk ester dan air adalah sebagai berikut:
kJ/mol
dan air diambil selama reaksi. Umumnya pengambilan air dilakukan secara kimia, fisika dan pervorasi (Vieville et al., 1993).
Reactive Distillation Technology adalah salah satu metode baru yang kini sedang dikembangkan untuk memproduksi senyawa kimia ester. Pada dasarnya Reactive Distillation Technology adalah proses yang menggabungkan reaksi dan distilasi dalam satu unit proses. Hasil reaksi yang terbentuk dari dalam reaktor secara simultan diambil dengan cara distilasi. Aplikasi Reactive Distillation telah digunakan untuk produksi ester-ester seperti metil asetat, etil asetat dan butil asetat (Agreda et al. 1990, Zhicai et al., 1998). Aplikasi Reactive Distillation di bidang industri kimia adalah metil tertiar butil eter (MTBE) sebagai bahan aditif untuk menaikkan angka oktan (Zhang dan Datta, 1995).
Beberapa penelitian tentang reaksi asam oleat dan etanol (Goddard et al., 2000) dan asam oleat dengan 2-etil hexanol (Lacaze-Dufaura et al., 2000) menggunakan katalis homogen telah dipublikasikan. Namun, penelitian estrifikasi asam oleat dengan metanol dengan katalisator asam asetat menggunakan metode reaktif distilasi belum pernah dilakukan. Tujuan utama penelitian ini untuk mengembangkan perancangan Reactive Distillation technology dalam produksi ester asam oleat dan metanol dengan katalisator homogen secara experimental. Variable proses yang dipelajari antara lain jenis katalis, temperatur, rasio asam oleat:metanol, konsentrasi katalis dan waktu reaksi terhadap konversi asam oleat.
I.2 MASALAH PENELITIAN
residue/ coradson carbon residue= 0,035 %wt; viscosty kinematic at 40 °C=4,537 cST ; Flash point =172 °C; Pour point= -16 °C, gross heating value=9470 Kcal/ltr.
DAFTAR PUSTAKA
Agarwal, A. K. (2007). “Biofuels (Alcohol and Biodiesel) Applications as Fuels for Internal Combustions
Engines”. Progress in Energy and Combustión Science. 33. 233-271.
Agreda, V. H. and Parin, L. R. (1990). “High Purity Methyl Acetat via Reactive Distillation”. Chemical
Engineering Progress. 86 (2). 40-46.
Altiokka, M. R. and Citak, A. (2003). “Kinetics Study of Esterifikasi of Acetic Acid with Isobutanol in
the Presence of Amberlite Catalyst”. Applied Catalysis A General. 230. 141-148.
Araujo, L. R. R., Scofielda, C. F., Pasturaa
, N. M. R.
and
Gonzalez, W. A.(2006).
“H3PO4/Al2O3 Catalysts:Characterization and Catalytic Evaluation of Oleic Acid Conversion to Biofuels and
Biolubricant”.
Materials Research.
9. 181-184
.Bailey’s Industrial Oil and Fat Product. (1996).5th ed. Edited by Y.H. Hui, Wiley-Interscience
Publication, USA.
Bart, H. J., Reidetschlager, J., Schatka, K. and Lehmann, A. (1994). “Kinetics of Esterification Levulinic
Acid with n-Butanol by Homogeneous Catalysis”. Industrial Engineering Chemical Research.
33. 21-25.
Bhatia, S., Mohamed, A. R., Ahmad, A. L., Chin, Y. (2006). “Production Of Isopropyl Palmitate In A
Catalytic Distillation Column: Comparison Between Experimental and Simulation Studies”.
Computers and Chemical Engineering. 31. 1187-1198.
Bock, H., Wozny, G and Gutsche, B. (1997). “Design and Control of a Reaction Distillation Column
Including the Recovery System”. Chemical Engineering and Processing. 36. 101-109.
Calvar, N., Gonzales, B., Dominguez, A. (2006). “Esterification Of Acetic Acid With Ethanol: Reaction
Kinetics and Operation In A Packed Bed Reactive Distillation Column”. Chemical Engineering
Process. xxx-xxx. 1-7.
Chung, K. H., Chang, D. R. and Park, G. B. (2008). “Removal of Free Fatty Acid in Waste Frying Oil by
Cordeiro, C. S., Arizaga, G. G. C., Ramos, L. P. and Wypych, F. (2008). “A new zinc hydroxide nitrate
heterogeneous catalyst for the esterification of free fatty acids and the transesterification of
vegetable oils”. Catalysis communication. 9. 2140-2143.
Darnoko, D and Cheryan, M. (2000). “Continuous Production of Palm Methyl Esters”. Journal of
American Oil Chemical Society. 77. 1269-1272.
Dhanuka, V. R., Malse, V. C. and Chandalia, S. B. (1977). “Kinetics of the Liquid Phase Esterification of
Carboxylic Acids with Alcohols in the Presence of Acid Catalyst: Re-Interpretation of
Published Data”. Chemical Engineering Science. 32. 551-556.
Doherty, M. F. and Buzard, G. (1998). “Reactive Distillation by Design” Chemical Engineering Research
and Design,70,448-452.
Fogler, S. H. (1999). “Elements of Chemical Engineering”. 3rd ed. Prentice Hall. New Jersey.
Gerpen, V. J. (2005). “ Biodiesel Processing and Production”. Fuel Processing Technology. 86.
1097-1107.
Goddard, R., Bosley, J. and Al-Duri, B. (2000). “Esterification of Oleoic Acid and Ethanol in Plug Flow
reactor under Supercritical Conditions: Investigation of Kinetics”. Journal of Supercritical
Fluids. 18. 121-130.
Goto, S., Tagawa, T. and Yusoff, A. (1991). “Kinetics of the Esterification of Palmitic Acid with Isobutyl
Alcohol”. International Journal of Chemical Kinetics. 23. 17-26.
Hanika, J., Smejkal, Q. and Kolena, J. (2001). “2-Methylpropylacetat Synthesis via Catalytic
Distillation”. Catalysis Today. 66. 219-223.
Harmsen, G. J. (2007). “Reactive Distillation: The Front-Runner Of Industrial Process Intensification A
Full Review Of Commercial Applications, Research, Scale-Up, Design and Operation”.
Chemical Engineering Process. 46. 774-780.
Hartmut, G. S. and Bessling, B. (2003). “Reactive and Catalitic Distillation From An Industrial
Prespective”. Chemical Engineering Process. 42. 145-155.
He, B. B., Singh, A. P., Thompson, J. C. (2006). “A Novel Continuous-Flow Reactor Using Reactive
Distillation For Biodiesel Production”. American Society of Agricultural and Biological
Kirbaslar, I.., Baykal, Z. B. and Dramur, U. (2001). “Esterification of Acetic Acid with Ethanol Catalysed
by an Acidic Ion-Exchange Resin”. Turkey Journal Engineering Environmental Science. 25.
569-577.
Lange, J and Otten, V. (2006). “Dehydration Of Phenyl-Ethanol To Styrene: Zeolite Catalyst Under
Reactive Distillation”. Journal of Catalyst. 238. 6-12.
Kang, Y. W and Lee, Y. Y. (1992). “Phase and Reaction Equilibria of Acetic Acid-Ethyl
Alcohol-Water-Ethyl Acetat Mixture”. Journal Chemical Engineering Japan. 25. 91-105.
Kusmiyati. (1999). “ Kinetika Pembuatan Metil Ester Pengganti Minyak Disel Dengan Proses Metanolisis
Tekanan Lebih Dari 1 atm”. Laporan Tesis Program Pasca Sarjana Universitas Gadjah Mada.
Yogyakarta
Lacaze-Dufaru, C. and Mouloungui, Z. (2000). “Catalyzed or Uncatalyzed Esterification Reaction of
Oleic Acid with 2-ethyl Hexanol”. Applied Catalysis A: General. 204. 223-227.
Lee, M., Chiu, J. and Lin, H. (2002). “Kinetics of Catalytic Esterification of Propionic Acid and
n-Butanol over Amberlyst 35”. Industrial Engineering Chemical Research. 41. 2882-2887.
Lilja, J., Murzin, D., Salmi, T., Aumo, J., Arvela, P. M. and Sundell, M. (2002). “Esterification of
Different Acids over Heterogeneous and Homogeneneous Catalyst and Correlation with the
Taft Equation”. Journal of Molecular Catalysis A:Chemical. 182. 555-563.
Marchetti, J. M. and Errazu, A. F. (2008). “Comparison of Different Heterogeneous Catalyst and
Different Alcohols for The Esterification Reaction of Oleic Acid”, Fuel Journal. 47.
3477-3480.
Omota, F., Dimian, A. C., Alfred Bliek, (2003). ”Fatty Acid Esterification By Reactive Distillation. Part
1: Equilibrium-Based Design”. Chemical Engineering Science. 58. 3159-3174.
Omota, F., Dimian, A. C and Bliek, A. (2003). “Fatty Acid Esterification By Reactive Distillation: Part2:
Part-Kinetics-Based Design For Sulphated Zirconia Catalyst”, Chemical Engineering Science.
58. 3175-3185.
Saha, B., Chopade, S. P. and Mahajani S. M. (2000). “Recovery of Dilute Acetic Acid through
Seo, Y and Hong, W. H. (2000). “Kinetics of Esterification of Lactat Acid and Methanol in the Presence
of Cation Exchange Resin using a Pseudo-Homogeneous Model”. Journal Chemical
Engineering Japan. 33(1). 128-133.
Svandova, Z., Kotora, M., Markos, J. And Jelemensky, L. (2006). Dynamic behaviour of a CSTR with
reactive distillation. Chemical Engineering Journal. 119. 113-120.
Sven Steinigeweg and Gmehling, J. (2002). “n-Butyl Acetate Synthesis via Reactive Distillation:
Thermodynamic Aspects, Reaction Kinetics, Pilot-Plant Experiments and Simulation Studies”.
Industrial Engineering Chemical. 41. 5483-5490.
Unnithan, U. R and Tiwari, K. K. (1987). ”Kinetics of Esterification of Oleic Acid and Mixtures of Fatty
Acids with Methanol using Sulfuric Acid and p-Toluene sulfonic Acid as Catalyst”. Indian
Journal of Technology. 25. 477-479.
Usta, N., Ozturk, E., Can, O., Conkur, E. S., Nas, S., Con, A. H., Can, N and Topcu, M. (2005).
“Combustion of Biodiesel Fuel Product from Hazelnut Soapstock/ Waste Sunflower Oil
Mixture in a Diesel Engine. Energy Conversion and Management. 46. 741-755.
Vieville, C, Moulooungui, Z. and Gaset, A. (1993). “Esterification of Oleic Acid by Methanol Catalyzed
by p-Toluenesulfonic Acid and the Cation-excange Resin K2411 and K1481 I Supercritical
Carbon Dioxide”. Industrial Engineering Chemical Research. 32. 2065-2068.
Yadav, G. D. and Mehta, P. H. (1996). “Heterogeneous Catalysis in Esterification Reactions: Preparation
of Phenethyl Acetat and Cyclohexyl Acetat by using a Variety of Soled Acidic Catalysts”.
Industrial Engineering Chemical Ressearch. 33. 2198-2208.
Zang, J. C., Juan, J. C. and Yarmo, M. A. (2008). “Study of catalysts comprising zirconium sulfate
supported on a mesoporous molecular sieve HMS for esterification of fatty acids under
solvent-free condition” Journal of applied catalysis. 347. 133-141.
Zhang, T. and Datta, R. (1995). “Integral Analysis of Methyl Tert-butyl Ether Synthesis Kinetics”.
Industrial Engineering Chemical Ressearch. 34. 730-740.
Zhicai, Y., Xianbao, C. and Jing, G. (1998). “Esterification-Distillation of Butanol and Acetic Acid”.
LAPORAN PENELITIAN FUNDAMENTAL (TAHUN KE II)
PENGEMBANGAN REAKSI ESTERIFIKASI
ASAM OLEAT DAN METANOL
DENGAN METODE REAKTIF DISTILASI
Oleh :
Dr. Kusmiyati, MT
Dibiayai Direktorat Penelitian Dan Pengabdian Masyarakat Direktorat Jenderal pendidikan Tinggi
Departemen pendidikan Nasional R.I
Dengan Surat Perjanjian Nomor: 074/SP2H/DP2M/IV/2009 Tertanggal 6 April2009
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
RINGKASAN
Semakin menurunnya cadangan minyak bumi yang bersumber dari fosil berakibat terjadinya krisis energi. Hal ini membuka peluang sumber daya nabati untuk digunakan sebagai energi alternatif untuk mensubtitusi bahan bakar minyak (BBM).. Pemanfaat sumber daya hayati sebagai sumber energi baru terbarukan (EBT) untuk mensubtitusi BBM akan memberikan keuntungan dalam aspek-aspek ketahanan energi, lingkungan, dan daerah diantaranya akan memberikan nilai tambah pada sumber daya hayati dan mengurangi emisi gas buang hasil pembakaran bahan bakar. Salah satu energi baru terbarukan yang dikembangkan di Indonesia adalah Biodiesel. Biodiesel merupakan bahan bakar alternatif pengganti petroleum diesel (solar) yang dibuat dengan cara mereaksikan minyak dengan alkohol dengan bantuan katalis asam maupun basa. Kendala yang dihadapi dengan penggunaan katalisator basa tersebut adalah terjadinya reaksi antara asam lemak yang terkandung dalam minyak nabati sehingga terbentuk reaksi penyabunan yang akan mengurangi kadar biodisel dan menyulitkan pemisahan produk biodisel. Cara lain dalam produksi biodisel adalah dengan esterifikasi asam lemak yang terkandung dalam minyak nabati diantaranya asam oleat dan metanol dengan katalisator asam.
Pada penelitian ini pembuatan biodiesel dilakukan dengan reaktif distilasi menggunakan bahan baku asam oleat dengan menggunakan metanol. Reactive Distillation (RD) Technology merupakan salah satu metode yang baru dalam proses kimia dan sekarang sedang dikembangkan untuk memproduksi biodiesel. Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan perancangan Reactive Distillation technology dalam produksi ester asam oleat dan metanol dengan katalisator homogen secara experimental. Variable proses yang dipelajari antara lain jenis katalis, temperatur, rasio asam oleat:metanol, konsentrasi katalis dan waktu reaksi terhadap konversi asam oleat.
Pada penelitian ini dipelajari pembuatan fatty acid methyl oleat atau lebih dikenal dengan biodisel melalui reaksi esterifikasi asam oleat dan metanol menggunakan katalisator asam sulfat, asam nitrat dan asam klorida dengan metode reaktif distilasi. Selanjutnya juga dipelajari pengaruh temperatur (100;120;150;180
°
C), rasio asam oleat:metanol (1:l;1:5;1:6;1:7,1:8) dan jumlah katalisator H2SO4 (0,5%;1%;1,5%;2%) menggunakan asam sulfat sebagai katalis terhadap konversi asam oleat menjadi biodisel. Hasil penelitian menunjukkan bahwa, penambahan katalis 1 % konversi reaksi mencapai maksimal yaitu 0,9581 pada kondisi berat katalis H2SO4 1%, ratio metanol: asam oleat 8:1, dan suhu 1800C. Pada peningkatan katalis selanjutnya menyebabkan kenaikan konversi tidak begitu besar disebabkan tingginya konsentrasi katalis yang bercampur dengan biodisel menyebabkan sukarnya pemurnian biodisel. Kenaikan konversi asam oleat yang besar terjadi pada temperatur 120°
C namun pada kenaikan temperatur 150KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT, atas segala limpahan rahmat dan hidayahNya sehingga
penulis dapat menyelesaikan laporan penelitian yang berjudul “Pengembangan Reaksi
Esterifikasi Asam Oleat dan Metanol Dengan Metode Reaktif Distilasi”.
Penulis menyadari dalam pelaksanaan penelitian dan penyusunan laporan ini
penulis tidak dapat bekerja sendiri tanpa bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu
pada kesempatan ini penulis menyampaikan terimakasih kepada:
1. DR. Harun Joko Prayiyno, M.Hum selaku ketua Lembaga dan Pengabdian
Masyarakat Universitas Muhammadiyah Surakarta
2. Ir. H. Sri widodo, MT selaku dekan Fakultas Teknik
3. Ir. H. Haryanto, AR. MS selaku ketua jurusan Teknik Kimia
Tak ada gading yang tak retak, penyusun menyadari bahwa laporan penelitian
ini mungkin masih terdapat kekurangan. Oleh sebab itu segala saran dan kritik yang
bersifat membangun sangat diharapkan demi kesempurnaan laporan penelitian ini.
Penyusun berharap semoga laporan ini dapat memberikan manfaat bagi penulis sendiri
maupun bagi perkembangan dunia Ilmu dan Teknologi.
Surakarta, Oktober 2009
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL
HALAMAN PENGESAHAN i
RINGKASAN ii
KATA PENGANTAR iii
DAFTAR ISI iv
BAB I. PENDAHULUAN 1
I.1 LATAR BELAKANG 1
I.2 MASALAH PENELITIAN 3
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 5
II.1 KAJIAN PUSTAKA 5
II.2 ESTERIFIKASI SECARA KONVENSIONAL 6
II.3 ESTERIFIKASI DALAM REAKTIF DISTILASI 10
II.4 KINETIKA ESTERIFIKASI 12
BAB III. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN 1
III.1 TUJUAN PENELITIAN 19
III.2 MANFAAT PENELITIAN 19
BAB IV. METODE PENELITIAN 21
IV.1 DISAIN PENELITIAN 21
IV.2 BAHAN 24
IV. 3 ALAT 25
IV.4 PROSEDUR 26
IV.5 ANALISA PRODUK 27
BAB V. HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN 30
V.1 PENGARUH SUHU, RATIO ASAM OLEAT: METANOL DAN
BERAT KATALIS TERHADAP KONVERSI ASAM OLEAT 30
V.2 SIMULASI 33
BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN 38
VI. KESIMPULAN 38
VI. SARAN 38
