1
B A B I PEN D A H U LU A N
I.1. Latar B elakang
Energi merupakan salah satu isu strategis disetiap negara dalam upaya mendorong kegiatan ekonomi untuk meningkatkan kesejahteraan rakyat. Jika roda perekonomian berjalan lebih cepat maka otomatis akan berdampak positif bagi kesejahteraan masyarakat. Indonesia termasuk salah satu negara yang beruntung dalam hal energi karena ketersediaannya yang melimpah . N amun, seiring dengan laju pertumbu han penduduk yang terus meningkat, maka kebutuhan energipun juga semakin tinggi. H al ini mengakibatkan Indonesia yang dahulunya sebagai negara pengekspor minyak menjadi negara pengimpor minyak.
D ata yang ada menunjukkan bahw a konsumsi energi di Indonesia terus mengalami peningkatan. Pada tahun 2010, konsumsi energi mencapai 1226,1 juta Setara Barel Minyak (SBM) dan pada tahun 20 15 meningkat menjadi 1562,1 juta SBM atau terjadi peningkatan sebesar 5,48 % per tahun. Beban tersebut terus mengala mi meningkat seiring dengan kebijakan pemerintah untuk mengimpor sebagian bahan bakar minyak (BBM) untuk kebutuhan dalam negeri, padahal harga minyak dunia semakin tinggi. Secara keseluruhan produksi minyak dunia mengalami puncaknya pada tahun 2010 -2015. Sementara itu cadangan yang tersisa diperkirakan mencapai puncaknya pada tahun 2030 -2037 pada tingkat 6,1 -7,2 milyar ton pertahun. Volume tersebut terus menurun hingga menjadi 2,7 -3 milyar ton pertahun ditahun 2050 (Budiharto, 2011) .
Pemerintah dalam hal ini melalui kementerian energi dan sumber daya mineral memiliki visi untuk berupaya mengganti penggunaan BBM dengan meningkatkan peran energi alternatif dari energi baru terbarukan sebagai solusi untuk mengurangi ketergantungan energi fosil. Yang termasuk dalam energi terbarukan diantaranya adalah energi air, bayu atau angin, biomassa atau bahan bakar nabati (BBN ), energi matahari, energi laut dan e nergi panas bumi. Energi terbarukan yang masih memerlukan proses sebelum dimanfaatkan adalah BBN .
U ntuk mendorong pemanfaatan energi terbarukan khususnya BBN , pemerintah memiliki kebijakan y ang tertuang dalam blue print pengolahan energi
2
nasional 2005 -2025 yang merupakan implementasi dari Perpres no 5 tahun 2006. D i dalamnya tertuang bahw a pada tahun 2020 di Indonesia akan beroperasi pabrik biodiesel dengan kapasitas total 4,16 juta kL/tahun . Potensi sumber daya energi terbarukan di Indonesia utamanya bahan bakar nabati sebesar 49,81 GW dengan kapasitas terpasang baru 0,445 GW .
Biodiesel merupakan bahan bakar motor diesel yang dibuat dari minyak nabati melalui proses trans-esterifikasi. Biodiesel merupakan salah satu alternatif terbaik pengganti bahan bakar fosil yang mempunyai b eberapa kelebihan seperti sifat baku yang terbarukan, memiliki bilangan cetan dan viskositas yang tinggi sehingga mempunyai sifat pelumasan yang lebih baik dari pada solar, mempunyai kandungan sulfur yang rendah, dan mempunyai tingkat emisi gas buang yang rendah .
Pada proses pembuatan biodiesel akan dihasilkan produk samping berupa gliserol 10% dari hasil biodisel yang diperoleh. D ari prosentase hasil tersebut dapat diprediksikan bahw a pada tahun 2020, Indonesia akan memproduksi gliserol sebagai hasil samping biodiesel sebanyak 0,42 juta kL/tahun. Gliserol sebanyak itu, tentunya menimbulkan masalah jika tidak dimanfaatkan dan hanya dibuang begitu saja ke lingkungan. Oleh sebab itu perlu dikaji alternatif pemanfaatannya. Ada beberapa alternatif pemanfaatan gliserol menjadi bahan yang memiliki nilai tambah. Salah satunya adalah mengolah gliserol tersebut menjadi triasetin yang dapat digunakan sebagai bioaditif bahan bakar.
Triasetin diharapkan dapat menggantikan bahan aditif Tetraethyl lead
(TEL) yang ternyata tidak ramah lingkungan k arena sifat timbal yang beracun,
Methyl Tertiary Butyl Ether (MTBE), yang dibuat dari metanol dan isobutilene yang mempunyai sifat karsiogenik dan larut dalam air serta Ethyl Tertiary Butyl Ether (ETBE) yang juga bersifat karsiogenik dan sulitnya memperoleh bahan baku etilen.
Studi produksi triasetin dari gliserol dengan proses batch telah banyak diteliti dan beberapa peneliti juga membahas untuk yang proses kontinyu. Penekanan penelitian ini selain membahas tentang kinetika reaksi katalis homogen juga penggunaan R eactive D istillation (R D ) untuk pembuatan triasetin. Penggunaan R D pada proses kontinyu ini terutama bertujuan untuk memisahkan air sebagai hasil reaksi sehingga pengambilan salah satu produk secara kontinyu dapat mengakib atkan kecepatan reaksi bergeser ke pembentukan produk
3
(D imian et al., 2009). Secara prinsip, RD merupakan kolom yang menggabungkan unit reaktor dan unit pemisah (distilasi) dalam satu kolom . Sehingga, jika digunakan R D maka biaya investasi dan biaya operasional yang diperlukan akan semakin menurun.
I.2. R um usan dan Batasan Masalah
Pemerintah sedang menggalakkan diversifikasi energi dari penggunaan energi fosil menjadi energi baru terbarukan . Salah satu energi baru terbarukan yang menjadi perhatian sekarang adalah biodiesel. Pemberian subsidi pada bahan bakar oleh pemerintah menjadikan industri biodiesel di Indonesia kurang berkembang. Pabrik biodiesel selain mendapatkan biodiesel sebagai hasil prosesnya, didapatkan juga sekitar 10% berupa gliserol sebagai produk sampingnya. Selama ini pemanfaatan gliserol masih kurang . H al ini terlihat dari tren harga gliserol yang cenderung semakin turun. Pemanfaatan gliserol sebagai salah satu produk samping industri biodiesel sebagai bahan pembuat triasetin diharapkan dapat memberikan dampak pada peningkatan pendapatan industri biodiesel.
Penelitian ini mempelajari kinetika reaksi pembuatan triasetin dari gliserol dan asam asetat dengan katalis asam sulfat dalam reaktor batch yang kemudian digunakan sebagai data simulasi perancangan R D dengan ASPEN Plus. Kemudian dilakukan pula eksperimen pembuatan triasetin dengan proses kontinyu menggunakan R D. Kemudian hasil simulasi akan dikomparasikan dengan hasil eksperiimen. Penggunaan R D diyakini dapat mempercepat laju kecepatan pembentukan produk karena reaksi sintesis triasetin dari gliserol dan asam asetat merupakan reaksi bolak -balik, sehingga adanya pengambilan salah satu produk (air) yang memiliki titik didih paling rendah menjadi hasil distilat pada R D mengakibatkan bergesernya kesetimbangan reaksi menuju ke pembentukan produk.
D ew asa ini, efisiensi energi sedang digalakkan terutama di indu stri-industri di tanah air. Energi merupakan parameter yang tidak bisa diabaikan dalam suatu proses ekonomi di sebuah pabrik. Oleh sebab itu , penelitian ini menyajikan juga analisis eksergi untuk meminimalkan penggunaan en ergi pada kolom reactive distillation yang digunakan sebagai alat utama proses pembuatan triasetin .
4
D engan adanya analisis eksergi ini dihara pkan pemakaian energi semakin efisien sehingga dapat mengurangi pengeluaran yang ada.
I.3. K easlian Penelitian
Sintesis triasetin telah dilakukan sejak tahun 1963 dengan bahan gliserol dan asetat anhidrida (Trevoy dan Tegg, 1963). Penelitian p embuatan triasetin pada umumnya dilakukan menggunakan reaktor batch dengan bahan gliserol dan asam asetat menggunakan katalis homogen maupun heterogen. Katalis heterogen dipilih dengan maksud tidak adanya pemisahan produk dengan katalisnya setelah keluar d ari reaktor, sedangkan katalis homogen digunakan untuk mendapatkan hasil konversi dan selektivitas triasetin yang lebih tinggi (Luque et al., 2008).
Triasetin memiliki beberapa manfaat, diantaranya d igunakan pada produk farmasi, polieter, bahan pengemulsi, bahan pelembut, stabilizer, bahan pengawet pada roti dan es krim, dan bahan kosmetik (Bonet et al, 2009 dan Galan et al., 2009). Triasetin dapat juga digunakan sebagai bahan pewangi, resin sintetik, obat-obatan, pasta gigi dan industri makanan (Kirk and Othmer, 1980 dan R eddy
et al., 2010). D i samping itu, triasetin juga dapat dimanfaatkan untuk memperbaiki performa biodiesel, menaikkan Motor Octane Number (MON ) dan
R esearch Octane N umber (R ON ) serta menurunkan C etane Number (C N ) (Melero et al., 2007 serta R ao dan R ao, 2011).
Sintesis triasetin dapat dilakukan dengan menggunakan gliserol dan asetat anhidrida (Trevoy dan Tegg, 1963, Liao et al., 2010, dan Silva et al., 2010). Pada penelitian yang lain pernah dicoba pula penggunaan gliserol dan aseton (Gracia
et al., 2008) serta pernah diteliti pula penggunaan 3 bahan sekaligus yaitu gliserol, asam asetat dan asetat anhidrida (Bremus et al., 1983). N amun demikian penelitian yang banyak dilakukan adalah menggunakan gliserol dan asam asetat.
Sintesis triasetin menggunakan gliserol dan asam asetat dengan katalis padat telah banyak dilakukan , diantaranya menggunakan resin ion exchage (Lu dan Ma, 1991), aminosulphonat (Hou et al., 1998), phosphotungstic (Zang dan Yuan, 2001), p -toluensulfonik (Liu et al., 2007), Amberlist-15 atau SAC -13
5
(N afion-SiO2) (Molero et al., 2007), SO4
2-ZrO2
-TiO2 (Yang dan Lu, 1996, W u et
al., 2007), asam p-toluensulfonik (Liu et al., 2007), Amberlist-15, lempung K-10, asam N iobic, zeolit H ZMS-5 dan H U SY (Gon salves et al., 2008). Penggunaan katalis pada t pada sintesis triasetin pernah dilakukan yaitu tungstophosphosphoric acid (TPA) (Balaraju dan H ameed, 2010), Zirconia -based solid acid (R eddy et al., 2010) karbon teraktivasi (Khayoon et al, 2011) dan PW 2_AC (Ferreira et al., 2011). resin penukar ion Indion 225 N a (Nuryoto et al., 2012), Amberlyst-15, Amberlyst-36, D owex 50W x2, Do w ex 50W x4 dan D ow ex 50W x8, (R odriguez dan Gaigneaux, 2012).
Katalis padat lainnya yang telah diteliti penggunaannya adalah MC F, N bMC F, TaMC F, MP-MC F(SH ), MP-MC F, MP-N bMC F, MP-TaMC F, N afion SAC 13, dan Amberlyst-15 (Staw icka, et al., 2013), ZrO2, H SiW /ZrO2, H PW /ZrO2, dan H PMo/ZrO2 (Zhu et al., 2013). Sedangkan penelitian terbaru dengan katalis padat adalah pemakaian Amberlist-15, Silika alumina, H U SY, PrSO3H -SBA15, H PMo/SBA 15, H PMo/N b2O5, SC Z, SO3H - SBA15 dan SO3H -C ell (Kim et al., 2014), Y/SBA-3, SBAH -15 dan AC -SA5 (Khayoon et. al., 2014), dan TPA3/MC M-41, TPA3/ZrO2 (Patel and Singh, 2014) . Penggunaan katalis padat ini memiliki kemudahan dalam proses p emurnian produk. Sedangkan p enelitian dengan menggunakan katalis homogen yang pernah diteliti adalah H3PO4, HC l, H N O3, dan H2SO4 (Khayoon and Hameed, 2011). D i samping itu pemakaian katalis homogen asam sulfat juga pernah dilakukan oleh W indriyanto dan Satriadi (2012).
Penelitian dengan peninjauan kinetika reaksi dengan katalis padat pernah dilakukan oleh beberapa peneliti, diantaranya tinjauan kinetika dengan menggunakan katalis padat resin kation-exchange (Gelosa et al., 2003). Kinetika reaksi dengan katalis padat juga telah dipelajari oleh Fukumura et al. (2009). Zhou et al. (2012), dan Nuryoto et al. (2011). Sedangkan kinetika reaksi tanpa katalis dipelajari oleh Galan et al. (2009) yang kemudian dari data tersebut dilakukan simulasi menggunakan ASPEN Plus oleh Bonet et al. (2009).
Proses pembuatan triasetin secara kontinyu telah mulai dilakukan dengan menggunakan kolom isian katalis Amberlyst 15 (Gelosa et al., 2003). D i samping itu pernah diteliti juga proses kontinyu m enggunakan 2 kolom untuk proses esterifikasi dan asetilasi. Bahan yang digunakan adalah gliserol, asam asetat dan asetat anhidrida (Bremus et al., 1983). Kemudian proses kontinyu yang dibarengi
6
dengan studi mengenai kinetika reaksi dilakukan oleh Fukumura et al. (2009) dengan menggunakan reaktor packed bed dan katalis resin kation exchange.
Penelitian ini selain mempergunakan reaktor batch untuk mereaksikan gliserol dan asam asetat, juga menggunakan teknologi R D yang telah banyak digunakan untuk memproduksi beberapa hasil diantaranya : menghasilkan etil asetat dengan cara esterifikasi asam asetat dengan alkohol tanp a katalis (Beck
et al., 1997), pembuatan metil asetat dari asam asetat dan metanol dengan menggunakan sistem packed dan sive tray (Agreda et al., 1990), pembuatan n-butil asetat dari asam asetat dan n -butanol menggunakan katalis heterogen resin
ion-exchange (amberlist-15) (Steinigew eg dan Gmehling, 2002).
Penggunaan R D juga telah dicoba untuk Inovasi pembuatan fatty acid esters dari fatty acid dan alkohol dengan menggunakan dual reactive distillation (D imian et al., 2009). Studi kasus pembuatan MTBE dari iso -butene dan metanol dengan menggunakan katalis padat resin ion-exchange yang direaksikan sekaligus dipisahkan juga menggunakan kolom R D (Svandova et al., 2009).
Penelitian ini menekankan pada produksi triasetin dari gliserol dan asam asetat dengan katalis asam sulfat menggunakan RD yang belum dipelajari oleh peneliti sebelumnya. Penelitian dilakukan baik dengan eksperimen maupun simulasi. Simulasi dengan ASPEN Plu s pada proses kontinyu menggunakan RD , didasarkan data kondisi operasi dan kinetika reaksi pada eksperimen menggunakan reaktor batch. Sistem R D dipergunakan dalam penelitian ini dipilih karena R D memadukan tempat bereaksi dan pemisahan serta pengambilan salah satu produk (air) sebagai hasil distilat. Pengambilan salah satu hasil pada reaksi bolak balik tersebut mengakibatkan keseimbangan reaksi bergeser ke arah pembentukan produk (D imian et al., 2009).
Pada simulasi dengan RD didekati dengan metode equilibrium dan non equilibrium . Sedangkan pengaruh suhu didekati dengan model Arrhenius dan
Pow er Law Kinetic (PLK). S imulasi yang dilakukan dengan ASPEN Plus diharapkan dapat memperoleh konfigurasi R D yang dapat mewakili proses yang ada. Kemudian dari hasil simulasi tersebut dilakukan analisis eksergi pada kapasitas lebih besar. Analisis tersebut diharapkan dapat meminimalkan penggunaan en ergi pada R D sehingga berdampak p ada efisiensi penggunaan energi.
8
I.4. Tujuan Penelitian
Penelitian ini secara umum bertujuan untuk membuat triasetin secara kontinyu dengan menggunakan R D dengan mempelajari variabel -variabel yang berpengaruh yaitu perubahan ketinggian bahan isian, reflux ratio dan rasio reaktan asam asetat/gliserol. Sedangkan tujuan khusus p enelitian ini adalah. 1. Mempelajari kinetika reaksi pembuatan triasetin dari gliserol dan asam asetat
dengan katalis asam sulfat.
2. Mengembang kan model matematis proses produksi triasetin dari gliserol dan asam asetat pada RD menggunakan kinetika reaksi hasil eksperimen proses
batch.
3. Melakukan verifikasi model yang dikembangkan dalam R D dengan hasil eksperimen pada berbagai variabel yang berpengaruh .
4. Melakukan optimasi proses pada R D dengan simulasi menggunakan model yang dikembangkan.
5. Melakukan analisis termodinamika untuk mencari konfigurasi RD yang hemat energi.
I.5. Manfaat Penelitian
I.5.1. Bagi pem bangunan negara
Penelitian ini menghasilkan prototipe reactive distillation untuk pembuatan triasetin yang dapat digunakan sebagai dasar pendirian pabrik atau alat proses dengan kapasitas yang lebih besar. Pendirian pabrik triasetin sebagai bioaditif dapat memenuhi kebutuhan aditif yang selama ini masih diimpor. Pendirian pabrik ini sekaligus juga dapat menyerap tenaga kerja dan menjamin kemandirian energi di Indonesia.
I.5.2. Bagi pengetahuan dan teknologi
Penelitian ini mempunyai manfaat bagi pengetahuan dan teknologi yaitu. 1. Memberikan tambahan kemanfaatan pada gliserol yang semakin banyak
9
2. Memberikan konsep kinetika dan mekanisme reaksi esterifikasi gliserol dengan asam asetat menggunakan katalis asam sulfat untuk menghasilkan triasetin.
3. Memberikan pemahaman tentang rule of thumb dari R D terutama pada pembuatan triasetin dari gliserol dan asam asetat.
4. Memberikan solusi penghematan energi pada teknologi R D sebagai penyatuan antara proses reaksi dengan pemurnian (pemisahan) produk. 5. Tersedianya alternatif aditif untuk bahan bakar guna menaikkan angka oktan
