proses pembuatan biodiesel di dalam reaktor...

Prosiding Seminar Nasional Daur Bahan Bakar 2009Serpong, 13 Oktober 2009

ISSN 1693-4687

Proses Pembuatan Biodiesel di dalam Reaktor

Unggun Diam (Fixed Bed Reactor) denganKatalis Padat Alumina Berbasis Logam

Susila AritaJurnsan Teknik Kimia FT-Unsri

1. PENDAHULUAN

Pembuatan biodiesel pada saat Inl baik skala

laboratorium maupun dalam skala industri kebanyakan

menggunakan katalis fase liquid yang bersifat asammaupun basa, tergantung pada besamya kandungan asamlemak bebas dalam bahan baku. Hasil campuran reaksi

den~an metode ini mengandung excess methanol,gliserin, katalis dan reaktan sisa yang tidak bereaksi.

Untuk menghilangkan excess methanol dilakukan dengancara destillasi atau dengan vacuum evaporator, gliserin di

ambil dengan menggunakan asam menjadi crude gliserin,untuk mendapatkan biodiesel lebih murni dilakukan

pencucian dengan air panas, terakhir di lakukan

pengeringan air dan impuritis lainnya dengan vacuum

drying.

Ada berbagai kelemahan dalam penggunaan katalis

liquid. Residu katalis hams dihilangkan dari produk

biodiesel yang dihasilkan, terutama ketika menggunakan

katalis asam. Dan ketika menggunakan katalis basa

2008 using eggshell as solid catalyst. Masakazu Toda, 2005developed solid catalyst from sugar. The results obtained vary.Schuchard et al had problem catalyst degeneration after onehour reaction, made incomplete reaction and the phaseseparation became more difficult. While other researchersagreed to conclusion that esterification solid reaction makescost of raw materials lower, increase process flexibility, higheryield of biodiesel, biodiesel and gliserol purity higher and theprocess more safe and simple. This study, metal based aluminasolid catalyst was used in the transesterification reaction at

tenreratures between 55-65°C, flow rates was less than 150 x10- Uhour, the reactor length was 30 cm and the pipediameter was 2.5 cm. The solvent was methanol (30 % v/v oftriglycerides). Reactor lied horizontally in heated water bath.The flow circulated for one, two and three hours. The studiedvariable process was volume of crude biodiesel (triglyceride tobiodiesel conversion) and crude glycerin generated. After that,acid number, FF A, saponification number and viscosity of thebiodiesel was analyzed. The results of the experiments indicatethat metal based alumina solid catalyst play an active enough toproduce biodiesel, the more time the higher conversion result.This preliminary study obtained 91 % conversion at highest forthree hours circulation. With this technology indonesiannational standard (SNI stand for Standar Nasional Indonesia)can be achieved, based on acid number, FFA, saponificationnumber and viscosity analyzed

Abstrak -- PROSES PEMBUATAN BIODIESEL DI DALAM

REAKTOR UNGGUN DIAM (FIXED BED REACTOR)DENGAN KATALIS PADAT ALUMINA BERBASIS

LOGAM. Proses pembuatan biodiesel dengan katalis padatsudah mulai di teliti oleh para peneliti antara lain olehSchuchard et aI., 1997,1998 (guanidine) sebagai katalis padareaksi transesterifikasi, Suppes et aI., 2000 (CaC03) dengansuhu reaksi tinggi (> 220°C). Fang Chai et aI., 2007menggunakan heteropolyacid, Rohm Haas mengguanakanamberlist BD 20, Wei Z., 2008 membuat cangkang telur sebagaikatalis padat, Masakazu Toda, 2005 mengembangkan katalispadat dari gula.Hasil yang di dapatkan bervariasi. Hasilpenelitian Schuchard et al. masih mempunyai problem yaitumereka menemukan aktifitas katalis mulai mengalamikerusakan setelah I jam reaksi, sehingga reaksi yang dihasilkantidak komplit dan pemisahan fase jadi lebih sulit Sedangkanpeneliti yang lain (sda) menyimpulkan dengan reaksi solidesterifikasi biaya bahan baku lebih rendah, tleksibilitas prosesnaik, yield biodiesel lebih tinggi, kemumian biodiesel dangliserol lebih tinggi dan prosesnya lebih aman dan sederhana.Pada penelitian ini peneliti mencoba katalis padat aluminaberbasis logam untuk digunakan pada reaksi transesterifikasipada suhu antara 55-65°C, dengan laju alir < 150 x 10-6 l/jam,panjang reaktor 30 cm, diameter pipa reaktor 2,5 cm. Pelarutyang digunakan adalah methanol (30% dari volume trigliserida).Reaktor di pasang horizontal dengan pemanas dilakukandidalam water batch. Aliran dilakukan secara sirkulasi denganwaktu I jam, 2jam dan 3 jam. Variabel proses yang ditelitiadalah volume crude biodiesel (konversi trigliserida menjadibiodiesel) dan crude gliserin yang dihasilkan. Kemudiandilakukan analisa angka asam, FF A, angka penyabunan danviskositas biodiesel yang dihasilkan. Dari hasil penelitian yangdilakukan disimpulkan bahwa katalis padat alumina berbasislogam berperan cukup aktif untuk memproduksi biodiesel,semakin lama waktu reaksi semakin tinggi konversi yangdihasilkan. Untuk penelitian awal ini didapatkan konversitertinggi 91 % dengan waktu sirkulasi 3 jam. Dengan teknologiini Standar Nasional Indonesia untuk biodiesel dapat dicapai,dilihat dari parameter angka asam, FF A, angka penyabunan danviskositas yang dianalisa.

Kata kunci : katalis padat, alumina, transesterifikasi, biodiesel

Abstract - BIODlESEL PRODUCTION PROCESS IN FIXEDBED REACTOR USING METAL BASED ALUMINA AS SOLID

CATALYST. Biodiesel production process using solid catalysthas been investigated by many researchers such as Scuchard etat., 1997, 1998 using guanidine as catalyst fortransesterification reaction, Suppes et aI, 2000 using CaCO] athigh temperature (> 2200C), Fang Chai et al. 2007 usingheteropolyacid, Rohm Haas using amberlist BD 20, and Wei 2.,

C-l

Keywordsbiodiesel

solid catalyst, alumina, transesterification,


pembentukan sabun tak bisa dihindari, maka pencuciandan pemumian hams maksimal untuk menghasilkanproduk yang standar. Pada proses pemurnian tersebutbeberapa alat yang di perlukan hams di tambahkan,tentunya biaya produksi jadi lebih tinggi. Dengan alasankelemahan diatas, penelitian mencari katalis padat yangpaling effektif untuk produksi biodiesel mulai diperkenalkan.

II. DASAR TEOR!

Proses pembuatan biodiesel yang sudah berkembangsaat ini yang mudah diikuti dan dilakukan adalah prosesreaksi esterifikasi atau transesterifikasi dengan katalisfase liquid asam ataupun bersifat basa dengan suhu dantekanan reaksi yang rendah. Namun dalamperkembangannya proses pemisahan dan pemurnianmasih terkendala dengan adanya lapisan emulsifierpembentukan sabun pada bahan baku dengan kandunganyang cukup tinggi seperti pada minyak jarak pagar atauminyak CPO offgrade. Untuk menghindari permasalahandi atas para peneliti telah mulai berpaling denganmenggunakan katalis padat. Dari hasil penelitianmenunjukkan dengan katalis padat tersebut yield produklebih besar, angka as am dan kandungan gliserol totallebih rendah dari pada menggunakan katalis basa (KOHdan NaOH), produk biodiesel dan gliserol lebih murni,lebih ramah Iingkungan, sehingga biaya produksibiodiesel jadi lebih ekonomis.

Penggunakan katalis padat sudah banyak dilakukanoleh para peneliti. Schuchard et al., 1997,1998 telahmencoba guanidine (organik polimer) sebagai katalispada reaksi transesterifikasi, dengan sistem kontinu dantelah menghasilkan patent p93246, 1984. Pada penelitianini problem yang ditemui aktifitas katalis mulaimengalami kemsakan setelah I jam reaksi, sehinggareaksi yang dihasilkan tidak komplit sehingga pemisahanfase jadi lebih sulit. Suppes et al., 2000 telahmenggunakan CaC03 dengan reaksi sistem batchberbahan baku lemak sapi dan minyak kedelai, pelarutyang digunakan diethylene glycol (DEG). Walaupunhasilnya bel urn jelas. Kerusakan CaC03 di sebabkan olehdegradasi thermal pada suhu tinggi, sehingga disarankansuhu reaksi tidak boleh > 220°C. Lancaster (Windham,NH), lOW A Limestone Co (Des Moines, IA.) daftar yangberpotensi menjadi katalis : Tl(OR)4, (CI~H17SnhO,NaZC03, KZC03, ZnC03, MgC03, CaC03, ZnO,CH3COOCa, CHCOOBa.

Fang Chai et at, 2007 mengembangkan reaksikatalitik heteropolyacid (ifp A) CS~.5Ho.5PW12040 untukmemproduksi biodiesel dari Eruca Sativa Gars. Oils

(ESG oil) dengan methanol dan suhu reaksi yangbervariasi. Mereka mempelajari optimasi kondisi reaksiseperti : waktu reaksi, temperatur, rasio minyak danmethanol, jumlah katalis. Hasil penelitian menunjukkanaktifitas yang hampir sarna dengan hasil reaksi dengankatalis basa ataupun asam, dan pemisahan produk lebih

ISSN 1693-4687

mudah. Dan kesimpulan yang lebih penting merekamendapatkan aktifitas katalis tidak dipengamhi olehkandungan FFA dan kandungan air minyak nabati. Padareaksi esterifikasi dapat beIjalan pada temperatur rendahdan waktu reaksi lebih pendek. Biodiesel yang dihasilkanmasuk pada standar ASTM.

Rohm Haas, menggunakan katalis amberlist BD 20pada reaksi esterifikasi dengan kandungan FFA tinggimisalnya untuk crude vegetable oils, lemak binatang,lemak, fatty acid distillate dan material recycle denganrange FFA 0.5-100%, mereka mendapatkan untuk semuabahan baku diatas didapat konversi yang signifikan.Mereka menyimpulkan dengan reaksi solid esterifikasi inibiaya bahan baku lebih rendah, fleksibilitas proses naik,yield biodiesel lebih tinggi, kemumian biodiesel dangliserol lebih tinggi dan prosesnya lebih aman dansederhana. Paten (pending) : AMBERSEp™ BDI9,AMBERLITE ™ BDlODRyTM, AMBERSEp™ BD50.

We; Z., 2008, menggunakan cangkang telur yangdikalsinasi pada proses pembuatan katalis dengan suhutertentu, lalu katalis cangkang telur ini merekaaplikasikan pada reaksi transesterifikasi trigliserida,Mereka observasi dan investigasi struktur dan

. aktivasinya. Mereka menemukan aktifasi yang tinggidengan kualitas biodiesel yang cukup baik.

Masakazu Toda, 2005, mengembangkan katalis padatdari gula untuk memproduksi biodiesel. Mereka melihattingginya performance katalis terhadap kualitas produksibiodiesel yang dihasilkan, katalisnya mudah di recycle.

Fixed Bed Reactor (FBR) merupakan reaktor yang dibuat dari pipa PVC I" panjang 30 cm, yang di letakkansecara horizontal ke dalam waterbatch sehingga panasreaksi dapat di jaga konstan. Katalis yang berbentuk

bubuk (200 f.lm) dimasukkan kedalam kertas saring laludimasukkan kedalam pip a, sehingga katalis tidak akanikut pada aliran. Sistem yang digunakan adalah reaktorrecycle yang diharapkan hasilnya akan mendekati hasilreaktor berpengaduk.

Skema Recycle Reactor untuk sistem kontinu menurutLeven Spiel (bab 6) ditunjukkan pada gambar I.

(FAO)FAI LPlug flowFAO

XAI

(R + l)vf vfKVI XA2 --+--+

XAf = XA2

Vo

LXAO = 0

~RVfv3 = RVf

FA3

GambaI'. 1 Nomenklatur Recycle Reactor (Leven Spiel)

Dari grafik pada gambar 2a dan persamaannya padagambar 2b dapat dilihat bahwa pada FBR dengan sistemrecycle, semakin besar jumlah volume yang di recyclesistem reaksi akan semakin mendekati sistem reaktorberpengaduk.

C-2


ISSN 1693-4687

General representationfor any 8

Special caseonly for 8 = 0

terkecil. Maka persamaan (9) menjadi persamaan reaksielementer yang sederhana berorde 1 seperti dibawah ini:

(5)

1=r

o

Namun karena pada penelitian ini katalisnya berfaseheterogen dengan reaktannya, maka menentukan lajureaksi katalitik tidak semudah menentukan laju reaksipada fase homogen. Pada penelitian ini bila inginmenentukan laju reaksi heterogen katalitik maka harus diketahui beberapa tahapan proses reaksi heterogen sepertidi bawah ini :

Gambar.2a.Representasi ketika densitas/volume campuran reaksi tidakberubah atau konstan • Perpindahan massa reaktan dari bulk ke permukaan

katalis (proses diffusi)• Diffusi reaktan dari pori permukaan ke dalam pori

internal katalis

• Adsorpsi reaktan ke permukaan katalis• Reaksi pada permukaan katalis• Desorption prooduk dari permukaan• Diffusi produk dari dalam ke permukaan luar katalis• Perpindahan massa produk dari pori luar ke bulk.

Gambar 2b. Persamaan Performance Recycle Reactor

A. Stoikiometri reaksi

Stoikiometri reaksi transesterifikasi trigliseridamenjadi biodiesel atau dikenal dengan methyl estermenggunakan katalis homogen, adalah sebagai berikut :

Tahapan prosesnya bila dilihat dari awal fluidaterdifusi kepermukaan luar pori katalis sampai dihasilkanproduk reaksi, dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Mantle area on which reactionis occurring, S = 2WTdx

(1)

Trigli + 3Alkohol <=:>3Alk Ester + Gliserolkl

A+3B<=:>3C+Dk2

(2)Gambar 3.Tahapan proses reaksi katalitik perelemen pori katalis

n menyatakan kalau B di tambahkan berlebihan yangtidak sesuai dengan hukum stoikiometri reaksi, sehinggaCB di tentukan dari CBo-b/a (CAoXA).

Leven spiel menyatakan bila salah satu reaktan ditambahkan berlebihan (excess) terhadap reaktan yang lainmaka reaktan tersebut dapat diabaikan sehingga lajureaksi hanya tergantung pada reaktan dengan mol

Stoikiometri reaksi menunjukkan reaksi diatas adalahreaksi reversible, tapi pada prakteknya di lapanganpelarut methanol di berikan secara berlebihan dengantujuan laju reaksi lebih cepat dengan konversi reaktanmenjadi produk lebih besar. Maka reaksi cenderungkekanan sehingga kesetimbangan reaksi sulit dicapai,sehingga reaksi menjadi reaksi kesatu arah saja yaituirreversible. Sehingga persamaan (7) dapat ditulis sepertidi bawah ini:

Elementary section of catalystpore shown in Fig. 3

No reaction atend of pore

B. Material balance untuk reaktan A per section element

Output - input + yang hilang kama reaksi = 0

(6)

L

A - produk + (-rA)V = 0

o

"'"

~ c~i"0coro

c•.<.>coU

Kemudian gambar di bawah ini menunjukkan profilpenurunan konsentrasi reaktan sepanjang volume katalispadat dalam fungsi waktu reaksi.

Xin""'" '-XoutDistance along pore, x

Gambar 4.Profil penUlUnan konsentrasi reaktan sepanjang volumekatalis.

(4)

(3)

kl

A+3B~3C+D

C-3

Prosiding Seminar Nasional Daur Bahan Bakar 2009Serpong, 13 Oktoher 2009

Pengaruh koefisien difusivitas terhadap laju reaksi dapatdilihat pada persamaan.

dCA d2CAU ----cil - D d[2 + kC'),. = 0

Disubstitusikan pers (12) (5) kedalam persamaan(6),maka didapatkan hasilnya :

Dari persamaan laju reaksi diatas, kemudian disubstitusikan kedalam persamaan desain FBR. Dimanasemua persamaan desain untuk reactor ideal katalitik atau

reactor fluida-solid dihasilkan dari reactor homogen, yangmembedakan adalah pada volume katalis yang tergantungdengan berat dan densitas katalis. Untuk reactor batchideal, bentuk diferensial persamaan desain reaksiheterogen sebagai berikut:

"dX , w-" AO -- = - r. dT A •••••••• (8)

Sedangkan untukfixed bed ideal reactor adalah

ISSN 1693-4687

sehingga sulit untuk mencapai titik keseimbangan, namundengan sistem recycle yang cukup lama dan porositasinternal katalis cukup besar, maka pressure drop akanmembantu distribusi reaktan menuju site active katalislebih cepat.

!-1.0%W -'-2.0%w ~1.5%w

~OO~.gj 80.;:Q)

~ 60CI.;:~ 40~Q)

~ 20o

::co

1.0 2.0 3.0Waktu sirkulasii Oam)

Gambar.5. Pengaruh % berat katalis padat terhadap konversi trigliseridamenjadi biodiesel didalamfixed bed reaktor recycle

dX = _ r;"F AO dW Dengan mengasumsi bahwa volume yang direcyclemembuat sistem FBR hampir sarna dengan sistemberpengaduk maka laju reaksi reaksi di hitung dengansistem batch berorde reaksi 1 untuk trigliserida.Persamaan di hitung dengan metode diferensial seperti dibawah ini :

(9)Kemudian persamaan Illl dimasukkan kedalam

persamaan diatas (7) dan di selesaikan dengan programkomputer akan lebih mudah.

Pada penelitian awal ini peneliti belurn sampaimenentukan laju reaksi katalitik heterogennya, tapi barupada kinerja katalis padat tipe alumina berbasis logamapakah dapat memperbesar konversi gliserida menjadibiodiesel (methyl ester).

dCA = kjCA- rA = - dt

(10)

Gambar 6. kurva laju reaksi vs konsentrasi reaktan

Y = 1.052 X - 0.1757

Dari grafik diatas didapat harga konstanta kecepatanreaksi 1.052, dengan persamaan empiris dari reaksipembuatan biodisel dalam FBR adalah sebagai berikut :

III. METODOLOGI

Fixed Bed Reactor (FBR) merupakan reaktor yang dibuat dari pipa PVC 1" panjang 30 em, yang di letakkansecara horizontal di dalam waterbatch sehingga panasreaksi dapat di jaga konstan. Katalis yang berbentukbubuk (dp 200 f!m) dimasukkan kedalam kertas saringlalu dimasukkan kedalam pipa, sehingga katalis tidakakan ikut pada aliran. Sistem yang digunakan adalahreaktor recycle yang diharapkan hasilnya akan mendekatihasil reaktor berpengaduk. Suhu reaksi 55-60°C, wakturecycle 1-2-3 jam, % w katalis 1-2-3%w dan laju alir <150 x 10.6 1/jam.

IV. HASILDANPEMBAHASAN

Kinerja jenis katalis alumina berbasis logam dalammempercepat Jaju reaksi dan memperbesar konversitrigliserida menjadi biodiesel dapat dilihat pada grafikpada gambar 5.

Didalam fixed bed reactor dengan recycle, konversimulai konstan pad a waktu reaksi yang sarna yaitu antara1.5-1.7 jam, dan semakin besar jumlah katalis semakintinggi konversi trigliserida menjadi biodiesel (91%).Diketahui bahwa didalam fixed bed reactor, dengankatalis padat yang kompak, akan membuat adanyapressure drop yang cukup besar dalam sistem reaksi,

C-4

4.54

3.53

2.52

1.51

0.5o

0.3567 5.67 4.352InCA

(11 )


V. KESIMPULAN

Dan hasil penelitian yang dilakukan disimpulkanbahwa katalis padat alumina berbasis logam berperancukup aktif untuk memproduksi biodiesel, semakin lamawaktu reaksi semakin tinggi konversi yang dihasilkan.Untuk penelitian awal ini didapatkan konversi tertinggi91% dengan waktu sirkulasi 3 jam. Dengan teknologi iniStandar Nasional Indonesia untuk biodiesel dapat dicapai,dilihat dan parameter angka asam, FFA, angkapenyabunan dan viskositas yang dianalisa.

DAFTARPUSTAKA

[I] FANG CHA!, FENGHUA CAO, FENGYING ZHAI,YANG CHEN, XIAOHONG WANG, ZHONGMIN SU,"Transesterification of Vegetable Oil to Biodiesel using aHeteropolyacid Solid Catalyst"

[2] GRYGLEWICKS S,"Rapeseed oil methyl esterspreparation using heterogeneous catalysts", Bioresourcetechnology ISSN 0960-8524

C-5

ISSN 1693-4687

[3] MASAKAZU TODA, ATSUSHI TAKAGAKI, MA!OKAMURA, JUNKO N. KONDO, SHIGENOBUHAYASHI, KAZUNARI DOMEN, & MICHIKAZUHARA, Green chemistry: "Biodiesel made with sugarcatalyst", Nature 438, 178, 10November 2005.

[4] ROHM HASS AMBERLYS'fTM BD20, "Solid CatalystFFA Esterification Technology", Science Direct, 2008

[5] SATOSHI FURUTA, HIROMI MATSUHASHI, ANDKAZUSHI ARATA,"Biodiesel fuel production with solidamorphous-zirconia catalysis in fIXed bed reactor",Biomass and Bioenergy Volume 30, Issue 10,Pages 870873, October 2006

[6] SATOSHI FURUTA,'HIROMI MATSUHASHI" ANDKAZUSHI ARATA,"Biodiesel fuel production with solidsuperacid catalysis in fixed bed reactor under atmosphericpressure", Catalysis Communications, Volume 5, Issue 12,Pages 721-723, December 2004.

[7] WEI Z, XU C, LI B. "Application of waste eggshell aslow-cost solid catalyst for biodiesel production", BioresourTechno\. 100(11):2883-5,2009.

proses pembuatan biodiesel di dalam reaktor...

Documents