Produksi Methyl Ester Sulfonate dari Methyl Ester : 1. Review Teknologi dan Seleksi Proses

Transkripsi

1 PRSIDING SNTK TPI 2011 ISSN Produksi Sulfonate dari : 1. Review Teknologi dan Seleksi Proses Aisyah Ardy, Ariesti Haryu Lestari, Lisa Legawati, Hari Rionaldo, Zulfansyah Laboratorium Pengendalian dan Perancangan Proses Jurusan Teknik Kimia, Universitas Riau Kampus Binawidya Km 12,5 Simpang Baru Panam, Pekanbaru zulfansyah@unri.ac.id Abstract Indonesia is the largest producer of Crude Palm il (CP) with production 25.4 million metric tons at It has a potentially to develop downstream industry such as biodiesel, cooking oil, soap, and surfactant industry. Sulfonates (MES) is an anionic surfactants derived from biorenewable resources such as CP. MES has been considered as an alternative anionic surfactant for Linier Alkyl Benzene Sulfonates (LAS). MES has a good detergency, water hardness tolerance, and rapid biodegradability. The objective of this article is to review production of MES technology and process selectivity. The MES production technology is develop slowly. Generally, MES production process through the 4 stage processes, they are sulfonation, bleaching, neutralization, and drying. Drying is carried out if the desired product is granular. MES manufacturing technology is differentiated based on reagent that use in the sulfonation process. leum-h 2 S 4 and S 3 gas are reagent that can be used in MES manufacture process. S 3 gas is the most commonly used. Keywords: anionic surfactant, crude palm oil, methyl ester sulfonate, S 3 1 Pendahuluan Indonesia merupakan negara penghasil Crude Palm il (CP) terbesar didunia dengan produksi 25.4 juta ton pada tahun Produksi CP di Indonesia meningkat rata rata sebesar 7.2% setiap tahun (Tabel 1). Hasil produksi CP ini sekitar 77% nya di ekspor dan sisanya digunakan untuk konsumsi domestik [USDA., 2011]. Besarnya produksi CP Indonesia memungkinkan untuk mengembangkan industri hilir. Salah satu produk dari industri hilir adalah methyl ester (ME). ME selanjutnya dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku dalam pembuatan surfaktan Sulfonate (MES). Sulfonate (MES) merupakan surfaktan anionik berbasis oleokimia. MES diharapkan dapat menggantikan Linier Alkyl Benzene Sulfonate (LAS) yang berbasis petrokimia. MES memiliki kemampuan detergency yang baik, memiliki daya tahan terhadap kesadahan air, lebih cepat terdegradasi dibandingkan LAS [Martinez et al., 2010]. Selain mempunyai kinerja yang baik sebagai surfaktan, biaya produksi MES juga lebih kecil dibandingkan dengan biaya produksi LAS. Hal inilah yang membuat MES banyak dikembangkan [Ahmad, 2006]. Teknologi proses pada pembuatan MES dibedakan berdasarkan reagent yang digunakan selama proses sulfonasi berlangsung. Pemakaian reagent yang berbeda ini akan menyebabkan penanganan pada tahap sulfonasi dan produk yang dihasilkan akan mempunyai komposisi yang berbeda. Tulisan ini akan memaparkan teknologi proses yang dapat digunakan secara komersial dalam pembuatan MES, serta teknologi proses terbaik untuk produksi MES. Tabel 1. Data Produksi, Ekspor dan Konsumsi Domestik CP di Indonesia Produksi Konsumsi Ekspor Tahun CP Domestik Jun Sumber: USDA., Uraian Umum Proses Pembuatan Methyl Ester Sulfonate (MES) Sulfonate (MES) pertama kali diteliti oleh United Stated Departement of Agriculture pada pertengahan 1950 an berbahan baku tallow. Sejak tahun 1983, Chemithon Corporation mengetahui pentingnya IP05-17

2 PRSIDING SNTK TPI 2011 ISSN CH 3 + H 2 S 4 CH 3 + H 2 S 3 H ic Acid Sulfonic Acid () Gambar 1. Reaksi Sulfonasi leum H 2 S 4 dengan CH 3 + S 3 CH 3 Trioxcide S 3 H Sulfonic Acid () Gambar 2. Reaksi Sulfonasi Gas S 3 dengan MES dan melakukan penelitian untuk mengembangkan proses pembuatan MES yang komersial. Tahun 2005 Malaysia memperkenalkan potensi crude palm oil (CP) sebagai bahan baku pembuatan MES. Saat ini MES telah diproduksi dengan bahan baku palm oil oleh 3 perusahaan besar. Perusahaan tersebut adalah Lion (40000 ton/tahun) di Jepang, Stepan (50000 ton/tahun) di USA, dan Huish Detergents (80000 ton/tahun). Secara umum, proses pembuatan MES dilakukan dalam 4 tahap yaitu tahap sulfonasi, bleaching, netralisasi, dan drying. Pada tahap sulfonasi methyl ester direaksikan dengan S 3 untuk menghasilkan ( Sulfonic Acid). Reaksi sulfonasi ini merupakan reaksi eksoterm. Tahap selanjutnya yaitu bleaching, pada tahap ini dilakukan pengurangan warna pada. yang dihasilkan mengalami pemekatan warna, oleh karena itu harus dilakukan proses bleaching untuk mencapai spesifikasi bahan yang diinginkan. Setelah tahap bleaching selesai, kemudian dilanjutkan dengan tahap netralisasi. Pada tahap ini, dinetralisasi sehingga menghasilkan MES berbentuk pasta. Setelah didapatkan MES dalam bentuk pasta, selanjutnya dilakukan tahap terakhir pada pembuatan MES yaitu tahap drying. Pada tahap ini, MES yang dihasilkan kemudian dikeringkan agar didapat MES dalam bentuk granular. MES dalam bentuk granular inilah yang selanjutnya akan dipasarkan. 3 Teknologi Proses Pembuatan Sulfonate (MES) Sampai saat ini teknologi pembuatan MES dibedakan berdasarkan proses sulfonasinya. Proses sulfonasi pada pembuatan MES berdasarkan reagent yang digunakan adalah leum/h 2 S 4, dan Gas S 3. leum H 2 S 4 leum H 2 S 4 sering digunakan sebagai agen sulfonasi. Reaksi sulfonasi dengan menggunakan reagent ini ditunjukkan pada Gambar 1. Selama reaksi berlangsung, air dihasilkan sebagai produk samping. H 2 S 4 ini memiliki suatu keunikan yaitu reaksi sulfonasi akan berhenti jika konsentrasi asam sulfat turun hingga 90% [Foster, 1997]. Material yang digunakan dalam reaktor sangat penting untuk diperhatikan karena H 2 S 4 bersifat sangat korosif. Proses ini mempunyai 2 keuntungan yaitu harga S 3 yang relatif murah dan biaya investasi peralatan yang cukup rendah. Tetapi, proses ini merugikan karena selama proses berlangsung banyak H 2 S 4 yang tidak bereaksi. Gas S 3 Gas S 3 dibuat dengan menggunakan sistem pembakaran sulfur. Proses sulfonasi merupakan reaksi gas S 3 berlebih dengan asam lemak atau turunannya untuk memproduksi sulfonic acid. Reaksi yang terjadi dapat dilihat pada Gambar 2. Reaksi dilakukan dalam reaktor falling film dan digester. Sekitar 75% reaksi sulfonasi berlangsung dalam reaktor falling film. Digester merupakan salah satu bentuk baffled plug flow reactor dimana temperatur reaktor terkontrol dan dibuat dari bahan stainless steel. Reaksi sulfonasi dan tahap digestion dikontrol untuk menghasilkan produk akhir dengan kadar minyak yang rendah, yield yang tinggi, warna yang cerah, dan hanya menggunakan sedikit S 3 [Hovda, 1996]. Pada tahap sulfonasi ini rasio mol antara methyl ester dan gas S 3 yang dimasukkan kedalam reaktor adalah 1:1.5 (lebih sering digunakan 1:1.25), kemudian dilanjutkan dengan tahap digestion pada C (temperatur yang sering digunakan 85 0 C) selama 30 IP05-18

3 PRSIDING SNTK TPI 2011 ISSN menit. Sebelum gas S 3 masuk kedalam reaktor, S 3 dicampur dengan gas inert sehingga konsentrasi gas S 3 yang masuk kedalam reaktor 7% volum. Methyl ester dan gas S 3 masuk kedalam reaktor falling film dengan aliran countercurrent [Hovda, 1996]. 4 Pemilihan Teknologi Proses Pembuatan Sulfonate (MES) Pemilihan teknologi proses pembuatan Methyl Ester Sulfonate (MES) dilakukan untuk mendapatkan proses terbaik baik dari segi ekonomi maupun karakteristik produk. Terdapat dua macam teknologi proses yang akan ditinjau yaitu oleum-h 2 S 4 dan gas S 3. Perbandingan teknologi proses pembuatan MES dapat dilihat pada Tabel 2. Dari Tabel 2 terlihat bahwa kedua teknologi proses ini memiliki kelebihan dan kekurangan masing masing. leum H 2 S 4 dan gas S 3 merupakan bahan kimia dengan tingkat bahaya yang tinggi. Menurut heuristicnya jika menggunakan bahan beracun dan berbahaya maka digunakan salah satu reaktan berlebih selama reaksi berlangsung agar bahan tersebut dapat terkonsumsi sempurna [Seider, 2003]. Pada pembuatan MES dengan menggunakan leum-h 2 S 4 tidak terlihat adanya penanganan khusus untuk pemakaian bahan berbahaya. Sedangkan pada pembuatan MES dengan menggunakan gas S 3 dilakukan penanganan dengan cara menurunkan konsentrasi S 3 pada aliran umpan reaktor. Konsentrasi S 3 diturunkan dengan cara menambahkan gas inert seperti N 2 pada aliran masuk gas. Reaksi sulfonasi pembuatan MES merupakan reaksi yang sangat eksotermis. Menurut heuristic, untuk mengontrol temperatur akibat reaksi eksotermis dapat menggunakan reaktan berlebih, pengenceran dengan penambahan inert, atau dengan cara cold shot [Seider, 2003]. Pada teknologi proses pembuatan MES menggunakan oleum-h 2 S 4 penanganan yang dilakukan hanya dengan pendinginan menggunakan air laut. Sedangkan jika menggunakan gas S 3, penanganan yang dilakukan untuk menghilangkan panas akibat reaksi eksotermis dengan cara penambahan gas inert pada aliran gas S 3 sehingga pendinginan dari luar hanya dilakukan dengan air pendingin sehingga membutuhkan biaya yang lebih murah. Tabel 2. Perbandingan Teknologi Proses leum-h 2 S 4 dan gas S 3 Faktor Pembanding leum-h 2 S 4 Gas S 3 Sistem Pemprosesan Batch atau Continuous Continuous Harga Reagent Relatif Murah Murah Sulfonasi Menghasilkan air sebagai produk Tidak ada air yang diproduksi Rasio mol, penyelesaian reaksi Kelarutan reagent Agitasi samping 3-4 mol; reagent berlebih tidak terlalu kritikal Tidak bercampur dengan bahan organik; reaksi 2 liquid yang tidak saling larut Perlu dilakukan 1 mol; reagent berlebih sangat kritikal Reaksi 2 fasa; liquid gas Tidak membutuhkan agitasi, hanya menggunakan kecepatan reaksi falling film Proses falling film (waktu kontak cepat) mengikuti profil temperatur reaksi tinggi; tidak menggunakan solvent Bervariasi ( C); tergantung Temperatur reaksi kualitas warna produk; pelarut sering digunakan untuk menurunkan viskositas Viskositas reaksi campuran Relatif rendah Tinggi Kecepatan reaksi Lambat Instan (seketika) Sangat eksotermis; tidak Panas masuk Panas untuk reaksi membutuhkan penambahan panas Heat exchange Temperatur reaksi rendah membutuhkan sistem pendingin dengan menggunakan air laut Menggunakan pendingin air untuk sulfonasi; sangat efisien Reaksi samping Sedikit Banyak Warna produk Cerah Gelap, kecuali sistem falling film Sulfonic acid hasil Pemisahan campuran reaksi; perlu penambahan H 2 ; sebagian warna hilang selama pemisahan H 2 S 4 Campuran reaksi homogen Reagent boiling point C C Sumber : thmer, 1999 IP05-19

4 PRSIDING SNTK TPI 2011 ISSN Supply Exhaust Gas S 3 Gas Generator S 3/Air S 3 Absorber S 2 Absorber Air Air Supply Reactor System Electrostatic Precipitator Recovered Bleacher Digestion H 2 2 Neutralizer NaH MeH MES Turbo Tube Dryer Systems MeH/ Product Cooling System Dry Flake MES Methanol Recovery Gambar 3. Blok Diagram Pembuatan MES Harga bahan baku pada pemakaian gas S 3 memberikan biaya yang lebih rendah jika dibandingkan dengan menggunakan leum-h 2 S 4. Sehingga teknologi proses yang terbaik untuk memproduksi MES adalah dengan menggunakan gas S 3. Blok diagram proses pembuatan MES dengan menggunakan gas S 3 dapat dilihat pada Gambar 3. Pada proses pembuatan MES, gas S 3 masuk kedalam reaktor dengan konsentrasi 7% volum dan temperatur gas masuk sekitar 42 0 C. ME masuk kedalam reaktor pada temperatur antara C, diatas titik beku ME. Laju alir massa reaktan dikontrol sehingga rasio mol antara S 3 dan ME berada pada range dari Pemilihan rasio mol tergantung pada selektifitas ME pada reaksi samping dan pembentukan produk samping. Termasuk oksidasi gugus alkil oleh S 3, sulfonasi beberapa hasil olefin, pembentukan methyl sulfuric acid dan hidrolisis ester membentuk disalt [Zoller, 2009]. Sulfonic Acid () yang terbentuk selama proses sulfonasi pada reaktor falling film, kemudian dialirkan kedalam sistem digester, selama proses ini temperatur naik dengan cepat. Setelah diolah didalam digester, kemudian metanol (30-35%wt) dan 50% hidrogen peroksida dicampurkan dengan didalam bleacher. Proses bleaching dilakukan selama jam, semakin lama waktu bleaching bisa menghilangkan warna selama peroksida tidak terkonsumsi. Metanol berlebih sangat efektif untuk menekan produksi disalt dan secara signifikan menurunkan viskositas campuran [Zoller, 2009]. yang telah mengalami pengurangan warna kemudian dinetralisasi dengan penambahan 50% NaH. yang telah dinetralisasi membentuk MES dalam bentuk pasta. Reaksi netralisasi menjadi MES ditunjukkan pada Gambar 4. MES pasta kemudian dikeringkan di dryer untuk memisahkan air dan metanol sisa. MES masuk kedalam proses pengeringan pada IP05-20

5 PRSIDING SNTK TPI 2011 ISSN CH 3 + NaH CH 3 + H 2 S 3 H S 3 Na Sulfonic Acid () Sodium Hydroxide Sulfonate (MES) Gambar 4. Reaksi Netralisasi menjadi MES temperatur C dan beroperasi pada kondisi vakum pada tekanan torr. Tahap terakhir pada pembuatan MES adalah menyiapkan komposisi akhir produk MES dalam bentuk liquid, semi-solid bar atau solid granule, dengan menggunakan teknologi yang tepat [Zoller, 2009]. Teknologi pembuatan MES dengan menggunakan gas S 3 menghasilkan produk dengan karakteristik yang baik sehingga cocok digunakan sebagai surfaktan. Selain itu, teknologi proses produksi MES dengan menggunakan gas S 3 sangat kompetitif jika ditinjau dari segi ekonomi. 5 Kesimpulan Teknologi proses pembuatan MES yang terbaik untuk digunakan secara komersial adalah menggunakan reagent gas S 3. Pemilihan ini berdasarkan pertimbangan bahan baku yang murah, penanganan yang mudah, dan yield yang tinggi. Dengan menggunakan teknologi proses ini produk akhir memiliki kadar minyak yang rendah dan warna yang cerah. Teknologi proses produksi MES dengan menggunakan gas S 3 sangat kompetitif jika ditinjau dari segi ekonomi karena biaya investasi yang rendah. Foster, N.C Sulfonation and Sulfation Processes, 1 ktober 2010 Hovda, K.D Sulfonation of Fatty Acid Ester, U.S. Patent No. 5,587,500 Martinez, D., G., rozco, S., Rincon, and I., Gil, Simulation and Pre-Feasibility Analysis f The - Sulfonates -MES) Bioresource Technology. 101(2010): thmer, K Encyclopedia f Chemical Technology. Fourth edition. John Wiley & Sons : New York. Seider, W Product & Process Design Principles. Second Edition. John Wiley and Sons : New York. USDA, 2011, Palm il: World Supply and Distribution juni Zoller, U Handbook f Surfactant. Part F: Production. CRC Press : New York. Daftar Pustaka Sulfonates A Guide To Biorenewable Resources. September. p.13. IP05-21