BAB II. DESKRIPSI PROSES Proses pembuatan Dicalcium Phosphate Dihydrate (DCPD) dipilih berdasarkan bahan baku yang akan digunakan karena proses yang akan berlangsung dan produk yang akan dihasilkan akan bergantung pada bahan baku yang akan digunakan. A. Jenis-Jenis Proses Dicalcium Phosphate dikenal juga sebagai kalsium fosfat monohydrogen yaitu dibasa calsium pospat. Zat ini berwujud bubuk putih yang tidak berbau. Zat ini biasanya ditemukan dalam bentuk dihidrat dengan rumus kimia CaHPO.H O. Proses pembuatan Dicalcium Phosphate Dihydrate (DCPD) dapat dilakukan dengan bahan baku yang berbeda-beda. 1. Pembuatan dicalcium phosphate dihydrate dari asam fosfat (H 3 PO ) dan kalsium hidroksida (Ca(OH) ) (Jurnal Research and Design Trans IChemE Part A, 007) Proses pembuatan DCPD dengan bahan dasar H 3 PO dan Ca(OH) dilakukan pada temperatur 35 o C. H 3 PO yang digunakan memiliki kemurnian 85 % dan Ca(OH) memiliki kemurnian 96 %. Larutan Ca(OH) yang sudah terbentuk disaring terlebih dahulu untuk menghilangkan impurities yang tidak terlarut. Konsentrasi larutan H 3 PO dan Ca(OH) yang digunakan adalah M. Proses
1 pembuatan DCPD dilakukan dengan cara mereaksikan larutan H 3 PO dan larutan Ca(OH) untuk membentuk endapan DCPD (CaHPO.H O). Setelah terbentuk endapan, maka endapan dipisahkan dari larutan induknya. Karena ukuran partikel belum sesuai dengan ukuran standar untuk feed additive pada pakan ternak maka dilakukan proses agglomerator di Granulator dengan penambahan corn starch sebagai binder (perekat). Setelah itu padatan dipisahkan dari larutan induknya kemudian dikeringkan.. Pembuatan dicalcium phosphate dihydrate dari diammonium hidrogen fosfat ((NH ) HPO ) dan kalsium klorida dihidrat (CaCl.H O) (United States Patent No. 3,095,69) Proses pembuatan DCPD dengan bahan dasar (NH ) HPO dan CaCl.H O dilakukan pada temperatur 0-65 o C. Konsentrasi larutan (NH ) HPO dan CaCl.H O yang digunakan antara 0,1 sampai 3 M. Proses pembuatan DCPD dilakukan dengan cara menambahkan larutan (NH ) HPO ke dalam larutan CaCl.H O untuk membentuk endapan DCPD (CaHPO.H O). Setelah terbentuk endapan, maka endapan dipisahkan dari larutan induknya kemudian dicuci dan dikeringkan di bawah temperatur 65 o C. Apabila proses dilakukan pada temperatur rendah maka akan dihasilkan kristal bentuk diamond dengan ukuran besar tetapi yield-nya rendah. Namun apabila dilakukan pada temperatur tinggi maka akan dihasilkan kristal bentuk kubik dengan ukuran lebih kecil dan yield akan meningkat.
15 3. Pembuatan dicalcium phosphate dihydrate dari potassium dihidrogen fosfat (KH PO ) dan kalsium klorida dihidrat (CaCl.H O) (Jurnal Philosophical Transactions of The Royal Society A, 010) Proses pembuatan DCPD dengan bahan dasar KH PO dan CaCl.H O dilakukan pada temperature 37 o C. KH PO yang digunakan memiliki kemurnian 99,5 % dan CaCl.H O memiliki kemurnian 99,9 %. Larutan yang sudah terbentuk disaring terlebih dahulu untuk menghilangkan impurities yang tidak terlarut. Filter yang digunakan adalah Polytetrafluoroethyene (PTFE) dengan ukuran 0, µm. Konsentrasi larutan KH PO dan CaCl.H O yang digunakan antara 0,1 M. Proses pembuatan DCPD dilakukan dengan cara menambahkan larutan KH PO ke dalam larutan CaCl.H O untuk membentuk endapan DCPD (CaHPO.H O). Setelah terbentuk endapan, maka endapan dipisahkan dari larutan induknya kemudian dicuci dan dikeringkan. B. Pemilihan Proses Proses pembuatan Dicalcium Phosphate Dihydrate (DCPD) dipilih berdasarkan pertimbangan aspek termodinamika dan aspek ekonomi: 1. Aspek Termodinamika Pemilihan proses secara termodinamika bertujuan untuk mengetahui kelayakan proses secara komersial berdasarkan pada unjuk kerja reaksi. Hal ini dilakukan berdasarkan pada perhitungan nilai G o reaksi. Perhitungan G o reaksi dilakukan dengan menggunakan data pada Tabel.1.
16 Tabel.1 Nilai G o bahan baku dan produk Senyawa G o (kj/mol) CaHPO.H O -.15,75 Ca(OH) -897,50 CaCl.H O -78,80 H 3 PO -1.13,60 (NH ) HPO -1.60,9 KH PO -1.15,90 HCl -95,30 KCl -08,50 NH Cl -0,90 Sumber: Standart Thermodynamic Properties of Chemical Substances a. Pembuatan dicalcium phosphate dihydrate dari asam fosfat (H 3 PO ) dan kalsium hidroksida (Ca(OH) ) Reaksi: H 3 PO (aq) + Ca(OH) (aq) CaHPO.H O (s) G o reaksi = G o produk - G o reaktan = [-.15,75 kj/mol] [-1.13,6 kj/mol + (-897,5 kj/mol)] = [-.15,75 kj/mol] [-1.13,6 kj/mol - 897,5 kj/mol] = [-.15,75 kj/mol] [-.01,1 kj/mol] = -.15,75 kj/mol +.01,1 kj/mol = -133,65 kj/mol b. Pembuatan dicalcium phosphate dihydrate dari diammonium hidrogen fosfat ((NH ) HPO ) dan kalsium klorida dihidrat (CaCl.H O) Reaksi: (NH ) HPO (aq) + CaCl.H O (aq) CaHPO.H O (s) + HN Cl (aq) G o reaksi = G o produk - G o reaktan
17 = [-.15,75 kj/mol + (x(-0,9 kj/mol))] [-1.60,9 kj/mol + (-78,8 kj/mol)] = [-.15,75 kj/mol + ( -05,8 kj/mol)] [-1.60,9 kj/mol 78,8 kj/mol] = [-.560,55 kj/mol] [-.351,7 kj/mol] = -.560,55 kj/mol +.351,7 kj/mol = -08,81 kj/mol c. Pembuatan dicalcium phosphate dihydrate dari potassium dihidrogen fosfat (KH PO ) dan kalsium klorida dihidrat (CaCl.H O) Reaksi: KH PO (aq) + CaCl.H O (aq) CaHPO.H O (s) + KCl (aq) + HCl (g) G o reaksi = G o produk - G o reaktan = [-.15,75 kj/mol + ( -08,5 kj/mol) + ( -95,3 kj/mol)] [-1.15,9 kj/mol + (-78,8 kj/mol)] = [-.15,75 kj/mol 08,5 kj/mol 95,3 kj/mol] [-1.15,9 kj/mol 78,8 kj/mol] = [-.658,55 kj/mol] [-.16,7 kj/mol] = -.658,55 kj/mol +.16,7 kj/mol = -93,85 kj/mol. Aspek Ekonomi Pemilihan bahan baku secara ekonomi berdasarkan pada biaya bahan baku yang dibutuhkan untuk menghasilkan 1 kg DCPD. Perhitungan biaya bahan baku dilakukan berdasarkan pada data Tabel..
18 Tabel. Harga Bahan Baku yang Dapat Digunakan dan Produk Bahan Harga ($/Ton) CaHPO.H O 850 Ca(OH) 10 CaCl.H O 350 H 3 PO 500 (NH ) HPO 1.030 KH PO 1.300 Sumber: www.alibaba.com. Tanggal 19 Oktober 011. a. Pembuatan dicalcium phosphate dihydrate dari asam fosfat (H 3 PO ) dan kalsium hidroksida (Ca(OH) ) Reaksi: H 3 PO (aq) + Ca(OH) (aq) CaHPO.H O (s) Asumsi: Basis: 1 kg CaHPO.H O = 0,00581 kmol (BM= 17,09) H 3 PO yang dibutuhkan untuk menghasilkan 1 kg CaHPO.H O = kmol CaHPO.H O x BM H 3 PO = 0,00581 kmol x 98 kg/kmol = 0,569 kg Ca(OH) yang dibutuhkan untuk menghasilkan 1 kg CaHPO.H O = kmol CaHPO.H O x BM Ca(OH) = 0,00581 kmol x 7,093 kg/kmol = 0,31 kg Diketahui kapasitas produksi DCPD: 50.000.000 kg/tahun Maka : H 3 PO yang dibutuhkan per tahun 0,569 kg H3PO 1kgCaHPO.H O x 50.000.000 kg CaHPO.H O
19 = 8.73.73 kg = 8.73,73 ton Ca(OH) yang dibutuhkan per tahun 0,31kg Ca( OH) = x 50.000.000 kg CaHPO.H O 1 kg CaHPO.H O = 1.57.398 kg = 1.57,398 ton Biaya bahan baku per tahun sebesar: = (8.73,73 x $ 500) + (1.57,398 x $ 10) = $ 1.36.736,59 + $.583.87,8 = $ 16.80.0,1 Biaya produksi per kg Dicalcium Phosphate Dihydrate (DCPD): = biaya bahan baku per tahun : kapasitas produksi per tahun = $ 16.80.0,1 : 50.000.000 = $ 0,336 (asumsi $1 = Rp 9.617,00 ) = Rp. 3.35,16 Keuntungan yang diperoleh setiap 1 kg (DCPD): = harga jual produk biaya bahan baku per kg produk = $ 0,850 - $ 0,336 = $ 0,513
0 b. Pembuatan dicalcium phosphate dihydrate dari diammonium hidrogen fosfat ((NH ) HPO ) dan kalsium klorida dihidrat (CaCl.H O) Reaksi: (NH ) HPO (aq) + CaCl.H O (aq) CaHPO.H O (s) + HN Cl (aq) Asumsi: Basis: 1 kg CaHPO.H O = 0,00581 kmol (BM= 17,09) (NH ) HPO yang dibutuhkan untuk menghasilkan 1 kg CaHPO.H O = kmol CaHPO.H O x BM (NH ) HPO = 0,00581 kmol x 13,07 kg/kmol = 0,767 kg CaCl.H O yang dibutuhkan untuk menghasilkan 1 kg CaHPO.H O = kmol CaHPO.H O x BM CaCl.H O = 0,00581 kmol x 17,01 kg/kmol = 0,79 kg Diketahui kapasitas produksi DCPD: 50.000.000 kg/tahun Maka : (NH ) HPO yang dibutuhkan per tahun 0,767 kg ( HN ) HPO 1kgCaHPO.H O x 50.000.000 kg CaHPO.H O = 38.37.363 kg = 38.37,363 ton CaCl.H O yang dibutuhkan per tahun 0,79kg CaCl.H O = x 50.000.000 kg CaHPO.H O 1 kg CaHPO.H O
1 = 37.79.5 kg = 37.79,5 ton Biaya bahan baku per tahun sebesar: = (38.37,363 x $ 1.030) + (37.79,5 x $ 350) = $ 39.53.53,00 + $ 13.117.79,100 = $ 5.61.63,300 Biaya produksi per kg Dicalcium Phosphate Dihydrate (DCPD): = biaya bahan baku per tahun : kapasitas produksi per tahun = $ 5.61.63,300 : 50.000.000 = $ 1,053 (asumsi $1 = Rp 9.617,00 ) = Rp. 10.15,0 Keuntungan yang diperoleh setiap 1 kg (DCPD): = harga jual produk biaya bahan baku per kg produk = $ 0,850 - $ 1,053 = - $ 0,03 c. Pembuatan dicalcium phosphate dihydrate dari potassium dihidrogen fosfat (KH PO ) dan kalsium klorida dihidrat (CaCl.H O) Reaksi: KH PO (aq) + CaCl.H O (aq) CaHPO.H O (s) + KCl (aq) + HCl (g)
Asumsi: Basis: 1 kg CaHPO.H O = 0,00581 kmol (BM= 17,09) KH PO yang dibutuhkan untuk menghasilkan 1 kg CaHPO.H O = kmol CaHPO.H O x BM KH PO = 0,00581 kmol x 136,09 kg/kmol = 0,791 kg CaCl.H O yang dibutuhkan untuk menghasilkan 1 kg CaHPO.H O = kmol CaHPO.H O x BM CaCl.H O = 0,00581 kmol x 17,01 kg/kmol = 0,79 kg Diketahui kapasitas produksi DCPD: 50.000.000 kg/tahun Maka : KH PO yang dibutuhkan per tahun 0,791 kg KHPO 1kgCaHPO.H O x 50.000.000 kg CaHPO.H O = 39.539.19 kg = 39.539,19 ton CaCl.H O yang dibutuhkan per tahun 0,79kg CaCl.H O = x 50.000.000 kg CaHPO.H O 1 kg CaHPO.H O = 37.79.5 kg = 37.79,5 ton
3 Biaya bahan baku per tahun sebesar: = (39.539,19 x $ 1.300) + (37.79,5 x $ 350) = $ 51.00.95,990 + $ 13.117.79,100 = $ 6.518.683,090 Biaya produksi per kg Dicalcium Phosphate Dihydrate (DCPD): = biaya bahan baku per tahun : kapasitas produksi per tahun = $ 6.518.683,090 : 50.000.000 = $ 1,90 (asumsi $1 = Rp 9.617,00 ) = Rp. 1.09,5 Keuntungan yang diperoleh setiap 1 kg dicalsium pospat dihidrat (DCPD): = harga jual produk biaya bahan baku per kg produk = $ 0,850 - $ 1,90 = - $ 0,0 Tabel.3 Hasil perhitungan aspek termodinamika dan aspek ekonomi Bahan Baku G o Harga Bahan Reaksi Baku Sumber Kalsium Sumber Fosfat (kj/mol) Keuntungan ($/kg produk) ($/kg produk) Ca(OH) H 3 PO -133,65 0,336 0,51 CaCl.H O (NH ) HPO -08,81 1,053-0,03 CaCl.H O KH PO -93,85 1,90-0,0
Berdasarkan pertimbangan-pertimbangan dari Tabel.3 maka dipilih proses pembuatan Dicalcium Phosphate Dihydrate (DCPD) dari asam fosfat (H 3 PO ) dan kalsium hidroksida (Ca(OH) ). C. Uraian Proses Proses pembuatan Dicalcium Phosphate Dihydrate (DCPD) dibagi menjadi tahap yaitu sebagai berikut: 1. Tahap penyiapan bahan baku Tahap penyiapan bahan baku ini bertujuan untuk membuat Ca(OH) solution dan mengencerkan H 3 PO solution. Pembuatan Ca(OH) solution dan H 3 PO solution dilakukan pada Mixing Tank yang berbeda. Partikel Ca(OH) yang akan dibuat menjadi solution memiliki ukuran sebesar 5 µm dengan kemurnian 96 %. Ca(OH) solution sedangkan H 3 PO yang digunakan adalah H 3 PO 85 %. Ca(OH) solution dari Mixing Tank dialirkan ke DSM Screen untuk dihilangkan impuritisnya sebelum direaksikan di Reaktor. Kedua solution ini akan dibuat dengan konsentrasi yang sama yaitu M. Pelarut yang digunakan adalah air.. Tahap reaksi di dalam Reaktor Tujuan dari tahap reaksi di dalam reaktor adalah sebagai berikut: a. Mereaksikan H 3 PO solution dan Ca(OH) solution sehingga akan terbentuk endapan Dicalcium Phosphate Dihydrate (CaHPO. H O atau DCPD). Reaksi dilakukan di reaktor CSTR yang beroperasi pada
5 temperatur 35 o C dan tekanan 1 atm dengan konversi Ca(OH) sebesar 95 %. b. Mempertahankan kondisi operasi reaktor. Reaksi yang berlangsung di dalam Reactor adalah sebagai berikut: H 3 PO (aq) + Ca(OH) (aq) CaHPO.H O (s) H = -16,68 kj/mol H 3 PO solution dan Ca(OH) solution dialirkan menuju Reaktor. Mol H 3 PO dan Ca(OH) yang akan direaksikan sama. Di dalam Reaktor akan terbentuk endapan CaHPO.H O. Reaksi pembentukan CaHPO.H O merupakan reaksi yang berlangsung secara eksotermis sehingga reaksi akan menghasilkan panas dan meningkatkan temparatur Reaktor. Untuk mempertahankan kondisi operasi maka ditambahkan pendingin berupa coil dengan ammonia sebagai media pendinginnya. Hasil dari Reaktor adalah endapan Dicalcium Phosphate Dihydrate (CaHPO.H O) dari campuran H 3 PO, Ca(OH) dan air. Produk dari Reaktor kemudian dialirkan menuju Centrifuge untuk dikurangi kandungan airnya. Filtrat yang dihasilkan dari Centrifuge akan dipekatkan terlebih dahulu menggunakan Evaporator sebelum di-recycle ke Reaktor karena masih mengandung air yang cukup banyak. Sedangkan padatannya akan ditransportasikan menuju Granulator untuk proses pembesaran ukuran partikel.
6 3. Tahap agglomeration di dalam Granulator (pembesaran ukuran partikel) Tujuan dari tahap ini adalah untuk membesarkan ukuran partikel CaHPO.H O (DCPD) sampai mencapai ukuran yang diinginkan karena partikel yang terbentuk di Reaktor masih memiliki ukuran yang halus ( ratarata 35 µm). Ukuran DCPD yang digunakan oleh pabrik pakan ternak memiliki ukuran 5 µm (U.S. Patent No.,65,867). Proses pembesaran ukuran ini dilakukan di granulator tipe High Shear Mixer. Pada proses pembesaran ini digunakan binder atau perekat berupa corn starch. Perbandingan antara DCPD dengan corn starct yang diguanakan adalah 85/15 wt/wt % (Perry s 7 th Ed, 1999, Hal: 0-7).. Tahap pemurnian Tujuan dari tahap pemurnian ini adalah untuk memisahkan endapan CaHPO.H O dari campuran H 3 PO, Ca(OH) dan air. Endapan CaHPO.H O dari campuran H 3 PO, Ca(OH) dan air yang dihasilkan dari Reaktor akan dipisahkan menggunakan Rotary Drum Vacuum Filter (RDVF). Filtrat yang dihasilkan dari RDVF akan di-recycle ke Reaktor. Sebelum direcycle, filtrat dipekatkan terlebih dahulu di Evaporator bersama dengan filtrat dari Centrifuge. Sedangkan padatan CaHPO.H O yang dihasilkan akan ditransportasikan menuju Rotary Dryer untuk dikurangi kandungan airnya pada bahan sampai %. DCPD selanjutnya ditampung di Bin sebelum dipacking.
7 BLOK DIAGRAM PROSES PEMBUATAN DICALCIUM PHOSPHATE DIHYDRATE DARI H 3 PO DAN Ca(OH) Gambar.1 Blog diagram proses produksi