BAB I PENGANTAR A. Latar Belakang Perhatian dunia saat ini mengarah kepada usaha untuk mengurangi efek global warming atau pemanasan global. Salah satu cara mereduksi gas rumah kaca adalah dengan menggunakan bahan bakar alternatif yang tidak berasal dari bahan bakar fosil. Pengenalan energi alternatif ini merupakan upaya untuk mengurangi penggunaan bahan bakar minyak (BBM) di Indonesia. Kebutuhan BBM di Indonesia saat ini mencapai 76 juta liter per hari, sedangkan BBM yang diproduksi dalam negeri sebesar 35 juta liter per hari sehingga kekurangannya (41 juta liter per hari) harus diimpor. Indonesia yang dikenal sebagai anggota Organisasi Negara-negara Pengekspor Minyak (OPEC) sekarang telah menjadi net-importir minyak bumi. Dengan diproduksinya biobutanol, impor negara terhadap BBM akan berkurang. Biofuel adalah alternatif pengganti bahan bakar minyak yang paling populer dan banyak diteliti di berbagai negara. Pada umumnya biofuel merupakan sebutan untuk setiap bahan bakar baik padatan, cairan ataupun gas yang dihasilkan dari bahan-bahan organik. Biofuel dapat dihasilkan secara langsung dari tanaman atau secara tidak langsung dari limbah industri, komersial, domestik atau pertanian. Biofuel menawarkan kemungkinan memproduksi energi tanpa meningkatkan kadar karbon di atmosfir karena berbagai tanaman yang digunakan untuk memproduksi biofuel mengurangi kadar karbondioksida di atmosfer, tidak seperti bahan bakar fosil yang mengembalikan karbon yang tersimpan di bawah permukaan tanah selama jutaan tahun ke udara. Dengan begitu biofuel lebih bersifat carbon neutral. Penggunaan biofuel juga mengurangi ketergantungan pada minyak bumi serta meningkatkan keamanan energi. Biofuel yang awal dikembangkan merupakan biofuel generasi pertama. Karakteristik biofuel generasi awal ini umumnya menggunakan gula atau minyak dari tumbuhan sebagai bahan baku. Bioetanol dari pati, jagung atau gula tebu dan biodiesel dari minyak tumbuhan termasuk dalam kategori ini. Muhammad Ludvi (10/302027/TK/37255) 1
Selain itu ada bioeter, minyak tumbuhan, biogas, syngas, green diesel, dan sebagainya. Keuntungan biofuel jenis ini adalah teknologinya sudah cukup maju sehingga memungkinkan produksi massal sehingga layak secara ekonomis. Namun dampak negatifnya tidak kalah besar yaitu terserapnya bahan pangan seperti pati dari jagung, gula tebu dan minyak goreng, yang menyebabkan kenaikan harga akibat pasokan yang tidak mencukupi kebutuhan pasar. Biofuel generasi kedua hadir sebagai solusi dari dampak negatif seperti disebut di atas. Bahan baku yang digunakan adalah bahan-bahan nonpangan dan limbah seperti batang padi, jerami, kertas bekas, dan bagasse (batang tebu yang telah diperas). Biobutanol adalah salah satunya. Biobutanol menjadi pilihan menjanjikan karena memiliki beberapa keunggulan dibandingkan generasi pertama (bioetanol) seperti: 1. Biobutanol memiliki beberapa karakteristik fisika dan kimia lebih mirip ke bensin. Hal ini menyebabkan tidak perlu membangun infrastruktur baru untuk transportasi. 2. Biobutanol juga tidak larut dalam air seperti bioetanol sehingga tidak mudah menyebabkan korosi. Biobutanol dapat dicampur dengan bensin dalam kadar bervariasi. Hal yang sama tidak dimungkinkan dengan bioetanol. Campuran bioetanol bensin memiliki kadar bioetanol maksimum 10%. Lebih daripada itu harus ada modifikasi khusus pada mesin kendaraan bermotor. 3. Akibat kandungan energi yang tidak jauh berbeda dengan bensin, maka campuran bensin dan biobutanol lebih ekonomis daripada bensin campur bioetanol. 4. Secara lingkungan biobutanol lebih aman daripada bioetanol karena jika tumpah tidak mudah mencemari air tanah akibat sifatnya yang menolak air. Muhammad Ludvi (10/302027/TK/37255) 2
Tabel 1.1. Daftar Perbandingan Butanol dengan berbagai Bahan Bakar No. Karakteristik Bensin Butanol Etanol Metanol 1 Rumus kimia C 4 -C 12 C 4 H 9 OH C 2 H 5 OH CH 3 OH 2 Titik didih ( C) 32-210 118 78 65 3 Kandungan energi (MJ/kg) 44,5 33,1 26,9 19,6 4 Rasio udara dalam bahan bakar 14,6 11,2 9,0 6,5 5 Angka oktan penelitian 91-99 96 129 136 6 Angka oktan kendaraan 81-89 78 102 104 Selain beberapa kelebihan di atas, butanol memiliki beberapa kekurangan yaitu viskositas lebih tinggi dan angka oktan yang lebih rendah dibandingkan bioetanol. Bahan bakar yang memiliki angka oktan lebih rendah akan menghasilkan lebih banyak knocking dan efisiensinya lebih rendah. Knocking dapat merusak mesin. Selain itu, biobutanol lebih beracun daripada bioetanol. B. Tinjauan Pustaka Butanol adalah alkohol yang memiliki 4 atom karbon. Wujud fisik dan baunya mirip dengan etanol, yaitu alkohol dengan 2 atom karbon yang sering kita temukan sebagai larutan pensteril, pelarut, atau sebagai campuran bensin. Saat ini, peran utama produk butanol adalah sebagai pelarut cat, resin, dan produk antara untuk polimer (antara lain butiraldehida, asam butirat, butena, butadiena). Butanol, dengan karakteristik yang dimilikinya, dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar mesin nonpremix (mesin bensin). Proses pembuatan butanol yang sudah ada: 1. Fermentasi Reaksi yang terjadi dalam proses fermentasi adalah sebagai berikut: C6H12O6 C4H 9OH 2CO 2 H 2O Butil alkohol (butanol) diproduksi dengan proses fermentasi bakteri yang terkandung dalam karbohidrat itu sendiri seperti molasses. Pada proses fermentasi, selain dihasilkan butanol, juga dihasilkan aseton dan etil alkohol (etanol). Molasses dihilangkan kandungan kalsiumnya, disterilkan, didinginkan sampai 30 C, dan dipompa menuju tangki inokulasi (tangki pembibitan). Bakteri Clostridium saccharobutylicum Muhammad Ludvi (10/302027/TK/37255) 3
tumbuh dalam molasses yang steril. Kemudian hasil dari tangki inokulasi ditambahkan ke dalam fermenter untuk memulai proses fermentasi. Nutrisi dan larutan penyangga digunakan untuk mengontrol ph dan menaikan hasil. Setelah proses fermentasi selesai yang berlangsung selama 30 jam, maka hasil tersebut dialirkan ke unit purifikasi berupa centrifuge, ekstraktor dan menara distilasi. 2. Kondensasi Aldol Proses aldol merupakan proses pembuatan n-butanol secara sintetik. Bahan baku yang digunakan pada proses ini adalah etil alkohol (etanol) atau asetilen. Mula-mula etanol didehidrogenasi atau asetilen dihidrasi untuk menghasilkan asetaldehid dengan menggunakan katalis merkuri sulfat. Kemudian asetaldehid dikondensasi pada reaktor menjadi aldol pada temperatur 10-25 C dan tekanan atmosferis, dengan menambahkan sejumlah kecill soda kaustik (NaOH). Sebesar 60% asetaldehid akan terkonversi menjadi aldol. Dari reaktor, aldol dibawa ke kolom dehidrasi untuk memisahkan aldol dari asetaldehid yang tidak terkonversi. Asetaldehid yang terpisah direcycle ke tangki asetaldehid untuk digunakan sebagai umpan reaktor. Dari kolom dehidrasi aldol diumpankan ke kolom distilasi untuk direaksikan dengan asam asetat membentuk krotonaldehid. Krotonaldehid kemudian dihidrogenasi pada fase uap untuk menghasilkan n-butanol. Persamaan reaksi: 1 C2H5OH O2 CH3CHO H2O 2 C H H O CH CHO 2 2 2 3 (1a) (1b) 2 CH CHO CH CH ( OH ) CH CHO NaOH 3 3 2 (2) CH 3COOH CH3CH ( OH ) CH 2CHO CH 2 2 3CH = CHCHO H O ( 3) H O Muhammad Ludvi (10/302027/TK/37255) 4
CH CH CHCHO H CH ( CH ) CHO (4a) 3 2 3 2 2 CH ( CH ) CHO H C H OH (4b) 3 2 2 2 4 9 Pada kolom hidrogenasi, gas hidrogen dan katalis, nikel-kromium diumpankan. Kolom hidrogenasi bekerja pada temperatur 135-175 C. Produk keluar kolom ini dengan kemumian 80% n-butanol dan 20% n- butiraldehid. 3. Proses Reppe Proses Reppe adalah pembuatan alkhohol dari olefin, karbon monoksida dan air. Teknologi pembuatan n-butanol dengan metode ini dikembangkan oleh Badische Anilin und Soda Fabrik (BASF). Metode ini dikomersialkan di Jepang pada tahun 1965, oleh Japan Butanol menggunakan teknologi BASF. Proses Reppe menggunakan proses konvensional dibandingkan proses oxo. Reaksi dilakukan pada suhu 100 C dan tekanan 15 atm dengan katalis ironhydrocarbonyl (HFe 3 (CO) 4 ), reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: C H 3CO 2H O C H OH 2 CO Mc. Ketta, 1975 3 6 2 4 9 2 4. Proses Oxo Proses hidroformilasi/oxo ditemukan oleh Otto Roelan pada tahun 1938 ketika mempelajari efek etilen dengan reaksi Fischer Tropsch pada hidrogenasi memerlukan 1-10% air yang harus ditambahkan ke dalam umpan reaktor untuk menekan reaksi samping pembentukkan ester proses hidrogenasi ini lebih dikenal sebagai proses hidroformilasi/oxo seiring dengan perkembangan kemajuan teknologi. Produksi n-butanol dikomersialkan pada tahun 1950 dengan katalis kobalt oleh Ruhrchemic yang dioperasikan setelah perang dunia II, teknologi pembuatan normal butanol dikembangkan oleh Badische Anilin und Soda Fabrik (BASF) sekitar 70% pembuatan butanol oleh perusahaan di USA menggunakan teknologi oxo. (Kirk & Othmer 1978) Muhammad Ludvi (10/302027/TK/37255) 5
Pada pembuatan normal butanol dengan proses oxo ini propylene direaksikan dengan dengan gas sintesa (H 2 dan CO), ratio perbandingan H 2 dan CO adalah 2:1. Proses oxo bereaksi pada suhu 160 C dan 30 atm dengan katalis cobalt hidrocarbonyl HCo(CO) 4, dan persamaan reaksinya sebagai berikut: C3H 6 H 2 CO C3H 7CHO C3H 7CHO H 2 C 4H 9OH (1) (2) 5. Proses Hidrogenasi Butiraldehid cair yang terdiri dari 99% n-butiraldehid dan 1% i- butiraldehid dicampur dengan air (3% dari umpan butiraldehid) pada sebuah mixer yang bekerja pada tekanan 1 mmhg dan temperatur 30 C untuk menghindari ketonisasi. Campuran ini diuapkan pada vaporizer, dan dikontakkan dengan gas yang terdiri dari 99,5% H 2 dan 0,5% N 2 pada suatu reaktor hidrogenasi. Reaktor hidrogenasi ini merupakan fixed bed reaktor dengan dua buah bed didalamnya. Pada reaktor terjadi reaksi hidrogenasi antara n- butiraldehid dan H 2 sebagai reaksi utama, reaksi hidrogenasi antara i- butanol dan H 2 sebagai reaksi samping. Untuk mempercepat mekanisme reaksi digunakan katalis Co pada permukaan alumina. Persamaan reaksi: C3H 7CHO H 2 C4H 9OH Reaktor bekerja pada tekanan 35 atm, temperatur 100-200 C. Bahan baku memasuki reaktor pada temperatur 100 C dan meninggalkan reaktor pada temperatur 155,4 C. Reaksi hidrogenasi adalah reaksi eksotermis, karena reaktor adalah bersifat adiabatis maka kelebihan panas pada reaktor dihilangkan dengan air pendingin yang memasuki reaktor melalui external exchanger. Pada reaktor ini 75% n-butiraldehid akan terkonversi menjadi n-butanol. Muhammad Ludvi (10/302027/TK/37255) 6
Analisis proses dan seleksi proses Tabel 1.2. Analisis dan Seleksi Proses No. Parameter Fermentasi Kondensasi Aldol Aspek Teknis Proses Reppe Proses Oxo Hidrogenasi 1 Bahan Baku C 6 H 12 O 6 C 2 H 5 OH/C 2 H 2 C 3 H 6 C 3 H 6 C 3 H 7 CHO 2 Tekanan Reaksi 1 atm 1 atm 15 atm 30 atm 35 atm 3 Suhu reaksi 30 C 135-175 C 100 C 160 C 100-200 C 4 Sarana Pembantu Nutrisi dan bakteri 5 Katalis 5 Produk C 4 H 9 OH, C 2 H 5 OH, C 3 H 6 O NaOH, CH 3 COOH, H 2 HgSO 4, Nikelkromium CO, H 2 O CO, H 2 H 2 HFe 3 (CO) 4 Cobalt Nikel C 4 H 9 OH C 4 H 9 OH C 4 H 9 OH Aspek Ekonomi n- C 4 H 9 OH, i- C 4 H 9 OH 1 Investasi Tinggi Tinggi Tinggi Tinggi Relatif rendah 2 Biaya operasi Rendah Tinggi Tinggi Tinggi Tinggi 3 Harga bahan baku Rendah Tinggi Tinggi Tinggi Tinggi 4 Produk samping Banyak Sedikit Sedikit Sedikit Sedikit Dari uraian dan tabel di atas maka pada perancangan pabrik ini dipilih proses fermentasi. Beberapa pertimbangan yang melatarbelakangi pemilihan proses ini adalah: 1. Bahan baku mudah diperoleh dan harganya relatif rendah jika dibandingkan dengan proses yang lain 2. Molasses (bahan baku utama) yang digunakan untuk proses ini adalah bersifat hayati sehingga bisa dikategorikan sumber daya yang terbarukan 3. Produk yang dihasilkan relatif lebih banyak sehingga dianggap paling feasible 4. Sarana pembantu (bakteri) yang banyak dijumpai di Indonesia dan bukan merupakan katalis yang berbahaya bagi lingkungan 5. Paling ekonomis untuk masalah kondisi operasi karena tidak membutuhkan suhu dan tekanan yang terlalu tinggi 6. Handling bahan baku dan produk relatif lebih mudah, hampir 90% pabrik bekerja dengan bahan yang berbentuk fluida Muhammad Ludvi (10/302027/TK/37255) 7