BAB I PENGANTAR Asam fumarat merupakan senyawa kimia yang memiliki rumus kimia HO 2 CCH=CHCO 2 H. Senyawa ini berupa senyawa kristal dan merupakan isomer asam dikarboksilat tak jenuh asam maleat. Senyawa ini memiliki rasa seperti buah-buahan. Garam dan ester asam fumarat dikenal sebagai fumarat. Sifat-sifat kimia asam fumarat dapat terlihat dari gugus fungsinya. Asam lemah ini dapat membentuk diester, mengalami adisi di ikatan gandanya, dan merupakan dienofil yang baik. Asam fumarat berbentuk kristal putih dan mempunyai rumus molekul C 4 H 4 O 4. Proses produksi asam fumarat ini menggunakan bahan baku butena. Selain itu, asam fumarat juga dapat dibuat dari fermentasi jus apel menggunakan jamur Rhizopus nigricans. (Podgórska, 2004). Bahan baku butena yang dalam ini berupa fasa gas mempunyai rumus molekul C 4 H 8 dengan flash point -112 o F. I.1. Pemilihan Proses Asam fumarat pertama kali dibuat dari asam suksinat. Cara sintesis tradisional melibatkan oksidasi furfural (dari hasil pemrosesan jagung) menggunakan natrium klorat dengan keberadaan katalis berbasis vanadium. Zaman sekarang, sintesis asam fumarat dalam skala industri kebanyakan berdasarkan isomerisasi katalitik asam maleat (yang bisa didapatkan dalam jumlah besar dari hidrolisis maleat anhidrat, yang diproduksi dari oksidasi katalitik benzena atau butana) dalam larutan akuatik. Pada saat ini, kebanyakan asam fumarat diproduksi dari benzena, butana, dan butena. Asam fumarat yang dibuat dari butena dilakukan dengan tiga tahap reaksi yaitu adalah oksidasi butena menjadi maleat anhidrat dilanjutkan oleh hidrolisis maleat anhidrat menjadi asam maleat dan yang terakhir adalah asam maleat diisomerisasi menjadi asam fumarat. 1. Reaksi Kimia Butena adalah bahan baku dari pembuatan asam fumarat. Tahap pertama dari proses produksi asam fumarat yaitu adalah oksidasi butena 1
yang akan menghasilkan maleat anhidrat. Mekanisme reaksinya adalah sebagai berikut (Cavani et al., 1983): Reaksi utama: C 4 H 8 + 3O 2 C 4 H 2 O 3 + 3H 2 O Reaksi samping: C 4 H 8 + 6O 2 4CO 2 + 4H 2 O C 4 H 8 + O 2 2C 2 H 4 O C 4 H 8 + O 2 C 6 H 6 O + H 2 O Maleat anhidrid yang terbentuk ditambahkan pada aquadest yang telah dididihkan. Dalam hal ini aquadest berfungsi sebagai pelarut sehingga mempermudah terjadinya pembukaan ikatan pada senyawa siklik dari anhidrida maleat dan terbentuknya karbokation. Mekanisme reaksinya sebagai berikut: Gambar 1.1. Mekasnisme reaksi pengubahan asam maleat menjadi fumarat Reaksi hidrolisis tersebut akan membentuk asam maleat. Sebagian asam maleat mengkristal dalam air, karena kelarutan asam maleat dalam air adalah sekitar 44,1 g/100 g air pada 25 C. Sebagian asam maleat lainnya larut dalam air, yang kemudian digunakan untuk mengubah menjadi asam fumarat. Mekanisme reaksi pengubahan asam maleat menjadi asam fumarat sebagai berikut: 2
Gambar 1.2. Mekasnisme perpindahan elektron pada reaksi asam maleat Larutan filtrat asam maleat dari proses sebelumnya ditambahkan HCl pekat dan direfluks perlahan-lahan. Dalam hal ini HCl pekat berfungsi sebagai katalis yang digunakan untuk memprotonasi salah satu gugus karbonil sehingga ikatan rangkap pada atom karbon dapat beresonansi dan terjadi rotasi pada ikatan tunggal, selanjutnya ikatan rangkap beresonansi kembali. Setelah dilakukan refluks mulai terbentuk endapan kristal asam fumarat dari larutan panas. Larutan didinginkan pada suhu kamar dan direkristalisasi dengan air. Pada tahap rekristalisasi digunakan air sebagai pelarut yang sesuai karena asam fumarat termasuk senyawa yang polar sehingga akan larut dalam pelarut yang polar pula. 2. Katalis Dalam reaksi oksidasi yang terjadi, katalis yang digunakan adalah Vanadium Phosphorus Oxide (VPO). Katalis ini memiliki komposisi berikut vanadium (9,53 %), oksigen (77,74 %), phospat (12,74 %). Susunannya berupa macroporus VPO phases dengan template berupa polysterene spheres. Massa jenis katalis ini 4,339 g/cm 3 dengan surface area-nya 38,2 m 2 /g. Harga katalis ini sekitar 1200 1300 USD per tonnya. 3
Sedangkan untuk reaksi isomerisasi digunkan katalis Ammonium Bromide (NH 4 Br). Katalis ini memiliki bulk density sebesar 600 g/l. Bentuknya berupa kristal berwarna putih yang dilarutkan dalam air. Harga katalis ini sekitar 1500 3500 USD per tonnya. 3. Justifikasi Proses yang Dipilih Proses yang dipilih untuk perancangan pabrik ini adalah proses berbasis petrokimia. Proses ini membutuhkan 3 tempat untuk terjadinya reaksi yang utama. Reaksi oksidasi akan dilakukan di reaktor multitubular, reaksi hidrolisis terjadi di absorber, dan reaksi isomerasi terjadi di reaktor tangki alir berpengaduk dengan bantuan asam klorida. I.2. Market Analysis (Penentuan Kapasitas Pabrik) 1. Potensi Pasar yang Ada Asam Fumarat (HOOCC 2 H 2 COOH) adalah senyawa dengan dua gugus karboksilat. Asam fumarat, yang merupakan building block, memiliki cakupan aplikasi yang luas, mulai dari aplikasi untuk produk bernilai jual tinggi seperti bahan tambahan pada makanan dan farmasi hingga aplikasi pada produksi dengan kapasitas besar seperti, BDO (1,4- butanediol), polybutylene terephthalate, tetrahydrofuran, ᵞ-butyrolactane, polyurethane, plasticizer, resin, dan coating (pelapisan). Potensi dari asam fumarat yang sangat besar adalah senyawa ini dapat berfungsi sebagai pengganti maleat anhidrat dalam proses produksi butanediol. Selain itu asam fumarat juga digunakan di industri tinta dan kertas. Dari, sisi harga, pada tahun 2014 asam fumarat berbasis petrokimia berada di kisaran USD 14.000 15.000 per metrik ton. Harga dari asam fumarat tentunya dapat diturunkan lagi jika kapasitas produksi global sudah meningkat yang diiringi dengan peningkatan efisiensi teknologi serta performa alat. Di sisi lain harga butena internasional yakni sekitar USD 1400 per ton relatif sangat murah jika dibandingkan harga asam fumarat yang mencapai USD 14.000. Namun dengan perkembangan saat ini tepatnya di 4
tahun 2014 di mana permintaan global asam fumarat juga meningkat. Jadi, pabrik ini tergolong sangat menarik untuk didirikan dengan analisis kuantitatif secara kasar rasio antara harga produk dan bahan baku. Gambar 1.3. Potensi Penggunaan Asam Fumarat (Williams, 2013) Gambar 1.4. Konsumsi Asam Fumarat di Dunia Berdasarkan Negaranya (chemical.ihs.com, 2010) 5
Salah satu senyawa derivatif dari asam fumarat adalah Poly Buthylene Terphthalate (PBT). Karena semakin naiknya harga dari polipropilen dan polietilen, pemakaian PBT diprediksi akan tumbuh cepat di masa depan. Seiring dengan berkembangnya isu-isu lingkungan, PBT merupakan produk hijau dibandingkan polipropilen dan polietilen karena PBT bersifat biodegradable. Menurut Frost dan Sullivan, investasi di bidang pasar rekayasa plastik di Asia Tenggara tumbuh 10-15% per tahun dalam delapan tahun terakhir. Pada tahun 2011, investasinya sebesar 6 miliar EURO. Sedangkan permintaan plastik di Indonesia mencapai 2,1 juta ton di tahun 2012. 2. Demand Pasar Tabel 1.1. Kapasitas Produksi dan Penggunaan Asam Fumarat Dunia (Ribu Ton) Tahun Konsumsi Produksi Persentase, % 2004 83,6 90,5 0,92 2005 104,6 121,3 0,86 2006 124,1 127,2 0,98 2007 141,8 152,6 0,93 2008 152,3 163,8 0,93 2009 160,8 179,7 0,89 2010 182,6 194,9 0,94 2011 201,8 211,0 0,96 2012 219,5 227,4 0,97 2013 235,6 243,6 0,97 2014 251,5 259,7 0,97 2015 267,2 279,4 0,96 2016 283,6 296,3 0,96 2017 300,0 313,1 0,96 2018 316,4 330,0 0,96 2019 332,8 346,9 0,96 *diolah dari berbagai sumber 6
3. Kapasitas Pabrik yang Sudah Ada Di China tepatnya di Changzaou, produksi asam fumarat cukup besar yaitu sekitar 150.000 metrik ton per tahun, seperti yang dilaporkan oleh Changzhou Yabang Chemical Co.,Ltd. Perusahaan ini menyuplai bahan baku dari asam fumarat untuk memproduksi resin poliester tak jenuh di dunia. Sedangkan di pabrik lain yang juga di China, tepatnya di Anhui, Anhui Sealong Biotechnology Co. Ltd. juga memproduksi asam fumarat namun dengan kapasitas 20.000 ton per tahun. Di India juga terdapat pabrik asam fumarat dengan kapasitas 14.000 ton per tahun yaitu Thirumalai Chemicals Ltd. Pabrik ini menyuplai asam fumarat sejak tahun 1992 sebagai fine chemical, sedangkan suplai asam fumarat untuk industri makanan dimulai pada tahun 1996. 4. Kapasitas Produksi yang Optimum Kapasitas produksi yang optimum didasarkan oleh trend penggunaan asam fumarat di dunia pada tabel I dan butena sebagai raw material yang tersedia. Dimisalkan jangka waktu dari studi kelayakan sampai dengan pabrik siap produksi 100%, yang termasuk di dalamnya adalah pembangunan pabrik dan commisioning, adalah 3 tahun dimulai dari 1 Januari 2016. Jadi pabrik ini siap menyuplai kebutuhan asam fumarat mulai aktif beroperasi selama 10 tahun dimulai dari 1 Januari 2017 sampai 31 Desember 2027. Berdasarkan aspek suplai bahan baku, jumlah butena yang di Indonesia sudah mencukupi. Kebutuhan plastik di Indonesia akan meningkat, maka sebagai bahan baku plastik, asam fumarat produksinya mampu ditingkatkan dari pabrik-pabrik yang sudah ada sebelumnya. Pada tahun 2014 produksi butena di Indonesia mencapai 100466,1 ton/tahun (bps.go.id). Dengan demikian pemenuhan bahan baku telah terpenuhi, sehingga desain kapasitas produksi pabrik sebesar 50.000 ton per tahun menjadi ideal. 7