BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Gliserol Gliserol dengan nama lain propana-1,2,3-triol, atau gliserin, pada temperatur kamar berbentuk cairan memiliki warna bening seperti air, kental, higroskopis dengan rasa yang manis. Gliserol terdapat secara alami dalam persenyawaaan sebagai gliserida didalam semua jenis minyak dan lemak baik dari tumbuhan maupun hewan, dan gliserol didapatkan dari proses saponifikasi minyak pada pembuatan sabun, atau pemisahan secara langsung dari lemak pada pemroduksian asam lemak. Sejak 1949 gliserol juga diproduksi secara sintetis dari propilen. Dan proses secara sintetis tercatat kurang lebih sekitar 50% dari total gliserol di pasaran. Ada beberapa proses pembuatan gliserol dari minyak dan lemak, yaitu: 1. Proses Refining ( pemurnian ) minyak dan lemak 2. Proses Alkoholisis 3. Proses Enzimatis 4. Proses Hidrolisa 5. Proses Saponifikasi 2.1.1 Refining (pemurnian) minyak dan lemak Pada umumnya kebanyakan minyak dan lemak, dari berbagai sumber dan tingkat kemurnian minyak (lemak), diproses (diproduksi) sesuai dengan kebutuhan. Salah satu contohnya adalah pengolahan sederhana seperti penyaringan dan pengendapan, tetapi pada berbagai kasus lainnya dibutuhkan beberapa proses. Untuk asam lemak dengan berat molekul rendah sering digunakan pengolahan dengan asam sulfat, dapat juga dengan asam lemak lainnya, contoh lain adalah phosphor dapat dipakai untuk menghilangkan zat warna pada proses ini dianggap praktis. Untuk asam lemak dengan berat molekul tinggi dan terutama berasal dari tumbuhan (yang tidak dapat dimakan), pemurnian dilakukan dengan menggunakan soda untuk skala industri. II-1
Penggunaan berbagai proses pembuatan Gliserol ditentukan berdasarkan spesifik produksi, serta faktor kehilangan minyak pada akhir proses pengolahan. Proses pembuatan Gliserol dengan menggunakan metode pemurnian minyak dan lemak dapat dilakukan dengan berbagai cara diantaranya : Proses kettle refining, continous centrifugal refining, dan ekstraksi cair cair. 2.1.1.1 Produksi Kettle Refining (Batch Kettle Method) Pemurnian minyak dan lemak telah lama digunakan dengan metode reaktor batch,metode ini menggunakan reaktor yang berbentuk tangki silinder, dilengkapi dengan koil pemanas dan pengaduk. Untuk memudahkan reaktor dibuat dengan ukuran cukup besar sehingga mempermudah pengendalian satu (lebih) tangki minyak pada saat pengisian minyak. Reaktor berkapasitas 60.000 lbm (27.216 kg) sampai 120.000 lbm (54.432 kg). Selama pengisian minyak dipanaskan sampai minyak berfasa cair, pada temperatur 70-80 0 C dan penambahan kaustik soda sesuai dengan kebutuhan selama pengadukan, untuk menghindari terjadinya kelebihan kapasitas tangki. Jumlah kaustik soda dan konsentrasi campuran ditentukan sebelum proses dimulai dan penentuan konsentrasi dilakukan dilaboratorium. Pada proses ini dihasilkan sabun dan gliserol yang dipisahkan menggunakan separator, dan gliserol yang diperoleh memiliki kadar rendah. 2.1.1.2 Proses Continous Centrifigal Refining Proses ini telah lama digunakan untuk pemurnian minyak dengan tingkat kehilangan minyak rendah dan berbagai proses dengan menggunakan reagen telah dicoba. Sehingga ketika harga minyak naik, proses ini digunakan untuk pembuatan sabun. Pertama kali proses ini digunakan secara komersial dengan menggunakan kaustik soda, pasokan minyak mentah dialirkan kedalam tangki umpan, dimana terus dilakukan pengadukan dengan temperatur 30 0 C. Minyak dan campuran kaustik soda disiapkan secara otomatik dan dipompakan kedalam tangki berpengaduk dengan kecepatan tinggi. Minyak dicampurkan dengan kaustik soda dalam jumlah besar, campuran ini dilewatkan pada alat penukar panas untuk menaikkan temperatur hingga 55-58 0 C dan
membentuk emulsi minyak dan sabun. Selanjutnya campuran dipisahkan dengan pengadukan yang dirancang khusus, dimana minyak akan mengalir ke tangki menyimpan minyak yang selanjutnya dilakukan pemisahan untuk memperoleh gliserol. Berdasarkan perbedaan densitas minyak dan gliserol akan terpisah. 2.1.13 Ekstraksi Cair Cair Pengembangan akhir metode penyulingan centrifugal adalah ekstraksi cair-cair untuk memperoleh hasil pemisahan yang diinginkan. Ada dua proses yang digunakan, yakni salah satunya menggunakan furfural dan lainnya menggunakan propana. Metode ekstraksi cair-cair yang menggunakan furfural tergantung pada penggunaannya dapat dicampur dengan minyak gliserin dengan perubahan temperatur, tetapi akan memisahkan unsur yang tidak tercampur dengan minyak.furfural mampu memisahkan campuran minyak menjadi dua fraksi, dimana satu fraksi akan banyak mengandung minyak gliserin dan lainnya banyak mengandung uap. Proses ini dilakukan dengan menggunakan menara vertical dengan produk yang dihasilkan pada bagian atas dan bawah dari menara. Minyak akan terpisah pada bagian bawah menara dan furfural akan berada dibagian atas menara, biasanya perbandingan yang digunakan 1:6 hingga 1:14. Sisa bahan sisa ekstraksi selanjutnya direfluk ke menara untuk dilakukan ekstraksi kembali. Temperatur kritis menentukan jumlah gliserin yang dihasilkan, demikian juga dengan bilangan iodin dan hasil relatif. Kenaikan temperatur menyebabkan furfural akan memecahkan minyak lainnya, dengan demikian hasil ekstraksi yang diperoleh meningkat sekaligus menurunkan bilangan iodin. Kelemahan dari proses ini menggunakan metode pemurnian minyak dan lemak ini adalah produk yang dihasilkan lebih banyak minyak dan lemak dibandingkan dengan gliserol yang diperoleh (gliserol yang dihasilkan kurang memuaskan baik kualitas maupun kuantitas). Selain itu perlu dilakukan pengolahan lanjut untuk memperoleh kemurnian gliserol yang diinginkan. 2.1.2 Proses Alkoholis
Alkoholis minyak dan lemak dengan alkohol mono hidroksi alifatik seperti methanol dapat dikatalisa dengan asam atau alkali akan tetapi reaksi dengan katalis alkali (misalnya sodium) pada umumnya laju reaksinya lebih cepat, lebih sempurna dan temperaturnya lebih rendah. Gliserol dapat dihasilkan dengan cara interesterifikasi trigliserida dengan methanol yang mengikuti persamaan berikut: NaOH CH O C R (1) + 3H 3 O (1) CH OH (1) + 3RCOOH (1) Trigliserida Metanol Gliserol Metil Ester Pada proses diatas, reaksi 1 mol trigliserida dengan 3 mol metanol dihasilkan 1 mol gliserol tanpa air. Minyak diinteresterifikasi menjadi gliserol pada temperatur 80 0 C dengan menggunakan katalis natrium hidroksida dalam reaktor. Gliserol dan metanol kemudian dipisahkan dari metal ester. Larutan metanol dapat dipisahkan dalam kolom separator sedangkan gliserol yang terbentuk dimurnikan secara penyulingan (destilasi), sehingga dihasilkan gliserol dengan kemurnian 90 % (bailey s,1982). Kelemahan dari proses ini adalah diperlukan biaya untuk mengadakan reaktor metanol dan katalis NaOH, dan reaksi yang terjadi relatif lebih lambat dibandingkan dengan proses hidrolisa serta diperlukan tambahan peralatan, yang kesemuanya itu mengakibatkan membengkaknya biaya produksi. 2.1.3 Proses Enzimatis Sejak awal 80-an telah dimulai pengembangan proses pengolahan minyak nabati secara enzimatis. Proses ini disamping memerlukan energi relatif rendah karena bekerja pada suhu yang relatif rendah (30-60 0 C) dan tekanan 1 atm. Kerusakan reaktan maupun produk dapat dihindari serta limbah yang dihasilkan relatif lebih sedikit.
Enzim yang digunakan sebagai biokatalis pada proses pengolahan minyak nabati adalah enzim lipase yang dapat diisolasi dari tumbuhan, hewan dan yang paling potensial adalah yang berasal dari mikroorganisme penghasil enzim lipase adalah kapang, bakteri dan ragi (khamir). Sesuai dengan spesifikasi kerjanya enzim lipase dibagi 3 yaitu: Lipase non spesifik, yaitu lipase yang dapat mengkatalis seluruh ikatan trigliserida; Lipase spesifik 1, 3, dan 2 yaitu lipase yang hanya dapat mengkatalis trigliserida pada ikatan 1, 3, dan 2; Lipase spesifik fatty acid, yaitu lipase yang hanya dapat mengkatalis jenis asam lemak tertentu saja. Proses hidrolisa minyak nabati dengan menggunakan biokatalis enzim lipase memerlukan waktu selama 5 hari. Laju hidrolisis tidak berubah pada rentang suhu 24-46 0 C dan optimum pada rentang ph 4,8-7,2 sedangkan enzim menjadi kurang aktif pada suhu diatas 50 0 C. Keunggulan proses enzimatis dibandingkan secara kimia antara lain: Reaksi yang dilakukan pada suhu rendah, sehingga kualitas produksi lebih meningkat; Dengan menggunakan enzim lipase yang spesifik produk yang diinginkan dapat ditingkatkan, sedangkan produk samping dapat dukurangi. Beberapa reaksi umumnya lambat, hal ini berarti kinetika reaksinya sangat mudah dikontrol, sehingga mendapatkan hasil dalam skala besar yang karakteristiknya dapat diatur sesuai dengan jenis produk yang diinginkan. Menghemat energi dan keamanan dalam lingkungan kerja. Investasi peralatan lebih rendah Tidak menghasilkan limbah yang berbahaya dan beracun. Kelemahan dari proses ini adalah waktu yang relatif lebih lama (5hari) dibandingkan dengan proses kimia. 2.1.4 Proses Hidrolisa. Gliserol dan asam lemak adalah senyawa organik yang merupakan penyusun lemak dan minyak, baik nabati maupun hewani. Untuk mengkonversikan atau
mengubah minyak atau lemak menjadi gliserol dan asam lemak dapat dilakukan dengan proses hidrolisa dengan tekanan tinggi. Proses hidrolisa biasanya dijaga pada suhu 240 260 0 C dan tekanan 45 60 atm. Pada umunya derajat pemisahan bias mencapai 95% (Bailey s,1982). Dalam hal ini proses hidrolisa yang terjadi adalah : Konversi 99% CH O C R (1) + 3H 2 O (1) CH OH (1) + 3RCOOH (1) Trigliserida Air Gliserol Asam Lemak (Sumber : Miner & Dalton,1953 ) Proses Hidrolisa mempunyai keunggulan lebih cepat dalam proses pemisahan gliserol dan asam lemak serta hasil yang diperoleh lebih maksimal. Minyak kelapa merupakan bahan pembuatan gliserol ini dihidrolisa dalam reaktor hidrolisa yang biasa disebut spilitting, secara kontinu dan berlawanan arah pada temperatur dan tekanan tinggi sehingga menghasilkan asam lemak dan gliserol yang berupa sweet water. System berlawanan arah paa temperature 240 260 0 C dan tekanan 45 60 atm akan mempercepat reaksi hidrolisa. Minyak dipompakan dari bagian menara kira-kira 90 cm. Dari dasar menara, sedangkan air dialirkan melalui puncak menara. Perbandingan antara minyak dan air yang reaksi adalah 40 50% berarti minyak. Minyak disemburkan menembus campuran gliserin yang terakumulasi dibagian bawah menara, selanjutnya menembus campuran air dan minyak hingga mencapai hidrolisa yang sempurna. Sistem yang kontinu dan berlawanan arah dengan temperatur dan tekanan tinggi akan menghasilkan derajat hidrolisa yang tinggi. 2.1.5 Proses Saponifikasi. Pada umumnya proses pembuatan sabun dilakukan dengan reaksi saponifikasi lemak merupakan reaksi esterifikasi dimana asam karbosilat direaksikan dengan basa
kuat menghasilkan ester dan garam karbosilat, tetapi suatu perbandingan yang harus dipertimbangkan adalah pertama kali menghidrolisa lemak menjadi asam lemak yang mengandung lemak dan gliserol. Selanjutnya saponifikasi asam lemak, proses mudah yang sering dilakukan adalah proses proses dingin dimana lemak dicampur dengan kaustik yang telah ditentukan perbandingannya sebelumnya proses, dan selanjutnya emulsi dialirkan ke suatu tempat dimana dilakukannya proses saponifikasi dengan pemberian sedikit panas untuk mempercepat reaksi.. Proses pembuatan sabun dengan proses dingin masih dilakukan dalam skala kecil. Metode lain yang jarang digunakan adalah proses semi pemanasan dimana lemak dicampurkan dengan kaustik dengan perbandingan tertentu dan dilakukan dengan proses selanjutnya. Pada proses ini tidak ada gliserol yang dikembalikan (recovery) ke reaktor. Untuk produksi dalam jumlah besar dapat dilakukan dengan menggunakan proses pemanasan. Sebab produk (sabun dan gliserol) yang dihasilkan memilki kualitas tinggi, zat pewarna dan pengotor lainnya dan dibersihkan pada saat pemanasan serta sebagian lemak yang terkandung dalam gliserol dapat direkoveri (Miner & Dalton 1953). Reaksi saponifikasi dapat ditulis sebagai berikut : O Konversi 99% CH O C R (1) + 3H 2 O (1) CH OH (1) + 3Na O C R (1) Trigliserida Air Gliserol Sabun Proses saponifikasi ini berada dengan proses yang lain, dimana dalam proses ini dilakukan dengan beberapa tahap yang dirancang untuk saponifikasi lemak, pemisahan gliserol dilakukan dalam komposisi 63% asam lemak. Kelemahan dari proses ini adalah diperlukan biaya untuk pengadaan reaktan NaOH dan diperlukan tambahan peralatan sehingga mengakibatkan pembengkakan biaya produksi.
2.2 Pemilihan Proses Pembuatan Gliserol. Pada pra perancangan pabrik pembuatan gliserol dari minyak kelapa (CNO) ini menggunakan proses hidrolisa dengan temperatur 250-260 0 C dan tekanan 54-56 bar. Dasar pemilihan proses tersebut adalah : Proses pemisahan gliserol dan asam lemak lebih cepat dan produk yang dihasilkan lebih maksimal dibandingkan dengan proses lainnya (Proses Refining, Alkoholisis, Enzimatis dan Saponifikasi). Prosesnya cukup sederhana dan tidak menggunakan bahan tambahan dibandingkan dengan proses lainnya (Proses Refining, Alkoholisis, Enzimatis dan Saponifikasi) seperti katalis NaOh atau zat aditif. Alat yang digunakan relatif sedikit dibandingkan dengan proses yang lain (Proses Refining, Alkoholisis, Enzimatis dan Saponifikasi) karena tidak ada penambahan katalis atau zat aditif. Pada produksi pabrik skala besar diperlukan biaya awal yang lebih murah, karena beberapa pertimbangan yaitu alat dan bahan yang relative sederhana serta bahan baku dan mudah diperoleh didaerah sekitar lokasi pabrik yang akan didirikan. 2.3 Sifat-Sifat Bahan 2.3.1.Minyak Kelapa(CNO) a. Sifat Fisika Spasific Gravity (99/15,5 0 C) : 0.869 0.874 Spasific Gravity (25/15,5 0 C) : 0.917 0.919 Refractive Indeks, pada 40 0 C : 1.448 1.450 Titik Beku, 1 atm : 21.8 0 C 23.0 0 C Titik Didih, 1 atm : 215 0 C Densitas : 847.7 Kg/m 3 b. Sifat Kimia Bilangan Iodine : 7.4-10.5 Bilangan Penyabunan : 250 264 Bilangan Polenskie : 15 18 (BSN,2004)
2.3.2. Air (H 2 O) a. Sifat Fisika Berat Molekul : 18 gr/mol Titik didih, 1 atm : 100 0 C Titik Beku, 1 atm : 0 0 C Densitas (25 0 C) : 1.0 gr/cm 3 Specific gravity : 1.0 Indeks bias (25 0 C) : 1.333 Viscositas (25 0 C) : 0.01002 cp b. Sifat Kimia Memiliki kesadahan yang rendah Memilki Conductivity Pelarut yang baik untuk senyawa organik Merupakan senyawa polar : < 1 ppm : 5μS/cm 2.3.3. Gliserol (Kick & Othmer, 1999) a. Sifat Fisika : - berat molekul : 92,09 kg/kmol - titik beku, 1 atm : 17,9 0 C - titik didih, 1 atm : 290 0 C - spesifik gravity : 1,260 - densitas : 0.847 g/cm 3 70 C - viskositas : 34 cp - Fasa : Cair ( 30 0 C, 1 atm ) - sempurna dalam air - mudah terhidrogenasi - merupakan asam lemak tak jenuh b. Sifat Kimia : - Larut dalam air - Merupakan senyawa hidroskopis
- tidak stabil pada suhu kamar - Rumus Kimia Gliserol : C 3 H 8 O 3 2.4 Deskripsi Proses 1. Proses Hidrolisa Coconut Natural Oil (CNO) yang diperoleh dari bahan baku minyak kelapa yang memiliki tekanan 1 atm dan temperatur 30 0 C dari tangki bahan baku dipanaskan terlebih dahulu pada pre heater (HE) hingga mencapai temperatur 80 0 C. Pemanasan awal ini bertujuan agar mudah mencapai temperatur operasi pada reaktor hidrolisa. Setelah mencapai temperatur 80 0 C kemudian CNO dipompakan dengan pompa tekanan sebesar 1 bar kedalam reaktor hidrolisa (RH) melalui bagian bawah reaktor hidrolisa. Air dengan tekanan 1 atm, temperatur 30 0 C dari tangki bahan baku sebanyak 40 % dari berat CNO juga dipanaskan hingga mencapai temperatur 80 0 C pada pre heater. Kemudian air dipompakan dengan pompa tekanan 1 atm, temperatur 80 0 C kedalam reaktor hidrolisa melalui bagian atas reaktor. Reaksi hidrolisa berlangsung selama 2-3 jam dengan kondisi operasi temperatur 255 0 C dan tekanan 55 bar. Kondisi tersebut dapat dicapai dengan mengalirkan steam secara kontak dengan temperatur 270 0 C dengan tekanan 60,33 atm. Reaksinya Konversi 99% CH O C R (1) + 3H 2 O (1) CH OH (1) + 3RCOOH (1) Trigliserida Air Gliserol Asam Lemak Produk yang terbentuk terpisah berdasarkan perbedaan berat, gliserol (1247,36 kg/m 3 ) yang memiliki effisiensi 83% akan keluar melalui bagian bawah separator bersama dengan air (995,65 kg/m 3 ) sedangkan asam lemak yang memiliki berat lebih ringan dari air (169,84 kg/m 3 ) yang memiliki effisiensi 17 % akan keluar melalui bagian atas separator. Produk gliserol yang terbentuk ditampung pada flash tank
gliserol. Asam lemak ditampung pada flash tank asam lemak. Flash tank berfungsi untuk mengurangi kadar air yang mempunyai effisiensi 60% dari asam lemak pada produk dan mengurangi tekanan serta tempat penampungan sementara produk. Asam lemak dari flash tank dipompakan dengan pompa ketangki produk asam lemak sebagai produk samping. Proses hidrolisa terjadi pada reaktor hidrolisa (RH). Reaksi hidrolisa yang terjadi dapat dituliskan sebagai berikut : Konversi 99% CH O C R (1) + 3H 2 O (1) CH OH (1) + 3RCOOH (1) Trigliserida Air Gliserol Asam Lemak (Sumber : Miner & Dalton,1953 ) 2. Proses Pemurnian Gliserol Gliserol yang berasal dari flash tank dialirkan ke decanter (alat pemisah CNO dari produk Gliserol) temperature 80 0 C, tekanan 1 atm, dengan effisiensi pemisahan 85% untuk memisahkan CNO yang tidak terkonversi yang terikut pada produk gliserol berdasarkan perbedaan berat jenis masing-masing komponen pada kondisi temperatur 80 0 C dan tekanan 1 atm (Brownell, 1969). Lapisan paling atas adalah CNO yang memiliki berat jenis (847,7 Kg/m 3 ) lebih ringan memiliki effisiensi 15 % dan dialirkan kedalam tangki residu. Sedangkan air (995,647 Kg/m 3 ) dan gliserol (1253,63 Kg/m 3 ) (perry 1999) yang mempunyai berat jenis yang lebih berat memiliki efisiensi 85% dialirkan evaporator (EV). Pada evaporator, air (titik didih 100 0 C) dan produk, gliserol (titik didih 760 mmhg = 290 0 C) dipisahkan berdasarkan perbedaan titik didih. Kondisi operasi evaporator pertama temperatur 120 0 C dan tekanan 1,5 atm untuk memekatkan produk utama gliserol dengan cara memisahkan air dalam produk gliserol sedangkan pada evaporator kedua temperatur 100 0 C dan tekanan 1 atm. Produk utama gliserol keluar dari evaporator kedua dengan konsentrasi 99 % didinginkan pada cooler (CO) hingga mencapai temperatur 30 0 C dan ditampung pada tangki produk gliserol.