78
DAFTAR PUSTAKA
Boocock DGB, Konar SK, Mao V, Lee C, dan Buligan S. 1998. Fast Formation of High-Purify Methyl Esters from Vegetable Oils,” JAOCS, 75 : 11671172. Burghardt MD, dan Harbach JA. 1999. Engineering Thermodynamics, Fourth Edition. Cornell Maritime Press. Centreville. Maryland Canakci M, dan Van Gerpen J. 1999. Biodiesel Production via Acid Catalysis. Transesterification. ASAE 42 : 1203-1210. Cengel YA. 2003. heat Transfer: A Practical Approach. New York: The Mc Graw Hill Company. Darmosarkoro W. 2006. Towards Sustainable Oil Palm Industry in Indonesia. In : Proceeding of the International Oil Palm Conference. Nusa Dua-Bali, June 19-23. Darnoko D, dan Cheryan M. 2000. Kinetics of Palm oil Transesterification in a Batch Reactor. JAOCS, 77: 1263-1267. Dasari MA, Goff MJ, dan Suppes GJ. 2003. Noncatalytic Alcoholysis Kinetics of Soybean Oil. JAOCS. 80 (2) : 189-192. Dayhoff MO, Lippincott ER, Eck RV, dan Nagarajan G. 1967. Thermodynamic Equilibrium in Prebiological Atmospheres of C, H, O, N, P, S, and Cl. National Biomedical Research Foundation and The University of Maryland. Scientific and Technical Division. Office of Technology Utilization. National Aeronautics and Space Administration. Washington, D.C. 1; 179 (274) Demirbas A. 2002. Biodiesel from vegetable oils via transesterification in supercritical methanol, Energi Conversion & Management, 43 : 23492356. Demirbas A. 2003. Biodiesel fuels from vegetable oils via catalytic and noncatalytic supercritical alcohol transesterifications and other methods : a survey. Energi Conversion and Management; 44:2093-2109 De Nevers. 2005. Fluid Mechanies for Chemical Engineering. Edisi 3. McGrawHill International. Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral. 2007. Kebijakan Nasional Pengembangan Biodiesel. Workshop Desain Pabrik Biodiesel Skala Kecil, Serpong, 13-15 November 2007.
79
Diasakou M, Louloudi A, dan Papayannakos N. 1998. Kinetics of the noncatalytic transesterification of soybean oil. Fuel, 77 (12): 1297-1302. Direktorat Jendral Listrik dan Pemanfaatan Energi, 2006. www.djlpe.esdm.go.id, diakeses tanggal 29 Agustus 2008. Direktorat Jendral Perkebunan, Departemen Pertanian. 2006. Penyediaan Bahan Baku Bahan Bakar Nabati (Biofuel) Berbasis Jarak Pagar, Jakarta 22 Pebruari. Dragon Technology. 2002. PREDICTPlus 2000TM Chemical Thermodynamic & Transport Properties Of Interest to Chemical Engineers and Chemists. Edition 2.0. http://www.mwsoftware.com/dragon dan
[email protected] Du W, Xu Y, Zing J, dan Liu D. 2004. Novozyme 435-Catalyzed Transesterification of Crude Soybean Oils for Biodiesel Production in a Solvent-free Medium. Biotechnol. Appl. Biocthem.,40 : 187-190. Freedman B, Pryde EH, dan Mounts TL. 1984. Variables Affecting the Yields of Fatty Esters from Transesterified Vegetable Oils. JAOCS, 61: 1638-1643 Ferreira OC. 2003. Exergetic Analysis of Agricultural Production Sistem, http:ecen.com/eee12/omar.htm, diakses tanggal 4 Juni 2007. Gunstone FD, Harwood JL, dan Padley FB. 1994. The Lipid Handbook. 2 London: Charman & Hall : pp. 431-432.
nd
ed.
Han H, Cao W, dan Zhang J. 2005. Preparation of biodiesel from soybean oil u sing supercritical methanol and CO2 as co-solvent. Process Biochemistry, 40 : 3148-3151. Inpres No. 1. 2006. Penyediaan dan Pemanfaatan Bahan Bakar Nabati (Biofuel) sebagai Bahan Bakar Lain. Jakarta, Indonesia. Jeromin L, Peukert E, dan Wollman G. 1987. Process for the Pre-Esterification of Free Fatty Acids in Fats and Oils, U.S. Pattent 4.698.186. Joelianingsih, Maeda H, Nabetani H, Sagara Y. Soerawidjaya TH, Tambunanan AH, dan Abdullah K. 2007. Biodiesel fuels from palm oil via the noncatalytic transesterification in a bubble column reactor at atmospheric pressure : a kinetics study. Renewable Energy; In Press. Kamaruddin A, Irwanto AK, Siregar N, Agustina E. Tambunan AH, Yamin M, Hartulistiyoso E, Parwanto YA, Wulandani D, Nelwan LO. 1998. Energi dan Listrik Pertanian. JICA-DGHE/IPB PROJECT/ADAET:JTA-9a(132). Academic Development of tthe Graduate Program. The Faculty of Agricultal Enginering and Technology. Bogor Agricultural University.
80
Keenan, Charles W, Kleinfelter, Donald C, dan Wood, Jesse H. 1984. Kimia untuk Universitas. Jakarta: Erlangga Kinast JA. 2003. Production of Biodiesels from Multiple Feedstocks and Properties of Biodiesel/Diesel Blends. Final Report, National Renewable Energi Laboratory. Colorado. Knothe G, Gerpen, JV, dan Krahl J, editor. 2005. The Biodiesel Handbook. AOCS PRESS, Champaign, Illinois. Krawczyk T. 1996. Biodiesel-alternative fuel makes inroads but hurdles remain. INFORM, 7(8): 800-815. Kusdiana D, dan Saka S. 2001. Kinetics of transesterification in rapeseed oil to biodiesel fuel as tread in supercritical methanol. Fuel. 80 : 693-698. Marckley KS. 1960. Fatty Acids. 2nd ed. New York : Interscience. Mittelbach M. 1990. Lipase-Catalyzed Alcoholysis of Sunflower Oil. JAOCS, 61 :168-170. Mittelbach M, dan Remschmidt C. 2004. Biodiesel The Comprehensive Handbook. Edisi 1, Boersedruck Ges.m.b.H, Vienna, Austria. Mouza KA, Kazakis NA, dan Paras SV. 2004. Bubble Column Reactor Design Using A CFD Code. 1 st IC-SCCE, Athens, Greece, 8-10 September. Perry R, dan Green D. 1997. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook. 7th ed. McGraw-Hill. Peperes No.5. 2006. Kebijakan Energi Nasional. Jakarta, Indonesia. Prakoso T, Soerawidjaya TH., Reksowardoyo IK., Ircham M., Sukarsih D., Ibrahim, Setyawan A. 2005. Pilot Scale Biodiesel Processing Units by Utilizing Multistage Non-Uniform Reaction Method. Premanasakti H. 2005. Pembelajaran dari Pembiayaan Proyek Energi Listrik Pedesaan, Makalah Disampaikan pada Diskusi Implementasi Proyek Energi di Pedesaan, DJLDE, Jakarta 22 Maret. Russell LD, dan Adebiyi GA. 1993. Classical Thermodynamics, Saunders College Publishing, Philadelphia, PA (Now Oxford University Press), 944 pages.
81
Sagara Y. 2006. State of the art Technokogies in Non-Catalytic Methanolisis for Biodiesel Fuel Production. In : Proceeding of the Development in Biofuel Production and Biomass Technology Seminar. Jakatra, February 21-22. Sheehan J, Camobreco V, DuffieldJ, Graboski M, dan Shapouri H. 1998. Life Cycle Inventory of Biodiesel and Petroleum Diesel for Use in an Urban Bus. A Joint Study Sponsored by : U.S. Department of Agriculture and U.S. Department of Energy. Final May 1998. Stout HA. 1990. Handbook of Energi For World Agriculture. Elsevier Applied Science. London and New York. Swern D. 1979. Bailey’s Industrial Oil and Fat Products. Vol 1. 4th ed. New York:Wiley. Szargut J, Morris DR, dan Steward FR. 1988. Exergy Analysis of Thermal, Chemical, and Metallurgical processes. New York: Hemisphere Publishing Corporation. Talens L, Villalba G, dan Gabarrell X. 2006. Exergy Analisis Applied to Biodiesel Production. Conservation and Recycling 51 (2007) 397-407. Van Krevalen D, dan Chermin,H. 1952. Chemical Engineering Sci, 1;66 Wall G. 2003. Exergy Tools. Proceedings of The Institution of Mechanical Engineering; 217, 2,pp 125. Weast RC, dan Astle MJ. 1981. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 62 nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press. Yamazaki R, Iwamoto S, Nabetani H, Osakada K, Miyawaki O, Sagara Y. 2007. Non-Catalytic Alcoholysis of Oils for Biodiesel Fuel Production by SemiBatch Process, Jpn J Food Eng 8:11-19. Yuan W, Hansen AC, dan Zhang Q. 2005. Vapor pressure and normal boiling point predictions for pure methyl esters and biodiesel fuels. Fuel 2005;84:943-950.
82
LAMPIRAN
83
Lampiran 1 Tabel struktur kimia asam lemak (fatty acids) dan perhitungan berat molekul Tabel lampiran 1. Struktur kimia asam lemak (fatty acids) dan perhitungan berat molekul Fatty acid Lauric
Systematic name Dodecanoic
Structure a Formula 12:0 C12H24O2
Myristic
Tetradecanoic
14:0
C14H28O2
Palmitic
APKxadekanoic
16:0
C16H32O2
Stearic
Octadekanoic
18:0
C18H36O2
Arachidic
Eicosanoic
20:0
C20H40O2
BeAPKnic
Docosanoic
22:0
C22H44O2
Lignoceric
Tetracosanoic
24:0
C24H48O2
Oleic
cis-9-Octadecenoic
18:1
C18H34O2
Linoleic
cis-9, cis-12-Octadecadienoic
18:2
C18H32O2
Linolenic
cis-9,cis-12,cis-15-
18:3
C18H30O2
22:1
C22H42O2
Octadecatrienoic Erucic a
cis-13-Docosenoic
xx:y menunjukkan xx karbon dalam rantai asam lemak dengan y sebagai ikatan rangkap
sumber : Marckley KS, 1960
Transesterifikasi
non-katalitik
atau
dengan
katalis
basa
dengan
menggunanakan refined oil akan mempunyai konversi tinggi hampir 99,9%. Asumsi jika digunakan refined palm oil yang diproduksi dari SPECTRUM CHEMICAL MFG. CORP., Gardena, New Brunswick dengan komposisi dalam % massa : asam palmitat 34,98% ; asam stearat 13,78% ; asam oleat 41,23% ; dan asam linoleat 10,01%, maka dapat dihitung berat molekul (BM) fatty acid yang terkadung dalam trigliserida (TG). Berdasarkan komposisi fatty acid dan jumlah molekul C, H dan O seperti yang ditunjukkan pada tabel di atas dapat dihitung BM pada masing-masing asam yang terkandung dalam minyak seperti yang ditunjukkan Tabel lampiran 2.
84
Lampiran 2 Tabel Berat molekul Tabel lampiran 2. Berat molekul fatty acid dalam trigliserida (TG) Fatty acid
Berat molekul (gr/gmol) 256 284 282 272
Asam palmitat Asam stearat Asam oleat Asam linoleat Total
Persentasi (%) 34,98 13,78 41,23 10,01 100
BM dalam TG (gr/gmol) 268,65 117,42 349,11 81,68 816,87
Berat molekul unsur kimia yang dipergunakan dalam penelitian ini dapat ditunjukkan Tabel lampiran 2. Berat molekul TG dihitung dengan menjumlah berat molekul dari atom C dan H yang masih terkandung dalam struktur molekul TG seperti yang ditunjukkan pada Gambar 16. Sedangkan berat molekul ME (biodisel) dihitung dari persentasi berat molekul fatty acid sama seperti pada TG, hanya saja struktur dari ME hanya terdiri dari satu alkil seperti yang ditunjukkan pada Gambar lampiran 2. Berat molekul metanol dihitung berdasar atom C dan H yang terdapat pada struktur metanol, demikian jugan berat molekul GL dihitung berdasarkan atom C, O dan H yang terdapat dalam struktur molekulnya seperti yang ditunjukkan pada Gambar lampiran 1.
O ║ H2C - O-C-R1 O ║ HC - O-C-R2 O ║ H2C - O-C-R3
→
+ 3 CH3OH
TG
3 MeOH
O ║ CH3 - O-C-R1 O ║ CH3 - O-C-R2 O ║ CH3 –O-C-R3 3 ME
+
CH2 -OH | CH - OH | CH2 -OH GL
Gambar lampiran 1 Struktur molekul trigliserida, methanol, metil ester dan gliserol Tabel lampiran 2 Berat molekul masing-masing unsur kimia Nama Trigliserida (TG) Metil ester (ME) Metanol Gliserol NaOH
Berat molekul (gr/gmol) 858 287 32 92 40
85
Lampiran 3 Gambar production plant dan diagram alir proses non-katalitik
Termometer
SH VR
R1 Cd1
pump
86
Lampiran 4 Prosedur kerja proses produksi non-katalitik Diagram alir dari proses produksi biodiesel dengan kapasitas reaktor 200 mL ditunjukkan pada Lampiran 2. Langkah pertama prosedur kerja proses ini reaktor diisi minyak sampai 200 mL melalui B1, gas nitrogen (N2) yang bertekanan 0.3 - 0.5 MPa dialirkan sampai pipa aliran minyak terisi dengan N2 sehingga minyak tidak mengalir ke pipa pengaliran metanol dengan harapan minyak dan metanol bereaksi hanya di reaktor. Gas nitrogen dikeluarkan melalui O1. Selanjutnya minyak dalam reaktor dipanaskan sampai mencapai suhu 290 oC. Langkah kedua adalah metanol dialirkan dari tanki metanol dengan laju metanol 3.0 mL/min untuk diupkan sebelumnya aliran N2 dihentikan. Metanol menguap melewati dua heat exchanger (HE) yang memiliki suhu 150 oC dan 200 oC yang terdapat pada stasiun evaporator. Selanjutnya metanol dialirkan melalui stasiun superheater yang juga memiliki dua HE yang bersuhu 250 oC dan 290 oC, kemudian uap metanol yang melalui superheater mengalir ke reaktor melalui bubbles, aliran ini terjadi secara kontinu. Langkah ketiga, minyak dipompakan secara kontinu dari tanki minyak melalui katup V3 supaya minyak dalam reaktor tetap terjaga pada level 200 mL. Jika reaktor sudah mencapai level, maka minyak yang berlebih akan ditampung melalui O2. Produk dari hasil reaksi yang masih dalam bentuk fase uap dikondensasikan dan ditampung melalui F1. Akhirnya, dilakukan análisis dari produk untuk dapat diketahui kandungan biodiesel dan glicerol (GL) sebagai produk sampingan. Dari data tersebut dibuat keseimbangan massa untuk mengetahui keseimbangan energi dan ekserginya sehingga dapat dilakukan perhitungan rasio energi dan efisiensi eksergi.
87
Lampiran 5 Gambar production plant proses produksi biodiesel katalitik
88
Lampiran 6 Gambar keseimbangan massa produksi biodiesel proses katalitik
89
Lampiran 7 Prosedur kerja proses produksi biodiesel katalitik Diagram alir proses produksi biodiesel secara katalitik ditunjukkan pada Lampiran 3. Ada beberapa tahapan yang dilakukan dalam proses ini. Langkah pertama adalah katalis NaOH dan metanol yang memiliki suhu 27 oC dicampur ke dalam MMT selanjutnya campuran antara katalis dan metanol dipompakan ke reaktor. Minyak yang sudah di-refining dipompakan juga ke reaktor kemudian diaduk dengan menggunakan elektromotor. Langkah berikutnya, campuran produk dipompakan ke WT untuk dilakukan pencucian. Pencucian dilakukan dengan menambahkan air panas yang besuhu 80 oC.
90
Lampiran 8 Keseimbangan massa proses produksi biodiesel katalitik stream
1A2x(H2O 50%) 1B2x(H2O 100%) 2 A/B 3 A/B 9/10 11 kg/bacth kg/bacth kg/bacth kg/bacth kg/bacth kg/bacth kg/bacth Fatty Acid 0.00 0.00 0.00 0.00 0.52 0.52 0.00 Trigliserida 0.00 0.00 0.00 0.00 522.31 522.31 0.00 MeOH 0.00 0.00 0.00 52.40 0.00 0.00 261.98 H2O 303.09 522.36 0.11 2.76 1.10 1.10 13.79 Biodiesel 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Glycerol 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 NaOH 0.00 0.00 5.52 0.00 0.00 0.00 0.00 Impurities 0.00 0.00 0.00 0.00 0.55 0.55 0.00 Sabun 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Acid Reagent 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Act Clay 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Total 303.09 522.36 5.63 55.16 524.48 524.48 275.77 Temp. C Press, atm
80.00
80.00
32.00
32.00
40.00
40.00
32.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
Sumber : Balai Rekayasa Sistem dan Desain BPPT Serpong, Juli – November 2007
91
Lampiran 9 Keseimbangan massa proses produksi biodiesel katalitik stream
12/13 14A 14B 14C 14D 15A 15B 15C 15D kg/bacth kg/bacth kg/bacth kg/bacth kg/bacth kg/bacth kg/bacth kg/bacth kg/bacth kg/bacth Fatty Acid 0.00 0.00 0.03 0.03 0.81 1.89 1.65 1.16 0.81 1.89 Trigliserida 0.00 0.00 3.13 2.19 1.54 3.58 3.13 2.19 1.54 3.58 MeOH 261.98 261.98 143.04 55.17 5.52 0.61 143.04 55.17 5.52 0.61 H2O 13.90 13.90 11.54 307.54 522.80 0.05 11.54 307.54 522.80 0.05 Biodiesel 0.00 0.00 5.10 2.52 2.51 499.86 5.10 2.52 2.51 499.86 Glycerol 0.00 0.00 38.66 13.25 2.49 0.83 38.66 13.25 2.49 0.83 NaOH 5.52 5.52 3.28 0.00 0.00 0.00 3.28 0.00 0.00 0.00 Impurities 0.00 0.00 0.39 0.08 0.04 0.04 0.39 0.08 0.04 0.04 Sabun 0.00 0.00 16.65 4.99 1.50 0.64 16.65 4.99 1.50 0.64 Total 281.40 281.40 221.82 385.77 537.21 507.50 223.44 386.90 537.21 507.50 Temp. C 32.00 32.00 65.00 65.00 80.00 80.00 65.00 65.00 80.00 80.00 Press, atm 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 Q, kW Sumber : Balai Rekayasa Sistem dan Desain BPPT Serpong, Juli – November 2007
92
Lampiran 10 Keseimbangan massa proses produksi biodiesel katalitik stream
16 17 18A/B 22 24 kg/bacth kg/bacth kg/bacth kg/bacth kg/hour kg/hour Fatty Acid 1.89 1.89 0.00 0.03 0.01 0.00 Trigliserida 3.58 3.58 0.00 3.13 0.78 0.00 MeOH 0.06 0.06 0.55 143.04 35.76 35.40 H2O 0.00 0.00 0.04 11.54 2.88 1.15 Biodiesel 499.86 499.86 0.00 5.10 1.28 0.00 Glycerol 0.41 0.41 0.41 38.66 9.66 0.01 NaOH 0.00 0.00 0.00 3.28 0.82 0.00 Impurities 0.02 0.01 0.02 0.39 0.10 0.00 Sabun 0.32 0.16 0.32 16.25 4.16 0.00 Total 506.14 505.97 1.34 221.42 55.45 36.56 Temp. C 100.00 50.00 100.00 50.00 50.00 70.00 Press, atm 0.07 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 Sumber : Balai Rekayasa Sistem dan Desain BPPT Serpong, Juli – November 2007
93
Lampiran 11 Keseimbangan massa proses produksi biodiesel katalitik stream
28 29 30 31A/B 32 33 34 kg/bacth kg/hour kg/hour kg/hour kg/hour kg/hour kg/bacth kg/hour Fatty Acid 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00 Trigliserida 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.78 0.00 MeOH 55.12 11.09 207.72 196.82 46.30 0.21 0.36 0.00 H2O 304.47 61.26 7.92 7.34 1.73 180.66 1.73 120.00 Biodiesel 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.28 0.00 Glycerol 13.19 2.65 0.00 0.04 0.01 2.66 9.65 0.00 NaOH 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.82 0.00 Impurities 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.10 0.00 Sabun 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 4.16 0.00 Total 372.78 75.00 215.64 204.20 48.04 183.53 18.89 120.00 Temp. C 75.00 75.00 65.00 32.00 32.00 100.00 25.54 120.00 Press, atm 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.74 3.00 Sumber : Balai Rekayasa Sistem dan Desain BPPT Serpong, Juli – November 2007
94
Lampiran 12 Berat molekul, massa jenis dan panas jenis sebagai data-data pendukung dalam perhitungan analisis energi dan eksergi Berat molekul (gr/gmol) 858 287 32 92 40
Nama Trigliserida (TG) FAME Metanol Gliserol NaOH Air Gliserol
suhu (oC) 27-65 65-112 112-117 117-223 112-213 237-290 25-213 25-290
Massa jenis (kg/m3) 890 860 792
1000 1261
Cp metanol (kJ/kg oC) 2,66 1,52 1,58 1,72 1,70 1,94 1,59 1,69
TG FAME GL NaOH Sabun
Cp (kJ/kg oC) 3,01 3,16 2,77 3,33 18,77
Keterangan cair gas gas gas gas gas gas gas
95
Lampiran 13 Panas penguapan dan pembentukan sebagai data-data pendukung dalam perhitungan analisis energi dan eksergi
Bahan
FAME Metanol GL
TG FAME GL MeOH
Suhu (oC) 80 112 290 347 65 290
Panas penguapan(hfg) (kJ/kg) 191,65 186,84 174,00 142,60 1102,2 842,5
Suhu (K) 298 298 298 298
Panas pembentukan (hof) (kJ/kmol) -1986734 -734905 -567220 -216200
96
Lampiran 14 Perhitungan pindah panas dalam BCR proses produksi non-katalitik Panas dari reaksi ( H R )
= (3 h f
FAME
+ h f GL) – ( h f TG + 3 h f MeOH)
= -136601,796 kJ/kmol TG x 1,1675 kmol TG = -159484,99 kJ. (reaksi eksoterm) Entalpi dari reaktan (HR): T ref = 298 K HTG
= mTG CpTG (TR-Tref) = 1001,71 (3) (280-25) = 766308,15 kJ
HMeOH = mMeOH Cp gas(290-25) = 5550,73 (1,59) (188) = 1659224,212 kJ (HR) = 766308,15 + 1659224,212 = 2425532,4 kJ Entalpi dari produk (HP) HTG
= mTG CpTG (TR-Tref) = 1,1 (3) (290-25) = 874,5 kJ
HMeOH = mMeOH Cp gas(290-25) = 5444,69 (1,69) (265) = 2438404,42 kJ HME
= mFAME CpME (290 -25) + mFAME hfg290oC = 837400 + 174000= 1011400 kJ
HGL
= mGL CpGL(290-25) + mGL hfg290oC = 78279,1 + 89844,2 = 168123,3 kJ
HP
= 874,5 +2438404,42 + 1011400 + 168123,3 = 3618802,22 kJ
Keseimbangan energi : Input = Output HR + H R + QR = HP 2425532,4 + 159484,99 + QR = 3618802,22 QR = 1033784,83 kJ Jika effisiensi panas70% sehingga QR = 1476835,48 kJ = 1476, 84 MJ
97
