PERANCANGAN PROSES SULFONASI LIGNIN ISOLAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS) MENJADI SURFAKTAN NATRIUM LIGNOSULFONAT (NLS)
ISMIYATI F 361030061
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009 i
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi dengan judul “ Perancangan Proses Sulfonasi Lignin Isolat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) Menjadi Surfaktan Natrium Lignosulfonat (NLS)” adalah karya saya sendiri dan belum pernah diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka di bagian akhir disertasi.
Bogor, Januari 2009
Ismiyati F 361030061
ii
ABSTRACT
ISMIYATI. Process Design of Sulphonation of Isolated Empty Fruit Bunch (EFB) Lignin to Produce Sodium Lignosulphonat (SLS) Surfactant. Under the direction of ANI SURYANI, DJUMALI MANGUNWIDJAYA, MACHFUD and ERLIZA HAMBALI. Process design of sulphonation of isolated empty fruit bunch (EFB) lignin to produce sodium lignosulphonat (SLS) surfactant was conducted by process synthesis, then process development by empiric systematic approach (modelling). The results were integrated into process engineering flow diagram (PEFD), and analyzed feasibility of SLS industry. The objective of this research was to obtain “the process design” especially to identify the best pulping process and the best isolating lignin path to obtain the best isolated lignin; to find the optimum process condition in production of the SLS; to determine the reaction kinetic modelling, total cost equation as a function of production capacity and optimum production capacity were also developed and to obtain the financially feasible criteria in setting up SLS industry. The best influence of NaOH addition in organosolv pulping process was obtained at 10% of concentration, and of H2SO4 addition in lignin isolation using Kim method was obtained at 20% concentration. The yield of isolated lignin was 19,945% (w/w) with 88,93% of purity. The optimum process conditions was obtained ie: reactant ratio (NaHSO3 to lignin) of 60,32 % (w/w); pH of 6,03; reaction temperature of 90,28OC; conversion of 72,20%; validation of conversion of 70,04 %. Identification of SLS by using spectrophotometer FTIR, LC-MS and UV showed that SLS product of sulphonation, was similar to SLS standard from Aldrich (SLS-Aldrich). In addition, the properties of SLS and performance test of SLS were adequate to be a dispersant agent because the purity of SLS was high ( more than 80 %) The sulphonation of lignin to form SLS is considered as second reaction order. The reaction rate constant (k) is 1,35703832 e -2558,89354/T mol-1 hr-1, Mathematic modelling for total production cost (tc) as a function of SLS production capacity (P) is : t C = 4 8 .137 − 25,67 P + 0,001 P 2 − 10 −8 P 3 +
2.593.011. 921 P
The Optimum production capacity of LSL is 23.425 kg/year using selling price on Rp 65 000,- perpackage of SLS @ 100 gram. The financially feasible criteria showed that NPV was Rp 8 971 273 997,-; IRR was 27,22% over the interest rate (14%); Net B/C was 1,56; BEP was 11,09% capacity and PBP was 2,67 year. In conclusion, the SLS industry was feasible. The sensitivity analysis showed that the critical point will happen when the two condition appear: the raw material price was increased 20.71%, and the selling price of SLS was decreased 8%. Corresponding to both condition, the SLS industry was more sensitive to the decreasing of the product price rather than to the increasing of the raw material price. Keyword: process design, sulphonation, isolated empty fruit bunch (EFB) lignin , SLS surfactant, dispersant iii
RINGKASAN ISMIYATI. Perancangan Proses Sulfonasi Lignin Isolat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) Menjadi Surfaktan Natrium Lignosulfonat (NLS). Dibimbing oleh ANI SURYANI, DJUMALI MANGUNWIDJAYA, MACHFUD dan ERLIZA HAMBALI. Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) sebagai hasil samping industri sawit, merupakan bahan berlignoselulosa yang memiliki prospek sebagai bahan baku produk berbasis serat, yaitu pulp dan kertas dengan mutu yang memenuhi standar. Dengan dikembangkannya industri pulp dan kertas menggunakan bahan baku TKKS, maka akan menghasilkan limbah berupa lindi hitam (black liquor) TKKS, sehingga peluang pemanfaatan lignin yang terkandung dalam lindi hitam TKKS juga semakin terbuka yaitu dengan mengambil atau mengisolasi ligninnya. Isolasi lignin yang umum dilakukan adalah menggunakan metode Kim, yaitu pelarutan lindi hitam dengan garam dan pengendapan lignin menggunakan asam sulfat encer. Lignin isolat yang dihasilkan hanya larut dalam larutan alkali seperti dimetil formamida (DMF) dan tetrahidrofuran (THF) namun tidak larut dalam air. Sifat tersebut disebabkan karena kekuatan ikatan hidrogen dan kerapatan energi kohesifitas. Untuk mengubah sifat tersebut maka lignin-lignin alkali dapat dimodifikasi
melalui
proses
sulfonasi
menjadi
lignosulfonat.
Sulfonasi
dimaksudkan untuk mengubah sifat hidrofilisitas lignin yang kurang polar (tidak larut air) menjadi garam ligosulfonat yang lebih polar (larut air) dengan cara memasukkan gugus sulfonat (SO3-) dan garamnya ke dalam gugus hidroksil (OH-) lignin, fenomena tersebut menggambarkan lignosulfonat berperan sebagai surface active agent atau surfaktan, sehingga penggunaannya dalam industri menjadi lebih luas. Surfaktan natrium lignosulfonat (NLS) termasuk jenis surfaktan anionik yang memiliki berbagai kegunaan yaitu sebagai bahan pendispersi pada berbagai sistem dispersi partikel (pasta gipsum dan pasta semen), sebagai bahan perekat dalam industri keramik, sebagai bahan pengemulsi, serta sebagai pelarut warna pada industri tekstil . Penelitian ini bertujuan menghasilkan “rancangan proses sulfonasi lignin isolat TKKS menjadi natrium lignosulfonat (NLS)”, khususnya mendapatkan jalur proses pemasakan/pulping TKKS, dan teknik isolasi lignin yang tepat untuk iv
memperoleh lignin isolat terbaik; mendapatkan kondisi optimum proses sulfonasi lignin; mendapatkan model kinetika reaksi dan model persamaan biaya produksi (tC) sebagai fungsi kapasitas produksi; integrasi dalam process engineering flow diagram (PEFD); serta mendapatkan kriteria kelayakan finansial
pendirian
industri NLS Penelitian ini dilakukan melalui beberapa tahap yaitu, tahap sintesis proses meliputi
pemilihan jalur
proses pemasakan/pulping serat TKKS; pemilihan
teknik isolasi lignin yang tepat, untuk mendapatkan lignin isolat dengan rendemen dan kemurnian tinggi; serta proses sulfonasi lignin isolat menjadi natrium NLS. Rancangan percobaan untuk
mendapatkan pengaruh konsentrasi bahan
pemasak/pulping (NaOH) terbaik dan pengaruh konsentrasi H2SO4 terbaik menggunakan uji Duncan, sedangkan optimasi kondisi proses sulfonasi lignin isolat TKKS NLS menggunakan metode permukaan respon/ response surface method (RSM); identifikasi NLS menggunakan spektrofotometer FTIR, LC-MS serta UV, karakterisasi, serta evaluasi kinerja NLS sebagai bahan pendispersi, diaplikasikan pada pasta gipsum. Tahap berikutnya adalah pengembangan proses melalui pendekatan sistematis empiris (pemodelan) yaitu menentukan model kinetika reaksi dan model persamaan biaya produksi total (tC) sebagai fungsi kapasitas produksi (P), menentukan kapasitas produksi NLS optimum; dan integrasi process engineering flow diagram (PEFD) menggunakan program HYSYS. Selanjutnya melakukan analisis kelayakan finansial pendirian industri NLS dengan beberapa kriteria kelayakan yaitu net present value (NPV), internal rate of return (IRR), net benefit cost ratio (Net B/C), break event point (BEP) dan pay back period (PBP) serta evaluasi tingkat sensitivitas kelayakan finansial pada beberapa perubahan kondisi. Hasil uji Duncan menunjukkan bahwa pengaruh terbaik penambahan NaOH pada proses pulping organosolv terjadi pada konsentrasi NaOH 10% dan pengaruh terbaik penambahan H2SO4 pada proses isolasi lignin metode Kim terjadi pada konsentrasi H2SO4 20 %. Rendeman lignin isolat yang dihasilkan yaitu 19,945% (bobot lignin/bobot serpih TKKS kering), dengan kemurnian 88,93%. Hasil analisis
kanonik
pada proses sulfonasi lignin menjadi NLS
diperoleh kondisi proses optimum terjadi pada nisbah pereaksi (NaHSO3 terhadap lignin) yaitu 60,32 % (b/b), pH yaitu 6,03, suhu reaksi yaitu 90,28 OC, dengan v
nilai konversi sebesar 72,20%, dan hasil validasi diperoleh konversi 70,04 %. Hasil identifikasi menunjukkan bahwa NLS hasil sulfonasi memiliki kemiripan dengan NLS standar (NLS-Aldrich). Hasil uji kinerja NLS yang diaplikasikan pada pasta gipsum menunjukkan bahwa persentase nilai alir (flow value) lebih rendah dibanding persentase nilai alir (flow value) NLS-Aldrich, hal ini disebabkan karena NLS-Aldrich memiliki kemurnian 96%. Namun demikian kinerja NLS hasil sulfonasi memenuhi karakteristik sebagai bahan pendispersi kerena memiliki kemurnian diatas 80 % (Wesco Technology, 1995).. Reaksi sulfonasi lignin menjadi NLS merupakan reaksi orde 2, dengan konstanta laju reaksi (k) = 1,35703832 e
-2558,89354/T
mol-1 jam-1, Model persamaan
matematik biaya total (tc) sebagai fungsi kapasitas produksi NLS (P) adalah : t C = 4 8 .137 − 25,67 P + 0,001 P 2 − 10 −8 P 3 +
2.593.011. 921 P
Kapasitas produksi NLS optimum adalah 23.425 kg/tahun, dengan harga jual sebesar Rp 65 000,- perkemasan NLS @ 100 gram Integrasi dalam process engineering flow diagram (PEFD) merupakan gambaran riil proses sulfonasi lignin menjadi surfaktan natrium lignosulfonat (NLS) yang melibatkan rangkaian peralatan, satuan aliran massa dan energi, serta kondisi proses di setiap alat (tahapan proses). Hasil analisis beberapa kriteria kelayakan finansial diperoleh nilai NPV sebesar Rp 8 971 273 997,-; IRR sebesar 27,22% berada diatas suku bunga bank yaitu 14%; Net B/C sebesar 1,56; BEP 11,09% kapasitas dan PBP sebesar 2,67 tahun. Dengan demikian pendirian industri NLS layak untuk dilaksankan. Hasil analisis sensitivitas terjadi pada titik kritis (tidak layak) pada kondisi bahan baku naik 20,71%, dan pada kondisi harga jual produk NLS turun 8%. Jika dilihat dari tingkat sensitivitas terhadap perubahan kedua kondisi tersebut, maka industri NLS lebih sensitif oleh penurunan harga jual produk.
vi
© Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2009 Hak cipta dilindungi 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB
vii
PERANCANGAN PROSES SULFONASI LIGNIN ISOLAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS) MENJADI SURFAKTAN NATRIUM LIGNOSULFONAT (NLS)
ISMIYATI F 361030061
Disertasi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Departemen Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009 viii
Penguji luar komisi pada ujian tertutup: Dr. Ir. Zaenal Alim Mas’ud, DEA Penguji luar komisi pada ujian terbuka : Prof. Dr. Ir. Wasrin Syafii, M.Agr. Eddy Lukas, Ph.D, MBA
xxvi
Judul Disertasi
: Perancangan Proses Sulfonasi Lignin Isolat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) Menjadi Surfaktan Natrium Lignosulfonat (NLS) Nama Mahasiswa : Ismiyati Nomor Pokok : F 361030061 Program Studi : Teknologi Industri Pertanian
Disetujui Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Ani Suryani, DEA Ketua
Prof. Dr. Ir. Djumali Mangunwidjaya, DEA Anggota
Dr. Ir. Machfud, MS Anggota
Dr. Ir. Erliza Hambali. MSi Anggota
Diketahui,
Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir. Irawadi Jamaran
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS
Tanggal ujian: 12 November 2008
Tanggal lulus........................................... ix
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Alloh SWT atas segala Rahmat dan Karunia-Nya sehingga disertasi berjudul “ Perancangan Proses Sulfonasi Lignin Isolat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) Menjadi Surfaktan Natrium Lignosulfonat (NLS)” dapat diselesaikan dengan baik. Tulisan ini merupakan hasil penelitian yang disusun dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian di Institut Pertanian Bogor. Penulis menyadari bahwa selama melakukan penelitian dan penyelesaian penulisan disertasi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak. Untuk itu penulis menyampaikan penghargaan dan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Komisi Pembimbing, yakni Dr. Ir. Ani Suryani, DEA selaku ketua, serta Prof. Dr. Ir. Djumali Mangunwidjaya, DEA; Dr. Ir. Machfud, MS; dan Dr.Ir. Erliza Hambali, MSi, masing-masing selaku anggota atas bimbingan, arahan serta dorongan motivasi, sehingga disertasi ini dapat diselesaikan. Rektor Universitas Muhammadiyah Jakarta Prof. Dr. Masyitoh atas kesempatan yang diberikan kepada penulis, Rekan-rekan TIP angkatan 2003, atas silaturrohmi dan diskusinya sehingga semangat belajar tetap terjaga. Ungkapan terimakasih yang tulus juga disampaikan kepada Ayahanda H. Damanhuri (alm) dan ibunda Hj. Chodi’ah (alm) atas didikan dan motivasi, serta keluarga besar nya atas dukungan dan doanya, Suami tercinta Dr. M. Kadarisman, SH, MSi. serta ananda Inggit, Anjar dan Wimba atas pengertian, dukungan baik moril maupun materiil serta doa yang tiada henti. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis dalam penyelesaian disertasi ini. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi perkembangan industri surfaktan berbasis sawit di Indonesia Bogor, Januari 2009 Ismiyati x
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bumiayu Brebes, pada tanggal 15 Januari 1960 sebagai anak ke 4 (9 bersaudara) dari pasangan H. Damanhuri (alm) dan Hj. Chodi’ah (alm). Pada tahun 1987, menikah dengan Dr. M. Kadarisman,SH. MSi., PNS Badan Kepegawaian Negara (BKN) Pusat Jakarta, dan dikaruniai tiga orang anak yaitu: Inggita Utami Dewi (mahasiswi Biologi SITH-ITB), Anjar Dimara Sakti (mahasiswa Geodesi dan Geomatika-ITB) dan Wimbajaya Hamukti (SMP Negeri 3 Depok). Penulis menempuh pendidikan sarjana (S1) di Jurusan Teknik Kimia Universitas Gajah Mada lulus tahun 1985. Pada tahun 1997 penulis melanjutkan pendidikan S2 di Jurusan Teknik Kimia, Universitas Indonesia lulus tahun 1999. Pada tahun 2003 penulis mendapat kesempatan untuk melanjutkan program Doktor
pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian, Institut Pertanian
Bogor, melalui beasiswa TPSDP-ADB loan. Penulis bekerja di PT. Sarana Gatra Utama, Citeureup, Jawa Barat mulai tahun 1986 hingga tahun 1993, dan pada tahun 1993 hingga saat ini sebagai staf pengajar di Jurusan Teknik Kimia, Universitas Muhammadiyah Jakarta. Mulai tahun 2007 penulis diberi amanah sebagai Ketua Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Jakarta.
xi
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL......................................................................................
xvi
DAFTAR GAMBAR.................................................................................
xviii
DAFTAR LAMPIRAN..............................................................................
xxii
I. PENDAHULUAN ................................................................................
1
1.1. Latar Belakang Penelitian..............................................................
1
1.2 Tujuan Penelitian.............................................................................
4
1.3 Ruang Lingkup Penelitian...............................................................
4
1.4 Manfaat Penelitian...........................................................................
5
II. TINJAUAN PUSTAKA........................................................................
6
2.1 Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS).......................................
6
2.2 Lignin.............................................................................................
7
2.2.1 Karakteristik Lignin dan Turunan Lignin.............................
10
2.2.2 Penggunaan Lignin Teknis....................................................
13
2.3 Modifikasi Lignin Isolat Menjadi Garam Lignosulfonat.............
15
2.4 Surfaktan Natrium Lignosulfonat (NLS)........................................
17
2.5 Perancangan ...................................................................................
21
2.5.1 Analisis Peluang dan Permasalahan......................................
23
2.5.2 Sintesis Proses.......................................................................
23
2.5.3 Pengembangan Proses...........................................................
25
2.5.3.1 Pengembangan Proses Untuk penggandaan Skala (Scale Up)..................................................................
26
2.5.3.2 Pemodelan.................................................................
28
2.5.3.3 Optimasi ...................................................................
29
2.6 Perancangan Industri NLS Berbahan Dasar TKKS................
31
2.6.1 Sintesis Proses Sulfonasi Lignin Isolat TKKS......................
32
2.6.1.1 Proses Pemasakan/Pulping TKKS............................
33
A. Proses Kraft dan Proses Soda...............................
33
B. Proses Organosolv................................................
35
C. Proses Sulfit (NSSC)............................................
36
2.6.1.2 Teknik Isolasi/pemisahan Lignin ..............................
37
xii
2.6.1.3 Sulfonasi Lignin Isolat Menjadi Surfaktan Natrium Lignosulfonat (NLS).................................................
38
2.6.2 Pengembangan Proses Melalui Pendekatan Sistematis Empiris (Pemodelan), Simulasi, Optimasi serta Integrasi Proses....................................................................................
42
2.6.2.1 Kinetika Reaksi........................................................
42
2.6.2.2 Volume/Kapasitas Reaktor.......................................
47
2.6.2.3 Neraca Massa dan Neraca Energi............................
48
2.6.2.4 Optimasi Kapasitas Produksi NLS...........................
48
2.6.2.5 Penentuan Harga Perkiraan Alat ...........................
49
2.6.2.6 Process Engineering Flow Diagram (PEFD) ........
50
2.6.2.7 Analisis Kelayakan Finansial...................................
51
2.6.2.8 Analisis Sensitivitas.................................................
54
III. METODOLOGI PENELITIAN.........................................................
55
3.1 Kerangka Pemikiran.....................................................................
55
3.2 Metode Penelitian.........................................................................
56
3.2.1 Alat dan Bahan Untuk Preparasi Lignin Isolat dan Proses Sulfonasi ............................................................................
56
3.2.2 Waktu dan Tempat Penelitian.............................................
57
3.2.3 Tahapan Penelitian.............................................................
58
3.2.3.1 Sintesis Proses.........................................................
59
3.2.3.1.1
Pemilihan
Jalur
Pemasakan/pulping
TKKS dan Teknik Isolasi Lignin ..........
59
3.2.3.1.2 Preparasi Lignin Isolat TKKS...............
60
A. Proses Pemasakan/pulping TKKS....
60
B. Proses Isolasi Lignin dari Lindi Hitam TKKS.....................................
61
C. Karakterisasi Lignin Isolat................
62
3.2.3.1.3 Optimasi Kondisi Proses Sulfonasi Lignin Isolat Menjadi NLS....................
62
3.2.3.1.4 Identifikasi Produk Natrium Lignosulfonat (NLS)............................................
xiii
64
3.2.3.1.5 Karakterisasi Sifat Fisiko-kimia Natri-
64
um Lignosulfonat (NLS)........................ 3.2.3.1.6 Evaluasi Kinerja NLS Sebagai Bahan
65
Pendispersi (dispersant) Pasta Gipsum. 3.2.3.1.7 Rancangan Percobaan............................
65
3.2.3.2 Tahap Pengembangan Proses..................................
69
3.2.3.3 Menentukan Harga Alat..........................................
70
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN.........................................................
72
4.1 Sintesis Proses..............................................................................
72
4.1.1 Pemilihan Jalur Pemasakan/pulping TKKS .......................
72
4.1.2 Pemilihan Teknik Isolasi Lignin........................................
74
4.1.3 Proses Sulfonasi Lignin Isolat Menjadi NLS....................
75
4.1.4 Preparasi Lignin Isolat.......................................................
77
4.1.4.1 Proses Pemasakan/pulping TKKS........................
77
4.1.4.2 Isolasi Lignin........................................................
78
4.1.4.3 Karakteristisasi Sifat Fisiko-kimia Lignin Isolat TKKS ..................................................................
79
A. Rendemen Lignin ...........................................
79
B. Kadar / Kemurnian Lignin...............................
83
C. Kadar Metoksil Lignin.....................................
85
D. Bobot Molekul Lignin.....................................
88
4.1.5 Optimasi Kondisi Proses Sulfonasi Lignin Isolat Menjadi NLS terhadap Respon Nilai Konversi...........................
89
A. Optimasi Nisbah Pereaksi (NaHSO3 terhadap lignin), pH, dan Suhu Reaksi Proses Sulfonasi Lignin Isolat Menjadi NLS terhadap Nilai Konversi..........................
89
B. Pengaruh Nisbah Pereaksi (NaHSO3 terhadap lignin), pH Serta Suhu Reaksi terhadap Nilai Konversi..........
93
4.1.6 Optimasi Kondisi Proses Sulfonasi Lignin Isolat Menjadi NLS terhadap Respon Kemurnian NLS............................
97
A. Optimasi Nisbah Pereaksi (NaHSO3 terhadap lignin), pH, dan Suhu Reaksi Proses Sulfonasi Lignin Isolat Menjadi NLS) terhadap Kemurnian NLS...................... xiv
97
B. Pengaruh Nisbah Pereaksi (NaHSO3 terhadap lignin), pH serta Suhu Reaksi terhadap Kemurnian NLS..........
99
4.1.7 Identifikasi Produksi Natrium lignosulfonat (NLS).........
104
A. Identifikasi dengan Spektrofotometer FT-IR.................
104
B. Identifikasi dengan spektrofotometer LC-MS..............
107
4.1.8 Karakterisasi Sifat Fisiko-kimia Natrium lignosulfonat (NLS)..................................................................................
109
4.1.9 Kinerja NLS Sebagai Bahan Pendispersi (dispersant) Pada Pasta Gipsum............................................................
110
4.2 Pengembangan Proses Melalui Pendekatan Sistimatis Empiris (Pemodelan), Simulasi, Optimasi serta Integrasi Proses...............
112
4.2.1 Model Kinetika Reaksi.......................................................
112
4.2.2 Validasi Model Kinetika Reaksi.........................................
116
4.2.3 Penyusunan Neraca Massa di Setiap Alat..........................
116
4.2.4 Neraca Energi ....................................................................
123
4.2.5 Optimasi Kapasitas Produksi NLS.....................................
128
4.2.6 Intergrasi Process Engineering Flow Diagram (PEFD)....
131
4.2.7 Deskripsi Proses Sulfonasi Lignin Isolat Menjadi Natrium Lignosulfonat (NLS)...................................................
131
4.2.8 Analisis Kelayakan Finansial Pendirian Industri NLS.......
137
4.2.9 Analisis Sensitivitas.............................................................
142
A. Kondisi Bahan Baku Naik ..............................................
142
B. Kondisi Harga Jual Produk NLS Turun...........................
142
V. KESIMPULAN DAN SARAN...........................................................
144
5.1 Kesimpulan......................................................................................
144
5.2 Saran................................................................................................
146
DAFTAR PUSTAKA................................................................................
147
LAMPIRAN...............................................................................................
153
xv
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1.1
Produsen dan kapasitas produksi lignosulfonat di dunia.............
3
Tabel 2.1
Komposisi kimia TKKS (% berat kering).....................................
7
Tabel 2.2
Pita serapan penting infra merah lignin menurut Hergert 1971....
12
Tabel 2.3
Karakteristik garam lignosulfonat komersial................................
16
Tabel 2.4
Hubungan penambahan NLS dalam pasta semen terhadap pengurangan kebutuhan air...........................................................
Tabel 2.5
Kandungan bahan organik dan anorganik pada lindi hitam (black liquor) proses Kraft........................................................................
Tabel 3.1
34
Faktor, kode dan taraf kode pada proses sulfonasi lignin membentuk NLS.............................................................................
Tabel 3.2
20
67
Rancangan percobaan proses sulfonasi lignin menjadi NLS dengan desain 23 ...........................................................................
68
Tabel 3.3
Indeks harga alat.............................................................................
71
Tabel 4.1
Perbandingan beberapa proses pemasakan/pulping TKKS............
73
Tabel 4.2
Perbandingan beberapa teknik isolasi lignin organosolv...............
75
Tabel 4.3
Karakteristik lindi hitam organosolv pada berbagai konsentrasi penambahan NaOH........................................................................
77
Tabel 4.4
Karakteristik dan sifat fisiko-kimia lignin isolat............................
88
Tabel 4.5
Nilai estimasi proses sulfonasi lignin menjadi NLS.......................
91
Tabel 4.6
Nilai estimasi proses sulfonasi lignin............................................
99
Tabel 4.7
Pita serapan spektrofotometer FT-IR Lignin TKKS dan lignin standar (Indulin AT).......................................................................
Tabel 4.8
Pita Pita Serapan dan bilangan gelombang NLS standar, NLSAldrich dan NLS hasil sulfonasi..................................................
Tabel 4.9
Tabel 4.11
Tabel 4.12
106
Fragmen bobot molekul gugus fungsi NLS hasil sulfonasi dan NLS standar (NLS-Aldrich)...........................................................
Tabel 4.10
105
108
Karakteristik Natrium lignosulfonat (NLS) dibanding dengan NLS standar komersial (Wesco Technology, 1995)......................
110
CB , terhadap waktu reaksi pada berbagai suhu..... CA
114
Nilai slope , nilai k, dan R-sq ........................................................
115
Hubungan ln
xvi
Tabel 4.13
Neraca massa di tangki pengasaman I (TP-1)................................
118
Tabel 4.14
Neraca massa dekanter (D-1).........................................................
118
Tabel 4.15
Neraca massa di tangki pelarutan (TP-2)......................................
118
Tabel 4.16
Neraca massa di tangki pengasaman ke 2 (dua) (TP-3)................
119
Tabel 4.17
Neraca massa di dekanter (D-2)....................................................
119
Tabel 4.18
Neraca massa di sentrifuse (S-1)...................................................
119
Tabel 4.19
Neraca massa di oven (O-1)..........................................................
120
Tabel 4.20
Neraca massa di reaktor (sulfonator) (R-1)...................................
120
Tabel 4.21
Neraca massa di dekanter (D-3)....................................................
121
Tabel 4.22
Neraca massa di evaporator (E-1).................................................
121
Tabel 4.23
Neraca massa di tangki berpengaduk (TP-4)................................
121
Tabel 4.24
Neraca massa di dekanter (D-4)....................................................
122
Tabel 4.25
Neraca massa di evaporator (E-2).................................................
122
Tabel 4.26
Neraca massa di oven (O-2)..........................................................
122
Tabel 4.27
Neraca energi di reaktor/sulfonator...............................................
125
Tabel 4.28
Neraca energi di evaporator 1 (E-1)...............................................
127
Tabel 4.29
Neraca energi di evaporator 2 (E-2)..............................................
128
Tabel 4.30
Kapasitas produksi NLS dan biaya variabel per unit produksi NLS pada berbagai kapasitas.........................................................
Tabel 4.31
128
Kapasitas produksi NLS dan Biaya produksi (tc) per unit produksi NLS pada berbagai kapasitas..........................................
130
Tabel 4.32
Aliran Massa (Program HYSYS)....................................................
134
Tabel 4.33
Aliran Energi (program HYSYS).....................................................
136
Tabel 4.34
Jenis dan jumlah komponen modal tetap (fixed capital investment)......................................................................................
Tabel 4.35
138
Jenis dan jumlah biaya tetap (fix cost) dan biaya variabel (variabel cost).................................................................................
139
Tabel 4.36
Rincian pengembalian modal dan pembayaran bunga...................
140
Tabel 4.37
Kriteria kelayakan finansial industri NLS berbahan dasar lignin isolat TKKS pada kondisi normal, kondisi bahan baku naik 20,71 % dan harga jual produk NLS turun 8 %.............................
xvii
143
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2. 1
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS)...............................
Gambar 2.2
Unit pembentukan lignin (1) p-koumaril alkohol, (2) koniferil alkohol, (3) sinapsil alkohol...............................
Gambar 2.3
Penggabungan
monomer
fenilpropana
6 7
membentuk
polimer fenilpropana. (Adler, 1977).................................
8
Gambar 2.4
Struktur lignin spruce (Adler, 1977)................................
9
Gambar 2.5
Struktur garam lignosulfonat (Gargulak dan Lebo, 2000).................................................................................
Gambar 2.6
16
a) Orientasi dari molekul surfaktan teradsorpsi pada antar muka (air dan udara) b)
Orientasi dari molekul surfaktan teradsorpsi antara larutan nonpolar dan larutan polar....................................
18
Gambar 2.7
Pasta gipsum terflokulasi (tanpa NLS).............................
19
Gambar 2.8
Pasta gipsum terdispersi (dengan NLS)...........................
19
Gambar 2.9
Pasta semen terflokulasi (tanpa NLS) (kiri) dan pasta semen terdispersi (dengan NLS) (kanan).........................
20
Gambar 2.10
Tahapan perancangan pabrik (Seider et al., 1999)...........
22
Gambar 2.11
Sintesis proses kimia (Hartman dan Kaplick, 1990)........
24
Gambar 2.12
Penggandaan skala tanpa model matematis (Rehm dan Reed, 1990)......................................................................
Gambar 2.13
Penggandaan
27
skala melalui pendekatan sistematis
empiris (melalui model matematis) (Rehm dan Reed, 1990).................................................................................
27
Gambar 2.14
Skema aliran pemodelan (Edgar dan Himmelblau, 2001)
28
Gambar 2.15
Algoritma rancangan model kinetika reaksi untuk penentuan volume/kapasitas reaktor batch (Fogler 1990)
Gambar 2.16 Gambar 2.17
29
Reaksi Sulfonasi terhadap 1,2 – diguaiasil propana – 1,3 – diol.................................................................................
31
Reaksi sulfonasi lignin guaiasil........................................
32
xviii
Gambar 2.18
Reaksi lignin dengan gugus hidroksil dari NaOH selama berlangsungnya “pulping” proses kraft, soda maupun organosolv (Gilligan, 1974)..............................................
Gambar 2.19
Reaksi antara lignin dengan ion hidrogen sulfida selama berlangsungnya “pulping” proses sulfit (Gilligan, 1974)
Gambar 2.20
39
Permukaan respons dari fungsi respons orde kedua untuk k = 5.......................................................................
Gambar 3.1
37
Reaksi Sulfonasi terhadap 1,2 – diguasilpropana – 1,3 – diol dengan katalis NaOH................................................
Gambar 2.21
36
41
Kerangka pemikiran perancangan proses sulfonasi lignin TKKS menjadi natrium lignosulfonat (NLS) ........
56
Gambar 3.2
Tahapan Penelitian............................................................
58
Gambar 3.3
Tahap preparasi lignin isolat TKKS.................................
62
Gambar 3.4
Proses sulfonasi lignin isolat TKKS menjadi natrium lignosulfonat (NLS)..........................................................
64
Gambar 4.1
Lindi Hitam (black liquor) proses organosolv TKKS....
77
Gambar 4.2
Tepung
lignin
isolat
hasil
pulping
organosolv
TKKS................................................................................ Gambar 4.3
Hubungan pengaruh konsentrasi katalis (NaOH) dan H2SO4 terhadap rendemen lignin isolat............................
Gambar 4.4
85
Hubungan pengaruh konsentrasi katalis (NaOH) dan H2SO4 terhadap kadar metoksil lignin isolat....................
Gambar 4.6
81
Hubungan pengaruh konsentrasi katalis (NaOH) dan H2SO4 terhadap kemurnian lignin isolat..........................
Gambar 4.5
79
86
Respon permukaan nilai konversi sebagai fungsi dari nisbah reaktan dan pH, reaksi sulfonasi lignin manjadi NLS..................................................................................
Gambar 4.7
Kontur respon nilai konversi sebagai fungsi dari nisbah reaktan dan pH reaksi sulfonasi lignin menjadi NLS....
Gambar 4.8
93 93
Respon permukaan nilai konversi sebagai fungsi dari nisbah reaktan dan
suhu
reaksi sulfonasi lignin
manjadi NLS....................................................................
xix
94
Gambar 4.9
Kontur respon nilai konversi sebagai fungsi dari nisbah reaktan dan suhu reaksi sulfonasi lignin manjadi NLS...
Gambar 4.10
Respon permukaan nilai konversi sebagai fungsi dari pH dan suhu reaksi sulfonasi lignin manjadi NLS..............
Gambar 4.11
Respon permukaan kemurnian NLS
100
Kontur respon kemurnian NLS hasil sulfonasi lignin sebagai fungsi dari nisbah reaktan dan pH.....................
Gambar 4.14
95
hasil sulfonasi
lignin sebagai fungsi dari nisbah reaktan dan pH......... Gambar 4.13
95
Kontur respon nilai konversi sebagai fungsi dari pH dan suhu reaksi sulfonasi lignin manjadi NLS.......................
Gambar 4.12
94
Respon permukaan kemurnian NLS
100
hasil sulfonasi
lignin sebagai fungsi dari nisbah reaktan dan suhu reaksi................................................................................ Gambar 4.15
Kontur respon kemurnian NLS hasil sulfonasi lignin sebagai fungsi dari nisbah reaktan dan suhu reaksi........
Gambar 4.16
Respon permukaan kemurnian NLS
101
hasil sulfonasi
lignin sebagai fungsi dari pH dan suhu reaksi............... Gambar 4.17
101
102
Kontur respon kemurnian NLS hasil sulfonasi lignin sebagai fungsi pH dan suhu reaksi.................................
102
Gambar 4.18
Spektrum FT-IR Lignin...................................................
105
Gambar 4.19
Spektrum FT-IR NLS......................................................
106
Gambar 4.20
Spektrum LC-MS NLS....................................................
107
Gambar 4.21
Spektrum LC-MS NLS-Aldrich.......................................
107
Gambar 4.22
Gambar visual natrium lignosulfonat (NLS)....................
109
Gambar 4.23
Hubungan konsentrasi NLS dan NLS-Aldrich terhadap nilai alir (%) pasta gipsum .............................................
Gambar 4.24
Hubungan konversi lignin menjadi NLS terhadap lama reaksi pada berbagai suhu reaksi.....................................
Gambar 4.25
112
Hubungan ln (CB/CA) terhadap lama reaksi (t) pada berbagai suhu....................................................................
Gambar 4.26
111
114
Diagram blok proses pembuatan NLS dari lindi hitam TKKS................................................................................
xx
117
Gambar 4.27
Hubungan biaya variabel per kilogram NLS terhadap kapasitas produksi NLS per tahun.................................
Gambar 4.28
Hubungan biaya produksi total (tc) per kilogram NLS terhadap kapasitas produksi NLS per tahun....................
Gambar 4.29
129 131
Process Engineering Flow Diagram (PEFD) industri
natrium lignosulfonat (NLS)............................................
xxi
133
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman 1
Prosedur analisis lignin isolat dan produk NLS............................
2
Data hasil penelitian rendemen lignin TKKS berdasarkan berat kering
153
serpih TKKS faktor penambahan katalis NaOH dan
faktor konsentrasi H2SO4..............................................................
158
3
Analisis ragam rendemen lignin TKKS dengan nilai α = 0,05....
158
4
Uji lanjut Duncan terhadap rendemen lignin TKKS faktor penambahan katalis NaOH............................................................
5
Uji lanjut Duncan terhadap rendemen lignin TKKS faktor konsentrasi H2SO4.........................................................................
6
8
Data
hasil
penelitian
kemurnian
lignin
TKKS
katalis NaOH dan faktor konsentrasi H2SO4......
Data
penelitian
hasil
kemurnian
lignin
TKKS
katalis NaOH dan faktor konsentrasi H2SO4......
Uji lanjut Duncan terhadap kemurnian
163
Uji lanjut Duncan terhadap kadar metoksil lignin TKKS faktor 163
Uji lanjut Duncan terhadap kadar metoksil lignin TKKS faktor konsentrasi H2SO4.........................................................................
16
162
Analisa ragam kadar metoksil lignin TKKS dengan nilai
konsentrasi H2SO4......................................................................... 15
162
Data hasil penelitian kadar metoksil lignin TKKS faktor
α=0.05............................................................................................ 14
161
Uji lanjut Duncan terhadap kadar lignin TKKS antara faktor
penambahan katalis NaOH dan faktor konsentrasi H2SO4............ 13
161
lignin isolat faktor
penambahan katalis NaOH dan faktor konsentrasi H2SO4............ 12
161
Uji lanjut Duncan terhadap kemurnian lignin TKKS faktor
konsentrasi H2SO4......................................................................... 11
160
faktor
penambahan katalis NaOH............................................................ 10
159
faktor
penambahan penambahan 9
159
Uji lanjut Duncan terhadap rendemen lignin TKKS antara penambahan katalis NaOH dan faktor konsentrasi H2SO4............
7
159
164
Uji lanjut Duncan terhadap kadar metoksil lignin TKKS antara faktor penambahan katalis NaOH dan faktor konsentrasi H2SO4. xxii
164
17
Menghitung nilai konversi dan bobot molekul natrium lignosulfonat (NLS).......................................................................
18
165
Rancangan percobaan matriks ordo satu optimasi proses sulfonasi lignin isolat TKKS menjadi natrium lignosulfonat (NLS) terhadap konversi , dengan desain 23.................................
19
Analisis ragam matriks ordo satu optimasi proses sulfonasi lignin isolat TKKS
menjadi natrium lignosulfonat (NLS)
terhadap nilai konversi.................................................................. 20
167
168
Hasil uji penyimpangan model pengaruh nisbah pereaksi, pH dan suhu reaksi, terhadap nilai konversi lignin menjadi natrium lignosulfonat (NLS).......................................................................
21
Hasil analisis nilai estimasi, standar deviasi, dan nilai t terhadap nilai
konversi
lignin
menjadi
natrium
lignosulfonat
(NLS)............................................................................................. 22
168
168
Hasil analisis ragam respon nilai konversi lignin menjadi natrium lignosulfonat (NLS) terhadap perbandingan pereaksi, pH dan suhu reaksi.......................................................................
23
169
Rancangan percobaan matriks ordo dua proses sulfonasi lignin menjadi natrium lignosulfonat (NLS) terhadap konversi akibat pengaruh nisbah pereaksi, pH dan suhu, dengan desain 23...........
24
169
Analisis ragam matriks ordo dua optimasi proses sulfonasi lignin terhadap nilai konversi lignin menjadi natriumlignosulfonat (NLS)......................................................................
25
170
Hasil uji penyimpangan model pengaruh nisbah pereaksi, pH dan suhu reaksi, terhadap nilai konversi sulfonasi lignin menjadi natrium lignosulfonat (NLS)........................................................
26
170
Hasil analisis nilai estimasi, standar deviasi, dan nilai t terhadap nilai konversi sulfonasi lignin menjadi natrium lignosulfonat (NLS).............................................................................................
27
170
Hasil analisis ragam respon nilai konversi sulfonasi lignin menjadi natrium lignosulfonat (NLS) terhadap nisbah reaktan, pH dan suhu reaksi.......................................................................
xxiii
171
28
Rancangan percobaan matriks ordo dua proses sulfonasi lignin menjadi natrium lignosulfonat (NLS) terhadap kemurnian NLS akibat pengaruh nisbah reaktan, pH dan suhu, dengan desain 23..
29
Analisis ragam matriks ordo dua optimasi proses sulfonasi lignin terhadap kemurnian NLS....................................................
30
174
Hubungan ln (CB/CA ) terhadap waktu reaksi pada berbagai suhu................................................................................................
39
174
Hubungan CB (mol/mililiter), terhadap waktu reaksi pada berbagai suhu................................................................................
38
173
Hubungan CA (mol/mililiter), terhadap waktu reaksi pada berbagai suhu................................................................................
37
173
Data konversi natrium lignosulfonat (NLS), pada berbagai suhu dan waktu reaksi............................................................................
36
173
Hubungan antara pengaruh kadar NLS-Aldrich terhadap persentase nilai alir pasta gipsum..................................................
35
173
Hubungan antara pengaruh kadar NLS hasil sulfonasi terhadap persentase nilai alir pasta gipsum..................................................
34
172
Hasil analisis ragam respon kemurnian NLS terhadap nisbah reaktan pH dan suhu reaksi..........................................................
33
172
Hasil analisis nilai estimasi, standar deviasi, dan nilai t terhadap kemurnian NLS.............................................................................
32
172
Hasil uji penyimpangan model pengaruh nisbah reaktan, pH dan suhu reaksi, terhadap kemurnian NLS..........................................
31
171
175
Biaya investasi industri natrium lignosulfonat (NLS) barbahan dasar TKKS...................................................................................
177
40
Bahan baku dan bahan pembantu, serta utilitas.............................
179
41
Biaya tenaga kerja tak langsung dan tenaga kerja langsung.........
180
42
Biaya tetap dan biaya variabel industri natrium lignosulfonat (NLS) berbahan dasar lignin isolat TKKS....................................
43
Nilai peralatan mesin, biaya pemeliharaan, asuransi, nilai sisa dan biaya penyusutan....................................................................
44
181 182
Proyeksi laporan laba rugi industri natrium lignosulfonat (NLS), pada kondisi normal...................................................................... xxiv
183
45
Proyeksi arus kas industri natrium lignosulfonat (NLS), pada kondisi normal...............................................................................
46
Perhitungan NPV, IRR, net B/C, BEP dan PBP industri natrium lignosulfonat (NLS), pada kondisi normal....................................
47
184 185
Biaya tetap dan biaya variabel industri natrium lignosulfonat (NLS) berbahan dasar lignin TKKS, pada kondisi bahan baku naik 20,70 %.................................................................................
48
Proyeksi laporan laba rugi industi natrium lignosulfonat (NLS), pada kondisi bahan baku naik 20,70 %.........................................
49
190
Proyeksi arus kas industri natrium lignosulfonat (NLS), pada kondisi harga jual turun 8 %..........................................................
53
189
Proyeksi laporan laba rugi industi natrium lignosulfonat (NLS) pada kondisi harga jual turun 8 %.................................................
52
188
Perhitungan NPV, IRR, net B/C, BEP dan PBP industri natrium lignosulfonat (NLS), pada kondisi bahan baku naik 20,70%.......
51
187
Proyeksi arus kas industri natrium lignosulfonat (NLS), pada kondisi bahan baku naik 20,70 %.................................................
50
186
191
Perhitungan NPV, IRR, net B/C, BEP dan PBP industri natrium lignosulfonat (NLS), pada kondisi harga jual turun 8 %..............
xxv
192
