Performance Katalis Cair dalam Pemakaian Ulang pada Proses Pembentukan Furfural

Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013

Performance Katalis Cair dalam Pemakaian Ulang pada Proses Pembentukan Furfural Suharto UPT Balai Pengolahan Mineral Lampung LIPI Jl. Ir. Sutami Km. 15 Tanjung Bintang, Lampung Selatan Tlp/Fax : 0721 – 350054/350056, e-mail : [email protected] Abstrak. Furfural merupakan bahan kimia strategis yang digunakan sebagai pelarut dalam ekstraksi pemurnian minyak pelumas di Kilang II Pertamina Cilacap, dan juga kebutuhan lainnya di Indonesia saat ini masih dipenuhi dengan inmpor. Padahal banyak limbah agrikultur yang mengandung pentosan sebagai sumber furfural tersedia di negara kita, misalnya : bonggol jagung (30 %), bagase (25%), jerami, tandan kosong sawit dan limbah padat hasil pertanian lainnya. Proses pembentukan furfural dengan cara hidrolisis limbah bonggol jagung sebanyak 60 kg (dry basis) dan menggunakan katalis asam sulfat sebanyak 240 L dilakukan dalam reaktor batch pada tekanan sekitar 6 Bar, temperatur 157 oC, dan selama 2 jam operasi. Dalam penelitian ini katalis asam sulfat segar dengan konsentrasi 1% massa digunakan dalam proses hidrolisis selanjutnya hidrolisat yang masih mengandung katalis asam sulfat digunakan kembali dalam proses hidrolisis untuk mengetahui perolehan furfural berikutnya. Pada kondisi operasi yang telah ditentukan uap dalam digester dilepaskan. Selanjutnya uap keluar digester langsung dilewatkan ke kolom distilasi, sehingga terjadi fraksionasi dan diperoleh distilat dalam dua fasa : fasa kaya furfural (94 % massa) dan fasa kaya air. Selanjutnya perolehan furfural dibandingkan pada proses hidrolisis bonggol jagung menggunakan katalis asam sulfat segar dengan hidrolisat yang mengandung katalis asam sulfat. Katalis asam sulfat segar dapat memberikan furfural terbanyak kira-kira sebanyak 3215 mL, sedangkan hidrolisat yang mengandung asam sulfat masih memberikan furfural sebanyak 1400 mL. Kata kunci. furfural ; hidrolisis ; hidrolisat ; katalis asam sulfat

PENDAHULUAN Latarbelakang Sebagai negara agraris, Indonesia selayaknya mengembangkan teknologi pengolahan produk pertanian dan perkebunan, termasuk juga teknologi pemanfaatan biomassa atau limbah padat lignoselulosa. Pemanfaatan biomassa ini dapat diharapkan memberi nilai tambah pada tingkat petani, pengurangan beban pembuangan limbah dan diversifikasi sumber bahan kimia. Beberapa negara maju, dan bahkan USA menaruh perhatian besar pada pengembangan teknologi pemanfaatan biomassa ini, misalnya [Hettenhaus, Wooley and Wiselogel, 2000].

Bonggol jagung dengan kandungan sekitar 30 % pentosan adalah salah satu contoh limbah pertanian yang cukup banyak di Indonesia. Padahal limbah tersebut mengandung pentosan cukup tinggi sebagai sumber furfural. Furfural sangat menarik untuk dikembangkan karena bahan kimia ini mempunyai banyak kegunaan antara lain : sebagai solvent dalam proses produksi minyak pelumas dikilang minyak, untuk memproduksi plastik, resin, dan lainlain. Peluang pasar furfural di Indonesia cukup luas mengingat kebutuhan furfufal Indonesia masih dipenuhi dengan impor. Salah satu konsumen di Indonesia adalah Kilang Pertamina yang memerlukan kirakira 500 ton/tahun.

Semirata 2013 FMIPA Unila |377

Suharto: Performance Katalis Cair dalam Pemakaian Ulang pada Proses Pembentukan Furfural

Furfural ditemukan oleh Dobereiner pada 1832. Sembilan puluh tahun kemudian, sekitar 2000 penyelidikan dilaporkan dalam literatur, tetapi pada 1920 belum ada produksi komersial furfural. Penelitian yang dilakukan pada tahun tersebut untuk produksi pakan ternak dengan cara acid digestion oat hull, Brownlee menemukan uap furfural dalam digester. Furfural pertama diproduksi oleh The Quaker Oats Company pada Februari 1922 untuk produksi resin fenolik. Pembentukan furfural dapat dinyatakan sebagai reaksi berurutan berikut : [C5H8O4]n (pentosan)

+ n H2O

C5H10O5



C5H4O2



 n C5H10O5 (pentosa)

C5H4O2 + (furfural)

H2O

CH3COOH + CH3OH + (asam asetat) (metanol) senyawa organik lain

Perolehan furfural menurut stokiometri reaksi di atas adalah 73 g per 100 g pentosan. Pembentukan furfural tidak dapat dilakukan secara keseluruhan dari kandungan pentosan yang terdapat dalam bahan, karena selama waktu proses pembentukan molekul furfural ini sebagian akan terdegradasi berubah menjadi bahan lain seperti asam asetat, metanol dan senyawa organik lain. Melalui proses hidrolisis dengan katalis asam sulfat encer, limbah bonggol jagung tersebut dapat diolah menjadi furfural. Proses hidrolisis telah dilakukan dengan menggunakan Digester kapasitas 500 L. Hidrolisis pada tekanan sekitar 6 bar o (temperatur 157 C) menghasilkan hidrolisat dengan kandungan furfural yang berbeda tergantung konsentrasi katalis dan parameter operasi lainnya. Selanjutnya furfural dipisahkan dari hidrolisat dengan cara distilasi azeotropik pada tekanan atmosferik.

378|Semirata 2013 FMIPA Unila

STUDI PUSTAKA Furfural (C4H3OCHO) merupakan anggota terpenting keluarga komponen heterosiklik yang dikenal sebagai furan, yang ditandai dengan cincin tak jenuh rangkap dari empat atom karbon dan satu atom oksigen. Furfural merupakan aldehid dengan gugus – dan diperoleh secara industri dari pentosan yang berasal dari limbah lignoselulosa. Turunannya adalah furfuril alkohol dan asam furoat, dan seperti komponen tetrahidrofuran, furfural memiliki ikatan rangkap yang jenuh dengan hidrogen. Berikut ini adalah struktur molekul furan dan turunannya. Furfural ditemukan oleh Dobereiner pada 1832. Sembilan puluh tahun kemudian, sekitar 2000 penyelidikan dilaporkan dalam literatur, tetapi pada 1920 belum ada produksi komersial furfural. Penelitian yang dilakukan pada tahun tersebut untuk produksi pakan ternak dengan cara acid digestion oat hull, Brownlee menemukan uap furfural dalam digester. Furfural pertama diproduksi oleh The Quaker Oats Company pada Februari 1922 untuk produksi resin fenolik. Kimia Furfural Furfural larut dalam etanol dan eter dan juga sedikit larut dalam air. (lihat Tabel 1) Walaupun tergolong zat kimia cukup berbahaya, furfural memiliki kestabilan termal yang tinggi terhadap oksigen. Pada temperatur di atas 230oC, diperlukan waktu HC4

3CH

HC5

2CH

CHO O

CH2OH

O

O1 furan

furfural COOH

O

O

asam furoat

furfuril alkohol H CH2OH

tetrahidrofuril alkohol

H2C

CH2

H2C

CH2 O

tetrahidrofuran

GAMBAR 1. Struktur molekul furan


beberapa jam untuk terjadinya perubahan sifat fisik furfural, kecuali warna. Akan tetapi, ada beberapa zat yang harus dihindari kontak dengan furfural, yaitu basa kuat, agen pengoksidasi kuat, dan asam kuat. TABEL 1. Kelarutan furfural dan air Furfural, wt % Temperatur (oC) Water layer Furfural layer 10 7,9 96,1 20 8,3 95,2 30 8,8 94,2 40 9,5 93,3 50 10,4 92,4 60 11,7 91,4 70 13,2 90,3 80 14,8 88,7 90 16,6 86,5 97,9 18,4 84,1 Sumber : Kirk-Othmer

Furfural juga termasuk zat yang mudah terbakar, berbahaya bila tertelan atau uapnya terhirup saat bernafas, juga dapat menyebabkan iritasi pada kulit dan mata. Kehilangan furfural dalam pelarut pengilangan minyak pelumas dan dalam distilasi ekstraktif butadien sangat rendah. TABEL 2. Sifat-sifat fisik furfural

Sifat fisik Furfural Sifat fisik Titik leleh Titik didih Densitas Indeks bias Flash point, open cup Tegangan permukaan pada 30oC Viskositas pada 25 oC 38 oC 54 oC 99 oC Kalor penguapan pada 160,6 oC Kalor pembakaran Batas bawah ledakan, di udara pada 125 oC Batas atas ledakan, di udara pada 125 oC Koefisien ekspansi Ignition temperature Flamability rating

Nilai -36,5 oC 161,7 oC 1,1598 1,5261 68,3 oC 41,1 dyn/cm 1,49 cP 1,35 cP 1,09 cP 0,68 cP 9,22 kcal/gmol 560,3 kcal/gmol 2,1 %-v 19,3 %-v 0,00110 /oC 393 oC sedang

Konstanta dielektrik pada 25 oC 38  mm o o Tekanan uap C C Hg 154 39,9 8 ,4 92,3 69 159 160 120,3 214 ,9 163 131,6 310 ,8 170 140,2 411 ,6 Sumber: Kirk-Othmer

mm Hg 625 707 744 812 966

Furfural atau furfuraldehid, C4H3OCHO, merupakan cairan tak berwarna yang memiliki bau aromatik yang harum; bila kontak dengan udara akan menjadi coklat tua atau hitam. Furfural industrial memiliki warna kuning cerah hingga coklat. Biasanya ditangani dan disimpan dalam peralatan baja atau besi. Jika furfural disimpan di tempat yang bisa kontak dengan udara warnanya menjadi gelap, keasamannya meningkat dan dapat membentuk polimer. Autooksidasi dapat dicegah dengan menyimpannya dalam atmosfer bebas oksigen. Sifat-sifat fisik furfural ditunjukkan dalam Tabel 2. Pembentukan Furfural Pembentukan furfural dapat dinyatakan sebagai reaksi berurutan berikut : [C5H8O4]n (pentosan)

+ n H2O

C5H10O5



C5H4O2



 n C5H10O5 (pentosa)

C5H4O2 + (furfural)

H2O

CH3COOH + CH3OH + (asam asetat) (metanol) senyawa organik lain

Perolehan furfural menurut stokiometri reaksi di atas adalah 73 g per 100 g pentosan. Pembentukan furfural tidak dapat dilakukan secara keseluruhan dari kandungan pentosan yang terdapat dalam bahan, karena selama waktu proses pembentukan molekul furfural ini sebagian akan terdegradasi berubah menjadi bahan Semirata 2013 FMIPA Unila |379


lain seperti asam asetat, metanol dan senyawa organik lain. Hidrolisis pentosan yang diikuti pembentukan furfural merupakan reaksi berurutan yang kecepatannya tergantung pada konsentrasi ion hidrogen, konsentrasi reaktan dan temperatur [Dunning and Lathrop, 1945]. Kinetika pembentukan furfural dari pentosan di dalam bonggol jagung dengan asam sulfat 1,9 % dan 4,4 % adalah sebagai berikut : Persamaan reaksi : pentosan  pentosa  furfural (1) Persamaan kinetika reaksi : dCpa/dt = ko.Cpn – k1.Cpa (2) dengan: Cpa = konsentrasi pentosa larutan, g/l Cpn = konsentrasi pentosan larutan, g/l k0 = konstanta kecepatan penbentukan pentosa k1 = konstanta kecepatan pembentukan furfural Nilai ko dan k1 dari hasil penelitian Dunning, 1945 dan Bryner, 1936 dalam [Arnold and Buzzard, 2003] adalah sebagai berikut : ko = 7,832 x 104 CH. exp(-5163/T) (3) k1 = 9,306 x 105 CH.Cp .exp(-16894/T) (4) dengan : CH = konsentrasi ion hidrogen, g/l T = temperatur absolut, K Persamaan lain diusulkan oleh Levenspiel, 1972 [Arnold and Buzzard, 2003]:

Cpn = C pn,0 . exp( k 0 .t )

(5)

 exp( k 0 .t )   exp( k1 .t )      Cpa = C pn,0  k  k k  k  1 0   0 1  (6)

Cf=

  k . exp( k 0 .t )   k 0 . exp( k1 .t )      C pn,0 1   1   k1  k 0    k 0  k1

(7)

Prosedur Pengoperasian digester 500 L Persiapan hidrolisis : a. Mula-mula digester 500 L disiapkan terlebih dahulu, dibersihkan, kemudian ditutup dengan rapat pada bagian bawahnya, sehingga siap diisi dengan bonggol jagung dan cairan pemasak dari tutup atas. b. Bonggol jagung dalam bentuk utuh ditimbang sampai volume digester 380|Semirata 2013 FMIPA Unila

penuh. Data kandungan air terlebih dahulu harus diketahui/diperkirakan, untuk kemudian diperhitungkan. c. Bonggol jagung dimasukan ke dalam digester lewat tutup atas, sambil ditekan dengan cara diinjak-injak agar padat sehingga makin banyak yang terendam oleh cairan pemasak. d. Pembuatan larutan pemasak dengan menakar air dan asam sesuai dengan rasio L/S. e. Setelah proses pemasukan bonggol jagung dan cairan pemasak selesai, bukaan atas ditutup, dan baut-bautnya dikencangkan. Pelaksanaan hidrolisis a. Mula-mula steam boiler dinyalakan untuk memproduksi steam dengan tekanan tertentu, sesuai dengan kemampuan boiler. ( 8,5 barG). b. Setelah tekanan steam siap, kran dibuka untuk mengalirkan steam (open steam) ke dalam digester. c. Pencatatan data percobaan yang meliputi temperatur digester pada tiap selang waktu tertentu dan tekanan digester yang terbaca pada manometer. d. Hidrolisis dimulai setelah temperatur tercapai, (sesuai dengan variasi temperatur yang direncanakan) misalkan 150 oC (temperatur yang ditunjukkan termokopel), (biasanya dibutuhkan sekitar 3 jam untuk mencapai temperatur ini dengan tekanan  8 barG). Selanjutnya kran dari steam boiler ditutup. e. Proses ini dipertahankan selama jangka waktu hidrolisis yang diinginkan sambil tetap mencatat data tekanan dan temperatur hingga proses selesai. Selama jangka waktu ini, temperatur dipertahankan dengan membuka kran steam menuju koil pemanas di dalam digester. Kran steam menuju digester (open steam) tetap tertutup hingga proses selesai.


f. Setelah waktu hidrolisis tercapai (2 jam), dengan melakukan steam stripping (injeksi steam dan pengaktifan koil pemanas digester), kemudian dilanjutkan dengan pelepasan tekanan di dalam digester menuju unit distilasi. Furfural akan terbentuk dalam dekanter unit distilasi selama proses hidrolisis dan pelepasan tekanan dilakukan. g. Tekanan dalam digester dapat dinaikkan melalui koil pemanas hingga 1,5 Bar untuk mengeluarkan furfural dari digester disamping dapat juga dilakukan dengan injeksi steam dari kran open steam mengembalikan tekanan di dalam digester hingga tekanan 7 barG. Setelah tercapai, injeksi steam dihentikan, pelepasan tekanan dilakukan terus menerus untuk menghasilkan furfural sampai tekanan digester  0,2 barG. Pada saat ini injeksi steam dilakukan lagi, dan ini berulang hingga furfural dalam dekanter tidak terbentuk lagi. Ini berarti furfural di dalam digester sudah tidak terbentuk lagi, sehingga hidrolisis lebih lanjut tidak ada gunanya.

HASIL DAN PEMBAHASAN Proses dengan Steam Stripping Steam stripping merupakan penyuntikan/ injeksi steam ke dalam digester untuk mengembalikan tekanan digester sesuai dengan tekanan operasi yang diinginkan. Penurunan tekanan digester terjadi karena pelepasan tekanan/uap dari digester menuju kolom distilasi untuk memisahkan furfural. Pelepasan tekanan digester ke dalam kolom distilasi dimulai setelah 2 jam hidrolisis di dalam digester. Pelepasan tekanan dihentikan pada saat tekanan digester kurang lebih 0,1 barG (dari eksperimen). Pada saat ini koil pemanas atau injeksi steam dijalankan untuk menaikkan tekanan. Proses pelepasan tekanan dan injeksi steam atau koil pemanas dilakukan hingga furfural tidak terbentuk lagi di dalam dekanter, yang menunjukkan bahwa furfural di dalam digester sudah tidak terbentuk lagi.

Tujuan Penelitian dan pengembangan unit produksi furfural ini dimaksudkan untuk memanfaatkan limbah agrikultur berupa bonggol jagung yang tersedia cukup banyak di Indonesia. Tujuan penelitian dan pengembangan ini adalah : 1. mengembangkan teknologi proses hidrolisis limbah agrikultur, khususnya bonggol jagung untuk dijadikan bahan bermanfaat berupa furfural. 2. mengetahui performance katalis cair berupa asam sulfat dalam perolehan furfural jika digunakan kembali.

Secara umum, hidrolisis bonggol jagung dengan steam stripping ditunjukan dalam Tabel 3. berikut.

TABEL 3. Percobaan Hidrolisis Bonggol Jagung dalam Digester 500 L

Run A

Jenis Katalis Tanpa

% berat katalis thd b.jagung (kg/kg)

Liquor/solid (L/S), L/kg

Perolehan furfural, mL/60 kg bonggol jagung kering

(Densitas furfural 1,13 gr/mL)

Yield furfural, % berat

-

5–6

425

0,80



Run

Jenis Katalis

% berat katalis thd b.jagung (kg/kg)

Liquor/solid (L/S), L/kg

Perolehan furfural, mL/60 kg bonggol jagung kering

(Densitas furfural 1,13 gr/mL)

Yield furfural, % berat

B

H2SO4

2,5

5–6

3215

6,05

C

H2SO4

hidrolisat

5 – 5,5

1400

2,64

Teknik pengoperasian hidrolisis dan distilasi ternyata sangat menentukan perolehan furfural dalam hidrolisis bonggol jagung. Hal ini dapat terjadi mengingat karakter pembentukan furfural sebagai intermediate product dalam reaksi seri : pentosan  C5-sugars C5-sugars  furfural furfural  senyawa organik lain dengan berat molekul Pada penelitian ini, temperatur hidrolisis dibatasi hanya sampai 157 oC (temperatur yang ditunjukkan termokopel pada 8 barG) mengingat ketahanan konstruksi digester yang digunakan dan kemampuan boiler (maksimum 10 bar) yang terbatas. Kenaikan perolehan furfural dalam percobaan menunjukkan efek pengaturan kondisi hidrolisis terhadap perolehan furfural. Dengan pelepasan tekanan digester secara perlahan-lahan, operasi fraksionasi dikolom distilasi diperkirakan lebih efektif. Laju distilasi yang memberi fasa furfural sebanyak kira-kira 17 mL furfural/menit. Dari penelitian dengan degester 500 L dan unit distilasi tersebut kondisi proses dan cara operasi optimum yang diperoleh adalah sebagai berikut : - perbandingan L/S : 5 - 6 L/kg bahan baku (dasar kering oven) - jumlah asam sulfat sebagai katalis : 2,5 % terhadap bahan baku kering oven o - temperatur hidrolisis 157 C (temperatur yang ditunjukkan termokopel) selama kira-kira 2 jam - pemanasan digester menuju temperatur hidrolisis dengan open steam dibantu dengan koil pemanas - pelepasan tekanan digester dari 8 barG hingga 0,1 barG kira-kira 20 jam

382|Semirata 2013 FMIPA Unila

-

-

steam stirpping dilakukan hingga pada tekanan 0,1 barG sampai tidal terbentuk fasa furfural di distilat hidrolisat yang tertinggal di dalam digester atau di reboiler dapat di distilasi lanjut dengan temperatur reboiler tidak lebih 105 oC

Perolehan yang dicapai dalam penelitian ini adalah 60,5 kg furfural untuk katalis segar setiap ton bonggol jagung kering. Jika dianggap bahwa 40 % pentosan yang terkandung dalam bahan baku dapat dikonversi secara selektif menjadi furfural dan 60% lainnya tidak dapat dihindari akan menjadi senyawa lain, maka perolehan furfural yang dapat diharapkan kira-kira 115 kg/ton. sedangkan hidrolisat yang mengandung asam sulfat masih memberikan furfural sebanyak 1400 mL. Jadi perolehan furfural yang telah tercapai dalam penelitian ini hampir mendekati harapan secara teknis. Upaya perbaikan proses masih akan dilakukan seperti pengaturan waktu pemasakan, waktu pelepasan tekanan digester dan steam stripping yang dimaksudkan untuk meningkatkan kinerja kolom fraksionasi. Dari kajian tersebut diatas, maka furfural yang terbentuk sebaiknya segera dikeluarkan dari digester untuk mengurangi degradasi-lanjut furfural. Pelepasan uap dari digester setelah hidrolisis berlangsung sekitar 2 jam, selanjutnya uap keluar digester yang mengandung 4 – 6 % furfural langsung dilewatkan ke kolom distilasi, sehingga terjadi fraksionasi kemudian distilat ditampung dalam dekanter. Distilat berupa dua fasa, yaitu lapisan kaya furfural (raw furfural) dengan kadar furfural 94%massa dan lapisan kaya air mengandung senyawa organik (terutama asam asetat).


KESIMPULAN 1. Perolehan furfural dengan katalis segar sebesar 6,05 % pada konsentrasi asam sulfat sebesar 2,5% pada kondisi operasi L/S = 5 - 6 (L/kg) ; P = 6,5 kg/cm2 ; T = 160 oC ; waktu hidrolisis 2 jam 2. Pemakain ulang katalis berupa hidrolisat memberikan perolehan furfural 2,64%. SARAN Perolehan furfural masih dapat ditingkatkan dengan temperatur dan tekanan operasi yang lebih tinggi dan waktu hidrolisis lebih singkat untuk meminimalkan degradasi lanjut furfural sebagai senyawa antara DAFTAR PUSTAKA Arnold, D. R., and J. L. Buzzard, A novel Process for Furfural Production, Proceeding of the South African Chemical Engineering Congress, September 2003 Fadjarwaty D, Rusmanto dan H. Susanto,

Optimasi Kondisi Hidrolisis Tandan Kosong Sawit Untuk Produksi Gula dna Furfural, Prosiding Seminar Nasional ITS, Surabaya, 1999 Hettenhaus, J.S., and R. Wooley, and A. Wiselogel, Biomassa Commercialization: Prospects in the Next 2 to 5 Years, Report of NREL Wable Energy Laboratory, October 2000 Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology (4th Edition) Perry, R.H. (editor), Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7th ed , McGrawHill Inc., New York, 1984 Retno Sumekar, dkk, Furfural dari Bagase, Paket Informasi Teknologi Industri Kimia, PDII, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, 1993 Rundus, I, and J. Katkevies, Pre-feasibility Study for Furfural Production in Latvia, Report by Latvian Development Agency, 1998 Susanto, H. Suharto dan Kismurtono, Rekayasa Digester Pemasakan Tandan Kosong Sawit untuk Produksi Furfural dan Pulp, Laporan Akhir RUT IX, 2004


Performance Katalis Cair dalam Pemakaian Ulang pada Proses Pembentukan Furfural

Recommend Documents