Produksi Methyl Ester Sulfonate dari Methyl Ester : 1. Review Teknologi dan Seleksi Proses

PROSIDING SNTK TOPI 2011

ISSN. 1907 - 0500

Pekanbaru, 21- 22 Juli 2011

Produksi Methyl Ester Sulfonate dari Methyl Ester : 1. Review Teknologi dan Seleksi Proses Aisyah Ardy, Ariesti Haryu Lestari, Lisa Legawati, Hari Rionaldo, Zulfansyah Laboratorium Pengendalian dan Perancangan Proses Jurusan Teknik Kimia, Universitas Riau Kampus Binawidya Km 12,5 Simpang Baru Panam, Pekanbaru 28293 [email protected]

Abstract Indonesia is the largest producer of Crude Palm Oil (CPO) with production 25.4 million metric tons at 2011. It has a potentially to develop downstream industry such as biodiesel, cooking oil, soap, and surfactant industry. Methyl Ester Sulfonates (MES) is an anionic surfactants derived from biorenewable resources such as CPO. MES has been considered as an alternative anionic surfactant for Linier Alkyl Benzene Sulfonates (LAS). MES has a good detergency, water hardness tolerance, and rapid biodegradability. The objective of this article is to review production of MES technology and process selectivity. The MES production technology is develop slowly. Generally, MES production process through the 4 stage processes, they are sulfonation, bleaching, neutralization, and drying. Drying is carried out if the desired product is granular. MES manufacturing technology is differentiated based on reagent that use in the sulfonation process. Oleum-H2SO4 and SO3 gas are reagent that can be used in MES manufacture process. SO3 gas is the most commonly used. Keywords: anionic surfactant, crude palm oil, methyl ester sulfonate, SO 3

1

Pendahuluan

Indonesia merupakan negara penghasil Crude Palm Oil (CPO) terbesar didunia dengan produksi 25.4 juta ton pada tahun 2011. Produksi CPO di Indonesia meningkat rata rata sebesar 7.2% setiap tahun (Tabel 1). Hasil produksi CPO ini sekitar 77% nya di ekspor dan sisanya digunakan untuk konsumsi domestik [USDA., 2011]. Besarnya produksi CPO Indonesia memungkinkan untuk mengembangkan industri hilir. Salah satu produk dari industri hilir adalah methyl ester (ME). ME selanjutnya dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku dalam pembuatan surfaktan Methyl Ester Sulfonate (MES). Methyl Ester Sulfonate (MES) merupakan surfaktan anionik berbasis oleokimia. MES diharapkan dapat menggantikan Linier Alkyl Benzene Sulfonate (LAS) yang berbasis petrokimia. MES memiliki kemampuan detergency yang baik, memiliki daya tahan terhadap kesadahan air, lebih cepat terdegradasi dibandingkan LAS [Martinez et al., 2010]. Selain mempunyai kinerja yang baik sebagai surfaktan, biaya produksi MES juga lebih kecil dibandingkan dengan biaya produksi LAS. Hal inilah yang membuat MES banyak dikembangkan [Ahmad, 2006]. Teknologi proses pada pembuatan MES dibedakan berdasarkan reagent yang digunakan selama proses sulfonasi berlangsung. Pemakaian reagent yang berbeda

ini akan menyebabkan penanganan pada tahap sulfonasi dan produk yang dihasilkan akan mempunyai komposisi yang berbeda. Tulisan ini akan memaparkan teknologi proses yang dapat digunakan secara komersial dalam pembuatan MES, serta teknologi proses terbaik untuk produksi MES. Tabel 1. Data Produksi, Ekspor dan Konsumsi Domestik CPO di Indonesia Produksi Konsumsi Ekspor Tahun CPO Domestik (juta ton) (juta ton) (juta ton)

2

2007

18

13.969

4.704

2008

20.5

15.964

4.855

2009

22.0

16.573

5.424

2010

23.6

17.460

6.135

Jun-11 25.4 19.150 Sumber: USDA., 2011

6.280

Uraian Umum Proses Pembuatan Methyl Ester Sulfonate (MES)

Methyl Ester Sulfonate (MES) pertama kali diteliti oleh United Stated Departement of Agriculture pada pertengahan 1950 an berbahan baku tallow. Sejak tahun 1983, Chemithon Corporation mengetahui pentingnya

IOP05 - 17


ISSN. 1907 - 0500


O R

CH2

C

O OCH3 + H2SO4

R

CH2

C

OCH3 + H2O

SO3H Methyl Ester

Sulfuric Acid

Gambar 1. Reaksi Sulfonasi Oleum

Methyl Ester Sulfonic Acid (MESA) H 2SO4 dengan Methyl Ester

O R

CH2

C

Water

O OCH3 +

SO3

R

CH2

C

OCH3

SO3H Methyl Ester

Sulfur Trioxcide

Methyl Ester Sulfonic Acid (MESA)

Gambar 2. Reaksi Sulfonasi Gas SO3 dengan Methyl Ester MES dan melakukan penelitian untuk mengembangkan proses pembuatan MES yang komersial. Tahun 2005 Malaysia memperkenalkan potensi crude palm oil (CPO) sebagai bahan baku pembuatan MES. Saat ini MES telah diproduksi dengan bahan baku palm oil oleh 3 perusahaan besar. Perusahaan tersebut adalah Lion (40000 ton/tahun) di Jepang, Stepan (50000 ton/tahun) di USA, dan Huish Detergents (80000 ton/tahun). Secara umum, proses pembuatan MES dilakukan dalam 4 tahap yaitu tahap sulfonasi, bleaching, netralisasi, dan drying. Pada tahap sulfonasi methyl ester direaksikan dengan SO3 untuk menghasilkan MESA (Methyl Ester Sulfonic Acid). Reaksi sulfonasi ini merupakan reaksi eksoterm. Tahap selanjutnya yaitu bleaching, pada tahap ini dilakukan pengurangan warna pada MESA. MESA yang dihasilkan mengalami pemekatan warna, oleh karena itu harus dilakukan proses bleaching untuk mencapai spesifikasi bahan yang diinginkan. Setelah tahap bleaching selesai, kemudian dilanjutkan dengan tahap netralisasi. Pada tahap ini, MESA dinetralisasi sehingga menghasilkan MES berbentuk pasta. Setelah didapatkan MES dalam bentuk pasta, selanjutnya dilakukan tahap terakhir pada pembuatan MES yaitu tahap drying. Pada tahap ini, MES yang dihasilkan kemudian dikeringkan agar didapat MES dalam bentuk granular. MES dalam bentuk granular inilah yang selanjutnya akan dipasarkan.

3

Teknologi Proses Pembuatan Methyl Ester Sulfonate (MES)

Sampai saat ini teknologi pembuatan MES dibedakan berdasarkan proses sulfonasinya. Proses sulfonasi pada pembuatan MES berdasarkan reagent yang digunakan adalah Oleum/H2SO 4, dan Gas SO3.

Oleum

H2SO4

Oleum H2SO4 sering digunakan sebagai agen sulfonasi. Reaksi sulfonasi dengan menggunakan reagent ini ditunjukkan pada Gambar 1. Selama reaksi berlangsung, air dihasilkan sebagai produk samping. H2SO4 ini memiliki suatu keunikan yaitu reaksi sulfonasi akan berhenti jika konsentrasi asam sulfat turun hingga 90% [Foster, 1997]. Material yang digunakan dalam reaktor sangat penting untuk diperhatikan karena H2SO4 bersifat sangat korosif. Proses ini mempunyai 2 keuntungan yaitu harga SO3 yang relatif murah dan biaya investasi peralatan yang cukup rendah. Tetapi, proses ini merugikan karena selama proses berlangsung banyak H 2SO4 yang tidak bereaksi.

Gas SO3 Gas SO3 dibuat dengan menggunakan sistem pembakaran sulfur. Proses sulfonasi merupakan reaksi gas SO3 berlebih dengan asam lemak atau turunannya untuk memproduksi sulfonic acid. Reaksi yang terjadi dapat dilihat pada Gambar 2. Reaksi dilakukan dalam reaktor falling film dan digester. Sekitar 75% reaksi sulfonasi berlangsung dalam reaktor falling film. Digester merupakan salah satu bentuk baffled plug flow reactor dimana temperatur reaktor terkontrol dan dibuat dari bahan stainless steel. Reaksi sulfonasi dan tahap digestion dikontrol untuk menghasilkan produk akhir dengan kadar minyak yang rendah, yield yang tinggi, warna yang cerah, dan hanya menggunakan sedikit SO3 [Hovda, 1996]. Pada tahap sulfonasi ini rasio mol antara methyl ester dan gas SO3 yang dimasukkan kedalam reaktor adalah 1:1.5 (lebih sering digunakan 1:1.25), kemudian dilanjutkan dengan tahap digestion pada 800-950C (temperatur yang sering digunakan 85 0C) selama 30

IOP05 - 18


ISSN. 1907 - 0500


menit. Sebelum gas SO3 masuk kedalam reaktor, SO 3 dicampur dengan gas inert sehingga konsentrasi gas SO 3 yang masuk kedalam reaktor 7% volum. Methyl ester dan gas SO3 masuk kedalam reaktor falling film dengan aliran countercurrent [Hovda, 1996].

4

Pemilihan Teknologi Proses Pembuatan Methyl Ester Sulfonate (MES)

Pemilihan teknologi proses pembuatan Methyl Ester Sulfonate (MES) dilakukan untuk mendapatkan proses terbaik baik dari segi ekonomi maupun karakteristik produk. Terdapat dua macam teknologi proses yang akan ditinjau yaitu oleum-H2SO 4 dan gas SO3. Perbandingan teknologi proses pembuatan MES dapat dilihat pada Tabel 2. Dari Tabel 2 terlihat bahwa kedua teknologi proses ini memiliki kelebihan dan kekurangan masing masing. Oleum H2SO4 dan gas SO 3 merupakan bahan kimia dengan tingkat bahaya yang tinggi. Menurut heuristicnya jika menggunakan bahan beracun dan berbahaya maka digunakan salah satu reaktan berlebih selama reaksi berlangsung agar bahan tersebut dapat terkonsumsi

sempurna [Seider, 2003]. Pada pembuatan MES dengan menggunakan Oleum-H2SO 4 tidak terlihat adanya penanganan khusus untuk pemakaian bahan berbahaya. Sedangkan pada pembuatan MES dengan menggunakan gas SO3 dilakukan penanganan dengan cara menurunkan konsentrasi SO3 pada aliran umpan reaktor. Konsentrasi SO 3 diturunkan dengan cara menambahkan gas inert seperti N2 pada aliran masuk gas. Reaksi sulfonasi pembuatan MES merupakan reaksi yang sangat eksotermis. Menurut heuristic, untuk mengontrol temperatur akibat reaksi eksotermis dapat menggunakan reaktan berlebih, pengenceran dengan penambahan inert, atau dengan cara cold shot [Seider, 2003]. Pada teknologi proses pembuatan MES menggunakan oleum-H2SO4 penanganan yang dilakukan hanya dengan pendinginan menggunakan air laut. Sedangkan jika menggunakan gas SO 3, penanganan yang dilakukan untuk menghilangkan panas akibat reaksi eksotermis dengan cara penambahan gas inert pada aliran gas SO3 sehingga pendinginan dari luar hanya dilakukan dengan air pendingin sehingga membutuhkan biaya yang lebih murah.

Tabel 2. Perbandingan Teknologi Proses Oleum-H2SO4 dan gas SO 3 Faktor Pembanding Oleum-H2SO4 Gas SO3 Sistem Pemprosesan Batch atau Continuous Continuous Harga Reagent Relatif Murah Murah Menghasilkan air sebagai produk Sulfonasi Tidak ada air yang diproduksi samping Rasio mol, 3-4 mol; reagent berlebih tidak terlalu 1 mol; reagent berlebih sangat penyelesaian reaksi kritikal kritikal Tidak bercampur dengan bahan Kelarutan reagent organik; reaksi 2 liquid yang tidak Reaksi 2 fasa; liquid gas saling larut Tidak membutuhkan agitasi, Agitasi Perlu dilakukan hanya menggunakan kecepatan reaksi falling film Bervariasi (0 500C); tergantung Proses falling film (waktu kontak kualitas warna produk; pelarut sering cepat) mengikuti profil Temperatur reaksi digunakan untuk menurunkan temperatur reaksi tinggi; tidak viskositas menggunakan solvent Viskositas reaksi Relatif rendah Tinggi campuran Kecepatan reaksi Lambat Instan (seketika) Sangat eksotermis; tidak Panas masuk Panas untuk reaksi membutuhkan penambahan panas Temperatur reaksi rendah Menggunakan pendingin air Heat exchange membutuhkan sistem pendingin untuk sulfonasi; sangat efisien dengan menggunakan air laut Reaksi samping Sedikit Banyak Warna produk Cerah Gelap, kecuali sistem falling film Pemisahan campuran reaksi; perlu Sulfonic acid hasil penambahan H2O; sebagian warna Campuran reaksi homogen hilang selama pemisahan H2SO4 Reagent boiling point 2900 3170C 44.50C Sumber : Othmer, 1999

IOP05 - 19


ISSN. 1907 - 0500


Sulfur Supply

Sulfur

SO3/Air

SO3 Gas Generator

Air

Air Supply

Exhaust Gas

SO 3 Absorber

SO2 Absorber

Reactor System

Electrostatic Precipitator

Methyl Ester

Recovered MESA

MESA

MESA Bleacher

MESA Digestion

H2O2

Neutralizer MeOH

NaOH

MES

Product Cooling System

Turbo Tube Dryer Systems

Dry Flake MES

MeOH/Water

Methanol Recovery

Water

Gambar 3. Blok Diagram Pembuatan MES Harga bahan baku pada pemakaian gas SO 3 memberikan biaya yang lebih rendah jika dibandingkan dengan menggunakan Oleum-H2SO4. Sehingga teknologi proses yang terbaik untuk memproduksi MES adalah dengan menggunakan gas SO3. Blok diagram proses pembuatan MES dengan menggunakan gas SO 3 dapat dilihat pada Gambar 3. Pada proses pembuatan MES, gas SO3 masuk kedalam reaktor dengan konsentrasi 7% volum dan temperatur gas masuk sekitar 42 0C. ME masuk kedalam reaktor pada temperatur antara 40 0 560C, diatas titik beku ME. Laju alir massa reaktan dikontrol sehingga rasio mol antara SO3 dan ME berada pada range dari 1.15 1.25. Pemilihan rasio mol tergantung pada selektifitas ME pada reaksi samping dan pembentukan produk samping. Termasuk oksidasi gugus alkil oleh SO3, sulfonasi beberapa hasil olefin, pembentukan methyl sulfuric acid dan hidrolisis ester membentuk disalt [Zoller, 2009].

Methyl Ester Sulfonic Acid (MESA) yang terbentuk selama proses sulfonasi pada reaktor falling film, kemudian dialirkan kedalam sistem digester, selama proses ini temperatur naik dengan cepat. Setelah MESA diolah didalam digester, kemudian metanol (30-35%wt) dan 50% hidrogen peroksida dicampurkan dengan MESA didalam bleacher. Proses bleaching dilakukan selama 1-1.5 jam, semakin lama waktu bleaching bisa menghilangkan warna selama peroksida tidak terkonsumsi. Metanol berlebih sangat efektif untuk menekan produksi disalt dan secara signifikan menurunkan viskositas campuran [Zoller, 2009]. MESA yang telah mengalami pengurangan warna kemudian dinetralisasi dengan penambahan 50% NaOH. MESA yang telah dinetralisasi membentuk MES dalam bentuk pasta. Reaksi netralisasi MESA menjadi MES ditunjukkan pada Gambar 4. MES pasta kemudian dikeringkan di dryer untuk memisahkan air dan metanol sisa. MES masuk kedalam proses pengeringan pada

IOP05 - 20


ISSN. 1907 - 0500


O

O R

CH2

C

OCH3 + NaOH

R

SO3H

CH2

C

OCH3 + H2O

SO3Na

Methyl Ester Sulfonic Acid (MESA)

Sodium Hydroxide

Methyl Ester Sulfonate (MES)

Water

Gambar 4. Reaksi Netralisasi MESA menjadi MES temperatur 1450C dan beroperasi pada kondisi vakum pada tekanan 120 200 torr. Tahap terakhir pada pembuatan MES adalah menyiapkan komposisi akhir produk MES dalam bentuk liquid, semi-solid bar atau solid granule, dengan menggunakan teknologi yang tepat [Zoller, 2009]. Teknologi pembuatan MES dengan menggunakan gas SO3 menghasilkan produk dengan karakteristik yang baik sehingga cocok digunakan sebagai surfaktan. Selain itu, teknologi proses produksi MES dengan menggunakan gas SO3 sangat kompetitif jika ditinjau dari segi ekonomi.

5

Kesimpulan

Teknologi proses pembuatan MES yang terbaik untuk digunakan secara komersial adalah menggunakan reagent gas SO3. Pemilihan ini berdasarkan pertimbangan bahan baku yang murah, penanganan yang mudah, dan yield yang tinggi. Dengan menggunakan teknologi proses ini produk akhir memiliki kadar minyak yang rendah dan warna yang cerah. Teknologi proses produksi MES dengan menggunakan gas SO3 sangat kompetitif jika ditinjau dari segi ekonomi karena biaya investasi yang rendah.

Foster, N.C. 1997. Sulfonation and Sulfation Processes, http://www.chemithon.com., 1 Oktober 2010 Hovda, K.D. 1996. Sulfonation of Fatty Acid Ester , U.S. Patent No. 5,587,500 Martinez, D., G., Orozco, S., Rincon, and I., Gil,. 2010. Simulation and Pre-Feasibility Analysis Of The -Methyl Ester Sulfonates -MES) Bioresource Technology. 101(2010): 8762 8771. Othmer, K. 1999. Encyclopedia Of Chemical Technology. Fourth edition. John Wiley & Sons : New York. Seider, W. 2003. Product & Process Design Principles. Second Edition. John Wiley and Sons : New York. USDA, 2011, Palm Oil: World Supply and Distribution. http://www.fas.usda.gov . 14 juni 2011. Zoller, U. 2009. Handbook Of Surfactant. Part F: Production. CRC Press : New York.

Daftar Pustaka Methyl Ester Sulfonates A Guide To Biorenewable Resources. September. p.13.

IOP05 - 21

Produksi Methyl Ester Sulfonate dari Methyl Ester : 1. Review Teknologi dan Seleksi Proses

Recommend Documents