Biodiesel melalui (Trans-)Esterifikasi yang Ditingkatkan secara Ultrasonik
Biodiesel disintesis melalui transesterifikasi menggunakan katalis basa. Namun, jika bahan baku yang digunakan berupa minyak nabati bekas bermutu rendah dengan kandungan asam lemak bebas yang tinggi, diperlukan tahap praperlakuan kimia berupa esterifikasi menggunakan katalis asam. Ultrasonikasi beserta efek sonokimia dan sonomekaniknya berkontribusi pada kedua jenis reaksi dan meningkatkan efisiensi konversi biodiesel secara drastis. Produksi biodiesel ultrasonik jauh lebih cepat daripada sintesis biodiesel konvensional, menghasilkan rendemen dan kualitas biodiesel yang lebih tinggi, serta menghemat reagen seperti metanol dan katalis.
Konversi Biodiesel Menggunakan Ultrasonik Berdaya Tinggi
Untuk biodiesel, ester asam lemak diproduksi melalui transesterifikasi minyak nabati maupun lemak hewani (misalnya, lemak sapi). Selama reaksi transesterifikasi, komponen gliserol digantikan oleh alkohol lain, seperti metanol. Bahan baku dengan kandungan asam lemak bebas yang tinggi, misalnya minyak nabati bekas (WVO), memerlukan praperlakuan berupa esterifikasi asam untuk menghindari pembentukan sabun. Proses katalisis asam ini merupakan reaksi yang sangat lambat jika dilakukan dengan metode batch konvensional. Solusi untuk mempercepat proses esterifikasi yang lambat adalah penerapan ultrasonik berdaya tinggi. Sonikasi menghasilkan peningkatan signifikan pada kecepatan reaksi, konversi, dan rendemen biodiesel karena efek sonokimia ultrasonik berdaya tinggi mendorong dan mengintensifkan katalisis asam. Kavitasi ultrasonik menghasilkan gaya sonomekanik, yaitu pencampuran dengan gaya geser tinggi, serta energi sonokimia. Kedua jenis pengaruh ultrasonik ini (sonomekanik dan sonokimia) menjadikan esterifikasi berkatalis asam sebagai reaksi cepat yang membutuhkan lebih sedikit katalis.
Pencampuran ultrasonik meningkatkan laju konversi biodiesel, meningkatkan rendemen, serta menghemat kelebihan metanol dan katalis. Gambar menunjukkan pemasangan 3x UIP1000hdT (masing-masing dengan daya ultrasonik 1kW) untuk pemrosesan inline.
Bagaimana Konversi Biodiesel Ultrasonik Bekerja?
Ultrasonikasi antarfase yang berbeda dalam transesterifikasi (terkadang juga disebut alkoholisis) dan esterifikasi didasarkan pada peningkatan pencampuran serta peningkatan perpindahan panas dan massa. Pencampuran ultrasonik didasarkan pada prinsip kavitasi akustik, yang terjadi akibat implosi gelembung vakum di dalam cairan. Kavitasi akustik dicirikan oleh gaya geser tinggi dan turbulensi, serta perbedaan tekanan dan suhu yang sangat tinggi. Gaya-gaya ini mendorong reaksi kimia transesterifikasi / esterifikasi dan mengintensifkan perpindahan massa dan panas, sehingga meningkatkan reaksi konversi biodiesel secara signifikan.
Transesterifikasi trigliserida menjadi biodiesel (FAME) menggunakan sonikasi menghasilkan reaksi yang lebih cepat dan efisiensi yang jauh lebih tinggi.
Penerapan ultrasonik selama konversi biodiesel telah terbukti secara ilmiah dan industri meningkatkan efisiensi proses. Peningkatan efisiensi proses ini dapat dikaitkan dengan berkurangnya konsumsi energi dan biaya operasi, berkurangnya penggunaan alkohol (yaitu metanol), lebih sedikit katalis, serta waktu reaksi yang jauh lebih singkat. Biaya energi untuk pemanasan dihilangkan karena tidak diperlukan pemanasan eksternal. Selain itu, pemisahan fase antara biodiesel dan gliserol lebih sederhana dengan waktu pemisahan fase yang lebih singkat. Faktor penting untuk penggunaan komersial ultrasonik dalam produksi biodiesel adalah kemudahan peningkatan skala ke volume berapa pun, pengoperasian yang andal dan aman, serta ketangguhan dan keandalan peralatan ultrasonik (standar industri, mampu beroperasi terus-menerus 24/7/365 pada beban penuh).
Sistem ultrasonik industri dengan sel alir untuk esterifikasi dan transesterifikasi biodiesel secara inline.
Esterifikasi dan transesterifikasi ultrasonik dapat dijalankan sebagai proses batch atau proses inline kontinu. Diagram menunjukkan proses inline ultrasonik untuk transesterifikasi biodiesel (FAME).
Esterifikasi dan transesterifikasi ultrasonik dapat dijalankan sebagai proses batch atau proses inline kontinu. Diagram ini menunjukkan proses batch ultrasonik untuk konversi biodiesel.
Konversi Biodiesel Dua Tahap Berbantuan Ultrasonik dengan Menerapkan Tahap Reaksi Berkatalis Asam dan Basa
Untuk bahan baku dengan kandungan FFA yang tinggi, produksi biodiesel dilakukan sebagai reaksi berkatalis asam atau basa dalam proses dua tahap. Ultrasonik berkontribusi pada kedua jenis reaksi, baik esterifikasi berkatalis asam maupun transesterifikasi berkatalis basa:
Esterifikasi Berkatalis Asam Menggunakan Ultrasonik
Untuk menangani kelebihan asam lemak bebas dalam bahan baku, diperlukan proses esterifikasi. Asam sulfat umumnya digunakan sebagai katalis asam.
- Siapkan bahan baku dengan menyaring dan memurnikannya dari kontaminan serta air.
- Larutkan katalis, yaitu asam sulfat, dalam metanol. Alirkan katalis/metanol dan bahan baku melalui penukar panas dan pencampur statis untuk memperoleh campuran awal kasar.
- Campuran awal katalis dan bahan baku langsung masuk ke ruang reaksi ultrasonik, tempat pencampuran ultrahalus dan sonokimia bekerja serta asam lemak bebas dikonversi menjadi biodiesel.
- Terakhir, hilangkan air dari produk dan alirkan produk ke tahap kedua – transesterifikasi ultrasonik. Metanol basah yang bersifat asam siap digunakan kembali setelah pemulihan, pengeringan, dan netralisasi.
- Untuk bahan baku dengan kandungan FFA yang sangat tinggi, konfigurasi resirkulasi mungkin diperlukan guna menurunkan FFA ke kadar yang wajar sebelum tahap transesterifikasi.
Reaksi Esterifikasi Menggunakan Katalis Asam:
FFA + Alkohol → Ester + Air
Baca selengkapnya tentang esterifikasi FFA berkatalis asam yang ditingkatkan secara ultrasonik!
Transesterifikasi Berkatalis Basa Menggunakan Ultrasonik
Bahan baku, yang kini hanya mengandung sedikit FFA, dapat langsung dialirkan ke tahap transesterifikasi. Natrium hidroksida atau kalium hidroksida (NaOH, KOH) paling umum digunakan sebagai katalis basa.
- Larutkan katalis, yaitu kalium hidroksida, dalam metanol dan alirkan katalis/metanol serta bahan baku yang telah menjalani praperlakuan melalui pencampur statis untuk memperoleh campuran awal kasar.
- Alirkan campuran awal langsung ke ruang reaksi ultrasonik untuk pencampuran dengan gaya geser tinggi akibat kavitasi dan perlakuan sonokimia. Produk reaksi ini adalah ester alkil (yaitu biodiesel) dan gliserin. Gliserin dapat dipisahkan dengan pengendapan atau sentrifugasi.
- Biodiesel yang diproduksi secara ultrasonik berkualitas tinggi dan dibuat dengan cepat, hemat energi, serta hemat biaya melalui penghematan metanol dan katalis.
Reaksi Transesterifikasi Menggunakan Katalis Basa:
Minyak / Lemak + Alkohol → Biodiesel + Gliserol
Penggunaan Metanol & Pemulihan Metanol
Metanol merupakan komponen utama dalam produksi biodiesel. Konversi biodiesel yang digerakkan secara ultrasonik memungkinkan pengurangan penggunaan metanol secara signifikan. Jika Anda kini berpikir “Saya tidak peduli dengan penggunaan metanol saya, karena bagaimanapun saya memulihkannya”, Anda mungkin perlu mempertimbangkan kembali dan memperhitungkan biaya energi yang sangat tinggi untuk tahap penguapan (misalnya menggunakan kolom distilasi), yang diperlukan untuk memisahkan dan mendaur ulang metanol.
Metanol biasanya dihilangkan setelah biodiesel dan gliserin dipisahkan menjadi dua lapisan, sehingga mencegah reaksi balik. Metanol kemudian dimurnikan dan didaur ulang kembali ke awal proses. Dengan memproduksi biodiesel melalui esterifikasi dan transesterifikasi yang digerakkan secara ultrasonik, Anda dapat mengurangi penggunaan metanol secara drastis, sehingga mengurangi pengeluaran energi yang sangat tinggi untuk pemulihan metanol. Penggunaan reaktor ultrasonik Hielscher mengurangi jumlah kelebihan metanol yang diperlukan hingga 50%. Rasio molar antara 1:4 dan 1:4,5 (minyak : metanol) cukup untuk sebagian besar bahan baku jika menggunakan pencampuran ultrasonik Hielscher.
Esterifikasi ultrasonik merupakan tahap praperlakuan yang mengubah bahan baku bermutu rendah dengan kandungan FFA tinggi menjadi ester. Pada tahap ke-2 berupa transesterifikasi ultrasonik, trigliserida dikonversi menjadi biodiesel (FAME).
Peningkatan Efisiensi Konversi Biodiesel secara Ultrasonik – Terbukti secara Ilmiah
Banyak kelompok peneliti telah menyelidiki mekanisme dan efek transesterifikasi ultrasonik biodiesel. Misalnya, tim peneliti Sebayan Darwin menunjukkan bahwa kavitasi ultrasonik meningkatkan aktivitas kimia dan laju reaksi, sehingga menghasilkan peningkatan pembentukan ester secara signifikan. Teknik ultrasonik mengurangi waktu reaksi transesterifikasi menjadi 5 menit – dibandingkan dengan 2 jam untuk pemrosesan dengan pengadukan mekanis. Konversi trigliserida (TG) menjadi FAME dengan ultrasonikasi mencapai 95,6929%wt dengan rasio molar metanol terhadap minyak sebesar 6:1 dan natrium hidroksida 1%wt sebagai katalis. (lihat Darwin et al. 2010)
Sonikator Berukuran Menengah dan Berskala Besar untuk Pemrosesan Biodiesel
Hielscher Ultrasonics memasok prosesor ultrasonik berukuran kecil hingga menengah serta prosesor ultrasonik industri berskala besar untuk produksi biodiesel yang efisien pada volume berapa pun. Dengan menyediakan sistem ultrasonik pada segala skala, Hielscher dapat menawarkan solusi ideal bagi produsen kecil maupun perusahaan besar. Konversi biodiesel ultrasonik dapat dioperasikan sebagai proses batch atau proses inline kontinu. Pemasangan dan pengoperasiannya sederhana, aman, serta secara andal menghasilkan keluaran tinggi dengan kualitas biodiesel yang unggul.
Di bawah ini Anda akan menemukan konfigurasi reaktor yang direkomendasikan untuk berbagai laju produksi.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0,25 hingga 0,5
|
80 hingga 160
|
| 1x UIP1000hdT |
0,5 hingga 1,0
|
160 hingga 320
|
| 1x UIP1500hdT |
0,75 hingga 1,5
|
240 hingga 480
|
| 2x UIP1000hdT |
1,0 hingga 2,0
|
320 hingga 640
|
| 2x UIP1500hdT |
1,5 hingga 3,0
|
480 hingga 960
|
| 4x UIP1500hdT |
3,0 hingga 6,0
|
960 hingga 1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4,5 hingga 9,0
|
1440 hingga 2880
|
Hubungi Kami! / Tanyakan kepada Kami!
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi pencampuran, dispersi, emulsifikasi, dan ekstraksi pada skala laboratorium, percontohan, dan industri.
Literatur / Referensi
- Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Wu, P., Yang, Y., Colucci, J.A. and Grulke, E.A. (2007): Effect of Ultrasonication on Droplet Size in Biodiesel Mixtures. J Am Oil Chem Soc, 84: 877-884.
- Kumar D., Kumar G., Poonam, Singh C. P. (2010): Ultrasonic-assisted transesterification of Jatropha curcus oil using solid catalyst, Na/SiO2. Ultrason Sonochem. 2010 Jun; 17(5): 839-44.
- Leonardo S.G. Teixeira, Júlio C.R. Assis, Daniel R. Mendonça, Iran T.V. Santos, Paulo R.B. Guimarães, Luiz A.M. Pontes, Josanaide S.R. Teixeira (2009): Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel. Fuel Processing Technology, Volume 90, Issue 9, 2009. 1164-1166.
- Darwin, Sebayan; Agustian, Egi; Praptijanto, Achmad (2010): Transesterification Of Biodiesel From Waste Cooking Oil Using Ultrasonic Technique. International Conference on Environment 2010 (ICENV 2010).
- Nieves-Soto, M., Oscar M. Hernández-Calderón, C. A. Guerrero-Fajardo, M. A. Sánchez-Castillo, T. Viveros-García and I. Contreras-Andrade (2012): Biodiesel Current Technology: Ultrasonic Process a Realistic Industrial Application. InTechOpen 2012.
Fakta yang Perlu Diketahui
Produksi Biodiesel
Biodiesel diproduksi ketika trigliserida dikonversi menjadi ester metil asam lemak bebas (FAME) melalui reaksi kimia yang dikenal sebagai transesterifikasi. Selama reaksi transesterifikasi, trigliserida dalam minyak nabati atau lemak hewani bereaksi dengan alkohol primer (misalnya metanol) dengan adanya katalis (misalnya kalium hidroksida atau natrium hidroksida). Dalam reaksi ini, ester alkil terbentuk dari bahan baku minyak nabati atau lemak hewani. Trigliserida adalah gliserida yang gliserolnya diesterifikasi dengan asam rantai panjang, yang dikenal sebagai asam lemak. Asam lemak ini terdapat dalam jumlah melimpah pada minyak nabati dan lemak hewani. Karena biodiesel dapat diproduksi dari berbagai bahan baku seperti minyak nabati murni, minyak nabati bekas, minyak bekas penggorengan, serta lemak hewani seperti lemak sapi dan lemak babi, jumlah asam lemak bebas (FFA) dapat sangat bervariasi. Persentase asam lemak bebas dari trigliserida merupakan faktor penting yang sangat memengaruhi proses produksi biodiesel dan kualitas biodiesel yang dihasilkan. Jumlah asam lemak bebas yang tinggi dapat mengganggu proses konversi dan menurunkan kualitas biodiesel akhir. Masalah utamanya adalah asam lemak bebas (FFA) bereaksi dengan katalis alkali sehingga menghasilkan pembentukan sabun. Pembentukan sabun selanjutnya menyebabkan masalah pemisahan gliserol. Oleh karena itu, bahan baku yang mengandung FFA dalam jumlah tinggi umumnya memerlukan praperlakuan (yang disebut reaksi esterifikasi), yang mengubah FFA menjadi ester. Ultrasonikasi mendorong kedua reaksi, yaitu transesterifikasi dan esterifikasi.
Reaksi Kimia Esterifikasi
Esterifikasi adalah proses penggabungan asam organik (RCOOH) dengan alkohol (ROH) untuk membentuk ester (RCOOR) dan air.
Penggunaan Metanol dalam Esterifikasi Asam
Ketika esterifikasi asam digunakan untuk mengurangi FFA dalam bahan baku, kebutuhan energi langsung relatif rendah. Namun, air terbentuk selama reaksi esterifikasi – menghasilkan metanol basah yang bersifat asam, yang harus dinetralkan, dikeringkan, dan dipulihkan. Proses pemulihan metanol ini mahal.
Jika bahan baku awal memiliki persentase FFA sebesar 20 hingga 40 % atau bahkan lebih tinggi, beberapa tahap mungkin diperlukan untuk menurunkannya ke kadar yang dapat diterima. Ini berarti semakin banyak metanol basah yang bersifat asam dihasilkan. Setelah metanol yang bersifat asam dinetralkan, pengeringan memerlukan distilasi bertingkat dengan laju refluks yang signifikan, sehingga mengakibatkan penggunaan energi yang sangat tinggi.
Minyak Apa yang Digunakan untuk Produksi Biodiesel?
Minyak yang digunakan untuk produksi biodiesel mencakup minyak nabati, seperti minyak kedelai, rapeseed (kanola), bunga matahari, kelapa sawit, dan minyak dari ampas kopi, serta lemak hewani seperti lemak sapi dan lemak babi. Minyak bekas, termasuk minyak jelantah dan minyak yang diekstraksi dari ampas kopi, juga umum digunakan. Minyak-minyak ini, yang terutama terdiri atas trigliserida, mengalami transesterifikasi dengan alkohol untuk menghasilkan ester metil asam lemak (FAME), yaitu senyawa kimia yang membentuk biodiesel. Sonikasi meningkatkan konversi minyak bekas menjadi biodiesel dengan meningkatkan proses transesterifikasi melalui penerapan gelombang ultrasonik berintensitas tinggi. Pada minyak bekas, yang sering mengandung pengotor dan memiliki kandungan asam lemak bebas lebih tinggi, sonikasi membantu menguraikan pengotor ini dan meningkatkan pencampuran reaktan. Hal ini menghasilkan laju reaksi yang lebih cepat, waktu reaksi yang lebih singkat, dan rendemen biodiesel yang lebih tinggi, bahkan dengan bahan baku berkualitas lebih rendah. Sonikasi juga memungkinkan pengurangan penggunaan katalis dan konsumsi energi yang lebih rendah, sehingga menjadikan konversi minyak bekas menjadi biodiesel lebih efisien dan hemat biaya.
Baca selengkapnya tentang bagaimana sonikasi mengintensifkan ekstraksi minyak dari ampas kopi dan transesterifikasi minyak tersebut menjadi biodiesel!
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi dari ukuran laboratorium hingga industri.