reaksi hidrogenasi

HIDROGENASI

1.      Pengertian

Hidrogenasi merupakan reaksi hidrogen dengan senyawa organik, Reaksi ini terjadi dengan penambahan hidrogen secara langsung pada ikatan rangkap dari molekul yang tidak jenuh sehingga dihasilkan suatu produk yang jenuh. Proses hidrogenasi merupakan salah satu proses yang penting danbanyak digunakan dalam pembuatan bermacam-macam senyawa organik. Proses ini umumnya terdiri dari adisi sepasang atom hidrogen ke sebuah molekul. Reaksi dilakukan pada suhu dan tekanan yang berbeda tergantung pada substrat dan aktivitas katalis.

2.      Macam- Macam Hidrogenasi

a.                   Hidrogenasi transfer

Proses hidrogenasi umumnya memanfaatkan gas hydrogen, namun ada juga yang menggunakan sumber lain yang memiliki atom hydrogen di dalamnya. Namun tujuannya sama, yaitu : menambahkan atom hydrogen dalam suatu senyawa.

b.                   Hidrogenasi Minyak

Proses hidrogenasi minyak membuat mengerasnya tanaman dan ikan yang diturunkan minyak, yang memungkinkan mereka untuk menjadi pengganti efektif untuk lemak hewani.

c.         Hidrogenasi Etena

Etena bereaksi dengan hydrogen pada suhu sekitar 150° C dengan adanya sebuah katalis nikel (Ni) yang halus.Reaksi ini menghasilkan etana.

Reaksi ini tidak begitu berarti, sebab etena merupakan senyawa yang jauh lebih bermanfaat disbanding etena yang dihasilkan.

3.         PROSES HIDROGENASI

a.         Substrat

Penambahan H₂ ke alk e ne affords alk ne dalam reaksi protypical :

RCH = CH₂ + H₂ CH₂RCH₃ (R= alkil, aril)Hidrogenasi sensitive terhadap halangan sterik menjelaskan selektivitas untuk reaksi dengan exocyclic ikatan ganda tetapi tidak ikatan ganda internal.Substrat dari hidrogenasi tercantum dalam tabel berikut :

Alkena, R2C = CR2	Alkana, 2R2­ CHCHR’
Alkuna, RCCR	Alkena, cis-RHC = CHR’
Aldehida, RCHO	Alcohol utama, RCH2OH
Keton, R2CO	Sekunder alcohol, R2CHOH
Ester, RCO2R’	Dua alcohol, RCH2OH, R’OH
Imina, RR’CNR”	Amina, RR’CHNHR”
Amida. RC (O) NR2	Amina, RCH2NR2
Nitril, RCN	Imina, RHCNH
Nitro, RNO2	Amina, RNH2

b.                  Katalis

Penggunaan katalis diperlukan agar reaksi yang berjalan efisien dan dapat digunakan.Hidgrogenasi non-katlik hanya berjalan dengan kondisi temperature yang sangat tinggi. Dengan pengecualian langka, tidak ada reaksi di bawah 480° C (750 K atau 900° F) terjadi antara H₂ dan senyawa organic dalam ketiadaan katalis logam. Katalis logam non-mulia, terutama yang didasarkan pada nikel (seperti nikel Raney dan nikel Urushibara) juga telah dikembangkan sebagai alternatif ekonomis, tetapi mereka sering terlambaat atau memerlukan suhu yang lebih tinggi.Trade off adalah kegiatan kecepatan reaksi vs biaya katalis dan biaya aparat yang diperlukan untuk penggunaan tekanan tinggi. Perhatikan bahwa nikel Raney-hydrogenations katalis membutuhkan tekanan tinggi :

Ada dua keluarga yang dikenal dengan katalis-katalis homogen dan katalis heterogen.

·         Katalis homogen

Katalis homogen termasuk rhodium senyawa berbasis yang dikenal sebagai katalis Wilkinson dan iridium berbasis katalis Crabtree. Contohnya adalah hidrogenasi carvone :

Hidrogenasi sensitive terhadap halangan sterik menjelaskan selektivitas untuk reaksi dengan exocylic ikatan ganda tetapi tidak ikatan ganda internal.

·         Katalis heterogen

Katalis heterogen untuk hidrogenasi lebih umum ke industri.Seperti dalam katalis homogeny, aktivitas disesuaikan melalui perubahan di lingkungan sekitar logam, yaitu lingkup koordinasi.Demikian pula katalis heterogen dipengaruhi oleh dukungan materi dengan katalis heterogen terikat.Misalnya : kegiatan layar Kristal katalis heterogen yang berbeda.

Dalam banyak kasus, modifikasi yang sangat empiris melibatkan selektif “racun”. Dengan demikian, katalis dipilih dengan cermat dapat digunakan untuk beberapa kelompok fungsional hydrogenate tanpa mempengaruhi orang lain. Seperti hidrogenasi selektif alkines ke alkena menggunakan katalis Lindlar.Ketika katalis palladium ditempatkan pada barium sulfat dan kemudian diobati dengan quinoline, katalis yang dihasilkan mengurangi alkines hanya sejauh alkena.Katalis Lindlar telah diterapkan untuk konversi phenylacetylene untuk stirena.

c.         Efek Samping Hidrogenasi

Efek samping dari hidrogenasi memiliki implikasi bagi kesehatan manusia yaitu isomerisasi dari beberapa ikatan karbon tak jenuh yang tersisa. Efek samping yang sangat menonjol dari hidrogenasi adalah lemak trans. Undang-undang makanan di AS dank ode praktek di Uni Eropa telah lama menyatakan bahwa diperlukannya label kandungan lemak dari makanan dalam perdagangan, juga diperlukan deklarasi dari isi lemak trans. Lemak trans di larang di Denmark dan New York City. Konsumsi lemak trans telah terbukti dapat meningkatkan kadar kolesterol yang berbahaya sehingga menyebabkan meningkatnya resiko penyakit jantung. Proses apapun yang cenderung meningkatkan jumlah lemak trans dalam makanan sebaiknya dihindari.

HASIL PERANCANGAN PABRIK SORBITOL

A.                  Seleksi Proses

Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan proses adalah dari segi proses pembuatan produk yang meliputi bahan baku, konversi reaksi, kuantitas produk dan kualitas produk. Sedangkan dari kondisi operasi yaitu mengenai temperatur, tekanan operasi dan dari segi ekonomi yaitu mengenai investasi, ROI ( Return of Invesment ) danjuga POT ( Pay Out Time ). Dari kriteria-kriteria dan uraian proses pembuatan sorbitol diatas dapat dilihat keuntungan dan kerugian dari masing-masing proses. Proses dengan reduksi elektrolitik dan hidrogenasi katalitik menggunakan bahan baku starch, konversi untuk reduksi elektrolitik 85% sedangkan hidrogenasi katalitik 95-99% .Dalam hal kualitas produk reduksi elektrolitik mempunyai tahapan proses dan bahan penunjangnya lebih banyak, bahan-bahan impuritis dari hasil reaksi samping juga lebih banyak maka kemurnian sorbitol lebih rendah kondisi operasi temperatur 120-140 o C dan tekanan 125 atm. Proses dengan hidrogenasi katalitik tahapan proses dan bahan penunjangnya lebih sedikit, bahan-bahan impuritis dari hasil reaksi samping juga lebih sedikit maka kemurnian sorbitol lebih tinggi dengan kondisi operasi temperatur 120-140 o C dan tekanan 75 atm.

Dari segi ekonomi reduksi elektrolitik Harga dari elektroda sangat mahal, serta membutuhkan power yang besar untuk proses elektrolisis, ROI rendah dan POT lambat. Untuk proses hidrogenasi katalitik bahan tambahan seperti gas hidrogen dan katalis nikel mudah dijangkau dan murah serta efektif, ROI tinggi, dan POT cepat.

Hidrogenasi katalitik, konversi reaksinya lebih besar sehingga akan diperoleh produksi yang lebih tinggi denganbasis bahan baku yang sama. Selain itu untuk proses hidrogenasi katalitik, tahapan proses dan bahan penunjangnya lebih sedikit daripada dengan reduksi elektrolitik. Sehingga pada produk akan diperoleh kualitas yang lebih tinggi, karena bahan – bahan impuritis dari hasil reaksi samping lebih sedikit. Jika ditinjau dari segi ekonomi maka proses reduksi elektrolitik ini investasinya lebih besar, dimana besar kecilnya investasi ini akan mempengaruhi tinggi rendahnya ROI dan juga cepat lambatnya POT dari masing - masing proses. Sehingga dalam pemilihan proses lebih menguntungkan proses hidrogenasi katalitik dibandingkan dengan proses reduksi elektrolitik baik dari segi teknis maupun ekonomis.

B.         Proses Produksi Sorbitol

Proses pembuatan sorbitol dengan hidrogenasi katalitik dilakukan dengan mereaksikan larutan dekstrosa dan gas hidrogen bertekanan tinggi dengan menggunakan katalis nikeld alam reaktor. Gas hidrogen masuk dari bagian bawah reaktor secara bubbling dan larutan dekstrosa diumpankan dari atas reaktor sehingga kontak yang terjadi semakin baik.

Proses ini menghasilkan overall yield 95–99%. Secara keseluruhan proses pembuatannya dapat dilihat pada gambar dibawah ini 

Pembuatan sorbitol dengan hidrogenasi katalitik ini terdiri dari beberapa unit proses yaitu:

1. Glucose Production Unit

2. Catalytic Hydrogenation Unit

3. Finishing Unit

1.         Glucose Production Unit

Pada unit ini bahan baku mengalami proses gelatinasi. Tepung tapioka dari gudang bahan baku F-111 dengan kadar air 7,8% diangkut dengan menggunakan pneumatic conveyor J-112 menuju mixing tank M-110. Pada proses ini, tepung tapioka dicampur dengan CaCl2 yang telah dilarutkan dalam larutan pengencer (air) sehingga menghasilkan suspensi pati 35%. Larutan CaCl2 berasal dari tangki F-113 dengan konsentrasi 400 ppm.Fungsi dari penambahan CaCl2 adalah untuk menjaga stabilitas enzim. Pada saat enzim memiliki kestabilan tinggi diharapkan inaktivasi enzim akan membutuhkan waktu yang lama walaupun dalam keadaan suhu tinggi. Kondisi operasi pada tangki M-110 adalah pada temperatur 30oC, tekanan atmosferik.Waktu tinggal di dalam mixing tank adalah 15 menit.

Suspensi pati kemudian dipompa dengan pompa L-121 menuju jet cooker E-120. Proses ini bertujuan untuk membuat suspensi pati larut sempurna dengan menginjeksikan steam jenuh ke dalam aliran. Selain itu, jet cooker juga bertujuan untuk menaikkan suhu dari suspensi pati. Aliran keluar dari jet cooker pada suhu 98oC menuju reaktor liquifikasi.

a.         Proses Liquifikasi

Suspensi pati dimasukkan dalam reaktor liquifikasi dengan tujuan untuk memecah rantai pati yang telah tergelatinasi menjadi dekstrin, maltosa dan dekstrosa.Tepung umumnya mengandung 80% amilosa dan 20% amilopektin. Ikatan α-1,4 dalam amilosa dan amilopektin yang terdapat di dalam pati dihidrolisa oleh α-amilase sehingga dapat meningkatkan harga DE (Dextrose Ekuivalen). Pada proses ini terbentuk larutan dekstrin.

Setelah proses gelatinasi selesai, suspensi pati menuju ke reaktor R-130. Reaktor ini dilengkapi dengan coil pendingin yang berfungsi menjaga suhu reaktor yaitu sebesar 95oC. Dalam reaktor, suspensi pati ditambahkan enzim α-amilase dengan dosis 0,7 L/metric ton dry starch. Kondisi operasi pada reaktor ini adalah pada suhu 95oC, tekanan atmosferik dengan pH=6. Waktu tinggal dalam reaktor ini selama 3 jam.

Reaksi yang terjadi sebagai berikut :

Dari reaktor R-130, larutan dekstrin dipompa ke dalam tangki penampung F-132 yang kemudian dilewatkan cooler E-142 dengan suhu keluaran sebesar 60oC yang kemudian diumpankan ke reaktor sakarifikasi R-140.

b. Proses Sakarifikasi

Larutan dekstrin dimasukkan reaktor sakarifikasi dengan pompa L-141.Reaktor sakarifikasi berfungsi mengkonversi dekstrin menjadi dekstrosa oleh enzim glukoamilase (amiloglukosidase). Dalam reaktor ini ditambahkan HCl 0,1 M dari tangki F-143 yang bertujuan untuk menurunkan pH menjadi 4,2. Suhu operasi dalam reaktor ini adalah 60°C. Dosis enzim yang ditambahkan yaitu sebesar 0,7 L/metric ton of dry matter. Enzim masuk dari tangki F-144 ke Reaktor Sakarifikasi R-140. Reaktor dilengkapi dengan coil untuk menjaga suhu reaktor. Proses sakarifikasi berlangsung selama 72 jam dan kandungan glukosa dalam larutan tersebut adalah 50% yang kemudian disebut sirup glukosa. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Setelah dari reaktor sakarifikasi, larutan dekstrosa (sirup glukosa) dipompa oleh L-151 menuju rotary vacuum filter H-150 untuk proses purifikasi glukosa

Setelah dari reaktor sakarifikasi, larutan dekstrosa (sirup glukosa) dipompa oleh L-151 menuju rotary vacuum filter H-150 untuk proses purifikasi glukosa

c. Proses Pemurnian Glukosa

Sirup glukosa masuk ke rotary vacuum filter H-150 untuk memisahkan padatan yang ada di dalam larutan dekstrosa.Padatan tersebut dapat berupa serat.Air pencuci berupa filtrat hasil penyaringan rotary vacuum filter sebelumnya dengan perbandingan 15% dari berat filtrat. Rotary vacuum filter H-150 dilengkapi dengan pompa vakum G-152 untuk membuat bagian dalam alat menjadi vakum sehingga filtrat akan tertarik ke bagian dalam sehingga berkumpul menjadi filtrat. Dari rotary vacuum filter, sirup glukosa dipompa oleh L-161 menuju kation exchanger H-160 untuk menukar ion positif yang berasal dari CaCl2 dan kemudian menuju ke anion exchanger H-170 untuk menukar ion negatif yang berasal dari HCl. HCl harus dihilangkan sebelum masuk ke evaporator karena korosif dan menganggu proses pemurnian sirup glukosa.

Sirup glukosa dipompa oleh L-171 menuju penampung F-172.Selanjutnya dipompa oleh L-181 menuju preheater E-182 sebelum masuk ke evaporator double effect V-180 dan V-190.Suhu masuk E-182 adalah sebesar 60oC dan keluar pada sauhu 70oC. Evaporator V-180 bertekanan 233,7 mmHg, sedangkan V-190 bertekanan 149,8 mmHg. Diharapkan keluaran dari evaporator ini adalah sirup glukosa dengan konsentrasi 50% glukosa.Sirup glukosa dipompa L-211 menuju preheater E-212 kemudian diumpankan ke R-210. Suhu masuk E-212 adalah sebesar 62,15 oC dan keluar pada suhu 75 oC.

2. Catalytic Hydrogenation Unit

Di unit ini adalah yang paling menentukan dari keseluruhan proses produksi dimana terjadi reaksi antara sirup glukosa dengan gas H2 menghasilkan produk utama sorbitol dan produk samping maltitol. Reaksi ini dinamakan reaksi hidrogenasi katalitik karena dalam proses yang terjadi di reaktor ini, menggunakan bantuan katalis Raney Nickel. Sirup glukosa 50% dari evaporator dipompa L-211 menuju preheater E-212 kemudian diumpankan ke R-210 pada suhu 130oC. Reaksi yang terjadi yaitu:

Kondisi operasi pada reaktor ini adalah pada temperatur 130oC, tekanan 70 atm, serta waktu tinggal di dalam reaktor 3 jam dengan penambahan H2 bertekanan 175 atm dan katalis Raney Nickel 2% dari glukosa yang masuk. Sisa gas H2 yang keluar reaktor dikompresi dengan kompresor G-214 untuk dikembalikan ke penampung F-213. Produk keluar menuju tangki F-216 sehingga suhunya dijaga 70oC dan kemudian dipompa oleh L-311 menuju ke tangki adsorbsi M-310 untuk proses purifikasi sorbitol.

3. Finishing Unit

Pada unit ini terjadi beberapa proses pemurnian, yaitu :

a. Adsorbsi oleh Karbon Aktif

Tujuan dari adsorbsi oleh karbon ini adalah untuk menyerap warna yang dtimbulkan dari proses sebelumnya, sehingga diperoleh sorbitol yang lebih jernih. Produk dari tangki F-216 dipompa oleh L-311 melewati E-312 menuju ke tangki adsorbsi M-310 dengan penambahan karbon aktif dari tangki F-313. Karbon aktif berbentuk serbuk dengan ukuran 125 mesh dengan massa jenis 0,2-0,6 gram/mL. Karbon aktif yang digunakan berupa serbuk agar menghasilkan proses penyerapan yang baik. Kebutuhan karbon aktif yaitu 10-15 kg/1000 kg sorbitol.Kondisi operasi pada alat ini yaitu pada tekanan atmosferik dengan suhu 70oC.Waktu tinggal dalam tangki adsorbsi ini adalah 1 jam.

b. Filtrasi

Tujuan dari filtrasi adalah untuk memisahkan padatan berupa Raney Nickel dan karbon aktif yang terikut pada proses sebelumnya. Karena zat yang akan dipisahkan berupa padatan dapat menggunakan rotary vacuum filter. Produk dari tangki M-310 dipompa oleh L-321 menuju rotary vacuum filter H-320. Cake dari rotary vacuum filter akan diolah untuk dipakai kembali dengan perlakuan lanjutan dengan memisahkan antara katalis dan karbon aktif. Karbon aktif dapat dibuang sebagai limbah dan katalis Raney Nickel dapat digunakan kembali.Sedangkan filtrat yang berupa sorbitol dan maltitol masuk ke kation exchanger dengan dibantu pompa L-331. Waktu yang dibutuhkan untuk proses filtrasi ini adalah 3 jam.

c. Kation Exchange

Tujuan dari kation exchange adalah menghilangkan ion-ion positif yang terkandung dalam larutan. Pada kation exchanger H-330 bertujuan untuk menghilangkan ion positif dari sisa Al2O3 yang masih terikut.Al2O3 dibawa oleh katalis Raney Nickel.

d. Evaporasi

Larutan sorbitol dari kation exchanger dipompa oleh L-341 menuju ke evaporator double effect yaitu V-340 dan V-350. Suhu masuk evaporator adalah 70 oC. Evaporator V-340 bertekanan 233,7 mmHg, sedangkan V-350 bertekanan 149,8 mmHg. Tujuan dari evaporasi tersebut adalah untuk memekatkan produk sorbitol dari 50% menjadi 70%. Kemudian produk akan ditampung pada tangki F-354.