Penjelasan tentang Fat Splitting

BAB IPENDAHULUAN

1.1       Latar Belakang

Permintaan akan produk oleokimia yang sangat tinggi. Hal ini dapat dimaklumi karena produkoleokimia mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan produk petrokimia, seperti harga, sumber yang dapatdiperbaharui dan produk yang ramah lingkungan.Pada saat ini industri oleokimia masih berbasis kepada minyak / trigliserida sebagai bahan bakunya. Hal ini terjadikarena secara umum, para pengusaha masih ragu untuk terjun secara langsung ke industri oleokimia. Masih sangatjarang dijumpai sebuah industri yang mengolah bahan baku langsung menjadi bahan kimia tanpa melalui trigliserida.Padahal secara ekonomi dan teknik, banyak produk dari bahan alami yang bisa diolah langsung dari bahan nabatitanpa melalui trigliserida.

Bagan Alir Produksi Oleokimia Secara Umum

 Produksi oleokimia dasar yang telah dilakukan dalam industri adalah melaluiproses termik (menggunakan suhu 250 oC dan tekanan sekitar 50 atm), yaitu, melaluiproses pemecahan lemak (fat splitting), esterifikasi, transesterifikasi dan hidrogenasi. Proses tersebut memerlukan energi tinggi serta investasi peralatan yangmahal dan mutu produk yang dihasilkan tidak terlalu baik ditinjau dari warna danbaunya sebagai akibat proses panas tersebut.

Dalam makalah ini dibahas empat metode / proses pemecahan lemak yaitu proses Twitchell, proses autoclave batch, proses kontinu, dan proses secara ezimatis.

Selain keempat metode pemecahan lemak diatas,karena keempat metode digunakan pada skala lab,maka untuk skala besar digunakan metode colgate emery,yaitu dengan memanfaatkan uap dari suhu tunggu tinggi yaitu 523K dengan tekanan tinggi 5 x 10⁶ dengan kapasitas produksi 5000 pound/jam,prinsip kerja nya pada proses metode ini hampir sama dengan proses reaksi dasarnya. Disini dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Proses Metode Colgate Emery

BAB IIISI

2.1.      Pengertian Lipid dan Lemak

Suatu lipid didefinisikan sebagai senyawa organik yang terdapat dalam alam serta tidak larut dalam air, tetapi larut dalam pelarut organik non-polar seperti suatu hidrokarbon atau dietileter. Salah satu anggota dari golongan lipid ini adalah lemak yang tergolong dalam lipid netral.

Lemak merupakan sumber energy dalam aktivitas tubuh manusia, yang bila dioksidasi secara sempurna dalam tubuh menghasilkan 9,3 kalori lemak per 1 gram. Lemak sebagai bahan pangan dibagi menjadi 2 golongan, yaitu : 1) lemak yang siap dikonsumsi tanpa harus dimasak (edible fat consumed uncooked) misalnya mentega, margarine dan lemak yang biasa digunakan dalam kembang gula, dan 2) lemak yang dimasak bersama bahan pangan atau dijadikan sebagai bahan pengantar panas dalam memasak bahan pangan, misalnya minyak goreng, shortening dan lemak babi.

Disamping kegunaannya sebagai bahan pangan, lemak juga berfungsi sebagai bahan pembuatan sabun, bahan pelumas (misalnya minyak jarak), sebagai obat-obatan(misalnya minyak ikan), sebagai pengkilat cat (terutama yang berasal dari golongan minyak mengering).

Produk dunia dari lemak diperkirakan akan meningkat setiap tahunnya, kenaikan produk siini terutama disebabkan karena melimpahnya panen biji-bijian sebagai sumber lemak.

SumberLemak

            Lemak dihasilkan oleh alam yang dapat bersumber dari bahan hewani atau nabati. Karena dalam hewan atau tumbuhan itu lemak tersebut berfungsi sebagai cadangan energi. Lemak bias diklasifikasikan berdasarkan sumbernya, sebagai berikut :

1. Bersumber dari tanaman :
1. Biji-bijian palawija : jagung, biji kapas, kacang, wijen, kedele, bunga matahari.
2. Kulit buah tanaman tahunan : zaitun dan kelapa sawit.
3. Biji-bijian dari tanaman tahunan : kelapa, coklat, inti sawit, babassu, cohune dan sejenisnya.
2. Bersumber dari hewan :
1. Susu hewan peliharaan : lemak susu.
2. Daging hewan peliharaan : lemak sapi dan turunannya oleostearin, oleo oil dari oleo stock, lemak babi dan muttor tallow.

Adapun perbedaan umum antara lemak nabati dan hewani adalah :

1) lemak hewani mengandung kolesterol

2) kadar asam lemak tidak jenuh pada lemak hewani lebih kecil dari lemak nabati

3) lemak hewani mempunyai bilangan Reichert-Meissl lebih besar dari bilangan Polenske lebih kecil dibandingkan dengan minyak nabati.

Lemak nabati dan hewani dapat diklasifikasikan bedasarkan sifat fisiknya berikut dengan contohnya :

1. Lemak nabati, seperti : lemak biji coklat, inti sawit, cohune, babassu, tengkawang, nutmeg butter, shea butter.
2. Lemak hewani :

a.       Lemak susu (butter fat), seperti : lemak dari susu sapi, kerbau, kambing, dan domba.

b.  Hewan peliharaan, seperti : lemak babi, skin grease, mutton tallow, lemak tulang, lemak/gemul wool.

Lemak dalam tanaman dibentuk dalam sel hidup yang merupakan hasil dri serangkaian reaksi yang kompleks alam proses metabolisme.

Molekul lemak disintesa dengan proses kondensasi dari suatu molekul gliserol dengan tiga molekul asam lemak. Molekul asam lemak dan gliserol tersebut dibentuk dari hasil oksidasi karbohidrat secara proses metabolisme berlangsung.

Proses pembentukan lemak dalam tanaman terdiri dari tiga tahap, yaitu :

1. Sintesa gliserol.

Gilserol disintesa dari dihidroksi aseton fosfat, yang merupakan salah satu hasil penguraian fruktosa difosfat oleh enzim oleh aldose dalam tanaman. Dihidroksi aseton fosfat direduksi menjadi gliserol fosfat dan akhirnya diubah menjadi gliserol dengan proses de-phaphorilase.

2. Sintesa asam lemak.

Asam lemak dihasilakan dari reaksi dua persenyawaan yang m,engandung karbon, yang etrbentuk selama proses metabolisme misalnya asam asetat, asetaldehida, dan alkohol (etanol). Dalam kondisi anaerob, asam lemak dalam tanaman disintesa oleh bakteri tertentu. Sebagai contoh adalah sintesa asam butirat dan asam kaproat oleh bakteri Clostridium Kluyveri, dengan reaksi sebagai berikut :

2 CH₃OH  +  CH₃COOH  ==>   CH₃(CH₂)₂COOH  +  H₂O

                                                                              Asambutirat

C₂H₅OH  +  CH₃COOH  ==>     CH₃(CH₂)₄COOH  +  2H₂O

                                                                              Asamkaproat

3. Kondensasi gliserol dan asam lemak sehingga membentuk lemak.

Proses pembentukan lemak atau minyak dalam tanaman merupakan proses esterifikasi gliserol dengan asam lemak. Sebagai contoh adalah proses pembentukan palmitin.Enzim lipase biasanya terdapat dalam biji-bijian yang dapat mengandung lemak misalnya kacang kedele, biji jarak, biji bunga matahari, biji jagung dan juga terdapat dalam daging hewan serta beberapa jenis bakteri.Lemak hewani bersumber dari tubuh hewan, yang terdapat dalam jaringan adipose. Jenis-jenis lemak hewani yang telah banyak dikenal adalah lemak susu, kuning telur, lemak sapi, lemak babi,lemak sumsum, lemak ayam, lemak ikan paus, ikan hiu, dan sebagainya.

2.2       Proses Pemecahan Lemak (Fat Splitting)

Minyak atau lemak dapat dihidrolisis atau dipecah menjadi zat asam yang mengandung lemak dan gliserin, reaksinya sebagai berikut :

reaksi fat splitting

Pada suhu kamar minyak berwujud fase cair sedangkan lemak dalam fase padat. Karakteristik trigliserida ditentukan oleh komponen asam lemak pembentuknya. Karena sebagian besar dari komponen trigliserida adalah asam lemak. Trigliserida yang direaksikan dengan air pada temperatur dan tekanan tertentu akan menghasilkan lemak dan gliserol. Sepanjang langkah awal, reaksi berproses pelan-pelan, karena dibatasi oleh daya larut air dalam fase minyak. Pada langkah yang kedua , reaksi berproses dengan cepat yang disempurnakan dengan semakin besarnya daya larut air dalam zat asam yang mengandung lemak itu. Langkah yang akhir ditandai oleh suatu reaksi penyusutan zat asam yang mengandung lemak.

Peningkatan tekanan dan temperatur dapat mempercepat reaksi itu oleh karena daya larut air juga meningkat dalam fase minyak dan tenaga pengaktifan lebih tinggi. Temperatur, merupakan suatu efek penting. Dalam suatu peningkatan temperatur dari 150 ke 220 ^oC dapat meningkatkan daya larut air dua sampai tiga kali.

Kehadiran sejumlah kecil asam mineral, seperti asam belerang atau oksida metal tertentu, seperti seng atau oksida magnesium, dapat mempercepat reaksi. Oksida metal ini adalah katalisator yang baik, yang dapat membantu pembentukan emulsi.

Proses pemisahan lemak ( fat splitting ) ada 4 (empat) macam :

( 1 )     Proses Twitchell

Proses twitchell adalah proses yang mula-mula dikembangkan pada pemisahan lemak. Proses ini masih menggunakan cara yang sederhana, disebabkan murah serta kemudahan dari instalasi dan operasi. Tetapi proses ini membutuhkan energi yang besar  dan kualitas produk yang rendah. Proses pemisahan menggunakan reagen Twitchell dan H₂SO₄ sebagai katalis dalam hidrolisis. Reagennya adalah campuran dari oleic atau asam lainnya dengan naptalen tersulfonasi.

Operasi terjadi dalam suatu wooden lead-lined, atau tong tahan asam. Kandungan yang terdiri dari air yang jumlahnya ± ½ dari lemak, H₂SO₄ 1-2 % dan reagen Twitchell 0,75-1,25 % dipanaskan sampai mendidih pada tekanan atmosfer selama 36-48 jam, menggunakan steam terbuka. Proses biasanya diulangi dua sampai empat kali, fasa tiap tahap menghasilkan larutan gliserin dan air. Pada tahap akhir, air ditambahkan dan campuran dipanaskan kembali hingga mendidih guna mencuci asam yang tertinggal.

Pada periode reaksi yang panjang, steam yang dibutuhkan menjadi tinggi dan diskolorisasi asam lemak tidak merata sehingga pemakaian proses ini tidak menguntungkan.

Proses Twitchell.

( 2 )     Proses Autoclave Batch

Proses ini adalah metode komersial yang membutuhkan waktu yang cukup lama dalam pemisahan. Asam yang disediakan harus dalam jumlah yang cukup banyak untuk menghasilkan zat ligh-clored. Proses ini lebih cepat dibandingkan dengan proses Twitchell, butuh waktu selama 6-10 jam sampai selesai. Pemisahan menggunakan katalis zinc, Mg atau kalsium oksida. Dari semua katalis yang paling aktif adalah zinc. Sekitar 2-4 % katalis digunakan dan sejumlah dari serbuk zinc ditambahkan untuk meningkatkan warna dari asam lemak.

Autoclave merupakan silnder yang tinggi, dengam diameter 1220-1829 mm dan tinggi 6-12 m dibuat dari alloy yang tahan terhadap korosi (corrosion-resistant alloy) dan terlindungi secara penuh. Penginjeksian steam menyebabkan terjainya pengadukan, meskipun pada beberapa kondisi digunakan mesin pengaduk.

Dalam operasi, autoclave diisi dengan lemak dan air yang jumlahnya (sekitar ± ½ dari lemak) dan katalis. Steam dihembuskan guna menggantikan udara terlarut dan autoclave ditutup. Steam yang digunakan untuk menaikkan tekanan sampai 1135 kPa dan diinjeksikan secara kontiniu, sementara sebagian kecil kisi-kisi menjaga agitasi dan tekanan operasi. Konversi dapat dicapai lebih dari 95% setelah 6-10 jam.

Isi dari autoclave dipindahkan ke tangki, dimana terbentuk asam lemak dibagian atas dan gliserin pada bagian bawah. Asam lemak yang terbentuk ditambahkan asam mineral untuk memisahkan kandungan sabun dan selanjutnya dilakukan pencucian kembali guna memisahkan sisa asam mineral.

Proses Autoclave Batch

( 3 )     Proses Kontinu

            Proses kontiniu merupakan proses pemisahan lemak dengan menggunakan suhu dan tekanan yang tinggi. Proses pemisahan asam lemak lebih dikenal dengan proses Coltage-Emery, merupakan metode yang paling efisien dalam hidrolisis lemak. Suhu dan tekanan tinggi dipergunakan untuk mempercepat waktu reaksi. Aliran counter current dipenuhkan oleh minyak dan air guna menghasilkan suatu derajat pemisahan yang maksimal tanpa memerlukan katalis.

Menara pemisah merupakan bagian utama dari proses ini. Kebanyakan dari menara pemisah mempunyai konfigurasi sama dan dioperasikan dengan cara yang sama. Tergantung dari kapasitas, menara bisa berkapasitas pad diameter 508-1220 mm dengan tinggi 18-25 m dan terbuat dari bahan tahan korosi seperti baja stainless 316 atau campuran logam yang dirancang untuk beroperasi pada tekanan sekitar 5000 kPa.

            Gambar 4 menunjukkan suatu rancangan Single-stage Countercurrent splitting, lemak terdegradasi pada sebuah cincin  sparge bagian tengah sekitar 1 meter dari dasar dengan sebuah pompa bertekanan tinggi. Air terdapat pada bagian atas dengan perbandingan 0-50% dari berat lemak. Temperatur pemisahan yang tinggi (250-260 ^oC) cukup menjamin penghancuran fase air pada minyak.

            Volume kosong menara digunakan sebagai tempat reaksi. Lemak mentah lewat sebagai fase yang saling bersentuhan dari dasar atas menara, sementara cairan lebih berat mengalir turun sebagai fase terdispersi dalam bentuk campuran lemak dan asam. Derajat pemisahan dapat dicapai hingga 99%. Proses continiu countercurrent tekanan tinggi memecah lemak dan minyak dengan lebih efisien dari pada proses lain dengan lama reaksi 2-3 jam.

Konsumsi utilitas untuk per ton umpan adalah :

                        Steam (6000 kPa)        190 kg

                        Air pendingin (20^oC)  3 m³

                        Energi elektrik            10 kWj

                        Air proses                    0,6 m³

Single-stage countercurrent splitting.

( 4 ) Pemecahan secara enzimatis

            Lemak dan minyak dapat dihidrolisis dengan enzim alami. Pemecahan lemak dengan enzim telah dilakukan melalui percobaan. Tetapi saat ini prosesnya tidak begitu dianggap penting karena biayanya yang mahal dan waktu reaksinya yang lama.

     Pemecahan lemak dan minyak secara enzimatis oleh lipase dari Candida Rugosa, Aspergilusniger, dan Rhizopus Arrhizus telah dipelajari pada range temperatur 26-40^oCdengan periode 48-72 jam dengan hasil pemecahan kira-kira    98 %. 

2.3.            Perbandingan Beberapa Proses Fat Splitting

2.3.1.      Proses Twitchell

o   Suhu (^oC) : 100-105

o   Katalis : Asam alkil - aril sulfonat atau siklo alifatik

o   Waktu (jam) : 12-48

o   Perolehan : 85-98 %, larutan gliserol 5-15 % bergantung pada jumlah tahap dan jenis lemak.

o   Keuntungan : -    Suhu dan tekanan rendah

-          Biaya investasi awal relatif rendah

o   Kelemahan :    -    Waktu reaksi lama

-          Konsumsi steam tinggi, cendrung membentuk asm berwarna gelap

-          Perlu lebih dari satu tahap untuk mendapatkan perolehan tinggi

-          Pengendalian manual

-          Biaya tenaga kerja tinggi

2.3.2.      Proses Autoclave Batch

o   Suhu (^oC) : 150-240

o   Katalis : Seng, kalsium atau magnesium oksida

o   Tekanan (MPag) : 2,9-10,0

o   Waktu (jam) : 2-10

o   Perolehan : 85-98 %, larutan gliserol 10-15 % bergantung pada jumlah tahap dan jenis lemak.

o   Keuntungan : -    Dapat diadaptasikan untuk skala kecil

-          Biaya investasi awal lebih murah dari pada proses kontinu

-          Lebihcepatdaripada proses twitchell

o   Kelemahan :    -    Investasi awal agak tinggi

-          Waktu reaksi lebih lambat dari pada proses kontinu

-          Otomalisasi pengendalian lebih sukar dibanding proses kontinu

-          Biaya tenaga kerja tinggi

-          Perlu lebih dari satu tahap untuk mendapatkan perolehan lebih baik

2.3.3.      Proses Kontinu

o   Suhu (^oC) : 250

o   Katalis : opsional

o   Waktu (jam) : 2-3

o   Perolehan : 97-99 %, larutan gliserol 10-25 % bergantung pada jumlah tahap dan jenis lemak.

o   Keuntungan : -    Tidak butuh ruangan yang luas

-          Kualitas produk lebih seragam

-          Perolehan lebih tinggi

-          Konsentrasi gliserin lebih tinggi

-          Biaya operasional lebih murah

-          Pengendalian lebih akurat karena otomatis

o   Kelemahan :    -    Investasi awal tinggi

-          Suhu dan tekanan tinggi

-          Perlu tingkat keahlian penanganan yang tinggi

2.3.4.      Proses Secara Enzimatis

o   Suhu (^oC) : 25-46

o   Katalis : Lipase dari candida rugosa, Aspergillus niger dan Rhizopus arrhizus

o   Waktu (jam) : 48-72

o   Perolehan : 98 %

o   Keuntungan :        Perolehan lebih tinggi

o   Kelemahan :    -    Waktu reaksi lama

-          Investasi awal tinggi

2.4.      Penyulingan Asam Lemak dan Operasi Fraksionasi

Zat asam yang mengandung lemak diproduksi dari proses pemecahan lemak yang dibersihkan dan dibersihkan dengan penyulingan dan fraksinasi.

Penyulingan zat asam yang mengandung lemak kasar.

Zat asam yang mengandung lemak sangat sensitif bila dipanaskan, dioksidasi, dan dapata menimbulkan karat. Ini berkaitan dengan asam reaktif yang mengandung rantai karbon. Faktor ini dipertimbangkan berdasarkan perancangan unit penyulingan dan parameter operasi. Penyulingan dibawa ke ruangan yang hampa dan menurunkan temperatur sehingga memperpendek waktu proses.

Teknik perancangan kebanyakan unit penyulingan menonjolkan kehampaan tinggi dengan tidak mengalami kebocoran udara, pemanasan efektif untuk mencapai waktu kontak yang pendek, peredaran yang baik untuk transfer massa antara uap air dan air kondensasi, dan pemakaian uap air. Pengaturan internal dari kolom penyalur dengan tujuan yang terakhir tentang keberhasilan sasaran hasil desain  diikuti langkah-langkah yang berbasis proses adalah sama. Gambar 5 dan 6 menunjukkan penyulingan zat asam yang mengandung lemak oleh Badger dan   Lurgi.

Badger’s Continuous Fatty Acid Distillation

Lurgi’s Continuous Fatty Acid Distillation

Zat asam yang mengandung lemak kasar dikeringkan melewati bawah ruang hampa dan dimasukkan pada unit destilasi, dioperasikan pada suatu ruang hampa 1,2 kPa atau temperatur kira-kira 200°C. Uap air disajikan untuk meningkatkan peredaran dan mengurangi tekanan parsial, dengan menurunkan temperatur dan mengurangi penurunan degradasi. Panas memudahkan pengurangan kotoran seperti halnya bau dan warna dari uap air yang meninggalkan sistem itu. Lemak yang disaring mempunyai warna putih dan bebas dari ketidakmurnian.

Akhirnya diperoleh komponen didih yang tinggi, kualitas yang rendah, yang dapat dipisahkan lagi atau didaur ulang secara langsung atau penyulingan kembali. Hasil samping atau residu adalah material polymerized, yang mana dibuang oleh campuran minyak yang bersifat sisa dan dapat digunakan sebagai ketel uap. Mungkin juga dapat digunakan sebagai bahan aditif aspal.