Kriteria yang disebutkan diatas bisa dipenuhi oleh sebuah reaksi kimia yang dinamai “click chemistry” (kimia klik). Muasal istilah ini sebenarnya dikenal dari proses yang berkaitan dengan sintesa bahan alam, misalnya asam nukleat, protein, metabolit sekunder, maupun polisakarida yang merupakan polimer polikondensasi terbentuk dari penggabungan subunit-subunit kecil yang diikat oleh ikatan karbon-karbon (C-C) dan karbon-heteroatom-karbon (C-X-C dengan X = O, N, P, atau S). Proses alamiah tersebut sedemikian efisiennya sehingga nyaris tidak menghasilkan zat sampah dan terpenting adalah terjadi dalam medium air.

 Kimia klik (Click Chemistry)

Click chemistry adalah sebuah konsep, sebuah filsafat yang mula pertama dikenalkan oleh penerima Nobel Kimia, Professor K. Barry Sharpless dari The Scripps Research Institute pada tahun 2001. Kimia klik mempunyai makna sebagai sintesis kimia yang bisa menggabungkan dua atau lebih unit kecil molekul secara cepat dan produktif. Prof. Sharpless menyerap pengertian kimia klik dari pengamatan bahwa alam (misalnya tetumbuhan) mampu menggabungkan beberapa molekul sederhana demi membentuk senyawa yang lebih kompleks (jalur biosintesis). Tidak semua reaksi kimia berupa penggabungan unit-unit molekul dapat dikateogrikan sebagai kimia klik. Untuk itu, Prof. Sharpless memberikan kriteria tambahan yaitu reaksi tersebut harus:

1. modular (sederhana, mudah, dan luwes digunakan, serta pasang-susunkan)
2. memiliki cakupan yang luas
3. Yield yang tinggi
4. membentuk produk samping yang tidak beresiko
5. stereospesifik

Sementara itu, proses kimia klik harus:

1. Membutuhkan kondisi reaksi yang sederhana (tidak sensitif terhadap oksigen atau air sehingga mudah penangannya)
2. Reagen dan asupan material yang segera tersedia
3. memanfaatkan pelarut yang ramah serta mudah dipisahkan, atau bila memungkinkan tidak memerlukan pelarut sama sekali
4. Pemisahan produk secara sederhana tanpa teknik kromatografi

Penting juga untuk diingat bahwa untuk memenuhi semua kriteria kimia klik, sebuah reaksi klik umumnya memiliki “driving force” termodinamik yang cukup tinggi, tak kurang dari 20 kcal/mol. Reaksi seperti ini cenderung terjadi secara cepat dan memberikan selektifitas tinggi.

Walaupun Prof. Sharpless tidak pernah secara langsung mengaitkan kimia klik dengan kimia hijau, namun dari syarat-syarat yang dikemukakan di atas, tampak bahwa kimia klik memenuhi syarat konsep kimia hijau sehingga patut dikembangkan. Terutama, kimia klik diarahkan pada pengembangan kimia farmasi dan sintesa obat karena selama ini industri kimia farmasi merupakan salah satu industri yang paling banyak memproduksi limbah.

Contoh-contoh kimia klik yang umum

Prof. Sharpless menyebutkan secara khusus beberapa jenis reaksi yang menggabungkan beberapa unit molekul sederhana untuk kemudian membentuk molekul baru yang mengandung ikatan heteroatom C-X-C sebagai contoh reaksi kimia klik.

1. Sikloadisi senyawa tidak jenuh (unsaturated) yang memiliki ikatan ganda, teristimewa reaksi 1,3-dipolar sikloadisi, namun termasuk juga reaksi transformasi Diels-lder.
2. Substitusi kimia nukleofil, khususnya reaksi pembukaan cincin dari senyawa heterosiklik elektrofil yang memiliki ikatan tegang dan mudah dibuka, misalnya epoksida, aziridin, ion aziridinium, dan ion episulfonium.
3. Kimia karbonil dengan jenis “non-aldol”, misalnya pembentukan urea, tiourea, heterosiklik aromatik, oksim, eter, hidrazon, dan amida.
4. Reaksi adisi pada ikatan rangkap karbon-karbon, teristimewa reaksi oksidatif, misalnya epoksidasi, dihidroksilation, aziridinasi, dan adisi sulfenil halid, termasuk pula adisi Michael dari reaktan yang mengandung gugus Nu-H.

Salam hijau!

Disamping didaur ulang untuk aplikasi produk lain, memang sesungguhnya limbah plastik bisa dianggap sebagai sumber bahan mentah senyawa hidrokarbon termasuk didalamnya adalah bahan bakar minyak. Menurut data literatur, tercatat bahwa konsumsi plastik yang meningkat telah menaikkan produksi plastik global rata-rata sebanyak 10% terhitung sejak 1950 dimana produksi masa kini terhitung mencapai 250 juta ton.

Secara umum plastik dapat digolongkan menjadi dua menurut jenis reaksinya yaitu plastik (polimer) kondensasi dan polimer adisi (poliolefin misalnya polietilen, polipropilen, polistyrene). Polimer kondensasi diantaranya adalah poliamid, poliester, dan nilon dapat didepolimerisasi (diurai) lewat jalur sintesis balik sehingga menghasilkan kembali monomer diasam, diol, atau diamid. Proses tersebut yang boleh dikatakan dapat menghasilkan monomer dengan yield sangat tinggi melibatkan reaksi kimia yang disebut alkoholisis (penguraian alkohol), glikolisis (penguraian glikol), dan hidrolisis (penguraian oleh air). Sebaliknya, teknik depolimerisasi serupa tidak dapat diterapkan secara langsung pada jenis polimer adisi sehingga membutuhkan tindakan aktivasi – dalam hal ini adalah pirolisis.

Selama ini sebuah cara yang cukup mapan dan telah luas diterapkan dalam proses degradasi limbah plastik adalah dengan teknik pirolisis thermal. Teknik serupa juga digunakan oleh guru SMK di atas. Pirolisis secara sederhana digambarkan sebagai proses memasak dalam bejana tertutup pada suhu tinggi sehingga terjadilah pengguntingan dan penguraian ikatan molekul.

Proses pirolisis thermal lawan pirolisis katalisis [2]

Secara umum, depolimerisasi poliadisi lebih menguntungkan ketimbang polikondensasi untuk mendapatkan minyak bahan bakar karena umumnya poliadisi tidak mengandung gugus oksigenat sebagaimana polikondensasi. Gugus oksigenat (gugus hidrokarbon yang mengandung atom oksigen) harus dihindari untuk jenis mesin berbahan bakar bensin (non diesel). Disamping itu, rata-rata 60-70% dari total limbah plastik terdiri dari poliadisi semacam polietilen dan polipropilen. Hal utama yang harus mendapat perhatian khusus adalah mengendalikan pirolisis thermal agar produknya lebih seragam. Pada pirolisis thermal biasa, reaksi pemotongan rantai molekul terjadi secara acak sehingga menghasilkan fraksi-fraksi molekul dengan aneka berat molekul (distribusi variasi molekul yang lebar). Hal ini memberi konsekuensi rendahnya yield molekul target atau dengan kata lain memberikan selektifitas yang rendah dan dibutuhkannya teknik pemisahan yang rumit untuk setiap fraksi. Untuk itu, disarankan untuk melibatkan katalis dalam proses pirolisis tersebut agar reaksi pengguntingan dapat dikendalikan. Pirolisis menggunakan katalis juga diharapkan dapat dilakukan pada suhu yang relatif lebih rendah. Aneka macam katalis terutama katalis heterogen berupa padatan telah diujicobakan pada pirolisis poliolefin, diantaranya adalah zeolit (HZSM-5, HMOR, and zeolit Y), SiO₂-Al₂O₃, BaO, and sulfur-promoted zirconia catalysts untuk depolimerisasi polistyrene, polietilen, maupun polipropilen.

Zeolit alam dan salah satu struktur molekul zeolit (http://www.inamarble.com/zeolite.html).

Walendziewski and Steininger [3] mengombinasikan dua proses yaitu depolimerasi polipropilen-polietilen menggunakan katalis asam padat dan selanjutnya hidrogenasi dari produk depolimerisasi menggunakan katalis platina dapat memperoleh kembali aneka fraksi gas dan cairan hidrokarbon hingga 90% dari asupan awal polimer. Aquado bersama tim penelitinya mampu mencatat selektifitas terhadap hidrokarbon dengan rantai karbon C5-C12 sebesar 40-60% dengan konversi 40-60% dari proses depolimerisasi pirolisis menggunakan katalis zeolit beta [4]. Ditemukan pula fakta bahwa distribusi produk dikendalikan oleh ukuran pori zeolit serta keasaman permukaan katalis. Sehingga diharapkan dengan memanfaatkan katalis zeolit yang memiliki pori serta keasaman tertentu bakal memberikan distribusi rantai hidrokarbon yang berbeda, misalnya zeolit HZSM-5 dapat memberikan fraksi hidrokarbon C3-C5, sedangkan zeolit HY memberikan fraksi C3-C8.

Beberapa pertimbangan penting 

Aneka limbah plastik yang tersedia selayaknya perlu dipilahpisahkan sesuai dengan jenisnya, apakah itu polikondensasi atau poliadisi agar proses pirolisis berlangsung lebih efektif sehingga menghasilkan fraksi hidrokarbon yang bebas oksigenat. Perlakuan khusus sebelum pirolisis terhadap plastik yang mengandung halogen, misalnya polivinylklorid (PVC) juga patut dipertimbangkan agar fraksi hidrokarbon yang diperoleh bebas dari halogen dan agar senyawa berbahaya yang mengandung klor tidak terlepas ke lingkungan. Pengembangan katalis yang tangguh dan memberikan selektifitas tinggi perlu dilakukan terus menerus agar siap digunakan secara massal dan dapat didaur ulang kembali setelah mengalami penurunan kinerja. Terutama masalah yang bakal sering dialami adalah kontaminasi katalis akibat hadirnya senyawa-senyawa aditif yang terkadung dalam plastik. Sampai saat ini, zeolit diketahui sebagai material katalis yang paling cocok untuk proses pirolisis depolimerisasi poliolefin.

Untuk mendapatkan fraksi minyak bumi yang sesungguhnya, proses hydrocracking atau perengkahan yang melibatkan hidrogen dapat diterapkan setelah produk hasil proses tahap pertama yaitu pirolisis diperoleh [5]. Berbeda dengan pirolisis yang merupakan reaksi endotermis, hydrocracking merupakan reaksi eksotermis dan bermanfaat dalam menurunkan konsentrasi senyawa aromatik serta mengonversi senyawa heteroatom (senyawa yang mengandung atom O, N, maupun S) yang terdapat pada produk pirolisis. Hydrocracking sendiri membutuhkan asupan gas hidrogen dan katalis fungsi ganda (bifunctional) untuk memotong rantai polimer (perengkahan) dan mendukung reaksi hidrogenasi. Beberapa katalis yang telah dikembangkan untuk hydrocracking mengandung elemen logam Ni, Pd, Pt, Co/Mo, Ni/Mo, atau Ni/W. dalam sebuah reaksi hydrocracking, terjadi sejumlah reaksi, misalnya hidrogenolisis, hidrogenation, pengguntingan beta (beta scission), dan isomerisasi.

Perhitungan neraca massa dan energi yang tepat perlu dilakukan untuk mengukur kelayakan proses pirolisis sehingga proses tersebut dinyatakan benar-benar siap untuk dikembangkan hingga tingkat industri. Tantangan bagi Indonesia dalam menyediakan bahan bakar sekaligus menerapkan pembangunan yang berkelanjutan dimasa mendatang.

Salam hijau!

Sumber Pustaka 

[1] KOMPAS cetak, Premium dari limbah plastik, 25 November 2011.
[2] M.A. Keane, Catalytic transformation of waste polymers to fuel oil, ChemSusChem 2 (2009) 207-214.
[3] J. Walendziewski, M. Steininger, Thermal and catalytic conversion of waste polyolefins, Catalysis Today 65 (2001) 323–329.
[4] J. Aguado, D. P. Serrano, J. M. Escola, E. Garagorri, J. A. Fernandez, Catalytic conversion of polyolefins into fuels over zeolite beta, Polymer Degradation and Stability 69 (2000) 11–16.
[5] M. F. Ali, M. N. Siddiqui, Thermal and catalytic decomposition behavior of PVC mixed plastic waste with petroleum residue,  Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 74 (2005) 282–289.

Proyeksi sumber energi dimasa mendatang (The Institute of Energy Economics, Japan-diambil dari material presentasi Dr. Bambang Veriansyah, Supercritical Fluid Lab, KIST, Rep. of Korea.)

Dahulu kita hanya mengenal minyak dan gas bumi serta batu bara sebagai bahan bakar, namun kesadaran terhadap menurunnya cadangan minyak dunia, naiknya pemanasan global dan pencemaran udara akibat pembakaran material tadi mengubah pandangan dunia untuk mulai memikirkan sumber energi alternatif. Maka kini ilmuwan dan praktisi industri mulai menjajagi kemungkinan sumber energi lain yang terbaharukan dan menghasilkan lebih sedikit emisi gas rumah kaca (terutama karbon dioksida, CO₂), misalnya sinar matahari, panas bumi, angin, gelombang, biofuel, dan tentu saja gas hidrogen.

Contoh-contoh energi terbaharukan (diadaptasi dari material presentasi Dr. Bambang Veriansyah, Supercritical Fluid Lab, KIST, Rep. of Korea.)

Proses perlakuan terhadap biomass demi mendapatkan hidrogen menjadi salah satu obyek pengembangan yang paling dinamis sekaligus menantang. Biomass adalah material organik yang terbaharukan, sehingga dapat dikatakan cadangannya tidak pernah habis. Beberapa tahun silam teknologi pengolahan biomass yang dikenal sebagai gasifikasi biomas (gasification of biomass), reforming dalam air superkritis (reforming in supercritical water), dan reforming dalam air (aqueous phase reforming) telah diperkenalkan dengan harapan industri dapat segera mengadopsinya. Kenyataannya tidaklah mudah, karena kedua teknologi yang disebutkan pertama membutuhkan kondisi yang cukup ekstrem (temperatur dan tekanan tinggi) serta biaya investasi alat dan operasi yang sangat tinggi. Pilihan ketiga sebenarnya cukup memenuhi syarat untuk segera diterapkan karena bisa dikerjakan pada kondisi lebih lembut namun membutuhkan proses optimasi supaya lebih baik.

Reforming dalam air (aqueous phase reforming)

Reforming dalam air mula-mula diperkenalkan oleh grup penelitian Dumesic. Teknologi ini bisa mendapatkan 35% hidrogen, 40% CO₂, dan sisanya berupa gas hidrokarbon dengan memanfaatkan bahan baku alkohol, dan polialkohol termasuk gliserol serta sorbitol dikatalisis platinum atau palladium. Menggunakan teknologi pemisahan gas yang sudah mapan, hidrogen bisa dipisahkan dengan mudah dari campuran. Namun, teknologi ini tampaknya belum memenuhi harapan maksimal kalangan industri karena masih membutuhkan asupan material yang spesifik. Banyak kalangan berangan-angan jika seandainya bahan mentah yang digunakan lebih mudah didapatkan, misalnya gula (glukosa) atau serat selulose yang bisa didapatkan langsung dari tanaman.

Reforming dalam cecair ionik

skema produksi hidrogen dari gula maupun selulose menggunakan sistem cecair ionik-katalis ruthenium

Salah satu hasil penelitian yang sangat menjanjikan adalah proses reforming biomass dalam pelarut cecair ionik. Apakah itu cecair ionik? Cecair ionik atau istilah Inggrisnya ionic liquids adalah garam organik yang mencair atau meleleh pada suhu dibawah 100 derajat Celcius. Tentu saja biomass tersebut harus melalui proses pengolahan dan pemisahan terlebih dahulu, jadi jangan membayangkan biomass yang digunakan sekedar berupa limbah tanam-tanaman kemudian langsung dimasukkan dalam bejana reaksi. Biomass yang dimaksud bisa berupa serat selulose yang telah dibersihkan atau gula dari hasil perkebunan. Teknologi ini melibatkan katalis logam transisi berupa ruthenium kompleks, [(p-cymene)RuCl₂]₂ serta kondisi reaksi yang lembut.

Penelitian awal menggunakan bahan baku gula dan cecair ionik phosphonium metilphosphinat sebagai pelarutnya menunjukkan bahwa sistem tersebut memberikan produk akhir gas hidrogen (mencapai 31%) dan CO2 tanpa disertai pembentukan gas hidrokarbon. Dengan demikian produktifitas hidrogen bisa ditingkatkan dan proses pemisahan menjadi lebih sederhana. Sistem yang sama juga digunakan untuk menghasilkan hidrogen dari material serat selulose. Selulose merupakan biopolimer yang terbentuk oleh alam dan tidak larut dalam medium air atau pelarut organik biasa sehingga pemanfaatannya dalam produksi hidrogen menurut metode reforming dalam air dipastikan sulit dilakukan. Kunci keberhasilan dari sistem cecair-ionik dan katalis ruthenium adalah kemampuan cecair tersebut dalam melarutkan gula atau selulose serta katalis dan sekaligus mempertahankan kestabilan katalis. Mekanisme yang disarankan dari pengamatan spektroskopi adalah dekomposisi glukosa menjadi asam format untuk kemudian katalis ruthenium mendekomposisi asam format menjadi H₂ dan CO₂.

Walaupun produktifitas menunjukkan penurunan setelah melakukan beberapa kali reaksi menggunakan medium dan katalis yang sama, hasil percobaan ini bisa menjadi batu loncatan demi mencapai sistem yang lebih mumpuni, terutama menemukan cecair ionik yang berdaya tahan tinggi dan mampu melarutkan selulose lebih banyak.

Salam hijau!

Disarikan dari: N. Taccardia, D. Assenbaum,M. E. M. Berger, A. Bösmann, F. Enzenberger, R. Wölfel, S. Neuendorf, Volker Goeke, N. Schödel, H. -J. Maass, H. Kistenmacher, and P. Wasserscheid, Catalytic production of hydrogen from glucose and other carbohydrates under exceptionally mild reaction conditions, Green Chemistry 12 (2010) 1150-1156.

Membran osmosis terbalik dan biofouling

Unit alat membran osmosis terbalik dan contoh terjadinya biofouling oleh mikroorganisme pada permukaan membran.

Proses penjernihan air menggunakan ROM prinsipnya adalah menekan aliran air umpan melewati membran polimer sehingga aneka pengotor akan tertahan pada sisi umpan dan mendapatkan air bersih pada sisi membran yang lain. Ukuran pori membran bakal menentukan mutu air bersih namun tidak secara selektif menahan semua mikroorganisme. Lagipula, sistem ROM tidak otomatis membunuh mikroorganisme yang tertahan pada permukaan membran akibatnya terjadi penumpukan populasi mikroorganisme hidup yang dikenal sebagai biofouling. Biofouling lama kelamaan bisa mengurangi produktifitas proses penjernihan air sekaligus merusak membran.

Mekanisme pembunuhan mikroorganisme dengan perak nano

Telah lama diketahui bahwa partikel perak berukuran nano memiliki aktifitas layaknya zat desinfektan yaitu membunuh kuman. Salah satu proposal teori menjelaskan bahwa perak nano perlahan-lahan mengalami oksidasi dan melepaskan ion Ag⁺ sehingga meracuni protein dan material genetis mikroorganisme. Pendapat lain menyebutkan bahwa partikel perak nano dapat menjebol membran sel yang mengakibatkan keluarnya material biologis dan kematian sel.

Nano material, tekstil, dan sterilisasi air [1]

Para penggemar nanoteknologi menemukan kenyataan bahwa banyak logam ukuran nano, karbon pipa nano (carbon nanotube, CNT), dan fullerene (klaster karbon berbentuk bola) memiliki afinitas (kelekatan) yang tinggi pada secarik kain katun (juga pada beberapa kain lain). Pengetahuan ini dimanfaatkan untuk melekatkan partikel nano pada selembar kain (immobilized) untuk kemudian digunakan pada berbagai keperluan dan salah satunya adalah proses sterilisasi air minum.

Kain atau tekstil, misalnya katun yang telah dibubuhi partikel perak nano (dengan cara mencelupkannya pada larutan yang mengandung partikel nano atau dikenal sebagai proses impregnasi lalu selanjutnya dikeringkan) ternyata mampu membunuh bakteri E. coli dalam air yang dilewatkan pada membran sederhana.

Mikroorganisme dapat pula terbunuh akibat terkena tegangan listrik dan pengetahuan ini juga dimanfaatkan dalam proses sterilisasi air. Dalam penerapannya, membran yang akan digunakan sebagai penyaring perlu dilapisi dengan material penghantar listrik (konduktor). Karena karbon pipa nano atau CNT memiliki kemampuan sangat baik dalam menghantarkan listrik sekaligus mudah melekat kuat pada kain, material ini dipilih dalam modifikasi penyaring air berbahan kain.

Skema alat sterilisasi air sangat sederhana terdiri dari komposit kapas-perak nano-CNT, corong gelas, dan rangkaian listrik.

Untuk mendapatkan hasil yang optimal, kombinasi dua sistem pembunuh sel mikroorganisme yang telah disebutkan tadi coba di terapkan pada secarik kapas (katun) yang dianggap sebagai representasi bahan kain. Secara ringkas metodenya dijelaskan sebagai berikut (lihat skema), secarik kapas dicelupkan pada larutan yang mengandung CNT selanjutnya ditambahkan larutan yang mengandung partikel perak nano dan kemudian dikeringkan. Kapas yang sudah mengandung material nano tadi (komposit kapas-perak nano-CNT) diuji dengan cara ditempatkan pada sebuah corong gelas. Sebuah rangkaian listrik dihubungkan dengan kapas tadi (yang sekarang telah memiliki kemampuan menghantar listrik karena ditempeli CNT).

Air yang mengandung bakteri E. coli kemudian dialirkan pada corong dan tetesannya dianalisa untuk mengetahui berapa persen bakteri yang berhasil dibunuh. Terlihat pada gambar, kurang lebih 80-90% bakteri berhasil dimatikan setelah kapas yang mengandung perak nano dan CNT dialiri listrik 20 volt (positif atau negatif). Pada saat aliran listrik dimatikan, kapas yang sama masih mampu membunuh bakteri hampir 20%. Sedangkan kapas yang hanya mengandung CNT jauh lebih sedikit membunuh bakteri walaupun sudah dialiri listrik.

Hasil percobaan eliminasi bakteri E. coli dalam air menggunakan komposit kapas-perak nano-CNT dibandingkan dengan komposit kapas-CNT yang dialiri listrik (kiri). Perbandingan populasi bakteri setelah dilewatkan pada aneka membran polos dibanding dengan membran yang ditempeli partikel perak nano (kanan).

Percobaan lain menggunakan material berbeda menunjukkan bahwa aktifitas serupa juga terjadi. Sebagaimana terlihat pada diagram statistik berikut ini, polimer PTFE (Teflon), kertas, maupun komposit kapas-CNT mampu menurunkan densitas populasi bakteri yang terkandung dalam air. Cara ini diharapkan suatu saat dapat diterapkan pada skala yang lebih besar atau disatukan dengan sistem penjernih air osmosis terbalik sehingga pembentukan biofilm mikroorganisme pada permukaan membran (biofouling) dapat dikurangi atau bahkan dicegah. Sistem ini juga memiliki keunggulan dalam lingkup kimia dan teknologi hijau karena bisa memperpanjang umur membran sehingga mengurangi sampah membran habis pakai. Selain itu, proses ini mungkin dapat menggantikan peran senyawa klorin sebagai agen pembunuh kuman dalam pengolahan air minum. Namun, hal yang wajib diteliti lebih lanjut adalah dugaan lepasnya (leaching) partikel nano sepanjang operasional alat yang tentu saja bisa memberikan dampak buruk pada kesehatan manusia dan lingkungan.

Salam Hijau!

Daftar pustaka

[1] D. T. Schoen, A. P. Schoen, L. Hu, H. S. Kim, S. C. Heilshorn, and Y. Cui, High speed water sterilization using one-dimensional nanostructures, Nano Letters 10 (2010) 3628-3632.

Dalam skala laboratorium, kita dapat melakukan reaksi kontak misalnya gas dengan padatan dalam suatu reaktor berbentuk tubular berdiameter kurang dari satu sentimeter hingga ukuran mikrometer. Atau dalam teknologi katalis, kita menggunakan material pengemban (monolith), yang memiliki ratusan saluran-saluran kecil dengan dimensi seragam. Konsep reaktor microchannel kurang lebih serupa dengan kumpulan puluhan bahkan ratusan saluran mikro yang dimensi, keteraturan dan keterkaitan disetiap saluran tadi dirancang sedemikian rupa. Peningkatan proses menjadi skala pabrik sebenarnya hanyalah sekedar menambah jumlah saluran mikro.

Contoh model reaktor microchannel (dari http://www.vinci-technologies.com)

Jika dinding microchannel dilapisi dengan katalis maka fluida reaktan yang mengalir akan kontak dengan dinding microchannel dan terjadilah reaksi. Dimensi mikroskopik saluran bisa meningkatkan luas permukaan kontak per unit volume dan secara tidak langsung meningkatkan pula produktifitas per unit volume. Keuntungan lain adalah berkurangnya waktu tinggal fluida dalam reaktor mikro tersebut.

Ada perbedaan mendasar antara teknologi proses “microchannel” dengan “microreactor“. Teknologi microreactor berarti menggunakan reaktor berukuran kecil yang seringkali dipakai dalam tes laboratorium. Sementara teknologi microchannel tetaplah dimaksudkan untuk produksi komersial. Termasuk pula misalnya reaktor, mixer, heat exchanger, yang memanfaatkan saluran mikro untuk menampung proses aliran dan meningkatkan kinerja. Dimensi diameter saluran bervariasi dari puluhan hingga seratusan mikrometer dan panjang bisa beberapa meter. Perbedaan mendasar adalah komponen microchannel tersebut terintegrasi ke dalam sistem yang mengandung puluhan hingga ribuan saluran. Mengurangi ukuran peralatan produksi konvensional dengan sistem yang lebih kompak seperti microchannel dikenal dengan istilah intensifikasi proses. Keuntungan yang didapat adalah turunnya biaya investasi dan efisiensi energi.

Menurut pakar dari R.C. Costello & Associates, sebuah konsultan teknik di Amerika, dengan peralatan microchannel, kita dapat mengontrol temperatur hingga 0.1 derajat Celcius, yang berarti reaksi benar-benar terkendali dan mencegah timbulnya “hot spot“. Demikian juga terjadi perbaikan mutu dalam distribusi panas dan proses transfer massa. Bahkan bulan April tahun 2004 ini perusahaan besar semacam Velocys, Dow Chemical maupun laboratorium ternama, Pacific Northwest National Laboratory akan menerapkannya dalam produksi etilen maupun senyawa olefin lain.

Velocys kini sedang mengembangkan teknologi microchannel untuk produksi hidrogen melalui pembentukan uap dari gas alam (metan). Reaktor tersebut menghasilkan syngas – suatu campuran karbon monoksida dan hidrogen. Produksi hidrogen dapat dimaksimalkan melalui “water gas shift reaction”, yaitu reaksi CO dengan uap air pada temperatur lebih rendah. Proses pembentukan uap bersifat endotermik sehingga diperlukan kalor. Velocys memanfaatkan panas yang terjadi dari pembakaran metan dan hidrogen berlebih yang terbentuk pada proses pembentukan uap. Proses endotermik maupun eksotermik kemudian digabungkan. Setiap saluran mikro pembentuk uap dalam reaktor dilewatkan pada tempat mengalirnya gas pembakaran yang panas. Waktu tinggal dalam reaktor yang singkat menyebabkan suhu reaksi pada proses pembentukan uap dan pendinginan produk cepat tercapai. Pemanasan dan pendinginan yang cepat memang dibutuhkan dalam proses ini demi mencegah terbentuknya karbon.

Kombinasi yang kompak antara proses pembentukan uap dan pembakaran dapat segera mencapai kesetimbangan pada suhu dan tekanan tinggi. Kedua hal tersebut menunjukkan kedapat-capaian fluks panas dan kinetika yang cepat pada reaktor microchannel. Waktu tinggal bisa berkurang hingga 10 milidetik – bandingkan dengan reaktor konvensional yang perlu waktu 10 detik. Sebagai akibatnya, volume sistem keseluruhan bisa jauh dikurangi demi efisiensi.

Penelitian lain yang memanfaatkan reaktor microchannel misalnya proses produksi metanol dari syngas, proses mengubah gas alam menjadi senyawa hidrokarbon cair, maupun pembuatan hidrogen peroksida. Semuanya berkaitan dengan proses yang menghasilkan atau membutuhkan suhu tinggi. Teknologi terkini yang mungkin dilibatkan adalah penggunaan nano katalis terintegrasi dalam saluran mikro. Sesungguhnya, yang kecil belum tentu lemah, karena gerombolan yang kecil-kecil juga akan sekuat bahkan lebih hebat dari yang besar, tantangan untuk para ahli teknik di Indonesia.

Salam hijau!

• Diadaptasi dari “Chemical & Engineering News“, edisi Oktober 11, 2004, volume 82.

Katalis nano

Gerakan kimia hijau sangat menganjurkan penggunaan katalis dalam proses sintesa kimia. Penggunaan partikel nano dalam proses kimia khususnya bidang katalisis heterogen juga perlahan mengalami kemajuan [3]. Tingkah laku sistem katalis skala nano, misalnya timbulnya efek kuantum yang dipengaruhi oleh luas permukaan maupun volume dari partikel tersebut jelas menunjukkan perbedaan nyata dibanding fenomena yang menyertai katalis makroskopik (bulk) [3]. Material nano diketahui memiliki karakteristik elektronik yang jauh berbeda ketimbang material makroskopik. Sifat-sifat elektronik sekaligus meningkatnya total luas permukaan per unit berat katalis membawa akibat meningkatnya reaktifitas katalis dan peluang kontak dengan molekul target. Contoh paling mudah dari pengaruh ukuran nano terhadap kereaktifan material adalah dalam kasus logam emas. Emas bongkahan dikatakan sebagai logam mulia yang tidak bereaksi dengan senyawa lain kecuali asam aqua regia. Namun, ketika ukuran emas mengecil hingga skala nano, dia bisa berfungsi sebagai katalis yang sangat aktif [3,4].

Aneka warna yang berasal dari variasi ukuran partikel nano emas terdispersi dalam cecair ionik (lit. 5).

Katalis nano sering kali tidak bisa digunakan begitu saja sebagaimana layaknya katalis padat konvensional berbentuk pelet yang ditempatkan pada kolom reaktor (bed reactor system). Kendala utama yang bakal dihadapi adalah proses aglomerasi yang mengakibatkan berkurangnya luas permukaan kontak sekaligus hilangnya reaktifitas katalisis. Disamping itu, besar kemungkinan bakal terjadi perlambatan aliran fluida reaktan karena saking kecilnya ukuran katalis meningkatkan kerapatan (packing). Pada akhirnya, katalis nano akan berfungsi dengan baik apabila diemban (immobilized) oleh semacam material lain yang berperan sebagai pendispersi, entah pendispersi berbentuk cair atau padat.

Salah satu material pengemban (support) yang coba dikembangkan adalah cecair ionik. Apakah yang terjadi jika partikel nano dikombinasikan dengan cecair ionik? Apakah cecair ionik itu? Bagaimana sebuah persahabatan antara katalis nano dengan cecair ionik terjadi.

Cecair ionik (Ionic Liquids)

Cecair ionik atau istilah bahasa Inggrisnya ionic liquids (ILs) bukanlah cairan biasa. Dia merupakan cairan/lelehan garam yang keseluruhannya melulu terdiri dari komponen kation dan anion namun memiliki titik lebur/leleh pada kisaran suhu kamar. Sebagai perbandingan, tengoklah garam dapur NaCl. Dia merupakan padatan garam yang meleleh setelah dipanaskan pada suhu lebih dari 800 derajat Celcius. Cecair ionik sama sekali berbeda dengan cairan pekat garam dapur yang merupakan larutan NaCl berlebih dalam air, karena ketika dipanaskan, cecair ionik tetap memperlihatkan karakternya sebagai lelehan garam, sedangkan larutan pekat NaCl akan kehilangan fraksi airnya dan meninggalkan padatan kristal NaCl. Cecair ionik yang merupakan lelehan garam memiliki sifat serupa seperti lelehan garam biasa yaitu tidak menguap pada batas temperatur dekomposisinya dan hanya memiliki tekanan uap sedemikian kecil. Untuk mendapatkan gambaran lebih jelas tentang cecair ionik, silahkan membaca pada halaman tautan berikut ini.

Kolaborasi cecair ionik dan katalis nano

Korelasi ukuran partikel nano perak dengan volume molekul cecair ionik (lit. 6).

Aspek menguntungkan dari pertemanan cecair ionik dan katalis nano salah satunya adalah dalam proses sintesis material nano itu sendiri. Pertama, sintesa katalis nano dalam pelarut cecair ionik tidak membutuhkan zat tambahan penyetabil [5]. Kedua, cecair ionik berperan dalam mengendalikan ukuran partikel [6]. Ketiga, dalam beberapa kasus, cecair ionik sekaligus berperan sebagai penjerap reaktan gas, misalnya karbon dioksida [7] atau gas asetilen [8] mudah terlarut dalam cecair ionik sehingga membantu meningkatkan waktu tinggal dalam pelarut dan waktu kontak dengan katalis.

Dalam penerapan katalisis, beberapa publikasi ilmiah melaporkan kolaborasi cantik katalis berukuran nano dengan cecair ionik, misalnya dalam reaksi hidrogenasi selektif asetilen dari etilen menggunakan katalis nano paladium diemban cecair ionik [9]. Asetilen merupakan gas pengotor yang harus dibuang atau dikonversi menjadi etilen dalam proses polimerisasi.

Sintesa katalis paladium nano dalam pelarut cecair ionik menggunakan teknik reduksi menghasilkan ukuran partikel 5 hingga 10 nm. Kemudian, katalis nano yang sudah diemban oleh cecair ionik tersebut langsung digunakan dalam proses hidrogenasi selektif gas asetilen menjadi etilen dalam sebuah proses kontinyu. Keunggulan dari sistem ini adalah tingginya selektifitas reaksi hidrogenasi. Reaksi samping yang merugikan yaitu reaksi hidrogenasi lanjutan dari etilen menjadi ethane bisa dikatakan tidak teramati. Lagi pula, cecair ionik berperan dalam mendispersi katalis nano dan mencegah terjadinya aglomerasi partikel.

Ilustrasi katalis nano ruthenium dalam cecair ionik (lit. 10).

Publikasi yang lain menyebutkan bahwa ruthenium nano katalis yang disintesis dalam pelarut cecair ionik juga digunakan dalam reaksi hidrogenasi olefin (alkene) [10]. Dalam publikasi tersebut, diungkapkan beberapa hal yang menarik yaitu aktifitas katalis nano meningkat seiring peningkatan ukuran partikel, namun, selektifitas berbanding terbalik dengan ukuran partikel.

Skema sintesis sistem katalis yang diemban partikel besi oksida nano (lit. 11).

Foto partikel nano yang diperoleh dari transmission electron microscopy (TEM) dan metode pemisahan katalis dari campuran reaksi menggunakan medan magnet (lit. 11).

Contoh penerapan lain dari kombinasi partikel nano dan cecair ionik bisa ditemukan pada reaksi kopling CO₂ dengan epoksida [11]. Pada kasus ini, partikel nano besi oksida yang bersifat ferromagnetik digunakan sebagai pengemban gugus aktif katalis. Jadi, dalam hal ini partikel nano tidak berperan dalam proses katalisis melainkan gugus aktif tertentu yang telah diikat oleh partikel nano. Dalam hal ini, cecair ionik berguna sebagai pengemban sekaligus pendispersi sistem katalis tersebut. Karena reaksi tersebut memberikan selektifitas dan produktifitas yang sangat tinggi, pemisahan katalis dari campuran produk cukup dilakukan dengan menggunakan medan magnet yang bakal menarik partikel besi oksida nano. Woooww!!

Dari pemaparan ringkas contoh-contoh di atas cukup bisa disimak bahwa partikel nano dan cecair ionik merupakan sebuah kombinasi yang apik untuk sebuah aplikasi katalisis.

Salam hijau!

Daftar pustaka

[1] http://www.azonano.com/news.asp?newsID=8839

[2] http://www.nanotech-now.com/current-uses.htm

[3] Y. Li and G. A. Somorjai, Nanoscale advances in catalysis and energy applications, Nano Letters 10 (2010) 2289–2295.

[4] Y. Jin, P. Wang, D. Yin, J. Liu, H. Qiu, and N. Yu, Gold nanoparticles stabilized in a novel periodic mesoporous organosilica of SBA-15 for styrene epoxidation, Microporous and Mesoporous Materials 111 (2008) 569-576.

[5] E. Redel, M. Walter, R. Thomann, L. Hussein, M. Krüger, and C. Janiak, Stop-and-go, stepwise and “ligand-free” nucleation, nanocrystal growth and formation of Au-NPs in ionic liquids (ILs), Chemical Communications 46 (2010) 1159-1161.

[6] E. Redel, R. Thomann, and C. Janiak, First Correlation of Nanoparticle size-dependent formation with the ionic liquid anion molecular volume, Inorganic Chemistry 47 (2008) 14–16.

[7] C. Cadena, J. L. Anthony, J. K. Shah, T. I. Morrow, J. F. Brennecke, and E. J. Maginn, Why is CO₂ so soluble in imidazolium-based ionic liquids? Journal of American Chemical Society 126 (2004) 5300–5308.

[8] J. Palgunadi, H. S. Kim, J. M. Lee, and S. Jung, Ionic liquids for acetylene and ethylene separation: Material selection and solubility investigation, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 49 (2010) 192-198.

[9] M. Ruta, G. Laurenczy, P. J. Dyson, and L. Kiwi-Minsker, Pd nanoparticles in a supported ionic liquid phase: Highly stable catalysts for selective acetylene hydrogenation under continuous-flow conditions, Journal of Physical Chemistry C 112 (2008) 17814–17819.

[10] P. S. Campbell, C. C. Santini, F. Bayard, Y. Chauvin, V. Collière, A. Podgoršek, M. F. Costa Gomes, and Jacinto Sá, Olefin hydrogenation by ruthenium nanoparticles in ionic liquid media: Does size matter?, Journal of Catalysis 275 (2010) 99-107.

[11] X. Zheng, S. Luo, L. Zhang, and J.-P. Cheng, Magnetic nanoparticle supported ionic liquid catalysts for CO₂ cycloaddition reactions, Green Chemistry 11 (2009) 455-458.

Jika kita ingin menjadi tuan di rumah sendiri dalam industri fitofarmaka Indonesia maka sudah sepantasnya kalangan industri farmasi, jamu maupun kosmetik Indonesia gencar meningkatkan penelitian dan pengembangan aplikatif. Salah satu ikhtiarnya adalah termasuk menggunakan metode pemisahan dan pemurnian senyawa aktif yang lebih maju. Misalnya, minyak atsiri merupakan sebuah campuran aneka senyawa organik dan hanya beberapa senyawa tertentu saja yang kiranya bermanfaat dalam pengobatan atau terapi. Dengan proses pemisahan yang lebih canggih diharapkan produktifitas serta selektifitas isolasi seyawa aktif dapat meningkat sehingga ribuan senyawa aktif alami dapat segera dipetakan, diteliti dan selanjutnya dimanfaatkan. Perlu diketahui bahwa ternyata selama ini Indonesia telah menjadi produsen minyak atsiri rangking tiga dunia dengan peningkatan ekspor 10% pertahun (buletin Export News Indonesia, Vol. 1(II) 2008, Badan Nasional untuk Pengembangan Ekspor).

Ekstraksi dengan fluida superkritis

Salah satu usaha yang layak diperhitungkan demi meningkatkan produktifitas sekaligus meningkatkan mutu ekstraksi senyawa aktif bahan alam adalah dengan diversifikasi proses isolasi bahan alam. Selama ini kalangan industri lokal masih bersandar pada teknologi pemisahan konvensional misalnya distilasi uap atau ekstraksi menggunakan pelarut organik. Alangkah baiknya jika kita mulai melirik teknologi pemisahan menggunakan fluida superkritis. Selain digadang-gadang sebagai teknologi pemisahan yang lebih hijau, fluida superkritis juga menawarkan kinerja yang sering kali lebih unggul ketimbang teknologi konvensional. Kenyataannya, teknologi ini sudah lama digunakan dalam proses penghilangan kafein pada kopi.

Diagram fasa fluida dan wilayah superkritisnya

Secara sederhana fluida superkritis adalah fluida yang berada pada kondisi diatas suhu dan tekanan kritisnya sehingga tidak tampak adanya pemisahan fasa. Fluida superkritis dapat berdifusi dalam padatan layaknya perilaku gas atau dapat melarutkan zat lain sebagaimana tingkah laku zat cair. Selama ini yang cukup populer digunakan dalam industri ekstraksi senyawa bahan alam adalah fluida superkritis CO₂ (karbon dioksida). Disamping itu, methanol, dimetilether atau kombinasi CO₂ dengan aditif methanol, dimetilether, atau air juga dapat diterapkan untuk proses pemisahan senyawa aktif.

Bagaimanapun juga penggunaan fluida superkritis CO₂ masih lebih menguntungkan dalam proses ekstraksi terlebih karena untuk mencapai keadaan superkritis cukup dibutuhkan tekanan 73.9 bar dan suhu 31.1 °C yang dikatakan relatif lembut (bandingkan dengan methanol yang membutuhkan kondisi 239.5 °C dan 81 bar). Pada kondisi CO₂ superkritis, aneka senyawa target diharapkan tidak mengalami kerusakan atau perubahan kimiawi. Jalannya proses bisa terbilang mudah dan langsung dapat diterapkan pada material padatan, misalnya cacahan daun. Setelah proses penglarutan dan ekstraksi berulang-ulang, campuran fluida dan bahan aktif bisa dipisahkan dengan cara menurunkan tekanan. Fluida superkritis CO₂ memiliki sifat non-polar dan lebih mudah melarutkan lemak sedangkan kebanyakan senyawa aktif yang memiliki nilai ekonomis bersifat polar. Masalah tersebut dalam proses ekstraksi mudah diatasi dengan menambahkan sedikit fluida lain sebagai pengatur kepolaran, misalnya air atau methanol.

Banyak penelitian telah membuktikan bahwa selektifitas ekstraksi menggunakan fluida superkritis lebih tinggi ketimbang mengunakan cara konvensional. Hal ini terutama dipengaruhi oleh sifat fisika-kimia fluida tersebut dan proses transfer massa yang terjadi. Sementara itu, jika pemisahan dilakukan menggunakan pelarut air, misalnya pada sistem distilasi uap, hampir semua senyawa aktif polar bakal terangkut. Selektifitas tentu saja memberikan keuntungan tersendiri karena proses lanjutan untuk mendapatkan senyawa aktif murni tidaklah lagi panjang dan rumit. Pada akhirnya teknologi fluida superkritis bisa diterapkan dalam berbagai industri lain, misalnya, makanan, pewarnaan, consumer good, pengolahan limbah, maupun sintesa kimia.

Salam hijau!

• Tulisan dengan judul yang sama telah dimuat pada rubrik Periskop, halaman Ilmu dan Teknologi, Koran Tempo terbitan 16 Desember 2010.

Perkembangan biodiesel G1 dan G2

Selama ini biodiesel generasi pertama (G1) telah diproduksi dan digunakan secara luas baik dalam bentuk murninya maupun sebagai campuran dengan bahan bakar diesel turunan minyak bumi. Apa itu biodiesel G1? Biodiesel ini dikenal sebagai metil ester asam lemak (fatty acid methyl ester, FAME) yang diperoleh dari proses transesterifikasi minyak nabati (trigliserida) dengan metanol menggunakan katalis. Untuk setiap konversi satu molekul trigliserida bakal menghasilkan tiga molekul FAME dan satu molekul produk samping yaitu gliserol.

Biodiesel G1 walaupun sudah dinyatakan siap diaplikasikan, namun masih memiliki beberapa masalah kompatibilitas terhadap mesin diesel saat ini. Masalah tersebut diantaranya adalah korosi akibat kandungan atom oksigen yang tinggi dari FAME dan maksimum konsentrasi yang diijinkan sebagai campuran dengan minyak diesel turunan minyak bumi (petrodiesel). Dalam kaitannya dengan emisi gas rumah kaca karbon dioksida, kontribusi emisi karbon dioksida dari pembakaran FAME juga dikawatirkan masih relatif tinggi (akibat dari kandungan oksigen yang tinggi pada FAME). Untuk membantu mengatasi masalah tersebut di atas, biodiesel generasi ke dua (G2) dengan spesifikasi mendekati petrodiesel juga telah dikembangkan.

Prinsipnya, biodiesel G2 merupakan hidrokarbon turunan dari minyak nabati yang mengalami proses hidrogenasi (hidroproses). Melalui jalur ini, aneka minyak nabati, lemak binatang atau campuran biominyak dan minyak bumi bahkan minyak nabati bekas pakai (misalnya, waste cooking oil) bisa diproses sekaligus menghasilkan aneka fraksi hidrokarbon yang siap dipisah-murnikan. Sebagai contoh, hidroproses minyak kelapa sawit, minyak kedelai atau minyak biji bunga matahari menghasilkan turunan hidrokarbon dengan rantai karbon 15 hingga 18 sebagai produk utama. Jadi, berbeda dengan hidrogenasi minyak nabati dalam industri makanan yang bukan ditujukan untuk menghasilkan bahan bakar. Pada hidroproses minyak nabati, terjadi rangkaian reaksi berupa hidrogenasi pada ikatan rangkap karbon-karbon, dekarboksilasi (menyingkirkan gugus karboksilat), dekarbonilasi (menyingkirkan gugus karbonil), isomerisasi, dan perengkahan. Hidroproses minyak nabati mentah menawarkan proses yang lebih efisien tanpa menghasilkan hasil sampingan kecuali air dan CO₂. Terlebih, hidroproses untuk menghasilkan biodiesel langsung dapat memanfaatkan teknologi pemurnian petroleum yang sudah mapan, misalnya hidrogenasi pada proses eliminasi sulfur yang terkandung dalam minyak bumi.

Skema umum sintesa biodiesel G2 dari minyak nabati

Mengapa biodiesel G2?

Hidroproses bisa menghasilkan biodiesel G2 dengan kadar oksigen jauh lebih rendah bahkan mendekati nol sehingga masalah korosi mesin dapat dihindari. Demikian juga emisi dari pembakaran biodiesel G2 bakal lebih sedikit mengandung CO₂ atau CO. Biodiesel dari hidroproses juga sangat sesuai dengan kondisi mesin diesel yang digunakan saat ini karena mampu mencapai bilangan cetane 55 hingga 90 (bandingkan dengan bilangan cetane minyak diesel yang beredar saat ini sebesar 40-45). Dengan kondisi demikian, konsentrasi biodiesel yang diijinkan dalam campuran biodiesel-petrodiesel bakal semakin tinggi tanpa perlu memodifikasi perangkat mesin. Salah satu kekurangan dari biodiesel G2 barangkali adalah sifatnya yang mudah membeku pada suhu dibawah 20 ^oC. Tentu saja masalah tersebut hanya relevan di wilayah empat musim sedangkan di Indonesia bukan persoalan sama sekali. Hal tersebut dapat diatas dengan penambahan katalis atau melakukan pencampuran.

Hingga saat ini biodiesel G2 belum digunakan secara komersial namun beberapa industri besar telah siap memproduksinya dalam ukuran massal. UOP (A Honeywell Company) sebuah perusahaan Amerika Serikat demikian juga Petrobas, Brazil pemegang hak cipta hidroproses minyak nabati merintis produksi biodiesel G2 dengan kapasitas mencapai 400 kiloton pertahun. Perusahaan lain yang bergelut dalam bidang pemurnian minyak bumi semacam ConocoPhillips dan Neste Oil juga telah memiliki dan menjalankan program serupa. Bilakah Indonesia memulainya?

Salam hijau!

• Artikel yang sama pernah ditayangkan pada Koran Tempo edisi Rabu, 21 Juli 2010, Rubrik Iptek, Kolom Periskop.

Sebagai contoh rancangan sintesa hijau adalah sintesa asam adipat, senyawa kimia organik yang banyak digunakan dalam produksi nilon dan pelumas. Zat ini dapat dihasilkan dari benzena, suatu petrokimia beracun, tapi produk yang sama dapat diturunkan  dari glukosa yang ditemukan dalam tanaman.

Atom ekonomi?

Proses industri berwawasan hijau dan berkesinambungan mulai dirancang menurut konsep Atom Ekonomi.  Apakah itu atom ekonomi?  Ia adalah sebuah konsep perancangan proses kimia yang bisa mengubah semaksimal mungkin bahan baku menjadi produk target ketimbang menghasilkan senyawa sampingan (side product). Dengan kata lain, reaksi kimia tersebut memiliki nilai konversi, selektifitas, dan yield yang setinggi-tingginya.

Atom ekonomi bisa didekati dengan perhitungan sebagai berikut:

% Atom ekonomi = (berat molekul produk target)/(berat molekul semua bahan baku) x 100%

Sebagai ilustrasi mari kita lihat contoh reaksi sintesis aspirin (asam asetil salisilat) dari asam salisilat dan asetat anhidris.

Skema reaksi aspirin dari asam salisilat dan asetat anhidris

Perhitungan atom ekonominya adalah sebagai berikut:

% atom ekonomi =  
180.2/(138.1  + 102.1 ) x 100%
= 75.0%

Perhitungan di atas tentu saja menganggap bahwa reaksi berlangsung tuntas dan 100% produk dapat diisolasi (suatu hal yang tentu saja hampir tidak mungkin dilakukan pada skala industri). Kenyataanya, dalam proses sebenarnya dibutuhkan asetat anhidris berlebih untuk mendorong kesetimbangan reaksi ke arah kanan dan bisa menghasilkan aspirin setnggi-tingginya. Walaupun demikian, perhitungan sederhana atom ekonomi bisa menjadi panduan awal menilai sebuah reaksi kimia hijau atau tidak.

Aspek penting atom ekonomi ini diperlihatkan pada proses sintesis ibuprofen (senyawa analgesik). Sebelum tahun 1997, hanya sebesar 40% dari bahan baku terserap menjadi ibuprofen dan sisanya terbuang percuma sebagai produk samping.  Metode terbaru yang memenangkan kompetisi kimia hijau di Amerika Serikat berhasil menaikkan kadar bahan baku yang diubah menjadi ibuprofen sebesar 77%. Terlebih lagi, proses baru ini berhasil mengurangi rangkaian langkah reaksi menjadi lebih sederhana.  Jadi, jika ingin mengembangkan reaksi hijau, hitunglah kembali atom ekonominya, selamat mencoba.

Pustaka Utama

Introduction to Organic Laboratory Techniques: A Microscale Approach

]]> http://howgreenareyou.wordpress.com/2010/07/08/berhitung-dulu-ekonomi-atom/feed/ 0 mAthA inggin bixara beringin-beaker sintesa-aspirin http://howgreenareyou.wordpress.com/2010/06/30/gliserol-karbonat-potensi-produk-samping-biodiesel/ http://howgreenareyou.wordpress.com/2010/06/30/gliserol-karbonat-potensi-produk-samping-biodiesel/#comments Wed, 30 Jun 2010 07:51:21 +0000 mAthA inggin bixara http://howgreenareyou.wordpress.com/?p=205 ]]>

Produksi biodiesel dan masalahnya

Jika boleh beropini, sepanjang tahun 2000-an, dunia akademi dan penelitian di Indonesia mengalami gegap gempita euforia biodiesel. Memang biodiesel sangat menjanjikan sebagai bahan bakar pilihan disamping bahan bakar turunan minyak bumi. Biodiesel juga digadang-gadang sebagai bahan bakar yang lebih ramah lingkungan karena lebih rendah  buangan polutan CO, SOx, partikel halus, smog, bahkan polisiklik aromatik hidrokarbon (PAH) saat dibakar dibanding minyak diesel turunan minyak bumi [1]. Teknologi pembuatannya mudah dan murah, kaum ilmuwan dan industri Indonesia juga sudah siap, lahan tersedia, ragam bahan baku melimpah, so what else?! Bahkan kabar terbaru menyebutkan bahwa Jepang sudah bersiap membangun pabrik biodiesel di Indonesia [2] yang artinya aplikasi biodiesel di wilayah Indonesia sudah mendekati fasa industrialisasi dan komersialisasi.

Skema produksi biodiesel dari minyak nabati (trigliserida) melalui proses transesterifikasi dengan metanol menghasilkan gliserol dan biodiesel (metil ester)

Produksi biodiesel yang kita kenal saat ini masih mengunakan rute konvensional yaitu transesterifikasi minyak nabati dengan pereaksi methanol.  Sintesa fatty acid methyl ester (FAME) atau metil ester asam lemak yang dikenal awam sebagai biodiesel senantiasa menghasilkan senyawa sampingan yaitu gliserol. untuk setiap 3 mol FAME, bakal turut terbentuk juga 1 mol gliserol. Perhitungan kasarnya bisa demikian, 100 kg gliserol akan terbentuk untuk setiap produksi 1000 kg biodiesel. Wooww, banyak bukan?

gliserol ini bukannya tidak berguna! Banyak industri menggunakannya sebagai zat tambahan (aditif) dalam produk-produk rumah tangga dan kecantikan semacam sabun, shampo, kosmetik, atau bahkan sebagai bahan baku pembuatan bahan peledak. Tapi tetap saja kebutuhan gliserol di dunia terbatas dan ada kemungkinan bakal terjadi kelebihan produksi gliserol di seluruh dunia. Gliserol bisa digolongkan sebagai senyawa tidak berbahaya bagi alam dan manusia tapi jika jumlahnya sudah melampaui ambang kebutuhan, tentu saja bisa menjadi masalah. Oleh karena itu, para ilmuwan dan industriawan bergiat mencari cara untuk mengubah dan meningkatkan nilai ekonomi dari sekedar gliserol menjadi senyawa lain yang lebih berguna.

Ada apa dengan gliserol karbonat? [3]

Struktur molekul gliserol karbonat

Untuk menaikkan status ekonomi dan fungsi gliserol sekaligus mengurangi kelebihan produksi, konversi menjadi akrolein, propilen glikol, 1,3-propanediol, asam gliserik, maupun gliserol karbonat adalah sekian cara yang telah dikembangkan. Khususnya gliserol karbonat (hydroxymethyl dioxolanone), senyawa turunan gliserol ini paling menarik perhatian karena memiliki kegunaan yang cukup beragam mulai dari elastomer, surfaktan, perekat, tinta, cat, pelumas, and elektrolit.  Senyawa ini juga merupakan zat antara (intermediet) penting dari polikarbonat, poliester, poliuretan, dan poliamide.

Sampai saat ini gliserol karbonat dibuat melalui reaksi gliserol dengan fosgen. Fosgen sebagaimana dibahas dalam tulisan lain pada blog ini [4], merupakan zat yang sangat beracun dan korosif sehingga proses tadi sangat jauh dari konsep kimia hijau. Oleh karena itu dipikirkan cara yang lebih hijau yaitu reaksi transesterifikasi gliserol dengan dialkil karbonat atau etilen karbonat menggunakan katalis basa, misalnya NaOH atau Na2CO3. Penelitian terkini banyak memusatkan perhatian pada optimasi sistem katalis yang semula berupa katalis basa homogen (larut bersama pereaksi) beralih menjadi katalis basa heterogen (tidak larut) dengan alasan kenyamanan proses pemisahan dan pendaurulangan.

Sintesa gliserol karbonat dari transesterfkasi gliserol dan dimetil karbonat

Upaya untuk mengembangkan proses yang lebih hijau juga dilakukan misalnya pada sintesa gliserol karbonat mulai dengan bahan baku gliserol, dan gas CO2 dikatalisis kompleks timah [5]. Rute satu tahap ini (bandingkan dengan transesterfikasi yang melibatkan proses penyiapan dialkil karbonat terlebih dahulu) walau tampak sangat menjanjikan tapi masih memerlukan penelitian lanjutan untuk mendapatkan katalis yang awet dan kondisi reaksi terbaik. Jika suatu saat nanti didirikan industri yang memproduksi biodiesel di Indonesia melalui jalur konvensional (FAME), tentu saja membuka peluang untuk juga mendirikan pabrik pengolahan gliserol yang terintegrasi.

Transesterifikasi gliserol dan dimetil karbonat menggunakan katalis heterogen Mg-Al hidrotalsit (3)

Salam hijau !

Pustaka utama

[1] Artikel pada www.biodiesel.org

[2] Biodiesel di tambang, artikel Kompas edisi cetak 6 November 2009.

[3] A. Takagaki, K. Iwatani, S. Nishimura, K. Ebitani, Synthesis of glycerol carbonate from glycerol and dialkyl carbonates using hydrotalcite as a reusable heterogeneous base catalyst, Green Chem. 2010, 12, 578-581.

[4] Menalar konsep kimia hijau. Sebuah contoh terapan

[5] M. Aresta, A. Dibenedetto, F. Nocito and C. Pastore, A study on the carboxylation of glycerol to glycerol carbonate with carbon dioxide: The role of the catalyst, solvent and reaction conditions, J. Mol. Catal. A: Chem. 2006, 257, 149-153.

Share on Facebook