TINJAUAN PUSTAKA
2.8 Proses Pembuatan Biodiesel 1 Esterifikas
Esterifikasi adalah tahap konversi dari asam lemak bebas menjadi ester. Esterifikasi mereaksikan minyak lemak dengan alkohol. Katalis-katalis yang cocok adalah zat berkarakter asam kuat dan, karena ini, asam sulfat, asam sulfonat organik atau resin penukar kation asam kuat merupakan katalis-katalis yang biasa terpilih dalam praktek industrial (Soerawidjaja.T, 2006). Untuk mendorong agar reaksi bisa berlangsung ke konversi yang sempurna pada temperatur rendah (misalnya paling tinggi 120°C), reaktan metanol harus ditambahkan dalam jumlah yang sangat berlebih (biasanya lebih besar dari 10 kali nisbah stoikiometrik) dan
29
air produk ikatan reaksi harus disingkirkan dari fasa reaksi, yaitu fasa minyak. Melalui kombinasi-kombinasi yang tepat dari kondisi-kondisi reaksi dan metode penyingkiran air, konversi sempurna asam-asam lemak ke ester metilnya dapat dituntaskan dalam waktu 1 sampai beberapa jam. Reaksi esterifikasi dapat dilihat pada Gambar 2.7.
RCOOH + CH3OH RCOOCH3+ H2O
Gambar 2.7Reaksi esterifikasi dari asam lemak menjadi metil ester
Esterifikasi biasa dilakukan untuk membuat biodiesel dari minyak berkadar asam
lemak bebas tinggi (berangka asam ≥ 5 mg-KOH/g). Pada tahap ini, asam lemak
bebas akan dikonversikan menjadi metil ester. Tahap esterifikasi biasa diikuti
dengan tahap transesterfikasi. Namun sebelum produk esterifikasi diumpankan ke tahap transesterifikasi, air dan bagian terbesar katalis asam yang dikandungnya harus disingkirkan terlebih dahulu.
2.8.2 Transesterifikasi
Transesterifikasi adalah tahap konversi dari trigliserida menjadi alkil ester, melalui reaksi dengan alkohol, dan menghasilkan produk samping yaitu gliserol. Di antara alkohol-alkohol monohidrik yang menjadi kandidat sumber/pemasok gugus alkil, metanol adalah yang paling umum digunakan, karena harganya murah dan reaktifitasnya paling tinggi (sehingga reaksi disebut metanolisis). Sebagian besar dunia ini, biodiesel praktis identik dengan ester metil asam-asam lemak (Fatty Acids Metil Ester, FAME). Reaksi transesterifikasi trigliserida menjadi metil ester dapat dilihat pada Gambar 2.8.
Transesterifikasi juga menggunakan katalis dalam reaksinya. Tanpa adanya katalis, konversi yang dihasilkan maksimum namun reaksi berjalan dengan lambat (Mittlebatch.M, 2004). Katalis yang biasa digunakan pada reaksi transesterifikasi adalah katalis basa, karena katalis ini dapat mempercepat reaksi.
Gambar 2.9Tiga Tahapan Reaksi Transesterifikasi
Gambar 2.9 diatas menunjukkan reaksi transesterifikasi sebenarnya berlangsung dalam 3 tahap yaitu sebagai berikut:
1. Tahap pertama yaitu konversi trigliserida menjadi digliserida
2. Tahap kedua yaitu konvesri digliserida menjadi monogliserida
3. Tahap ketiga yaitu konversi monogliserida menjadi gliserol yang
menghasilkan satu molekul metal ester dari setiap gliserida
Produk yang diinginkan dari reaksi transesterifikasi adalah ester metil asam-asam lemak.
31
Faktor–faktor yang berpengaruh pada proses transesterifikasi diantaranya sebagai berikut:
1. Suhu awal minyak (sebelum proses transesterifikasi)
Menurut Lele.S (2005), peningkatan suhu awal minyak, berpengaruh terhadap peningkatan konversi pembentukan biodiesel. Namun jika pemanasan pada
minyak yang melebihi 60oC, akan menyebabkan hilangnya metanol karena
penguapan metanol.
2. Suhu reaksi
Laju reaksi sangat dipengaruhi oleh suhu reaksi. Secara umum, reaksi akan mendekati titik didih methanol pada tekanan atmosfer. Yield ester terbentuk
pada suhu antara 60oC 80oC, dengan perbandingan molar alkohol dengan
minyak sebesar 6 : 1. Kecepatan reaksi secara kuat dipengaruhi oleh temperatur reaksi. Pada umumnya reaksi ini dapat dijalankan pada suhu
mendekati titik didih metanol (60 oC 70 oC) pada tekanan atmosfer.
Kecepatan reaksi akan meningkat sejalan dengan kenaikan temperatur. Semakin tinggi temperatur, berarti semakin banyak energi yang dapat digunakan oleh reaktan untuk mencapai energi aktivasi. Ini akan menyebabkan tumbukan terjadi lebih sering diantara molekul-molekul reaktan untuk kemudian melakukan reaksi (Rahayu, 2003), sehingga kecepatan reaksi meningkat. Setyawardhani (2003) menggunakan temperatur
reaksi 60oC pada reaksi transesterifikasi untuk menghindari menguapnya
methanol yang bertitik didih 65oC. Darnoko dan Cheryan (2000) juga
menggunakan suhu 60oC untuk reaksi. Arhenius mengatakan bahwa
hubungan antara konstanta kecepatan reaksi dengan temperatur mengikuti persamaan:
K = A exp ( -E/RT) (2.6)
K = Konstanta kecepatan reaksi R = Konstanta gas
A = Faktor frekuensi T =Temperatur absolut E = Energi aktivasi
3. Rasio alkohol terhadap minyak.
Variable lain yang berpengaruh besar terhadap yield pada biodiesel adalah perbandingan molar alkohol terhadap minyak (Lele.S, 2005). Umumnya dalam proses industri digunakan perbandingan molar 6 : 1 untuk menghasilkan yield biodiesel sampai lebih besar terhadap minyak akan berpengaruh pada pemisahan gliserol. Ini menunjukkan bahwa rasio yang lebih rendah akan membutuhkan waktu yang lebih lama untuk menghasilkan biodiesel dengan yield yang tinggi. Dengan perbandingan molar yang lebih besar akan meningkatkan konversi tetapi akan mempersulit proses pemisahan gliserol yang terbentuk dari hasil samping reaksi.
4. Katalis
Katalis berfungsi untuk mempercepat reaksi dengan menurunkan energi aktivasi reaksi namun tidak menggeser letak kesetimbangan. Tanpa katalis,
reaksi transesterifikasi baru dapat berjalan pada suhu sekitar 250oC.
Penambahan katalis bertujuan untuk mempercepat reaksi dan menurunkan kondisi operasi. Katalis yang dapat digunakan adalah katalis asam, basa, ataupun penukar ion. Dengan katalis basa reaksi dapat berjalan pada suhu kamar, sedangkan katalis asam pada umumnya memerlukan suhu reaksi
diatas 100oC (Kirk dan Othmer,1992). Katalis yang digunakan dapat berupa
katalis homogen maupun heterogen. Katalis homogen adalah katalis yang mempunyai fase yang sama dengan reaktan dan produk, sedangkan katalis heterogen adalah katalis yang fasenya berbeda dengan reaktan dan produk. Katalis homogen yang banyak digunakan adalah alkoksida logam seperti KOH dan NaOH dalam alkohol. Selain itu, dapat pula digunakan katalis asam cair, misalnya asam sulfat, asam klorida, dan asam sulfonat (Kirk.R.E dan Othmer.D.F, 1992). Penggunaan katalis homogen mempunyai kelemahan, yaitu: bersifat korosif, sulit dipisahkan dari produk, dan katalis tidak dapat
digunakan kembali (Nijhuis.T.A et al., 2002). Saat ini banyak industri
menggunakan katalis heterogen yang mempunyai banyak keuntungan dan sifatnya yang ramah lingkungan, yaitu tidak bersifat korosif, mudah
33
dipisahkan dari produk dengan cara filtrasi, serta dapat digunakan berulangkali dalam jangka waktu yang lama (Yadav.G.D, 2002). Selain itu katalis heterogen meningkatkan kemurnian hasil karena reaksi samping dapat dieliminasi (Altiokka.M.R, 2003). Contoh-contoh dari katalis heterogen adalah zeolit, oksida logam, dan resin ion exchange. Katalis basa seperti KOH dan NaOH lebih efisien dibanding dengan katalis asam pada reaksi
transesterifikasi. Konsentrasi katalis basa divariasikan antara 0,51% dari
massa minyak untuk menghasilkan 9499% konversi minyak nabati menjadi
ester. Lebih lanjut, peningkatan konsentrasi katalis tidak meningkatkan konversi dan sebaliknya menambah biaya karena perlunya pemisahan katalis dari produk. Penambahan katalis yang berlebihan menyulitkan dalam proses pemisahan pada akhir reaksi transesterifikasi untuk memisahkan produk biodiesel dari katalisnya.
5. Pengadukan dan intensitas Pencampuran
Pada reaksi transesterifikasi, reaktan-reaktan awalnya membentuk system cairan dua fasa. Reaksi dikendalikan oleh difusi diantara fase-fase yang berlangsung lambat. Seiring dengan terbentuknya metil ester, ia bertindak sebagai pelarut tunggal yang dipakai bersama oleh reaktan-reaktan dan sistem dengan fase tunggal pun terbentuk. Dampak pengadukan ini sangat signifikan selama reaksi. Sebagaimana sistem tunggal terbentuk, maka pengadukan menjadi tidak lagi mempunyai pengaruh yang signifikan. Pengadukan dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan campuran reaksi yang bagus.Setelah penambahan metanol dan katalis pada minyak 5–10 menit pengadukan akan meningkatkan konversi. Pengadukan yang tepat akan mengurangi hambatan antara massa. Untuk reaksi heterogen, ini akan menyebabkan lebih banyak reaktan mencapai tahap reaksi. Sofiyah (1995) menggunakan pengadukan 1425 rpm (rotation per minutes), Setyawardhani
(2003) 500 rpm, Purwono (2003) 1500 rpm, Rahayu dkk, (2003) 200250
6. Kemurnian reaktan
Impuritis yang terdapat pada minyak akan berpengaruh pada level konversi.
Pada kondisi yang sama, konversi 67 % 84 % dalam membentuk ester
dengan menggunakan minyak tanaman sedangkan dengan menggunakan
minyak yang telah dimurnikan sebesar 94 %97 % .
7. Kandungan Asam Lemak bebas.
Jumlah kandungan asam lemak bebas hanya berpengaruh pada transesterifikasi dan memakai katalis basa akan menimbulkan reaksi samping yaitu penyabunan. Asam lemak bebas lebih reaktif bereaksi dengan katalis basa menghasilkan sabun disbanding trigliserida dan reaksi berlangsung secara nonreversible (Yucel dan Tukay, 2003). Reaksi asam lemak bebas dengan katalis basa menghasilkan reaksi saponifikasi, hal ini menimbulkan masalah baru pada tahap pemurnian biodiesel.
8. Waktu reaksi
Lamanya reaksi sangat mempengaruhi jumlah konversi trigliserida ke ester metil, semakin lama reaksi berlangsung, maka metil ester yang dihasilkan semakin banyak. Hal ini bisa terjadi karena semakin banyak kesempatan suatu katalis untuk bereaksi dengan minyak.