Percobaan ini dirancang dengan rancangan acak lengkap faktorial dengan 2 faktor yaitu rasio pelarut dan bahan serta kecepatan pengadukan. Faktor jenis rasio pelarut dan bahan memiliki 3 taraf yaitu 2:1, 4:1 dan 6:1 dan faktor kecepatan pengadukan memiliki 3 taraf yaitu 490 rpm, 625 rpm dan 730 rpm. Percobaan ini dilakukan dalam dua kali ulangan. Model matematika yang digunakan adalah :
Yijk= µ + αi +βj+(αβ)ij+εijk
dengan :
i = 1, 2 dan 3 (rasio pelarut dan bahan) j = 1, 2 dan 3 (kecepatan pengadukan) k = 1 dan 2 (ulangan)
Yijk = variabel respon karena pengaruh faktor rasio pelarut dan bahan taraf ke-i, faktor kecepatan pengadukan taraf ke-j dan ulangan ke-l
µ = rataan umum.
αi = pengaruh rasio metanol dan bahan taraf ke – i βj = pengaruh kecepatan pengadukan taraf ke – j
αβij = pengaruh interaksi antara faktor rasio metanol dan bahan taraf ke – i dengan faktor kecepatan pengadukan taraf ke – j
18
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. PENELITIAN PENDAHULUAN
1. Karakteristik Tanah Pemucat Bekas
Bahan baku yang digunakan dalam suatu proses produksi sangat berpengaruh terhadap karakteristik produk yang dihasilkan. Oleh karena itu, pada proses produksi biodiesel ini perlu dilakukan pengujian lebih lanjut mengenai karakteristik bahan baku yang digunakan. Karakteristik bahan baku ini juga sangat berpengaruh terhadap tahapan proses produksi. Karakteristik bahan baku yang akan diujikan, meliputi kadar air, kadar asam lemak bebas dan kadar lemak.
Kadar air dan kadar asam lemak bebas bahan sangat berpengaruh pada tahapan proses produksi biodiesel yang dilakukan. Proses pembuatan biodiesel melalui tahapan reaksi esterifikasi dan reaksi transesterifikasi. Pada proses transesterifikasi dibutuhkan bahan baku dengan kadar air maksimal 1,9% dan kadar asam lemak bebas maksimal 2% (Qian et al. 2008). Kadar air yang tinggi dalam bahan baku akan menyebabkan timbulnya reaksi hidrolisis sehingga menghasilkan asam-asam lemak bebas. Kandungan asam lemak bebas yang tinggi akan mengakibatkan penurunan rendemen biodiesel yang dihasilkan. Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan kadar air dan kadar asam lemak bebas yang digunakan berturut-turut adalah 0,83% dan 4,97%. Kadar air tanah pemucat bekas yang digunakan lebih rendah dibandingkan dengan kadar air tanah pemucat bekas yang digunakan Deli (2011) yaitu sebesar 1,4%. Hal ini disebabkan perbedaan proses produksi yang dilakukan pada setiap industri minyak goreng.
Kadar asam lemak bebas hasil pengujian menunjukkan bahwa tanah pemucat bekas yang digunakan sebagai bahan baku memiliki kadar asam lemak bebas yang cukup tinggi. Kadar asam lemak bebas pada tanah pemucat yang digunakan cenderung lebih rendah dibandingkan dengan penelitian yang dilakukan oleh Kheang (2006) yaitu sebesar 11,5%. Rendahnya kadar asam lemak bebas tanah pemucat yang digunakan pada penelitian ini karena tanah pemucat yang digunakan merupakan tanah pemucat bekas yang baru selesai digunakan dalam proses sehingga penyimpanan tidak dilakukan dalam jangka waktu lama. Proses produksi biodiesel dengan kadar asam lemak bebas yang tinggi dilakukan dengan dua tahapan yaitu esterifikasi dan transesterifikasi (Zhang et
al. 2003). Tahapan esterifikasi dilakukan untuk menurunkan kadar asam lemak bebas bahan
hingga kadar asam lemak bebas bahan di bawah 2%.
Karakteristik selanjutnya yang dilakukan pengujiannya yaitu kadar lemak bahan. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kadar minyak dalam bahan yang dapat diekstrak dan dikonversi menjadi biodiesel. Kadar lemak pada tanah pemucat bekas yang digunakan yaitu sebesar 29,65%. Hasil yang diperoleh sesuai dengan penelitian yang telah dilakukan oleh Kheang (2006) yang melaporkan bahwa kadar lemak dalam tanah pemucat bekas berkisar antara 20-30%. Tingginya kadar lemak dalam bahan disebabkan oleh tanah pemucat yang digunakan untuk proses pemurnian memiliki daya serap yang tinggi.
Tabel 4. Karakteristik Tanah Pemucat Bekas
Karakteristik Mutu Nilai
Kadar Air 0,83 %
Kadar Lemak 29,65 %
19
2. Penentuan Tahapan Proses Produksi
Karakteristik tanah pemucat bekas yang digunakan pada penelitian ini memiliki kadar air yang memenuhi syarat untuk dilakukan proses transesterifikasi. Akan tetapi, kadar asam lemak bebasnya sebesar 4,97% sehingga tidak memenuhi syarat untuk dilakukan proses transesterifikasi karena untuk dapat melakukan reaksi transesterifikasi harus memiliki kadar asam lemak bebas dibawah 2%. Tahapan proses produksi biodiesel yang tepat akan menghasilkan rendemen biodiesel maksimal. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai tahapan proses produksi biodiesel yang sesuai untuk tanah pemucat bekas dengan karakteristik tersebut.
Tahapan penelitian ini dilakukan untuk mengetahui tahapan proses yang sesuai untuk memperoleh hasil biodiesel terbaik. Pada tahapan penelitian ini dilakukan perlakuan reaksi yang dilakukan dan waktu reaksi. Perlakuan yang dilakukan, meliputi reaksi esterifikasi in situ selama 1 jam, esterifikasi in situ selama 2 jam, esterifikasi in situ selama 3 jam dan transesterifikasi in
situ selama 1 jam. Reaksi esterifikasi merupakan reaksi yang mengkonversi asam lemak bebas
menjadi metil ester dengan penggunakan katalis asam sehingga kadar asam lemak bebas pada bahan dapat berkurang hingga mencapai kurang dari 2%. Katalis asam yang digunakan yaitu asam sulfat (H2SO4). Sedangkan reaksi transesterifikasi adalah reaksi yan mengkonversi trigliserida menjadi metil ester dengan menggunakan katalis basa. Berdasarkan penelitian Deli (2011), pada proses esterifikasi-transestrifikasi in situ digunakan katalis dengan konsentrasi maksimum baik NaOH dan H2SO4 yaitu sebesar 1,5% dapat menghasilkan yield biodiesel sebesar 93,3%.
Waktu reaksi yang divariasikan pada tahapan penelitian ini yaitu 1,2 dan 3 jam untuk reaksi esterifikasi serta 1 jam untuk reaksi transestrifikasi. Waktu reaksi pada proses in situ merupakan waktu yang dibutukan untuk mengekstraksi minyak yang terkandung dalam bahan serta mengkonversinya menjadi alkil ester. Proses ekstraksi minyak dari bahan baku dengan menggunakan pelarut metanol dibutuhkan waktu 2-3 jam (Shiu et al., 2010). Sedangkan proses esterifikasi konvensional umumnya berlangsung selama 1 jam.
Pelarut yang digunakan pada tahapan penelitian ini adalah metanol. Pelarut jenis ini dipilih karena harganya lebih ekonomis dan juga memiliki rantai pendek sehingga kereaktifannya lebih tinggi. Biodiesel yang dihasilkan dengan menggunakan metanol memiliki kemurnian paling tinggi dibandingkan penggunaan alkohol jenis lainnya seperti etanol, propanol, iso-propanol dan butanol (Haas et al. 2004). Pada tahapan penelitian ini semua perlakuan menggunakan rasio metanol terhadap bahan yang sama yaitu sebesar 4:1 (v/b). Pemilihan rasio metanol ini didasarkan pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Deli (2011) mengenai proses esterifikasi-transesterifikasi in situ terhadap tanah pemucat bekas. Selain itu Ozgul dan Turkay (2002) menggunakan rasio metanol terhadap bahan sebesar 4:1 (v/b) pada proses esterifikasi in situ terhadap dedak padi. Sedangkan Shuit et al. (2010) menggunakan perbandingan metanol/bahan baku 7.5/1 (v/b) untuk esterifikasi in situ biji jarak.
Kecepatan pengadukan berpengaruh terhadap kehomogenan antara pelarut dengan bahan. Berdasarkan hasil penelitian Noureddini dan Zhu (1997) menunjukkan bahwa terdapat perbedaan yang signifikan terhadap yield yang dihasilkan pada kecepatan pengadukan 150-300 rpm akan tetapi antara 300 dan 600 rpm perbedaannya hanya sedikit. Umumnya transesterifikasi in situ dilakukan pada 600 rpm (Shiu et al. 2010).
Suhu yang digunakan pada penelitian ini yaitu 65oC. Suhu ini dipilih karena mendekati titik didih metanol yaitu sebesar 65oC. Semakin tinggi suhu, maka semakin banyak energi yang digunakan reaktan untuk saling bertumbukan dalam mencapai energi aktivasi. Banyak peneliti merekomendasikan suhu optimum untuk reaksi transesterifikasi adalah 60 0C (Van Gerpen 2005; Sahirman 2009).
Berdasarkan penelitian yang dilakukan, kadar asam lemak bebas yang memenuhi syarat untuk melakukan reaksi transesterifikasi yaitu perlakuan reaksi esterifikasi in situ 3 jam dan transesterifikasi in situ 1 jam (Lampiran 3). Reaksi esterfikasi in situ 3 jam dan transesterifikasi
20
dan 1,08%. Kadar asam lemak bebas tersebut memenuhi syarat untuk melakukan reaksi transesterifikasi karena syarat untuk melakukan transesterifikasi yaitu memiliki kadar asam lemak bebas tidak lebih dari 2% (Sharma et al. 2008).Sedangkan pada reaksi esterifikasi in situ 1 jam dan esterifikasi in situ 2 jam kadar asam lemak bebas yang dihasilkan lebih dari 2% yaitu sebesar 3,66% dan 2,79%. Reaksi optimum yang dipilih yaitu esterifikasi in situ 3 jam. Meskipun reaksi transesterifikasi in situ 1 jam menghasilkan kadar asam lemak bebas yang lebih rendah akan tetapi rendemen pada transesterifikasi in situ 1 jam jauh lebih rendah yaitu sebesar 6,66%. Rendemen ini jauh lebih rendah dibandingkan dengan rendemen yang dihasilkan pada reaksi transesterifikasi
in situ 3 jam yaitu sebesar 16,40%. Pada reaksi esterifikasi in situ 3 jam menghasilkan rendemen
yang lebih tinggi karena pada proses in situ dibutuhkan waktu yang lebih lama untuk melakukan proses ekstraksi minyak dalam bahan.
Berdasarkan sidik ragam yang telah dilakukan terhadap rendemen yang dihasilkan diketahui bahwa perlakuan reaksi ini memberikan pengaruh nyata pada rendemen produk yang dihasilkan (Lampiran 5). Akan tetapi pada reaksi esterifikasi in situ 1 jam tidak berbeda nyata dengan reaksi transesterifikasi in situ 1 jam. Rendemen yang dihasilkan oleh kedua perlakuan ini tidak berbeda jauh karena lama waktu reaksi sama yaitu 1 jam. Waktu reaksi berpengaruh terhadap rendemen yang dihasilkan karena pada metode in situ dibutuhkan waktu yang lebih lama untuk ekstraksi minyak dalam bahan serta mengkonversi minyak tersebut menjadi alkil ester. Analisis ragam yang dilakukan menunjukkan bahwa 99,49% rendemen yang dihasilkan dipengaruhi oleh reaksi yang dilakukan sedangkan 0,51% dipengaruhi oleh faktor lainnya.
Hasil sidik ragam dan uji lanjut Duncan pada kandungan kadar asam lemak bebas menunjukkan bahwa 99,67% kadar asam lemak bebas yang dihasilkan dipengaruhi oleh reaksi yang dilakukan sedangkan sisanya dipengaruhi oleh faktor lainnya. Reaksi yang dilakukan sangat berpengaruh nyata terhadap kadar asam lemak bebas produk. Berdasarkan gambar di atas dapat diketahui bahwa kadar asam lemak bebas dipengaruhi oleh waktu reaksi dan penggunaan jenis katalis. Kadar asam lemak bebas menurun seiring dengan lama waktu reaksi. Semakin lama waktu reaksi maka akan semakin lama waktu kontak antara bahan dengan katalis sehingga dapat meningkatkan konversi asam lemak bebas dalam minyak menjadi alkil ester. Kadar asam lemak bebas terendah yaitu hasil transesterifikasi in situ selama 1 jam sebesar 1,08%. Sedangkan kadar asam lemak bebas tertinggi dihasilkan pada reaksi esterifikasi in situ selama 1 jam yaitu sebesar 3,66%. Penggunaan jenis katalis juga berpengaruh terhadap kadar asam lemak bebas dalam minyak. Pada reaksi esterifikasi digunakan katalis asam yaitu asam sulfat (H2SO4) sedangkan pada reaksi transesterifikasi digunakan katalis basa yaitu NaOH.
Gambar 6. Rendemen dan kadar asam lemak bebas pada berbagai kondisi reaksi 0 3 6 9 12 15 18
1 jam 2 jam 3 jam 1 jam Esterifikasi R e n d e m e n d a n K a d a r F F A ( % ) Rendemen Kadar FFA Transesterifikasi
21
Parameter lain yang digunakan yaitu kadar lemak dari ampas biodiesel. Kadar lemak dalam ampas menunjukkan kandungan trigliserida yang tidak terekstrak dalam proses esterifikasi atau transesterifikasi in situ . Berdasarkan hasil sidik ragam yang telah dilakukan perlakuan rekasi yang diberikan berpengaruh nyata terhadap kadar lemak ampas biodiesel. Hal ini menunjukkan bahwa reaksi yang dilakukan berpengaruh terhadap kadar bahan yang mampu diekstrak. Semakin tinggi rendemen biodiesel yang dihasilkan maka akan semakin rendah kadar bahan yang tidak terekstrak. Kadar lemak ampas biodiesel 94,09% dipengaruhi oleh perlakuan kondisi reaksi yang digunakan sedangkan 5,91% sisanya dipengaruhi oleh faktor lain di luar perlakuan yang diberikan. Pengujian Duncan menunjukkan bahwa kadar lemak ampas pada reaksi esterifikasi 1 jam tidak berbeda nyata dengan kadar lemak ampas pada reaksi esterifikasi 2 jam. Sedangkan Kadar lemak ampas pada reaksi esterifikasi 3 jam tidak berbeda nyata dengan kadar lemak ampas pada reaksi transestrifikasi 1 jam. Hal ini dapat disebabkan perbedaan yang tidak nyata antara rendemen minyak yang dihasilkan pada reaksi esterifikasi 1 jam dan reaksi esterifikasi 2 jam sehingga kadar lemak yang tertinggal dalam ampas yang dihasilkan tidak memiliki perbedaan yang signifikan. Begitu pula pada reaksi esterifikasi 3 jam dan reaksi transesterifikasi 1 jam.
Berdasarkan analisis sidik ragam dan uji lanjut Duncan, reaksi yang paling optimum yaitu reaksi esterifikasi 3 jam. Pada reaksi esterifikasi selama 3 jam diperoleh rendemen tertinggi yaitu sebesar 16,40% dengan kadar asam lemak bebas 1,79% dan memiliki kadar lemak ampas terendah yaitu sebesar 19,63%. Karakteristik yang ditunjukkan pada hasil reaksi esterifikasi selama 3 jam menunjukkan bahwa reaksi ini dapat menurunkan kadar asam lemak bebas hingga kurang dari 2%. Sehingga, memenuhi syarat untuk melakukan reaksi transesterifikasi. Selain itu waktu 3 jam merupakan waktu paling optimum untuk menurunkan kadar asam lemak bebas dan untuk mengekstrak minyak dalam bahan dengan menggunakan katalis asam sulfat (H2SO4).
17 18 19 20 21 22 23 24 ES 1 ES 2 ES 3 TS 1 Perlakuan Reaksi K adar L e m ak A m pas ( % )