Kinetika Transesterifikasi Minyak Sawit Menjadi Etil Ester (Biodisel)

Jurnal Teknologi Proses

Media Publikasi Karya Ilmiah Teknik Kimia

6(1) Januari 2007: 39 - 44 ISSN 1412-7814

Kinetika Transesterifikasi Minyak Sawit Menjadi Etil Ester (Biodisel)

Renita Manurung

Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan 20155

Abstract

Transesterification of palm oil with alcohols, in the presence of a catalyst, yields fatty esters and glycerol. Di-and monoglycerides are intermediates. Reactions are consecutive Di-and reversible. The kinetics of the transesterfication of palm oil is known to follow a three-step reaction mechanism. In this study, the transesterification of palm oil was achieved with ethanol in the presence of KOH as the catalyst. A palm oil/ethanol ratio of 1:10, catalyst 1% w/w and temperature 800C were used.The study revealed that the kinetics of this reaction followed a irreversible second-order model. Rate constant have been determined for overall reaction with curve fitting method was 9,8429 x 10-3 menit-1.

Keywords: transesterification, kinetic, palm oil.

Pendahuluan

Bahan bakar biodisel dari minyak nabati merupakan bahan bakar disel alternatif yang dilirik sebagai pengganti bahan bakar fosil tanpa memerlukan modifikasi mesin lebih lanjut. Biodisel dapat diproduksi melalui transesterifikasi trigliserida dengan alkohol rantai pendek dan dengan adanya katalis. Sintesa biodisel telah dipelajari secara luas. Banyak minyak nabati yang dapat digunakan untuk memproduksi dan mempelajari produksi biodisel, termasuk di antaranya minyak sawit. Peluang ini cukup menjanjikan karena Indonesia merupakan negara penghasil minyak sawit terbesar kedua dunia setelah Malaysia. Bahan bakar berbasis minyak nabati ini

merupakan bahan bakar yang renewable,

biodegradable, dan non-toxic.

Sampai saat ini minyak sawit Indonesia sebagian besar masih diekspor dalam bentuk

minyak sawit mentah atau Crude Palm Oil

(CPO). Sedangkan di dalam negeri minyak sawit diolah menjadi produk pangan terutama minyak goreng. Secara teknis, CPO dapat diolah menjadi berbagai jenis produk hilir, baik pangan maupun oleokimia yang mempunyai nilai tambah yang tinggi. Akan tetapi industri oleokimia Indonesia kurang berkembang apabila dibandingkan dengan Malaysia sebagai produsen minyak sawit terbesar dunia. Kapasitas total industri oleokimia Indonesia hanya mencapai sekitar 850.000 ton/tahun.

terjadinya surplus produksi dan perlu dicari cara pemanfaatan kelebihan produksi tersebut. Salah satu upaya pemanfaatan kelebihan produksi adalah dengan mengolah minyak sawit menjadi biodisel (Darnoko, dkk, 2001).

Dalam transesterifikasi minyak nabati, trigliserida bereaksi dengan alkohol dengan adanya asam kuat atau basa kuat sebagai katalis menghasilkan campuran fatty acid alkil ester

dan gliserol. Freedman, et al. (1986)

melaporkan bahwa reaksi transesterifikasi merupakan reaksi tiga tahap dan reversibel di mana mono dan digliserida terbentuk sebagai intermediate. Reaksi stoikimetris membutuhkan 1 mol trigliserida dan 3 mol alkohol. Dalam hal ini digunakan alkohol berlebih untuk meningkatkan yield alkil ester dan untuk memudahkan pemisahan fasanya dari gliserol yang terbentuk (Schuchardt, et al, 1998).

Metode Penelitian

Minyak sawit yang digunakan dalam percobaan penelitian ini adalah RBDPO (Refined-Bleached and Deodorized oil) yang diperoleh dari pabrik refinery minyak sawit lokal. Etanol dengan kemurnian 99,9% dan katalis KOH diperoleh dari Sigma Chemical Co. (St. Louis, MO).

Penentuan model kinetika reaksi transesetrifikasi minyak sawit menjadi etil ester (biodisel) merujuk kepada kondisi percobaan optimum yang telah dilakukan oleh Renita, 2005, yaitu konsentrasi katalis 0.7%, rasio molar 10 : 1 dan temperatur 80oC. Reaksi transesterifikasi dilangsungkan dalam sebuah reaktor dengan kapasitas 1 liter. Campuran katalis dan etanol yang dibutuhkan direaksikan secara terpisah pada reaktor tertutup. Kemudian campuran katalis-etanol dimasukkan ke dalam reaktor secara in-situ dan pengadukan dimulai. Penghitungan waktu reaksi dimulai segera setelah pencampuran dilakukan.

Analisa Sampel

Analisa sampel dilakukan terhadap bahan baku, hasil utama dan side product. Analisa sampel bahan baku menentukan kadar ALB dan

kadar air dalam minyak sawit dilakukan dengan metode PORIM p2.5, 1995 dan metode AOAC-1995.

Analisa etil ester sebagai produk utama dan analisa side product: gliserol, trigliserida, digliserida, dan monogliserida dilakukan

dengan metode Gas Chromatography

(Shimadzu GC 148 dengan detektor FID, jenis kolom DB-1HT: 15m x 0,25 mm ID, tebal film 0,1 meter, carrier gas: Helium, flushing gas: nitrogen, suhu oven 50oC, suhu injektor 4000C dan suhu detektor 4000C).

Dari hasil analisa diperoleh kadar ALB bahan baku RBDPO sebesar 0.34%. Kadar ALB ini masih di bawah batas maksimum sebesar ≤ 1% untuk proses transesterifikasi. Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Darnoko dkk., penggunaan bahan baku dengan kadar ALB > 1% tidak memberikan reaksi yang nyata untuk transesterifikasi TG. Kadar ALB yang tinggi mengakibatkan meningkatnya reaksi samping pada reaksi transesterifikasi yaitu reaksi penyabunan yang dapat mengakibatkan pembentukan emulsi pada campuran ester dan gliserol sehingga proses pemisahan fasa sulit terjadi.

Kadar air dari bahan baku RBDPO sebesar 0.0518%. Berdasarkan hasil penelitian Freedman, dkk (1989) diketahui bahwa kadar air dari bahan baku untuk proses transesterifikasi yang baik adalah ≤ 0.1%. Kadar air yang lebih tinggi akan mengakibatkan inaktivasi katalis logam basa selama reaksi berlangsung. Hal ini harus dihindari karena mengakibatkan reaksi akan berjalan sangat lambat atau terhenti. Di samping itu, jika kadar air relatif tinggi kemungkinan terjadinya reaksi hidrolisis semakin besar yang dapat mengakibatkan konversi reaksi transesterifikasi semakin kecil dan pembentukan emulsi semakin besar.

Analisa Model Persamaan Kecepatan Reaksi

atau orde reaksi dilakukan melalui pencocokan sistem persamaan differensial secara simultan ke data percobaan. Freedman, et al. (1986), Noureddini dan Zhu (1997), Darnoko dan Cheryan (2000a dan 2000b), dan Yunus, et al.

(2004) melaporkan bahwa reaksi transesterifikasi antara TG dan alkohol berlangsung dalam tiga tahapan reaksi di mana ketiga tahapan reaksi merupakan reaksi orde 2. tahapan reaksi sebagai berikut.

k 1

TG + C2H5OH DG + R1COOC2H5

k 2

k3

DG + C2H5OH MG + R2COOC2H5

k 4

k5

MG + C2H5OH GL + R3COOC2H5

k 6

Reaksi menyeluruh:

k 7

TG + 3C2H5OH GL + 3RCOOC2H5

k 8

Dalam analisa ini, persamaan kecepatan reaksi transesterifikasi minyak sawit menjadi etil ester (biodisel) dirumuskan berdasarkan reaksi menyeluruh. Reaksi dikendalikan berjalan ke kanan dengan cara menggunakan etanol berlebih sehingga harga k7 >>> k8 dan diharapkan reaksi adalah irreversible.

Reaksi dikatalisa oleh basa KOH yang berfasa homogen.

Persamaan reaksi diasumsi sebagai berikut:

k1

TG + 3C2H5OH GL + 3RCOOC2H5

k2

TG + 3C2H5OH + C GL + 3RCOOC2H5 + C

Di mana C = Konsentrasi katalis yang digunakan

Model persamaan kecepatan reaksi orde 2 untuk reaksi tersebut sebagai berikut:

ϒTG1 = 1

...

...

...

...

...

...(

1

)

1

E TG TG

k

C

C

dt

dC

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

ϒTG2 = 2

...

...

...

...

...

...(

2

)

2

C

C

C

k

dt

dC

E TG TG

⎟

=

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

Kecepatan reaksi menyeluruh dari TG adalah:

=

(

k

₁

+

k

₂

C

)

C

_TG

C

_E

...

...

...

...

...

...

...(

3

b

)

Jika k1 + k2C = ĸ; maka persamaan kecepatan reaksi menjadi:

-dCTG

ϒTG = = ĸ .CTG.CE ………...…….(4)

dt

di mana adalah harga konstanta kecepatan reaksi berdasarkan hasil percobaan ( pengamatan).

Jika M = CE / CTG, maka:

-dCTG

ϒTG = = ĸ .C2TGo (1 –XTG) (M-3XTG) . ……….…….(5)

dt

Integrasi dari persamaan (5) menghasilkan:

CE.CTGo M-3XTG

ln = ln

CEoCTG M(1-XTG)

= CTGo (M-3)ĸt ………(6)

M = 10/1 = 10; maka:

CE.CTGo

ln = 7CTGo.ĸt = 7ĸ t

CEoCTG

CE.CTGo

Plot ln -vs- t CEoCTG

Gambar 1 menunjukkan pencocokan kurva orde 2. Dari Gambar 1 dapat dilihat bahwa kurva yang terbentuk merupakan garis lurus dengan slope sebesar 0,0689.

Maka harga ĸ hasil percobaan adalah 9,8429 x 10-3 menit-1.

Analisa Porses Transesterifikasi Minyak Sawit Menjadi Etil Ester (Biodisel)

Sebuah tipe kurva konsentrasi untuk transesterifikasi minyak sawit menjadi etil ester (biodisel) pada temperatur 80oC, konsentrasi katalis KOH 0.7% dan rasio molar etanol

terhadap minyak 10 : 1 disajikan dalam Gambar 2. Gambar 2 menjelaskan laju konsumsi atau penggunaan TG dan pembentukan produk etil ester dan gliserol serta senyawa intermediate. Kurva pada Gambar 2 memperlihatkan sebuah kurva sigmodial untuk produksi etil ester. Hal ini menunjukkan sebuah kecepatan reaksi lambat pada permulaan reaksi yang kemudian diikuti oleh sebuah gelombang kurva yang tajam dan berakhir dengan kecepatan yang lebih lambat ketika reaksi mendekati sempurna. Analisa terhadap kurva konsentrasi tersebut merupakan sebuah tipe prilaku untuk reaksi autokatalitik atau reaksi dengan perubahan mekanisme.

[image:5.595.101.468.87.320.2]

GAMBAR 1: Pencocokan kurva orde 2

GAMBAR 2: Komposisi produk reaksi transesterifikasi minyak sawit menjadi etil ester (biodisel) pada 80oC,

0.7% KOH dan rasio 10 : 1

Tetapi reaksi transesterifikasi TG tidak dikenal sebagai reaksi autokatalitik (katalis reaksi adalah asam atau basa), maka kemungkinan diduga pada kecepatan reaksi lambat mula-mula merupakan daerah transfer massa yang mengontrol. Kemudian diikuti oleh daerah yang dikontrol secara kinetis dan berakhir pada daerah pencapaian kesetimbangan.

Pada reaksi transesetrifikasi, reaktan mula-mula membentuk sistem liquid 2 fasa. Dalam keadaan ini reaksi dikontrol oleh diffusi, sedangkan diffusi hanya sedikit dihasilkan antara 2 fasa sehingga mula-mula reaksi berlangsung lambat. Ketika etil ester terbentuk, ester berperan sebagai pelarut mutual untuk reaktan sehingga sistem liquid fasa tunggal terbentuk. Pembentukan etil ester dimulai setelah 1-2 menit reaksi berlangsung. Perubahan

C

E

.C

TGo

ln

C

Eo

.C

TG

y = 0.0689x + 5.9307 R2 _{= 0.9337}

5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00

5 10 15 20 30 40 50 60 75 90 105 120 135 150 180

t, menit

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 15 30 60 90 120 150 180

t, menit

K

o

m

p

o

sis

i (

%

b

e

r

a

t)

[image:5.595.111.472.355.574.2]

tiba-tiba dari laju pembentukan produk etil ester terjadi bersama-sama dengan titik ketika konsentrasi etil ester relatif maksimum. Konsentrasi maksimum ini terbentuk oleh reaksi

intermediate yang merupakan tipe reaksi

irreversible. Hal ini membuktikan bahwa asumsi reaksi searah atau irreversible dalam penelitian ini dapat diterima.

Kesimpulan

Dari hasil analisa kinetika transesterifikasi yang dilakukan, dapat disimpulkan bahwa reaksi transesterifikasi minyak sawit menjadi etil ester (biodisel) diduga merupakan reaksi yang dikontrol oleh laju difusi dengan model persamaan reaksi transesterifikasi minyak sawit menjadi etil ester (biodisel) merupakan reaksi orde dua dengan bentuk umum sebagai berikut:

ϒTG = ⎟ = =

⎠ ⎞ ⎜

⎝ ⎛

−

C E TG TG

o k C C k dt

dC

80 ;

9,8429 x 10-3 menit-1

Daftar Pustaka

Abreu, F. R., Lima, D. G., Hamu, E. H., Einloft, S., Rubim, J. C., and Suarez, P. a. Z. 2003. New Metal Catalysts for Soybean Oil Transesterification, J. Am. Oil Chem. Soc., 80 (6): 601-04.

Applewhite, T. H. 1985. Bailey’s Industrial Oil and Fat Products, volume 3, John Wiley & Sons, Inc.

P., Gasparoli, A., Lanzani, A., Fedeli, E., Veronese, S., and Sala, M. 1995. Storage Stability of Biodiesel, J. Am. Oil Chem. Soc., 72 (6): 699-702.

Carberry, J. J. 1976. Chemical and Catalytic Reaction Engineering,McGraw-Hill Book Company.

Darnoko, D. and Cheryan, M. 2000a. Continuous Production of Palm Methyl Esters, J. Am. Oil Chem. Soc, 77 (12): 1269-72.

Darnoko, D. and Cheryan, M, 2000b. Kinetics of Palm Oil transesterification, J. Am. Oil Chem. Soc, 77 (12): 1269-72.

Darnoko, D., Herawan, T., Guritno, P., 2001, Teknologi Produksi Biodiesel Dan Prospek Pengembangannya Di Indonesia, Warta PPKS, 9 (1): 17-27.

Freedman, B., Butterfield, R. O., Pryde, E., H., 1986. Transesterification Kinetics of Soybean Oil, J. Am. Oil Chem. Soc, 63 (10): 1375-80. Filliėres, R., Mlayah, B. Benjelloun, and Delmas, M.

1995, Ethanolysis of Rapeseed Oil: Quantitation of Ethylester, Mono-, Di-, and Triglycerides and Glycerol by

High-Performance Size-Exclussion Chromatography, J. Am. Oil Chem. Soc, 72

(4): 427-432.

Gervasio, C.G., 1996, Fatty Acid and Derivatives from coconut oil, in Baileys Industrial Oil And Fats Products, 5th ed., 5: 63 - 70, John Wiley & Sons.

Karmee, S. K., Mahesh, P., Ravi, R. and Chadha, A. 2004. Kinetic Study of the Base-Catalyzed Transesterification of Monoglycerides from Pongamia Oil, J. Am. Oil. Chem. Soc., 81 (5): 425-30.

Khan, Adam K., 2002, Research into Biodiesesl: Kinetics & Catalyst Development, Thesis, Department of Chemical Engineering University of Queensland, Brisbane, Queensland, Australia.

Levenspiel, O. 1999. Chemical Reaction Engineering, 3th ed., John Wiley and Sons. Liu, L. and D. Lampret, 1999, Monitoring Chemical

Interesterification, J. Am. Oil Chem. Soc., 76 (7): 783-787

Noureddini, H. and Zhu, D., 1997. Kinetics of Transesterification of soybean Oil, J. Am. Oil Chem. Soc, 74 (11): 1457-63.

Schuchardt, U., Sercheli, R., and Vargas, R. Matheus, 1998, Transesterification of Vegetable Oil: a Review, Journal Braz. Chem. Society 9 (1): 199 – 210.

Sridharan, R. and Mathai, I. M., 1974, Transesterification Reactions, J. Scient. Ind. Res., 33: 178-187.

The Green LaneTM, Environment Canada’s World Wide Web Site. 2002

Yunus, R. Razi, A. F., Ooi, T. L., Biak, D. R. A. and Iyuke, S. E. 2004. Kinetics of Transesterification of Palm-Based Methyl Esters with Trimethylolpropane, J. Am. Oil Chem. Soc., 81 (5): 497-503.