Abstrak— Pada penelitian ini biodiesel berhasil didapatkan dari dedak padi secara in-situ dalam air dan metanol subkritis dengan penambahan gas CO2 sebagai
katalis. Faktor-faktor yang mempengaruhi kandungan biodiesel (kemurnian dan yield) dari dedak padi secara in-situ dalam air dan metanol subkritis seperti waktu reaksi, suhu pemanas, dan penambahan CO2 akan dipelajari
secara sistematis. Campuran dedak padi, air, dan metanol dengan perbandingan 1:4:1 (gram/ml/ml) dimasukkan kedalam reaktor hydrothermal yang dilengkapi dengan pemanas, kontrol suhu, dan pressure gauge kemudian diberi tekanan dengan gas CO2 (0 dan 5 bar). Setelah
suhu pemanas mencapai suhu yang diinginkan (200oC dan 225 oC) maka waktu reaksi mulai dihitung dan dihentikan setelah waktu reaksi yang diinginkan (1, 3, dan 5 jam). Kemudian didapatkan produk dan dipisahkan dari campuran dengan cara ekstraksi menggunakan larutan n-hexane. Selanjutnya n-hexane dipisahkan dengan cara destilasi crude biodiesel. Dari hasil penelitian didapatkan kemurnian biodiesel tertinggi sebesar 89,07% pada kondisi operasi 200oC dengan penambahan CO2 (5bar)
dan waktu reaksi 3 jam. Sedangkan untuk Yield biodiesel tertinggi didapat sebesar 94,16% pada kondisi operasi 200oC dengan penambahan CO2 (5 bar) dan waktu reaksi
1 jam.
Kata Kunci—Dedak padi, in-situ, air subkritis, metanol
subkritis, yield.
I. PENDAHULUAN
RISIS energi yang terjadi di dunia, khususnya bahan bakar fosil yang bersifat tak terbaharukan (non-renewable) disebabkan menipisnya cadangan minyak bumi dan gas alam yang terkandung di bumi. Berangkat dari hal tersebut, pemerintah berusaha mendorong penggunaan berbagai macam energi alternatif salah satunya adalah biodiesel. Masalah utama dalam pembuatan biodiesel adalah biaya produksi untuk biodiesel lebih mahal dibandingkan dengan pembuatan gasoline. Hal ini dikarenakan biaya bahan baku (minyak dan lemak) mencapai 60-75% dari total biaya produksi (Zullaikah dkk., 2005).
Beras adalah biomassa yang sangat berguna. Hampir 610 juta ton beras diproduksi tiap tahun didunia. Dedak padi adalah by-product dari penggilingan beras yang merupakan
8% dari hasil penggilingan padi. Dedak padi mengandung protein, minyak/lemak, vitamin, antioksidan dan mineral seperti silika, zat besi, kalsium dan zinc. Di Jepang, sekitar 34% dari dedak padi digunakan untuk diekstak minyaknya, tergantung kualitasnya, yang bisa digunakan untuk memasak atau untuk industri. Dengan melimpahnya bahan baku maka produksi biodiesel dari dedak padi amatlah menjanjikan. (Ju dan Vali 2005)
Dewasa ini, produksi biodiesel pada kondisi superkritis telah banyak diteliti. Pada kondisi superkritis minyak dedak padi dan metanol menjadi satu fase jadi pencampuran sempurna telah tercapai untuk membuat biodiesel dan konversi tinggi (>95%) didapatkan dalam beberapa menit tanpa membutuhkan katalis (Saka and Kusdiana, 2001; Demirbas, 2008). Namun pada proses superkritis, temperatur tinggi (300⁰C - 350⁰C) dan tekanan tinggi (20 - 35 Mpa) memerlukan alkohol berlebih, rasio molar alkohol dan minyak 40:1 - 42:1 (kasim, 2009). Kemudian ketika kondisi operasi ini diturunkan dari 250⁰C - 280⁰C dan pada tekanan 15 – 20 Mpa, rasio molar alkohol dan minyak menjadi 24:1 dan 30:1 dengan menambahkan co-solvent. Akan tetapi penambahan co-solvent memberikan dampak negatif pada lingkungan dan kemurnian biodiesel yang dihasilkan (Trentin, 2011). Teknik superkritis juga memerlukan energi yang besar sehingga biaya yang dibutuhkan juga besar.
Pengolahan air subkritis adalah teknik ramah lingkungan. Air subkritis didefinisikan sebagai air panas pada suhu antara 100 - 374⁰C pada kondisi tekanan tinggi untuk menjaga air dalam kondisi cair. Penggunaan air subkritis dalam penelitian ini adalah sebagai pelarut atau solvent kemudian secara insitu metanol subkritis diharapkan dapat mereaksikan minyak dedak padi yang terbentuk menjadi biodiesel secara langsung. (Ju, 2012).
II. URAIANPENELITIAN
Untuk memproduksi biodiesel dari dedak padi secara in-situ dalam air dan metanol subkritis dilakukan percobaan menggunakan seperangkat alat hydrothermal. Dedak padi yang digunakan adalah dedak padi yang berasal dari Jember yang memiliki kandungan FFA sebesar 63,69% dan kandungan minyak sebesar 9,521%. Langkah pertama yang dilakukan pada produksi biodiesel secara in-situ dalam air dan
Produksi Biodiesel dari Dedak Padi secara
In-Situ
dalam Air dan Metanol Subkritis
Erick Z.Simatupang, Ricardo G. Siregar, M. Rachimoellah, Siti Zullaikah
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: [email protected] ; [email protected]
telah dipanaskan sampai suhu sekitar 100oC. Setelah suhu pemanas mencapai variabel yang diinginkan maka variabel waktu reaksi mulai dihitung. Setelah variabel waktu tercapai, reaktor diangkat dari pemanas dan didinginkan sampai mencapai suhu ambient menggunakan air dingin. Berikut skema dari alat Produksi Biodiesel dari Dedak Padi secara In-Situ dalam Air dan Metanol Subkritis
Gambar 1. Skema alatalat Produksi Biodiesel dari Dedak Padi secara In-Situ dalam Air dan Metanol Subkritis.
Setelah suhu reaktor sudah mencapai suhu ambientnya maka reaktor dibuka dan mengeluarkan semua produk didalam reaktor dikeluarkan dan ditampung dalam erlenmeyer. Jika masih terdapat sisa dedak padi pada dinding reaktor maka dicuci dengan air dan hasil pencucian dimasukkan/ditambahkan semuanya ke dalam beaker glass tempat produk tadi. Memasukkan hexane ke dalam beaker glass tersebut sampai seluruh dedak padi terendam sempurna. Mengaduk seluruh campuran dalam beaker glass dengan stirrer selama 10 menit dan mendiamkannya selama 10 menit. Memipet fase hexane ke dalam Erlenmeyer penampung fase hexane dan langsung menutup Erlenmeyer tersebut dengan menggunakan aluminium foil. Langkah ini dilakukan sebanyak 5 kali. Membasuh dedak padi pada kertas saring menggunakan hexane dengan bantuan vacuum pump sampai terpisah seluruh fase air dan fase hexane dari dedak padi. Langkah ini dilakukan 3 kali. Fase hexane ditambahkan kedalam fase hexane yang sebelumnya. Mengeringkan kertas saring yang telah terpakai di dalam oven dengan suhu 100oC selama 2 jam. Memasukkan hexane pada fase air dan memipet fase hexane dari fase air ke dalam Erlenmeyer penampung fase hexane. Langkah ini dilakukan sebanyak 3 kali. Memasukkan seluruh fase hexane ke dalam labu destilasi yang sebelumnya sudah dirangkai. Mengeset suhu waterbath sehingga terjaga suhu pada labu destilasi sekitar 76oC dan
destilasi ke dalam botol sample.
III. HASILDANPEMBAHASAN
Pada penelitian ini digunakan dedak padi yang berasal dari daerah Jember. Dedak padi ini dianalisa terlebih dahulu kandungan minyak serta kandungan airnya. Kadar minyak diperoleh dengan cara metode soxhlet. Massa minyak dedak padi yang didapat adalah 0,9521 gram ( 9,521% kandungan minyak dalam dedak padi Jember). Sedangkan untuk kadar air diperoleh sebesar 7,89%.
A. Pengaruh Waktu Reaksi dan Penambahan CO2 pada Massa Crude Biodiesel
Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 200°C tanpa penambahan CO2 didapatkan massa crude biodiesel masing-masing 0,4355 gram; 0,4672gram; dan 0,4796 gram. Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 200°C dengan penambahan CO2 didapatkan massa crude biodiesel masing-masing 0,5377 gram; 0,4614 gram; dan 0,4437 gram. Hasilnya dapat dilihat pada gambar 2.
Gambar. 2. Grafik hubungan antara waktu reaksi (jam) dengan massa crude biodiesel (%) pada suhu 200°C
Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 225°C tanpa penambahan CO2 didapatkan massa crude biodiesel masing-masing 0,3450 gram; 0,3971 gram; dan 0,4628 gram. Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 225°C dengan penambahan CO2 didapatkan massa crude biodiesel masing-masing 0,4102 gram; 0,3683 gram; dan 0,3467 gram. Hasilnya dapat dilihat pada grafik IV.2. Hasilnya dapat dilihat pada gambar 3.
Gambar. 3. Grafik hubungan antara waktu reaksi (jam) dengan massa crude biodiesel (%) pada suhu 225°C
Hasilnya seperti tampak pada gambar 2 dan 3 dimana pada saat tanpa penambahan CO2 kedalam reaktor, semakin lama waktu reaksi maka massa crude biodiesel yang diperoleh semakin besar baik pada suhu 200°C maupun 225°C. Sedangkan untuk penambahan CO2 semakin lama waktu reaksi maka massa crude biodiesel yang diperoleh semakin kecil baik pada suhu 200°C maupun 225°C.
Peningkatan waktu reaksi memiliki efek positif pada jumlah massa crude biodiesel yang dapat diproduksi dari dedak padi. Waktu yang semakin lama penting untuk mendapatkan massa crude biodiesel yang tinggi selama proses in situ. Yeshitila, dkk melaporkan bahwa dengan semakin lamanya waktu reaksi maka akan semakin baik massa crude biodiesel yang di dapatkan dari Chlorella vulgaris. Ini dikarenakan waktu yang semakin lama dibutuhkan untuk memecah dinding sel dan mengeluarkan kandungan lipid di dalam sel sehingga lipid dapat bereaksi dengan metanol dalam kondisi subkritis tanpa menggunakan katalis asam. Sama hal nya juga dengan penelitian ini, semakin lama waktu reaksi maka massa crude biodiesel yang di dapatkan juga semakin tinggi. Ini dikarenakan semakin lama waktu reaksi maka minyak yang bereaksi akan semakin banyak pada kondisi air subkritis. Sedangkan untuk kondisi operasi dengan penambahan CO2 didapatkan massa crude biodiesel yang semakin menurun dengan waktu yang semakin lama. Hal ini disebabkan karena pada penambahan CO2 saat waktu reaksi diatas 3 jam baik pada suhu 200°C maupun 225°C didapatkan kondisi dedak padi yang gosong. Sehingga air subkritis belum sepenuhnya mengekstrak kandungan minyak didalam dedak padi karena kondisi dedak padi yang sudah gosong.
B. Pengaruh Waktu Reaksi dan Penambahan CO2 pada Kemurnian FAME
Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 200°C tanpa penambahan CO2 didapatkan kemurnian FAME-nya masing-masing 61,91%; 53,54%; dan 62,69%. Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 200°C dengan penambahan CO2 didapatkan kemurnian FAME-nya masing-masing 83,36%; 89,07%; dan 60,44%. Hasilnya dapat dilihat pada gambar 4.
Gambar. 4. Grafik hubungan antara waktu reaksi (jam) dengan kemurnian FAME pada suhu 200°C
Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 225°C tanpa penambahan CO2 didapatkan kemurnian FAME-nya masing-masing 62,18%; 69,74%; dan 20,56%. Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 225°C dengan penambahan CO2 didapatkan kemurnian FAME-nya masing-masing 70,62%; 83,84%; dan 87,19%. Hasilnya dapat dilihat pada gambar 5.
Gambar. 5. Grafik hubungan antara waktu reaksi (jam) dengan kemurnian FAME pada suhu 225°C
Pada gambar 4, dapat dilihat bahwa pada kondisi operasi 200°C tanpa penambahan CO2 kemurnian FAMEnya mengalami penurunan saat waktu operasi 3 jam kemudian naik kembali saat waktu operasi 5 jam. Karena perubahan kemurniannya tidak terlalu signifikan maka pada kondisi operasi ini belum dapat disimpulkan waktu reaksi tersebut terjadi kesetimbangan.
Untuk kondisi operasi 200°C dengan penambahan CO2 kemurnian FAMEnya mengalami peningkatan sampai pada waktu reaksi 3 jam tetapi mengalami penurunan pada saat waktu reaksi mencapai 5 jam. Hal ini disebabkan karena kesetimbangan reaksi sudah tercapai dalam waktu kurang lebih 3 jam, sehingga dalam waktu yang lebih lama dari 3 jam tidak akan menguntungkan karena tidak memperbesar hasil dan karena reaksi yang terjadi adalah reversible (bolak- balik), maka apabila sudah terjadi kesetimbangan, reaksi akan bergeser ke kiri, dan akan memperkecil produk yang diperoleh.
Pada gambar 5 dapat dilihat untuk kondisi operasi 225°C tanpa penambahan CO2 kemurnian FAMEnya mengalami peningkatan sampai pada waktu reaksi 3 jam tetapi mengalami penurunan pada saat waktu reaksi 5 jam. Hal ini disebabkan karena kesetimbangan reaksi sudah tercapai dalam waktu
Sedangkan untuk kondisi operasi 225°C dengan penambahan CO2 kemurnian FAME-nya terus meningkat bahkan ketika sudah mencapai waktu reaksi 5 jam. Hal ini disebabkan karena kesetimbangan reaksi belum terjadi pada waktu reaksi kurang dari 5 jam sehingga reaksi terus berlanjut.
C. Pengaruh Waktu Reaksi dan Penambahan CO2 pada Yield Biodiesel
Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 200°C tanpa penambahan CO2 didapatkan yield biodiesel masing-masing 56,64%; 52,54%; dan 63,16%. Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 200°C dengan penambahan CO2 didapatkan yield biodiesel masing-masing 94,16%; 86,33%; dan 56,33%. Hasilnya dapat dilihat pada gambar 6.
Gambar. 6. Grafik hubungan antara waktu reaksi (jam) dengan yield biodiesel pada suhu 200°C
Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 225°C tanpa penambahan CO2 didapatkan yield biodiesel masing-masing 45,06%; 58,17%; dan 19,97%. Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 225°C dengan penambahan CO2 didapatkan yield biodiesel masing-masing 64,65%; 73,49%; dan 68,37%. Hasilnya dapat dilihat pada gambar 7.
Gambar. 7. Grafik hubungan antara waktu reaksi (jam) dengan yield biodiesel pada suhu 225°C
Pada suhu 200oC, yield biodiesel tanpa penambahan CO2 mengalami peningkatan dan dengan penambahan CO2 mengalami penurunan. Pada suhu 225oC, yield biodiesel tanpa penambahan CO2 mengalami penurunan dan dengan penambahan CO2 mengalami peningkatan. Hal ini sebanding dengan peningkatan dan penurunan kemurnian FAME pada masing-masing suhu sehingga mempengaruhi yield biodiesel yang dihasilkan. Semakin tinggi kemurnian FAME maka semakin tinggi pula yield biodiesel yang dihasilkan, begitu pula sebaliknya.
D. Pengaruh Waktu Reaksi dan Penambahan CO2 pada % Free Fatty Acid
Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 200°C tanpa penambahan CO2 didapatkan persen FFA masing-masing 15,09%; 13,99%; dan 13,58%. Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 200°C dengan penambahan CO2 didapatkan persen FFA masing-masing 12,44%; 9,98%; dan 9,12%. Hasilnya dapat dilihat pada gambar 8.
Gambar. 8. Grafik hubungan antara waktu reaksi (jam) dengan %FFA pada suhu 200°C
Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 225°C tanpa penambahan CO2 didapatkan persen FFA masing-masing 14,78%; 13,51%; dan 12,61%. Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 225°C dengan penambahan CO2 didapatkan persen FFA masing-masing 17,09%; 12,34%; dan 11,11%. Hasilnya dapat dilihat pada gambar 9.
Gambar. 9. Grafik hubungan antara waktu reaksi (jam) dengan %FFA pada suhu 225°C
Dari gambar 8 dan 9, dapat dilihat kandungan FFA akan menurun seiring lamanya waktu reaksi baik pada kondisi operasi 200°C dan 225°C dengan penambahan CO2 ataupun tanpa CO2. Hal ini disebabkan karena pada proses in-situ dalam air dan metanol subkritis mengubah FFA yang terlarut dalam metanol menjadi biodiesel (Ozgul, 1993). Menurut hasil penelitian Tsigie, yang menggunakan microalga menjadi biodiesel dalam kondisi subkritis menyatakan bahwa semakin lama waktu reaksi maka %FFA semakin menurun walaupun dalam kondisi tanpa diaduk, hal ini disebabkan gliserida akan terhidrolisa. Dapat juga dilihat pada gambar bahwa dengan penambahan CO2 dapat mengurangi kandungan FFA-nya jika dibandingkan dengan kondisi operasi tanpa penambahan CO2. Hal ini disebabkan oleh CO2 yang bersifat oksida asam sehingga dapat berfungsi sebagai katalis saat reaksi Esterifikasi yang mengubah asam lemak bebas (FFA) menjadi biodiesel.
E. Pengaruh Waktu Reaksi dan Penambahan CO2 pada Massa Sisa Dedak Padi
Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 200°C tanpa penambahan CO2 didapatkan persen dedak padi sisa masing-masing 46,18%; 45,87%; dan 45,66%. Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 200°C dengan penambahan CO2 didapatkan persen dedak padi sisa masing-masing 32,48%; 31,35%; dan 26,51%. Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 225°C tanpa penambahan CO2 didapatkan persen dedak padi sisa masing-masing 34,15%; 31,45%; dan 30,30%. Untuk waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam pada 225°C dengan penambahan CO2 didapatkan persen dedak padi sisa masing-masing 33,90%; 30,47%; dan 28,87%. Hasilnya dapat dilihat pada gambar 9.
Gambar. 10. Grafik hubungan antara waktu reaksi (jam) dengan massa sisa dedak padi
Dari gambar 10 dapat dilihat massa sisa dedak padi yang sisa setelah waktu reaksi 1, 3 dan 5 jam tidak mengalami perubahan yang begitu signifikan pada semua kondisi operasi. Hal ini sesuai dengan penelitian Omid Pouralia (2010; Production of phenolic compounds from rice bran biomass under subcritical water conditions). Menurut hasil penelitian Omid Pouralia, massa sisa dedak padi cenderung konstan di sekitaran 40% ketika waktu reaksi sudah melebihi 15 menit
dan kondisi operasi 200°C.
IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Dari hasil penelitian dapat disimpulkan sebagai berikut :
1. Biodiesel telah didapatkan dari dedak padi dengan proses in-situ dalam air dan metanol subkritis tanpa penambahan katalis serta pengadukan.
2. Dengan penambahan CO2 dihasilkan FAME (biodiesel) yang lebih banyak baik pada suhu 200oC maupun 225oC.
3. Pada kondisi operasi 200oC tanpa penambahan CO2, yield dan kemurnian biodiesel mengalami penurunan dengan semakin lamanya waktu reaksi. Sedangkan dengan penambahan CO2, yield dan kemurnian biodiesel mengalami peningkatan seiring semakin lamanya waktu reaksi. Pada kondisi 225oC tanpa penambahan CO2, yield dan kemurnian biodiesel mengalami peningkatan dengan semakin lamanya waktu reaksi. Sedangkan dengan penambahan CO2, yield dan kemurnian biodiesel mengalami penurunan seiring semakin lamanya waktu reaksi.
4. Yield biodiesel tertinggi didapat sebesar 94,16% pada kondisi operasi 200oC dengan penambahan CO2 dan waktu reaksi 1 jam. Sedangkan kemurnian FAME tertinggi sebesar 89,07% pada kondisi operasi 200oC dengan penambahan CO2 dan waktu reaksi 3 jam. 5. Produksi biodiesel pada suhu operasi 200oC lebih baik
daripada 225oC.
Untuk penelitian selanjutnya sebaiiknya dilakukan pada suhu pemanas diantara 200oC sampai 225oC karena pada rentang suhu tersebut didapatkan dedak padi yang tidak gosong.
UCAPANTERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada bapak M. Rachimoellah dan ibu Siti Zullaikah yang telah banyak memberikan bimbingan dan masukan selama pengerjaan penelitian ini serta kepada bapak Zoelriadi dan Kaliawan dari POLINEMA yang membantu dalam analisa sampel.
DAFTARPUSTAKA
[1] Ju, Y.H., Vali, S.R., 2005. Rice bran oil as a potential resource for biodiesel: a review. J. Sci. Ind. Res. 64, 868–882.
[2] Ju, Y.H., Huynh, L.H., Tsigie, Y.A., Ho, Q.P., 2012. Synthesis of biodiesel in subcritical water and methanol. Fuel
[3] Juliano, B.O., 1985. “Rice Bran” In: Rice: Chemistry and Technology. 2nd Ed., American Association of Cereal Chemist, St. Paul, MN, p
647-687
[4] Kasim, N.S., Tsai, T.H., Gunawan, S., Ju, Y.H., 2009. Biodiesel production from rice bran oil and supercritical methanol. Bioresour. Technol. 100, 2007–2011.
[5] Lai, C.C., Zullaikah, S., Vali, S.R., Ju, Y.H., 2005. Lipase-catalyzed production of biodiesel from rice bran oil. J. Chem. Technol. Biotechnol. 80, 331–337.
[6] Lei, H., Ding, X., Zhang, H., Chen, X., Li, Y., Zhang, H., Wang, Z., 2009. In situ production of fatty acid methyl ester from low quality rice bran: An economical route for biodiesel production. Fuel
Fluids 46 (2008) 299-321.
[10] Shiu, P. J., Gunawan, S., Hsieh, W.H., Kasim, N.S., 2009. Biodiesel production from rice bran by a two-step in-situ process. Bioresour. Technol. 101, 984 - 989.
[11] Sinha, Shailendra, Avinash Kumar A., sanjeev Garg, 2006, Biodiesel development from rice bran oil: Transesterification process optimization and fuel characterization, Energy Conversion and Management 49 (2008) 1248–1257
[12] Toor, S.S., Rosendahl, L., Rudolf, A., 2010. Hydrothermal liquefaction of biomass : A review of subcritical water technologies. Energy 36 (2011) 2328-2342
[13] Trentin CM, Lima AP, Alkimim IP, da Silva C, de Castilhos F, Mazutti MA, et al. Continuous catalyst-free production of fatty acid ethyl esters from soybean oil in microtube reactor using supercritical carbon dioxide as co-solvent. J. Supercritical Fluids 2011;56:283–91.
[14] Zullaikah, S., Lai, C.C., Vali, S.R., Ju, Y.H., 2005. A two-step acid-catalyzed process for the production of biodiesel from rice bran oil. Bioresour. Technol. 96, 1889–1896.
