PEMBUATAN BIODIESEL DARI MINYAK BIJI KARET
MENGGUNAKAN KATALIS BERBAHAN DASAR GULA
Disusun Oleh:
Herry Santoso, S.T., M.T.M., Ph.D.
Dra. Maria Inggrid, M.Sc.
Dr. Ir. Judy Retti Witono, M.App.Sc.
Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat
Universitas Katolik Prahayangan
2013
ABSTRAK
Indonesia merupakan salah satu produsen karet terbesar di dunia. Selama ini hasil utama yang diambil dari tanaman karet adalah latex. Sementara itu, biji karet masih belum dimanfaatkan dan dibuang sebagai limbah. Biji karet mengadung sekitar 40-50%-b minyak nabati yang dapat diolah menjadi biodiesel. Akan tetapi, minyak biji karet memiliki kandungan asam lemak bebas yang tinggi. Minyak dengan kandungan asam lemak bebas yang tinggi kurang ekonomis untuk diolah menjadi biodiesel menggunakan proses konvensional berkatalis basa karena adanya reaksi samping penyabunan. Untuk mengatasi hal ini, pembuatan biodiesel dari minyak biji karet dapat dilakukan dengan menggunakan katalis asam. Akan tetapi, penggunaan katalis asam homogen seperti asam sulfat menimbulkan masalah korosi, sedangkan penggunaan katalis asam heterogen cenderung sangat mahal.
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengembangkan proses pembuatan biodiesel dari minyak biji karet dengan menggunakan katalis asam heterogen berbahan dasar gula. Secara khusus, hal ini meliputi: (1) mempelajari dan mengoptimasi proses pengambilan minyak biji karet baik dengan menggunakan teknik ekstraksi maupun pengempaan; (2) mempelajari dan mengoptimasi proses pembuatan katalis asam heterogen berbahan dasar gula dengan menggunakan proses pirolisis yang dilanjutkan dengan proses sulfonasi; dan (3) mempelajari dan mengoptimasi proses pembuatan biodiesel dari minyak biji karet menggunakan katalis berbahan dasar gula dengan menggunakan proses satu tahap maupun dua tahap.
Target akhir penelitian ini adalah diperolehnya pemahaman yang mendalam mengenai proses pembuatan biodiesel dari minyak biji karet dengan menggunakan katalis berbahan dasar gula. Hal ini sangat berguna dalam perancangan dan pengembangan proses pembuatan biodiesel dari minyak biji karet maupun dari berbagai minyak nabati non pangan lainnya yang ada di Indonesia yang memiliki permasalahan serupa.
Fokus utama penelitian pada tahun pertama dari rencana tiga tahun penelitian ini adalah untuk mempelajari cara pengambilan minyak biji karet menggunakan metode pengepresan maupun metode ekstraksi. Beberapa informasi mengenai perolehan minyak biji karet maupun kondisi operasi optimum proses pengambilan minyak biji karet sudah diperoleh. Sifat fisik dan kimia minyak biji karet, meliputi kandungan asam lemak bebas, viskositas dan densitas juga sudah didapatkan. Pada tahap selanjutnya, penelitian akan diarahkan pada pengembangan katalis asam heterogen berbahan dasar gula dan pengembangan proses untuk pembuatan biodiesel dari minyak biji karet.
DAFTAR ISI
Abstrak ii
Daftar Isi iii
Daftar Tabel v Daftar Gambar vi Bab I Pendahuluan 1 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Tujuan Penelitian 2 1.3 Urgensi Penelitian 2
Bab II Tinjauan Pustaka 3
2.1 Biodiesel 3
2.2 Minyak Biji Karet 4
2.3 Katalis Dalam Pembuatan Biodiesel 5
2.3.1 Katalis Basa 5
2.3.2 Katalis Asam 6
2.4 Katalis Berbahan Dasar Gula 6
2.5 Road Map Penelitian 7
Bab III Metode Penelitian 9
4.1 Pengambilan Minyak Biji Karet 9
4.2 Pembuatan Katalis 10
4.3 Pembuatan Biodiesel 11
Bab IV Jadwal Kegiatan Dan Indikator Capaian Tahunan 12
Bab V Hasil Dan Pembahasan 15
5.1 Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Mesin Press Hidrolik 15
5.1.1 Prosedur Kerja 15
5.1.2 Rancangan Percobaan 16
5.1.3 Hasil Percobaan 17
5.1.4 Analysis of Variance (ANOVA) 18 5.1.5 Kandungan Asam Lemak Bebas Pada Minyak Biji Karet 20 5.1.6 Viskositas Dan Densitas Minyak Biji Karet 20 5.2 Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Metode Ekstraksi 21
5.2.1 Prosedur Kerja 21
5.2.2 Rancangan Percobaan 21
5.2.3 Hasil Percobaan Ekstraksi Menggunakan Pelarut CH2Cl2 22
5.2.4 Analysis of Variance (ANOVA) Ekstraksi Menggunakan Pelarut
CH2Cl2 22
5.2.5 Hasil Percobaan Ekstraksi Menggunakan Pelarut n-Heksana 24 5.2.6 Analysis of Variance (ANOVA) Ekstraksi Menggunakan Pelarut
n-Heksana 25
5.2.7 Kandungan Asam Lemak Bebas Pada Minyak Biji Karet 27 5.2.8 Viskositas Dan Densitas Minyak Biji Karet 27 5.2.9 Perbandingan Proses Ekstraksi Menggunakan Pelarut CH2Cl2 dan
Bab VI Rencana Tahapan Berikutnya 29
6.1 Pengembangan Katalis 29
6.2 Pengembangan Proses Pembuatan Biodiesel 30
Bab VII Kesimpulan 32
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat Fisik dan Kimia Biodiesel dan Petrodiesel 3 Tabel 2.2 Komposisi Asam Lemak dalam Minyak Biji Karet 4
Tabel 4.1 Rancangan Penelitian 12
Tabel 5.1 Variabel Percobaan Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Mesin
Press Hidrolik 17
Tabel 5.2 Hasil Percobaan Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Mesin
Press Hidrolik 17
Tabel 5.3 ANOVA Percobaan Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Mesin
Press Hidrolik 18
Tabel 5.4 Viskositas dan Densitas Minyak Biji Karet 21 Tabel 5.5 Variabel Percobaan Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan
Metode Ekstraksi 21
Tabel 5.6 Hasil Percobaan Ekstraksi Menggunakan Pelarut CH2Cl2 22
Tabel 5.7 ANOVA Ekstraksi Menggunakan Pelarut CH2Cl2 22
Tabel 5.8 Hasil Percobaan Ekstraksi Menggunakan Pelarut n-Heksana 24 Tabel 5.9 ANOVA Ekstraksi Menggunakan Pelarut n-Heksana 25 Tabel 5.10 Kadar FFA Minyak Biji Karet Hasil Proses Ekstraksi 27 Tabel 5.11 Viskositas dan Densitas Minyak Biji Karet Hasil Proses Ekstraksi 28 Tabel 6.1 Rancangan Percobaan Pembuatan Katalis Asam Heterogen 30 Tabel 6.2 Rancangan Percobaan Proses Pembuatan Biodiesel Tahap I 31
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Pohon, Biji dan Getah Karet 4 Gambar 2.2 Road Map Penelitian Pengolahan Minyak-minyak Non-pangan Indonesia 8 Gambar 3.1 Skema Pembuatan Katalis Gula 10 Gambar 5.1 Diagram Alir Proses Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan
Mesin Press Hidrolik 15
Gambar 5.2 Pengaruh Variabel Percobaan Terhadap Rendemen Pada Proses
Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Mesin Press Hidrolik 19 Gambar 5.3 Pengaruh Lama Penyimpanan (Urutan Run) Terhadap Kadar FFA 20 Gambar 5.4 Pengaruh Variabel Percobaan Terhadap Rendemen Pada Proses Ekstraksi
Menggunakan Pelarut CH2Cl2 23
Gambar 5.5 Pengaruh Variabel Percobaan Terhadap Rendemen Pada Proses Ekstraksi
BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar BelakangEnergi merupakan salah satu kebutuhan penting dalam kehidupan manusia. Sebagian besar kebutuhan energi masih dipasok dari sumber alam yang tidak terbarukan seperti minyak bumi, gas alam, dan batu bara yang cepat atau lambat pasti akan habis ketersediaannya. Berbagai upaya terus dilakukan untuk mencari dan mengembangkan sumber energi alternatif yang terbarukan. Salah satunya adalah biodiesel.
Biodiesel merupakan bahan bakar alternatif terbarukan yang diproduksi dari minyak nabati atau lemak hewani. Sebagai negara yang kaya akan sumber daya alam hayati, Indonesia memiliki banyak sekali sumber minyak nabati yang dapat digunakan sebagai bahan baku dalam proses pembuatan biodiesel. Sebagai contoh, Indonesia merupakan salah satu negara penghasil karet terbesar di dunia dengan total produksi pada tahun 2007 mencapai 2,55 juta ton/tahun. Selama ini hasil utama yang diambil dari tanaman karet adalah latex. Sementara biji karet masih belum dimanfaatkan dan dibuang sebagai limbah. Biji karet mengadung sekitar 40-50%-b minyak nabati yang sangat potensial untuk dikembangkan menjadi bahan baku pembuatan biodiesel.
Terdapat dua metode yang umum digunakan dalam pengambilan minyak biji karet yaitu metode pengepresan dan metode ekstraksi. Pada metode pengepresan, proses pengambilan minyak biji karet hanya melibatkan proses mekanik menggunakan mesin pengepresan tipe hidrolik atau ulir. Pada metode ekstraksi, proses pengambilan minyak biji karet melibatkan penggunakan pelarut untuk melarutkan minyak yang terkandung di dalam biji karet. Pada proses ekstraksi, rendemen minyak yang diperoleh dapat lebih tinggi dibandingkan proses pengepresan. Namun karena pengoperasian metode ekstraksi lebih rumit dan lebih banyak membutuhkan biaya, pada industri skala kecil proses pengambilan minyak dengan metode pengepresan lebih banyak digunakan.
Salah satu kendala dalam pemanfaatan minyak biji karet sebagai bahan baku pembuatan biodiesel adalah kandungan asam lemak bebasnya yang tinggi. Dalam proses pembuatan biodiesel secara konvensional, minyak nabati direaksikan dengan alkohol rantai pendek melalui reaksi transesterifikasi menggunakan katalis basa menghasilkan biodiesel. Namun katalis basa hanya bekerja dengan baik pada bahan baku minyak dengan kadar asam lemak bebas rendah yaitu < 0,5% dan dalam kondisi bebas dari air (Lotero et al., 2005). Untuk minyak nabati dengan kandungan asam lemak bebas yang tinggi, penggunaan katalis basa dapat menyebabkan reaksi samping penyabunan yang pada akhirnya dapat menurunkan perolehan produk biodiesel dan keekonomian proses secara sangat signifikan.
Katalis asam dapat digunakan sebagai alternatif dalam pembuatan biodiesel dari bahan baku minyak dengan kandungan asam lemak bebas yang tinggi. Katalis asam yang digunakan dapat berupa katalis asam homogen maupun katalis asam heterogen. Katalis asam homogen lebih jarang digunakan karena reaksi dengan katalis ini berjalan lambat, memerlukan temperatur yang tinggi dan bersifat korosif (Lotero et al., 2005). Katalis asam heterogen dapat dijadikan solusi dalam pembuatan biodiesel karena bersifat lebih tidak korosif, tidak membutuhkan proses pemisahan yang mahal, serta dapat mengurangi dampak pencemaran lingkungan.
Meskipun penggunaan katalis asam heterogen memiliki banyak keuntungan yang menjanjikan namun harga katalis asam heterogen relatif mahal. Oleh karena itu diperlukan
upaya lebih lanjut untuk mengembangkan katalis asam heterogen dengan performa yang tinggi namun dengan harga yang lebih ekonomis.
Belakangan ini terdapat penelitian yang menyebutkan bahwa biodiesel dapat diproduksi dengan menggunakan katalis asam heterogen berbahan dasar gula (Toda et al., 2005). Gula merupakan bahan alami yang tersedia melimpah dengan harga relatif murah. Katalis asam heterogen dapat dibuat dengan menggunakan gula sebagai bahan dasarnya melalui proses pirolisis yang dilanjutkan dengan proses sulfonasi. Akan tetapi, informasi mengenai kondisi optimum pembuatan katalis asam heterogen berbahan dasar gula tersebut serta karakteristik dan kinerjanya dalam pembuatan biodiesel masih sangat terbatas.
Dalam penelitian ini, proses pembuatan biodiesel dari minyak biji karet dengan menggunakan katalis asam heterogen berbahan dasar gula akan dipelajari dan dikembangkan untuk mendapatkan kondisi operasi yang optimum dalam proses pengambilan minyak biji karet, dalam proses pembuatan katalis asam heterogen berbahan dasar gula, maupun dalam proses pembuatan biodiesel itu sendiri.
1.2Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengembangkan proses pembuatan biodiesel dari minyak biji karet dengan menggunakan katalis asam heterogen berbahan dasar gula. Secara khusus, hal ini meliputi:
1. Mempelajari dan mengoptimasi proses pengambilan minyak biji karet baik dengan menggunakan teknik ekstraksi maupun pengempaan;
2. Mempelajari dan mengoptimasi proses pembuatan katalis asam heterogen berbahan dasar gula dengan menggunakan proses pirolisis yang dilanjutkan dengan proses sulfonasi; dan 3. Mempelajari dan mengoptimasi proses pembuatan biodiesel dari minyak biji karet
menggunakan katalis berbahan dasar gula baik dengan menggunakan proses satu tahap maupun dua tahap.
1.3Urgensi Penelitian
Penelitian ini dilakukan untuk memperoleh pemahaman yang mendalam mengenai proses pembuatan biodiesel dari minyak biji karet dengan menggunakan katalis asam heterogen berbahan dasar gula. Informasi yang diperoleh dari penelitian ini sangat berguna untuk perancangan dan pengembangan proses pembuatan biodiesel yang lebih ramah lingkungan. Selain itu, hasil penelitian yang diperoleh juga dapat membuka peluang untuk eksplorasi dan pemanfaatan berbagai minyak nabati non pangan yang ada di Indonesia yang umumnya memilik kandungan asam lemak bebas cukup tinggi untuk pembuatan biodiesel pada masa yang akan datang.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1BiodieselBiodiesel merupakan bahan bakar alternatif untuk mesin diesel yang diproduksi dengan reaksi transesterifikasi dan esterifikasi minyak nabati atau lemak hewani dengan alkohol rantai pendek seperti metanol. Reaksinya membutuhkan katalis yang umumnya merupakan basa kuat, sehingga akan memproduksi senyawa kimia baru yang disebut metil ester (Van Gerpen, 2005).
Kelebihan biodiesel dibandingkan dengan petrodiesel antara lain: (1) Biodiesel berasal dari sumber daya alam yang dapat diperbaharui; (2) Biodiesel memiliki kandungan aromatik dan sulfur yang rendah (Ma & Hanna, 1999); (3) Biodiesel memiliki cetane number yang tinggi (Zhang et al., 2003). Beberapa sifat fisik dan kimia biodiesel dan petrodiesel disarikan dalam Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Sifat Fisik dan Kimia Biodiesel dan Petrodiesel (Demirbas, 2009)
Sifat Metode ASTM D975
(Petrodiesel)
ASTM D6751 (Biodiesel)
Titik nyala D93 325K min 403K min Air dan sedimen D2709 0,050 max %vol 0,050 max %vol Viskositas kinematik (313 K) D445 1,3-4,1 mm2/s 1,9-6,0 mm2/s Massa jenis D1298 - 0.860-0.900 Abu sulfat D874 - 0.02 max %mass Abu D482 0.01 max %mass -
Sulfur D5453 D2622/129 0.05 max %mass - - 0.05 max %mass Korosi pada tembaga D130 No. 3 max No. 3 max Bilangan Cetane D613 40 min 47 min Aromatisitas D1319 35 max %vol - Residu karbon D4530 D524 - 0.35 max %mass 0.05 max %mass -
Temperatur distilasi (90%vol) D1160 555K min 611K max
- -
Meskipun biodiesel merupakan sumber energi yang terbaharukan dan memiliki kandungan energi yang mirip dengan petrodiesel, namun karena biodiesel dibuat dari minyak nabati yang juga sangat luas dimanfaatkan sebagai bahan pangan menyebabkan ketersediaan minyak nabati segar sebagai bahan baku pembuatan biodiesel menjadi sangat terbatas. Keterbatasan ini menjadi salah satu kendala utama dalam proses pembuatan biodiesel.
Di sisi lain, sebagai negara yang kaya akan sumber daya alam hayati, Indonesia memiliki banyak sekali sumber minyak nabati yang dapat digunakan sebagai bahan baku dalam proses pembuatan biodiesel. Salah satu minyak nabati yang sangat potensial untuk dikembangkan sebagai bahan baku pembuatan biodiesel adalah minyak biji karet.
2.2Minyak Biji Karet
Indonesia merupakan salah satu negara penghasil karet terbesar di dunia dengan total produksi pada tahun 2007 mencapai 2,55 juta ton/tahun. Luas seluruh area perkebunan karet di Indonesia mencapai 3,4 juta hektar yang merupakan luas area perkebunan karet terbesar di dunia. Dalam industri karet, hasil utama yang diambil dari tanaman karet adalah latex. Sementara itu biji karet masih belum dimanfaatkan dan dibuang sebagai limbah.
Tanaman karet dapat menghasilkan 800 biji karet untuk setiap pohonnya per tahun. Pada lahan seluas 1 hektar, dapat ditanami sebanyak 400 pohon karet. Maka untuk lahan seluas 1 hektar diperkirakan dapat menghasilkan 5.050 kg biji karet per tahunnya (Siahaan, et al., 2011). Gambar pohon, biji dan getah karet dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Biji karet mengadung sekitar 40-50%-b minyak nabati dengan komposisi asam lemak yang dominan adalah asam oleat dan asam linoleat, sementara sisanya berupa asam palmitat, asam stearat, asam arachidat dan asam lemak lainnya. Tabel 2.2 merangkumkan komposisi asam lemak dalam minyak biji karet (Setyawardhani et al., 2010).
Tabel 2.2 Komposisi Asam Lemak dalam Minyak Biji Karet
Komposisi Persentase (%-b) Asam Palmitat 13,11 Asam Stearat 12,66 Asam Arachidat 0,54 Asam Oleat 39,45 Asam Linoleat 33,12 Asam lemak lainnya 1,12
Salah satu kendala dalam pemanfaatan minyak biji karet sebagai bahan baku pembuatan biodiesel adalah kandungan asam lemak bebasnya yang tinggi. Dalam proses pembuatan biodiesel secara konvensional, minyak nabati direaksikan dengan alkohol rantai pendek melalui reaksi transesterifikasi menggunakan katalis basa menghasilkan biodiesel. Namun katalis basa hanya bekerja dengan baik pada bahan baku minyak dengan kadar asam lemak bebas rendah yaitu < 0,5% dan dalam kondisi bebas dari air (Lotero et al., 2005). Untuk minyak nabati dengan kandungan asam lemak bebas yang tinggi, penggunaan katalis
basa dapat menyebabkan reaksi samping penyabunan yang pada akhirnya dapat menurunkan perolehan produk biodiesel dan keekonomian proses secara keseluruhan.
2.3Katalis Dalam Pembuatan Biodiesel
Dalam reaksi pembuatan biodiesel diperlukan katalis karena reaksi cenderung berjalan lambat. Katalis berfungsi menurunkan energi aktifasi reaksi sehingga reaksi dapat berlangsung lebih cepat. Katalis yang digunakan dalam pembuatan biodiesel dapat berupa katalis basa maupun katalis asam. Dengan katalis basa reaksi berlangsung pada suhu kamar sedangkan dengan katalis asam reaksi baru berjalan baik pada suhu sekitar 100°C. Bila tanpa katalis, reaksi membutuhkan suhu minimal 250°C (Kirk & Othmer, 1980).
2.3.1 Katalis Basa
Terdapat dua jenis katalis basa yang umum digunakan dalam pembuatan biodiesel, yaitu katalis basa homogen dan heterogen. Katalis basa homogen merupakan katalis basa yang memiliki fasa yang sama dengan reaktan dan produk reaksinya. Katalis basa homogen memiliki kelebihan yakni suhu dan tekanan yang dibutuhkan dalam reaksi relatif rendah. Katalis basa homogen yang biasa digunakan dalam pembuatan biodiesel adalah NaOH (natrium hidroksida) dan KOH (kalium hidroksida). Beberapa katalis basa heterogen yang juga dapat digunakan dalam pembuatan biodiesel adalah CaZrO3, Al2O3–SnO, Li/MgO, Al2O3/KI, KOH/Al2O3, KOH/NaY dan K2CO3 tersuport alumina/silika.
Keuntungan dari katalis basa adalah kemampuan katalisatornya yang tinggi dan harganya yang relatif lebih murah dibandingkan dengan katalis asam. Akan tetapi untuk mendapatkan performa proses yang optimum, penggunaan katalis basa dalam reaksi transesterifikasi memiliki beberapa persyaratan penting, diantaranya alkohol yang digunakan harus dalam keadaan anhidrous dengan kandungan air < 0,1–0,5%. Selain itu, minyak yang digunakan harus memiliki kandungan asam lemak bebas < 0,5%. Keberadaan air dalam reaksi transesterifikasi sangat penting untuk diperhatikan karena dengan adanya air, alkil ester yang terbentuk akan terhidrolisis menjadi asam lemak bebas. Lebih lanjut, kehadiran asam lemak bebas dalam sistem reaksi dapat menyebabkan reaksi penyabunan yang sangat menggangu dalam proses pembuatan biodiesel.
Dengan demikian dalam pembuatan biodiesel menggunakan katalis basa, pemilihan umpan minyak sebagai bahan baku menjadi sangat penting untuk diperhatikan. Penggunaan minyak biji karet yang umumnya memiliki nilai asam lemak bebas sekitar 16% ataupun lemak hewan yang memiliki nilai asam lemak bebas sekitar 5–30%, serta beberapa jenis minyak nabati yang memiliki kualitas yang rendah dengan kandungan asam lemak bebas sangat tinggi akan menyebabkan reaksi penyabunan.
Reaksi penyabunan dapat terjadi ketika umpan dengan kandungan asam lemak bebas tinggi bereaksi dengan katalis basa atau alkali membentuk sabun dan air seperti pada reaksi berikut ini:
R-COOH + KOH → R-COOK + H2O (Asam Lemak Bebas) (Alkali) (Sabun) (Air)
Akibat reaksi samping ini, katalis basa harus terus ditambahkan karena sebagian katalis basa habis bereaksi membentuk produk samping berupa sabun. Lebih lanjut, kehadiran sabun akan menjadi penghambat dalam pemisahan produk biodiesel dari campuran
reaksi karena menyebabkan terjadinya pembentukan emulsi. Hal ini secara signifikan menurunkan keekonomian proses pembuatan biodiesel dengan menggunakan katalis basa.
2.3.2 Katalis Asam
Alternatif lain yang dapat digunakan untuk pembuatan biodiesel dengan umpan yang mengandung asam lemak bebas tinggi adalah dengan menggunakan katalis asam. Selain berfungsi untuk mengkatalisis reaksi transesterifikasi dalam pembuatan biodiesel, katalis asam juga dapat mengkatalisis reaksi esterifikasi asam lemak bebas menjadi biodiesel mengikuti reaksi berikut ini:
R-COOH + CH3OH → R-COOCH3 + H2O (Asam Lemak Bebas) (Metanol) (Biodiesel) (Air)
Katalis asam yang biasa digunakan dalam pembuatan biodiesel juga terbagi dalam dua jenis, yaitu katalis asam homogen dan heterogen. Katalis asam homogen yang biasa digunakan dalam pembuatan biodiesel adalah asam sulfat. Terdapat beberapa kekurangan pada katalis asam homogen yang menyebabkan katalis jenis ini relatif jarang dipakai dalam pembuatan biodiesel antara lain: bersifat sangat korosif, sulit dipisahkan dari produk dan dapat ikut terbuang dalam pencucian sehingga tidak dapat digunakan kembali sekaligus dapat menyebabkan terjadinya pencemaran lingkungan. Katalis heterogen merupakan katalis yang memiliki fasa yang berbeda dengan reaktan dan produk reaksinya. Katalis asam heterogen seperti Zeolit, La/Zeolit beta, MCm–41, Amberlyst–15, dan Nafion adalah katalis yang dapat digunakan dalam proses pembuatan biodiesel (Shu et al., 2010).
Masalah yang timbul akibat penggunaan katalis asam homogen secara umum dapat diatasi dengan menggunakan katalis asam heterogen. Keuntungan penggunaan katalis asam heterogen dalam pembuatan biodiesel dapat diringkas sebagai berikut (Shu et al., 2010): (1) Katalis dapat digunakan kembali; (2) Tidak terbentuk produk samping berupa sabun dari asam lemak bebas; (3) Meningkatkan perolehan dan kemurnian produk; (4) Pemurnian jauh lebih mudah dan dapat menekan biaya peralatan, karena peralatan pemurnian dapat banyak berkurang; dan (5) Tidak banyak katalis yang hilang dalam proses pembuatan biodiesel.
Namun terdapat kendala dalam penggunaan katalis asam heterogen yakni harganya yang relatif mahal. Selain itu katalis ini biasanya bersifat hidrofilik dan merupakan padatan asam oksida inorganik dengan gugus hidroksil –OH yang berperan sebagai asam kuat Bronsted. Keaktifan katalis asam ini akan berkurang akibat hidrasi –OH oleh air yang terbentuk dalam reaksi esterifikasi asam lemak bebas.
2.4Katalis Berbahan Dasar Gula
Katalis berbahan dasar gula adalah material karbon tersulfonasi sehingga merupakan jenis katalis asam heterogen yang kuat. Material ini bisa didapat dari hasil karbonisasi dan sulfonasi senyawa hidrokarbon polisiklik. Katalis dari material karbon tersulfonasi ini menunjukkan aktivitas yang sangat baik dalam beberapa macam reaksi berkatalis asam seperti pada reaksi pembuatan biodiesel.
Dalam pengujian untuk pembuatan biodiesel, katalis ini menunjukkan keaktifan setengah kali dibandingkan dengan katalis asam sulfat dan jauh lebih tinggi dibandingkan dengan katalis asam heterogen konvensional lainnya. Katalis padat yang dapat didaur ulang seperi Nafion, merupakan katalis asam heterogen yang sangat baik, namun harganya sangat mahal. Karbon naftalen tersulfonasi merupakan katalis asam heterogen yang telah berhasil
digunakan sebagai katalis dalam pembentukkan etil asetat, namun katalis ini merupakan bahan yang lunak dan molekul aromatiknya dapat terpisahkan pada kondisi temperatur di atas 100°C sehingga aktivitas katalistisnya akan hilang. Masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan katalis dengan bahan dasar gula (Toda et al., 2005).
Material karbon dalam pembuatan katalis asam heterogen ini dapat diproduksi dari gula, pati atau selulosa terkarbonisasi. Karbonisasi tidak sempurna dari produk alami seperti gula, pati, atau selulosa dapat menghasilkan material karbon yang kuat yang terdiri dari karbon polisiklik kecil dalam struktur tiga dimensi dengan ikatan sp3. Sulfonasi dari material ini akan menghasilkan padatan yang stabil dengan massa jenis sisi aktif yang besar. Dengan demikian, proses karbonisasi dan sulfonasi yang baik dari senyawa sakarida akan menghasilkan struktur karbon yang stabil dengan densitas gugus –SO3H yang besar (Liu et al., 2010). Hasilnya adalah katalis berperforma tinggi yang bisa didapatkan dari molekul alami yang murah dan melimpah, terdiri dari karbon amorphous tersulfonasi, dan dapat didaur ulang (Toda et al., 2005).
2.5Road Map Penelitian
Penelitian ini merupakan bagian dari penelitian di bidang Energi Baru dan Terbarukan yang merupakan salah satu bidang Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi yang ada di Universitas Katolik Parahyangan.
Sebagaimana yang telah disebutkan di atas, sebagai negara yang kaya akan sumber daya alam hayati, Indonesia memiliki banyak sekali sumber minyak nabati yang dapat digunakan sebagai bahan baku dalam proses pembuatan biodiesel. Salah satu minyak nabati yang sudah banyak dipakai sebagai bahan baku pembuatan biodiesel adalah minyak sawit. Akan tetapi, persaingan antara penggunaan minyak nabati tersebut sebagai bahan pangan dengan penggunaannya sebagai bahan baku biodiesel menyebabkan harga komoditi tersebut semakin tinggi di pasaran. Persaingan semacam itu dapat mengancam ketahanan energi maupun pangan. Oleh karena itu, perlu dilakukan upaya diversifikasi untuk menemukan sumber-sumber minyak nabati lainnya berupa pohon-pohonan yang dapat menghasilkan minyak secara produktif, namun bukan merupakan minyak pangan, untuk dipakai sebagai bahan baku dalam pembuatan biodiesel.
Beberapa minyak nabati yang potensial yang pohonnya mudah tumbuh dan menghasilkan minyak secara produktif antara lain minyak biji karet, minyak biji kapok, minyak biji kepoh, minyak kemiri, minyak kemiri sunan, nyamplung, mabai, dsb. Akan tetapi minyak-minyak non-pangan tersebut memiliki beberapa kekurangan jika langsung disintesa menjadi biodiesel. Kekurangan tersebut antara lain: (1) sebagian besar minyak tersebut memiliki kandungan asam lemak bebas yang tinggi sehingga kurang ekonomis jika diproses menjadi biodiesel menggunakan cara konvensional berkatalis basa; (2) sebagian minyak tersebut mengandung gugus siklopropenoid (seperti biji kapok dan kepoh) sehingga jika dibuat menjadi biodiesel akan menghasilkan bahan bakar yang mudah terpolimerisasi yang dapat mengakibatkan timbulnya endapan di tangki bahan bakar serta penyumbatan pada injektor mesin diesel; (3) sebagian minyak tersebut yang memiliki kadar asam lemak tak jenuh ganda (polyunsaturated fatty acids) yang tinggi (seperti kemiri sunan) sehingga jika dijadikan biodiesel akan didapat produk dengan kestabilan oksidator dan termal yang rendah.
Selain minyak-minyak yang disebutkan di atas, salah satu sumber minyak dari sektor kehutanan yang cukup potensial untuk diubah menjadi bahan bakar cair adalah minyak terpentin yang mengandung cukup banyak hidrokarbon terpen. Jika diolah dengan tepat, yaitu dengan menjenuhkan ikatan rangkap dua yang ada dalam struktur mono- dan bi- siklik hidrokarbon tersebut, akan diperoleh produk bahan bakar cair yang setara dengan kerosin
bahkan dapat dipakai untuk substitusi Avtur. Dengan demikian pengolahan tersebut dapat menaikkan nilai ekonomi dari minyak terpentin dan juga berguna untuk menambah ketahanan energi Indonesia di masa depan dari sumber-sumber terbarukan.
Berikut ini adalah diagram singkat road map penelitian pengolahan minyak-minyak non-pangan Indonesia sebagai sumber energi alternatif terbarukan.
Gambar 2.2 Road Map Penelitian Pengolahan Minyak-minyak Non-pangan Indonesia Proses Hidrogenasi
Elektrokimia (dengan arus searah, secara batch)
Minyak Non Pangan
Proses Hidrogenasi Perpindahan (batch dengan bantuan katalis
padatan dan larutan donor) Minyak bergugus siklopropenoid Biodiesel (dengan kestabilan oksidasi dan termal yang baik / memenuhi standar mutu) Proses Hidrogenasi Elektrokimia (dengan arus
searah, secara batch) Minyak berkadar asam lemak tak jenuh ganda tinggi HC terpen dari minyak terpentin Bahan Bakar Minyak Tanah / Substitusi Avtur Minyak dengan kandungan asam lemak bebas tinggi Pembuatan biodiesel dengan katalis asam heterogen menggunakan
proses satu atau dua tahap
BAB III
METODE PENELITIAN
Berikut ini akan dijelaskan secara berurutan prosedur percobaan dan metode analisis dalam proses pengambilan minyak biji karet, proses pembuatan katalis, dan proses pembuatan biodiesel.
3.1Pengambilan Minyak Biji Karet
Untuk mendapatkan perolehan minyak yang tinggi, terhadap biji karet perlu dilakukan pengecilan ukuran terlebih dahulu. Selanjutnya, pengambilan minyak biji karet dapat dilakukan dengan salah satu metode berikut ini:
1. Pengempaan
Sebelum dikempa, biji karet harus dikeringkan terlebih dahulu untuk mengurangi kandungan air yang cukup besar yang terdapat di dalamnya yang dapat memicu terjadinya hidrolisa trigliserida menjadi asam lemak bebas. Setelah itu, biji karet dikempa menggunakan alat atau mesin pengempa hidrolik dengan tekanan mencapai 320 kg/cm2 untuk mengeluarkan minyak yang ada di dalamnya. Perolehan minyak biji karet dengan menggunaan metode ini umumnya tidak terlalu besar.
2. Ekstraksi
Metode ekstraksi dapat dilakukan menggunakan pelarut heksan yang dikontakkan langsung dengan biji karet. Sebelum minyak biji karet diolah menjadi biodiesel, minyak tersebut perlu dipisahkan dari pelarut heksan dengan menggunakan evaporator pada suhu 70oC. Uap heksan kemudian dikondensasikan untuk digunakan kembali dalam proses ekstraksi berikutnya. Kelebihan dari metode ini adalah perolehan minyak yang dihasilkan lebih besar dibandingkan dengan metode pengempaan. Kekurangan dari metode ini adalah diperlukannya proses pemisahan yang membutuhkan energi untuk memisahkan minyak dari pelarutnya.
Dalam penelitian ini, kondisi operasi dalam proses pengambilan minyak biji karet khususnya dengan metode ekstraksi (misalnya: temperatur, jumlah dan jenis pelarut, dsb) akan dioptimasi untuk mendapatkan perolehan minyak biji karet yang optimum.
Sebelum dipakai sebagai bahan baku pembuatan biodiesel, minyak biji karet yang dihasilkan perlu dianalisis untuk mengetahui kandungan asam lemak bebas yang ada di dalamnya. Sampel minyak biji karet ditambahkan dengan isopropil alkohol 96% dan indikator fenolftalein dititrasi dengan larutan NaOH hingga berubah warna menjadi merah jambu. Volume NaOH yang dibutuhkan dicatat untuk kemudian dipakai dalam menentukan kandungan asam lemak bebas pada sampel minyak biji karet dengan menggunakan persamaan berikut: % 100 (%) sampel lemak asam NaOH NaOH× × × = m MW N V FFA (3.1)
(%) 10 Asam Bilangan lemak asam K FFA MW MW OH × × = (3.2)
Selain kandungan asam lemak bebas, minyak biji karet perlu juga diukur sifat fisik dan kimianya seperti densitas, viskositas, komposisi kimia, dan lain sebagainya.
3.2Pembuatan Katalis
Katalis yang akan digunakan dalam percobaan pembuatan biodiesel dari minyak biji karet adalah katalis berbahan dasar gula. Pembuatan katalis berbahan dasar gula dilakukan dengan proses pirolisis dimana gula yaitu D-glukosa atau sukrosa dipirolisis dalam furnace silinder pada temperatur 400°C selama 15 jam di bawah aliran gas N2. Material karbon yang dihasilkan dari proses pirolisis kemudian disulfonasi selama 15 jam menggunakan H2SO4 96% pada suhu 150°C. Setelah proses sulfonasi selesai, campuran didinginkan sampai suhu kamar, kemudian diencerkan dengan aquades 500 mL. Setelah pengenceran, dilakukan penyaringan untuk memisahkan katalis yang dihasilkan. Katalis yang telah dipisahkan dicuci dengan aquadest 80°C sampai tidak mengandung sisa larutan asam. Selanjutnya katalis dikeringkan menggunakan oven pada temperatur 60°C.
Kondisi operasi pembuatan katalis asam heterogen berbahan dasar gula seperti yang disebutkan di atas (misalnya: temperatur dan lamanya waktu pirolisis dan sulfonasi) masih perlu dioptimasi untuk mendapatkan kondisi operasi yang optimum untuk mengasilkan katalis dengan performa terbaik dalam pembuatan biodiesel. Beberapa karakteristik fisik dan kimia yang penting dari katalis yang dihasilkan melalui proses pirolisis dan sulfonasi, dapat diukur menggunakan:
1. X-Ray Diffraction (XRD)
Untuk mengetahui komposisi kimia katalis gula yang dihasilkan
2. Scanning Electron Microscopy (SEM)
Untuk mengetahui struktur dan morfologi permukan katalis gula yang dihasilkan
3. Brunauer-Emmett-Teller (BET)
Untuk menentukan luas permukaan katalis gula yang dihasilkan
3.3Pembuatan Biodiesel
Pembuatan biodiesel dilakukan dengan mencampurkan metanol 99% dan katalis berbahan dasar gula dengan rasio tertentu dalam sebuah labu erlenmeyer. Campuran tersebut kemudian ditambahkan ke dalam minyak biji karet dengan rasio minyak : metanol tertentu pula. Pembuatan biodiesel kemudian dilakukan pada berbagai variasi temperatur pada kecepatan pengadukan 600 rpm selama waktu tertentu. Campuran hasil reaksi ini kemudian dipisahkan dari katalis menggunakan kertas saring dan corong Buchner. Campuran yang telah bebas dari katalis kemudian didekantasi selama 2 hari untuk memisahkan produk biodiesel yang dihasilkan. Dekantasi dilakukan dengan menggunakan corong pemisah.
Kondisi operasi pembuatan biodiesel di atas kemudian dioptimasi untuk mendapat temperatur, rasio minyak : methanol, jumlah dan jenis katalis, serta waktu reaksi yang memberikan konversi minyak biji karet serta perolehan biodisel yang optimum.
Produk biodiesel yang dihasilkan kemudian diuji sifat fisik dan kimianya. Beberapa sifat fisik dan kimia yang penting yang menentukan kualitas produk biodiesel yang dihasilkan meliputi: densitas, viskositas, angka setana, titik nyala, titk kabut, angka asam, angka iod, dan residu karbon.
BAB IV
JADWAL KEGIATAN DAN
INDIKATOR CAPAIAN TAHUNAN
Berikut ini kami sajikan secara lengkap rencana penelitian yang meliputi nama kegiatan, tujuan kegiatan, keluaran yang diinginkan, alokasi waktu yang dibutuhkan, serta indikator capaian tahunan yang harapkan.
Tabel 4.1 Rancangan Penelitian
Kegiatan
TAHUN 1 TAHUN 2 TAHUN 3
Sem. I Sem. II Sem. III Sem. IV Sem. V Sem. VI
TAHAP I : Pengambilan Minyak Biji Karet
1. Metode Pengempaan
Tujuan:
• Mengetahui perolehan minyak biji karet dengan metode pengempaan
Keluaran:
• Perolehan minyak biji karet dengan metode pengempaan
2. Metode Ekstraksi
Tujuan:
• Mencari kondisi operasi optimum proses pengambilan minyak biji karet dengan metode ekstraksi
• Mengetahui perolehan minyak biji karet dengan metode ekstraksi
Keluaran:
• Kondisi operasi optimum dan perolehan minyak biji karet dengan menggunakan metode ekstraksi
3. Karakterisasi Minyak Biji Karet
Tujuan:
• Mengetahui sifat fisik dan kimia minyak biji karet
Keluaran:
• Sifat fisik dan kimia minyak biji karet yang meliputi kandungan asam lemak bebas, densitas, viskositas dan komposisi kimia minyak.
Indikator Capaian Tahunan:
• Teknologi tepat guna untuk pengambilan minyak biji karet
• Publikasi dalam seminar nasional / jurnal nasional
TAHAP II : Pembuatan Katalis 1. Proses Pirolisis
Tujuan:
• Mempelajari pengaruh kondisi operasi proses pirolisis terhadap karakteristik fisik dan kimia katalis gula
• Mencari kondisi operasi optimum proses pirolisis dalam pembuatan katalis gula
• Mengetahui perolehan katalis gula pada proses pirolisis
Keluaran:
• Pemahaman akan pengaruh kondisi operasi proses pirolisis terhadap karakteristik fisik dan kimia katalis gula
• Kondisi operasi optimum dan perolehan katalis gula pada proses pirolisis
2. Proses Sulfonasi
Tujuan:
• Mempelajari pengaruh kondisi operasi proses sulfonasi terhadap karakteristik fisik dan kimia katalis gula
• Mencari kondisi operasi optimum proses sulfonasi dalam pembuatan katalis gula
• Mengetahui perolehan katalis gula pada proses sulfonasi
Keluaran:
• Pemahaman akan pengaruh kondisi operasi proses sulfonasi terhadap karakteristik fisik dan kimia katalis gula
• Kondisi operasi optimum dan perolehan katalis gula pada proses sulfonasi
3. Karakterisasi Katalis
Tujuan:
• Mengetahui karakteristik fisik dan kimia katalis berbahan dasar gula
Keluaran:
• Karakteristik fisik dan kimia katalis berbahan dasar gula yang meliputi struktur dan morfologi permukaan katalis, luas permukaan katalis, dan komposisi kimia katalis khususnya jenis dan jumlah pusat aktif di dalam katalis
Indikator Capaian Tahunan:
• Metode pembuatan katalis asam heterogen berbahan dasar gula yang efektif dan efisien
• Publikasi dalam seminar internasional / jurnal internasional
TAHAP III : Pembuatan Biodiesel 1. Uji Coba Pembuatan Biodisel
Menggunakan Proses Satu Tahap dan Dua Tahap
Tujuan:
• Mempelajari kinerja katalis asam heterogen berbahan dasar gula dalam proses pembuatan biodiesel satu tahap maupun dua tahap.
Keluaran:
• Gambaran awal kinerja katalis asam heterogen berbahan dasar gula dalam proses pembuatan biodiesel
2. Optimasi Kondisi Operasi Pembuatan Biodiesel
Tujuan:
• Mencari kondisi operasi optimum proses pembuatan biodiesel dari minyak biji karet dengan katalis asam heterogen berbahan dasar gula.
• Mengetahui perolehan biodiesel dari proses pembuatan di atas
Keluaran:
• Kondisi operasi optimum dan perolehan biodiesel
3. Karakterisasi Produk Biodiesel
Tujuan:
• Mengetahui karakteristik fisik dan kimia produk biodiesel yang dihasilkan Keluaran:
• Karakteristik fisik dan kimia produk biodiesel yang dihasilkan yang meliputi densitas, viskositas, angka setana, titik nyala, titk kabut, angka asam, angka iod, dan residu karbon
Indikator Capaian Tahunan:
• Metode pembuatan biodiesel dari minyak biji karet dengan menggunakan katalis asam heterogen berbahan dasar gula yang efektif dan efisien
• Publikasi dalam seminar internasional / jurnal internasional
Pengepresan
Pretreatment bahan baku
BAB V
HASIL DAN PEMBAHASAN
Seperti yang telah diuraikan pada Bab IV, pelaksanaan penelitian ini mencakup tiga tahapan utama, yaitu: (1) Pengambilan minyak biji karet; (2) Pembuatan katalis; dan (3) Pembuatan biodiesel. Dalam bagian ini akan dilaporkan hasil penelitian yang telah dicapai sampai dengan tanggal 15 November 2013.
5.1Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Mesin Press Hidrolik 5.1.1 Prosedur Kerja
Proses pengambilan minyak biji karet dibagi menjadi 2 tahapan proses yaitu tahap pretreatment bahan baku dan tahap pengepresan. Diagram alir proses pengambilan minyak biji karet disajikan pada gambar berikut ini.
Gambar 5.1 Diagram Alir Proses Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Mesin Press Hidrolik
Pengumpulan
biji karet
kulit biji karet
Pengupasan
Pengeringan
Penghancuran
Penyimpanan
1. Pretreatment Bahan Baku
Sebelum bahan baku dipress untuk diambil minyaknya, perlu dilakukan beberapa tahap pretreatment:
a. Pengumpulan biji karet
Biji karet dipilih yang masih utuh dan tidak rapuh dipisahkan dari cabang-cabang dan pengotor-pengotor.
b. Pengupasan kulit
Biji karet yang telah dibersihkan dikupas kulitnya dengan bantuan mortar kemudian bagian kernel biji diambil untuk diproses lebih lanjut.
c. Pengeringan
Setelah dikupas dari kulitnya, biji karet kemudian dikeringkan. Biji karet yang biasanya memiliki kadar air sekitar 20-25% perlu dikeringkan terlebih dahulu sampai dibawah 5% karena akan disimpan dalam waktu yang cukup lama. Pada tahap pengeringan ini digunakan tray dryer pada 70oC selama 12 jam.
d. Penghancuran
Penghancuran biji karet dilakukan dengan bantuan blender. Biji yang telah diblender sampai halus, kemudian disamakan ukurannya sehingga diperoleh biji dengan ukuran mesh -20+30.
e. Penyimpanan
Setelah dikeringkan dan dihancurkan, biji karet dapat disimpan atau diproses lebih lanjut. Pada tahap penyimpanan ini wadah penyimpanan harus tertutup dengan rapat agar tidak mengalami kontak dengan udara luar sehingga kadar FFA tidak naik.
2. Pengepresan
Berikut ini adalah tahap-tahapan proses dalam operasi pengepresan.
a. Pemanasan
Pada tahap pemanasan, 17 gram sampel diambil dari penyimpanan untuk kemudian dimasukkan ke dalam mesin press hidrolik. Proses pemanasan dilakukan di dalam mesin press hidrolik yang sudah dihubungkan dengan heater sebelum dilakukan proses pengepresan. Tujuan dari pemanasan adalah untuk mempermudah proses pengambilan minyak. Pada percobaan ini pemanasan dilakukan pada suhu 60 – 80 oC selama 45 – 75 menit.
b. Pengepresan
Biji yang sudah dipanaskan dipress dengan menggunakan mesin press hidrolik. Proses pengepresan dilakukan pada tekanan 80 – 120 bar selama 30 – 90 menit. Minyak yang dihasilkan kemudian ditampung dan dipisahkan.
c. Penyaringan
Minyak yang dihasilkan biasanya bercampur dengan pengotor berupa partikel padatan halus. Untuk menghilangkan pengotor tersebut dilakukan penyaringan sehingga diperoleh minyak bersih.
5.1.2 Rancangan Percobaan
Variabel yang divariasikan dalam penelitian ini adalah temperatur pengepresan, tekanan pengepresan, lama pemanasan awal, dan lama pengepresan. Variasi yang dilakukan untuk temperatur pengepresan adalah 60oC dan 80oC. Untuk tekanan pengepresan, variasi
yang dilakukan adalah 80 bar dan 120 bar. Untuk lama pemanasan awal, dilakukan variasi pada 45 menit dan 75 menit. Sedangkan untuk lama pengepresan, dilakukan variasi pada 30 menit dan 90 menit. Rancangan percobaan yang digunakan adalah rancangan percobaan faktorial 24 dengan penambahan center point sebanyak 4 buah. Respon yang diamati yaitu rendemen minyak biji karet.
Tabel 5.1 Variabel Percobaan Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Mesin Press Hidrolik
Temperatur Tekanan Lama Pemanasan Lama Pengepresan
60 oC 80 bar 45’ 30’ 80 oC 120 bar 75’ 90’
5.1.3 Hasil Percobaan
Berikut ini adalah hasil percobaan yang menggambarkan pengaruh variabel temperatur pengepresan, tekanan pengepresan, lama pemanasan awal, dan lama pengepresan terhadap rendemen minyak biji karet.
Tabel 5.2 Hasil Percobaan Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Mesin Press Hidrolik
Standard
Order Run Temperatur (oC) Tekanan (bar)
Lama Pemanasan (menit) Lama Pengepresan (menit) Rendemen (%) 1 2 60 80 45' 30' 19.82 2 1 80 80 45' 30' 21.56 3 11 60 120 45' 30' 30.47 4 6 80 120 45' 30' 30.64 5 9 60 80 75' 30' 21.88 6 15 80 80 75' 30' 23.94 7 3 60 120 75' 30' 30.94 8 4 80 120 75' 30' 29.24 9 7 60 80 45' 90' 30.59 10 12 80 80 45' 90' 31.12 11 10 60 120 45' 90' 31.71 12 16 80 120 45' 90' 30.82 13 8 60 80 75' 90' 29.12 14 13 80 80 75' 90' 28.24 15 14 60 120 75' 90' 31.88 16 5 80 120 75' 90' 31.58 17 17 70 100 60' 60' 27.00 18 18 70 100 60' 60' 27.33 19 19 70 100 60' 60' 29.17 20 20 70 100 60' 60' 29.82
5.1.4 Analysis of Variance (ANOVA)
Untuk mengetahui variabel yang mempengaruhi rendemen pada proses pengambilan minyak biji karet menggunakan mesin press hidrolik dilakukan analysis of variance (ANOVA). Analysis of variance (ANOVA) dilakukan dengan bantuan piranti lunak Design Expert dan hasilnya disajikan dalam table berikut ini.
Tabel 5.3 ANOVA Percobaan Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Mesin Press Hidrolik Source Sum of Squares DOF Mean Square F Value p-value Prob>F Model 250.99 15 16.73 8.82 0.0491 Signifikan A-Temperatur 0.033 1 0.033 0.018 0.9030 B-Tekanan 105.11 1 105.11 55.38 0.0050 Signifikan C-Lama Pemanasan 5.06E-04 1 5.03E-04 2.67E-04 0.9880
D-Lama Pengepresan 83.59 1 83.59 44.03 0.0070 Signifikan AB 2.38 1 2.38 1.25 0.3444
AC 0.35 1 0.35 0.18 0.6962 AD 0.91 1 0.91 0.48 0.5390 BC 5.06E-04 1 5.06E-04 2.67E-04 0.9880
BD 46.14 1 46.14 24.31 0.0160 Signifikan CD 3.00 1 3.00 1.58 0.2976
ABC 2.26E-03 1 2.26E-03 1.19E-03 0.9747 ABD 1.26 1 1.26 0.66 0.4749 ACD 0.033 1 0.033 0.018 0.9030 BCD 7.09 1 7.09 3.73 0.1488 ABCD 1.10 1 1.10 0.58 0.5024
Curvature 9.11-04 1 9.11E-04 4.80E-04 0.9839 Tidak Signifikan Pure Error 5.69 3 1.90
Cor Total 256.69 19
Dari tabel di atas dapat dilihat bahwa nilai p-value variabel B (tekanan pengepresan) dan variabel D (lama pengepresan) lebih kecil dari 0.05 yang menandakan bahwa variabel tekanan pengepresan dan lama pengepresan secara signifikan mempengaruhi jumlah rendemen pada pengambilan minyak biji karet. Sementara itu, nilai p-value variabel A (temperature pengepresan) dan variabel C (lama pemanasan awal) lebih besar dari 0.05 yang menunjukkan bahwa variabel temperatur pengepresan dan lama pemanasan awal tidak mempengaruhi jumlah rendemen pada pengambilan minyak biji karet secara signifikan.
Selain itu, dapat dilihat pada tabel di atas bahwa interaksi dua faktor BD yaitu interaksi antara variabel tekanan pengepresan dan lama pengepresan juga lebih kecil dari 0.05 sehingga dapat disimpulkan bahwa interaksi antara variabel tekanan pengepresan dan lama
pengepresan secara signifikan mempengaruhi rendemen minyak biji karet. Sedangkan interaksi dua faktor lainnya, interaksi tiga faktor dan empat factor memiliki nilai p-value yang lebih besar dari 0.05 sehingga dapat dikatakan tidak berpengaruh secara signifikan terhadap rendemen minyak biji karet.
Gambar 5.2 Pengaruh Variabel Percobaan Terhadap Rendemen Pada Proses Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Mesin Press Hidrolik
Lama Pengepresan = 90 menit Lama Pengepresan = 30 menit
Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa pada lama pengepresan yang lebih pendek, tekanan pengepresan memberikan pengaruh yang lebih besar terhadap peningkatan perolehan minyak biji karet dibandingkan pada lama pengepresan yang lebih panjang.
Dari tabel di atas juga dapat diamati bahwa kurvatur memiliki nilai p-value sebesar 0.9839. Hal ini menunjukkan tidak adanya kurvatur yang signifikan dalam rentang variasi percobaan. Artinya rentang nilai variabel pada percobaan ini masih terletak di luar daerah optimumnya sehingga rendemen minyak biji karet masih dapat ditingkatkan sampai batas kemampuan mesin press hidrolik yang dimiliki.
5.1.5 Kandungan Asam Lemak Bebas Pada Minyak Biji Karet
Pada percobaan ini, minyak yang berhasil diambil kemudian ditampung untuk dianalisa lebih lanjut. Sampel ditutup menggunakan cling wrap lalu disimpan. Pada akhir percobaan, sampel yang telah ditampung kemudian dianalisa kadar FFAnya dengan menggunakan metode titrasi. Hasil analisa pada sampel-sampel yang telah ditampung disajikan pada Gambar 5.3.
Gambar 5.3 Pengaruh Lama Penyimpanan (Urutan Run) Terhadap Kadar FFA
Dapat diamati bahwa kadar FFA paling banyak terdapat pada run-run awal dimana minyak paling lama disimpan sebelum kemudian dianalisa kadar FFAnya. Kadar FFA paling tinggi terdapat pada Run pertama dengan kadar FFA sebesar 67.64%. Run pertama dilakukan kurang lebih tiga bulan sebelum analisa FFA dilakukan. Sedangkan minyak pada run-run akhir memberikan kadar FFA sekitar 28%.
5.1.6 Viskositas Dan Densitas Minyak Biji Karet
Selain rendemen dan kadar FFA, dilakukan juga pengukuran nilai viskositas dan densitas minyak biji karet. Viskositas dan densitas dianalisis dari sampel center point yaitu
0 10 20 30 40 50 60 70 0 5 10 15 20 % FFA Run
sampel yang diperoleh dari operasi pengepresan pada temperature 70oC, tekanan 100 bar, lama pemanasan awal 60 menit dan lama pengepresan 60 menit.
Tabel 5.4 Viskositas dan Densitas Minyak Biji Karet Hasil Percobaan Viskositas kinematik, 40oC (mm2/s) 39.58
Densitas (gr/cm3) 0.92
5.2Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Metode Ekstraksi 5.2.1 Prosedur Kerja
Seperti pada proses pengepresan, sebelum bahan baku biji karet digunakan dalam proses ekstraksi, perlu dilakukan beberapa tahap pretreatment. Mula-mula biji karet dipilih, dibersihkan, dikupas, dan dikeringkan pada 75oC sampai mencapai berat konstan. Kemudian biji karet dihancurkan sampai mencapai beberapa ukuran mesh tertentu dan disimpan dalam wadah terpisah yang tertutup rapat.
Proses ekstraksi dilakukan dengan menggunakan dua macam pelarut yaitu CH2Cl2 dan n-hexane dengan rasio umpan biji karet terhadap pelarut tertentu. Ekstraksi, dilakukan pada suhu titik didih pelarut masing-masing selama waktu tertentu dengan kecepatan pengadukan magnetic stirrer maksimal. Setelah proses ekstraksi selesai, ampas biji karet dipisahkan menggunakan vacuum filter. Selanjutnya, minyak biji karet dipisahkan dari pelarut dengan cara pemanasan pada suhu 100oC sampai seluruh pelarut habis teruapkan.
5.2.2 Rancangan Percobaan
Variabel yang divariasikan dalam penelitian ini adalahrasio umpan biji karet terhadap pelarut, ukuran partikel biji karet, dan lama ekstraksi. Untuk rasio umpan biji karet terhadap pelarut, dilakukan variasi pada 1:4 dan 1:6. Untuk ukuran partikel biji karet, variasi yang dilakukan adalah +10 dan -20+30. Variasi yang dilakukan untuk lama ekstraksi adalah 4 jam dan 6 jam. Rancangan percobaan yang digunakan adalah rancangan percobaan faktorial 23 dengan penambahan center point sebanyak 4 buah. Respon yang diamati yaitu rendemen (yield) minyak biji karet.
Tabel 5.5 Variabel Percobaan Pengambilan Minyak Biji Karet Menggunakan Metode Ekstraksi
Rasio Umpan Biji Karet Terhadap Pelarut
Ukuran Partikel Biji Karet
Lama Ekstraksi
1:4 +10 4 jam
5.2.3 Hasil Percobaan Ekstraksi Menggunakan Pelarut CH2Cl2
Berikut ini adalah hasil percobaan yang menggambarkan pengaruh variabel rasio umpan biji karet terhadap pelarut, ukuran partikel biji karet, dan lama ekstraksi terhadap rendemen minyak biji karet.
Tabel 5.6 Hasil Percobaan Ekstraksi Menggunakan Pelarut CH2Cl2
Standard Order Rasio F : S Ukuran Partikel (Mesh) Lama Ekstraksi (Jam) Coded Value Yield (%) X1 X2 X3 1 1:4 +10 4 -1 -1 -1 27.80 2 1:6 +10 4 +1 -1 -1 32.60 3 1:4 -20+30 4 -1 +1 -1 28.04 4 1:6 -20+30 4 +1 +1 -1 32.88 5 1:4 +10 6 -1 -1 +1 28.20 6 1:6 +10 6 +1 -1 +1 32.80 7 1:4 -20+30 6 -1 +1 +1 28.72 8 1:6 -20+30 6 +1 +1 +1 33.04 9 1:5 -10+20 5 0 0 0 32.60 10 1:5 -10+20 5 0 0 0 32.92 11 1:5 -10+20 5 0 0 0 33.00 12 1:5 -10+20 5 0 0 0 32.84
5.2.4 Analysis of Variance (ANOVA) Ekstraksi Menggunakan Pelarut CH2Cl2
Untuk mengetahui variabel yang mempengaruhi yield minyak biji karet pada proses ekstrasi menggunakan pelarut CH2Cl2 dilakukan analysis of variance (ANOVA). Analysis of variance (ANOVA) dilakukan dengan bantuan piranti lunak Design Expert dan hasilnya disajikan dalam table berikut ini.
Tabel 5.7 ANOVA Ekstraksi Menggunakan Pelarut CH2Cl2
Source Sum of
Squares DOF
Mean
Square F Value P – Value
Model 43.62 7 6.23 208.62 0.0005 Significant A – Rasio 43.06 1 43.06 1441.71 < 0.0001 Significant B – Mesh 0.20 1 0.2 6.86 0.0791 C – Lama Ekstraksi 0.26 1 0.26 8.68 0.0602 AB 7.2E-3 1 7.2E-3 0.24 0.6571 AC 0.065 1 0.065 2.17 0.2372 BC 7.2E-3 1 7.2E-3 0.24 0.6571 ABC 0.013 1 0.013 0.43 0.5594 Curvature 14.48 1 14.48 484.72 0,0002 Significant Pure Error 0.09 3 0.03 Cor Total 58.18 11
Variabel yang berpengaruh adalah variabel dengan nilai P-value dibawah 5%. Dapat dilihat bahwa variabel Rasio F:S memiliki nilai P-value < 0.0001 sehingga dapat disimpulkan bahwa variabel ini berpengaruh secara signifikan terhadap yield minyak biji karet. Sementara itu, variabel Ukuran Partikel (Mesh) dan variabel Lama Ektraksi memiliki nilai P-value yang lebih besar dari 5%. Namun karena adanya kurvatur yang cukup signifikan, penentuan apakah kedua variabel tersebut mempengaruhi yield minyak biji karet atau tidak, perlu dilakukan dengan lebih berhati-hati dengan memperhatikan gambar berikut ini.
Gambar 5.4 Pengaruh Variabel Percobaan Terhadap Rendemen Pada Proses Ekstraksi Menggunakan Pelarut CH2Cl2
Dari gambar di atas, dapat dilihat bahwa yield minyak biji karet pada rasio umpan biji karet terhadap pelarut 1:4 dengan nilai rata-rata 28% naik ke 32% pada rasio 1:5 dan bertahan pada nilai tersebut pada rasio 1:6. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa pada rasio 1:5, yield minyak biji karet yang diperoleh sudah optimum sehingga penambahan jumlah pelarut tidak lagi menaikkan jumlah yield secara signifikan..
Yield minyak biji karet pada no. mesh +10 dengan nilai rata-rata 30.4% naik ke 32% pada no. mesh -10+20 dan kemudian turun ke 30.7% pada no. mesh -20+30. Semakin kecil ukuran partikel yang akan diekstrak maka luas permukaan kontak semakin besar dan semakin banyak pula jumlah minyak yang akan didapat, Akan tetapi, semakin kecil ukuran partikel
lebih sulit sehingga kehilangan minyak dalam proses pemisahan tersebut akan menjadi lebih besar. Dengan demikan, perolehan minyak biji karet optimum dalam percobaan ini terjadi pada ukuran partikel -10+20. Pengecilan ukuran lebih lanjut tidak meningkatkan jumlah minyak yang dapat diekstraksi secara signifikan, sementara kehilangan minyak dalam proses penyaringan menjadi lebih besar sehingga secara keseluruhan menyebabkan perolehan minyak berkurang.
Yield minyak biji karet pada lama ekstraksi 4 jam dengan nilai rata-rata 30.4% naik ke 33% pada lama ekstraksi 5 jam dan kemudian turun ke 30.7% pada lama ekstraksi 6 jam. Lama waktu ektraksi berpengaruh dalam proses ekstraksi karena semakin lama waktu ekstraksi maka semakin banyak zat terlarut yang dapat terekstrak hingga tercapainya kondisi kesetimbangannya. Akan tetapi semakin lama waktu ekstraksi, semakin banyak energi yang dibutuhkan untuk menjalankan proses ekstraksi tersebut. Lebih lanjut, jika pelarut yang digunakan memiliki titik didih yang rendah, dibutuhkan sistem pendinginan dan media pendinginan khusus untuk menjaga agar pelarut yang digunakan tidak hilang selama proses ekstraksi. Jika tidak, kehilangan pelarut melalui kondensor juga akan meningkat dan pada akhirnya dapat menurunkan perolehan minyak hasil ekstraksi.
5.2.5 Hasil Percobaan Ekstraksi Menggunakan Pelarut n-Heksana
Berikut ini adalah hasil percobaan yang menggambarkan pengaruh variabel rasio umpan biji karet terhadap pelarut, ukuran partikel biji karet, dan lama ekstraksi terhadap rendemen minyak biji karet.
Tabel 5.8 Hasil Percobaan Ekstraksi Menggunakan Pelarut n-Heksana
Standard Order Rasio F : S Ukuran Partikel (Mesh) Lama Ekstraksi (Jam) Coded Value Yield (%) X1 X2 X3 1 1:4 +10 4 -1 -1 -1 25.84 2 1:6 +10 4 +1 -1 -1 26.32 3 1:4 -20+30 4 -1 +1 -1 26.40 4 1:6 -20+30 4 +1 +1 -1 26.96 5 1:4 +10 6 -1 -1 +1 26.12 6 1:6 +10 6 +1 -1 +1 27.12 7 1:4 -20+30 6 -1 +1 +1 26.68 8 1:6 -20+30 6 +1 +1 +1 27.40 9 1:5 -10+20 5 0 0 0 27.08 10 1:5 -10+20 5 0 0 0 27.04 11 1:5 -10+20 5 0 0 0 27.20 12 1:5 -10+20 5 0 0 0 27.16
5.2.6 Analysis of Variance (ANOVA) Ekstraksi Menggunakan Pelarut n-Heksana
Untuk mengetahui variabel yang mempengaruhi yield minyak biji karet pada proses ekstrasi menggunakan pelarut n-heksana dilakukan analysis of variance (ANOVA). Analysis of variance (ANOVA) dilakukan dengan bantuan piranti lunak Design Expert dan hasilnya disajikan dalam table berikut ini.
Tabel 5.9 ANOVA Ekstraksi Menggunakan Pelarut n-Heksana
Source Sum of
Squares DOF
Mean
Square F Value P – Value
Model 1.97 7 0.28 52.84 0.0039 Significant A – Rasio 0.95 1 0.95 178.54 0.0009 Significant B –Mesh 0.52 1 0.52 97.54 0.0022 Significant C – Lama Ekstraksi 0.40 1 0.40 75.94 0.0032 Significant
AB 5E-3 1 5E-3 0.94 0.4043 AC 0.058 1 0.058 10.84 0.0460 BC 0.016 1 0.016 3.04 0.1797 ABC 0.016 1 0.016 3.04 0.1797
Curvature 0.71 1 0.71 132.61 0.0014 Significant Pure Error 0.016 3 5.33E-3
Cor Total 2.70 11
Dapat dilihat bahwa variabel Rasio F:S, Ukuran Partikel (MESH), dan Lama Ekstraksi memiliki nilai P-value < 0.05 sehingga dapat disimpulkan bahwa ketiga variabel ini berpengaruh secara signifikan terhadap yield minyak biji karet. Dari tabel di atas juga dapat diamati bahwa kurvatur memiliki nilai P-value < 0.05. Hal ini menunjukkan adanya kurvatur yang signifikan dalam rentang variasi percobaan. Artinya rentang nilai variabel pada percobaan ini sudah berada pada daerah optimumnya.
Gambar 5.5 Pengaruh Variabel Percobaan Terhadap Rendemen Pada Proses Ekstraksi Menggunakan Pelarut n-Heksana
Dari gambar di atas, dapat dilihat bahwa yield minyak biji karet pada rasio umpan biji karet terhadap pelarut 1:4 dengan nilai rata-rata 26.3% naik ke 27,2% pada rasio 1:5 dan sedikit menurun pada rasio 1:6. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa pada rasio 1:5, yield minyak biji karet yang diperoleh sudah optimum sehingga penambahan jumlah pelarut tidak lagi menaikkan jumlah yield secara signifikan..
Yield minyak biji karet pada no. mesh +10 dengan nilai rata-rata 26.3% naik ke 27.2% pada no. mesh -10+20 dan kemudian sedikit menurun pada no. mesh -20+30. Semakin kecil ukuran partikel yang akan diekstrak maka luas permukaan kontak semakin besar dan semakin banyak pula jumlah minyak yang akan didapat, Akan tetapi, semakin kecil ukuran partikel yang digunakan, proses pemisahan ampas partikel dari campuran hasil ekstraksi akan menjadi lebih sulit sehingga kehilangan minyak dalam proses pemisahan tersebut akan menjadi lebih besar. Dengan demikan, perolehan minyak biji karet optimum dalam percobaan ini terjadi pada ukuran partikel -10+20. Pengecilan ukuran lebih lanjut tidak meningkatkan jumlah minyak yang dapat diekstraksi secara signifikan, sementara kehilangan minyak dalam proses penyaringan menjadi lebih besar sehingga secara keseluruhan menyebabkan perolehan minyak berkurang.
Yield minyak biji karet pada lama ekstraksi 4 jam dengan nilai rata-rata 26.3% naik ke 27.2% pada lama ekstraksi 5 jam dan kemudian sedikit menurun pada lama ekstraksi 6 jam. Lama waktu ektraksi berpengaruh dalam proses ekstraksi karena semakin lama waktu ekstraksi maka semakin banyak zat terlarut yang dapat terekstrak hingga tercapainya kondisi kesetimbangannya. Akan tetapi semakin lama waktu ekstraksi, semakin banyak energi yang
dibutuhkan untuk menjalankan proses ekstraksi tersebut. Lebih lanjut, jika pelarut yang digunakan memiliki titik didih yang rendah, dibutuhkan sistem pendinginan dan media pendinginan khusus untuk menjaga agar pelarut yang digunakan tidak hilang selama proses ekstraksi. Jika tidak, kehilangan pelarut melalui kondensor juga akan meningkat dan pada akhirnya dapat menurunkan perolehan minyak hasil ekstraksi.
5.2.7 Kandungan Asam Lemak Bebas Pada Minyak Biji Karet
Kandungan FFA yang besar menghalangi proses transesterifikasi minyak menjadi biodiesel menggunakan katalis basa karena dapat menyebabkan reaksi samping penyabunan (saponifikasi). Penentuan kadar FFA bertujuan untuk mengetahui seberapa banyak kandungan asam lemak bebas di dalam minyak biji karet yang sudah diekstraksi. Penentuan kadar FFA dilakukan dengan cara titrasi menggunakan larutan KOH. Berikut ini disajikan hasil penentuan kadar FFA pada minyak biji karet hasil ekstraksi menggunakan pelarut CH2Cl2 dan n-Heksana.
Tabel 5.10 Kadar FFA Minyak Biji Karet Hasil Proses Ekstraksi
Standard Order Rasio F : S Ukuran Partikel (Mesh) Lama Ekstraksi (Jam) %FFA (CH2Cl2) (n-Hexane) 1 1:4 +10 4 35.34 35.11 2 1:6 +10 4 39.25 37.57 3 1:4 -20+30 4 39.55 37.57 4 1:6 -20+30 4 35.78 36.42 5 1:4 +10 6 36.67 35.63 6 1:6 +10 6 35.13 36.28 7 1:4 -20+30 6 37.78 34.64 8 1:6 -20+30 6 38.50 39.02 9 1:5 -10+20 5 38.86 36.16 10 1:5 -10+20 5 38.63 36.81 11 1:5 -10+20 5 38.45 36.93 12 1:5 -10+20 5 38.73 36.16
5.2.8 Viskositas Dan Densitas Minyak Biji Karet
Pengukuran viskositas, minyak biji karet dilakukan pada suhu 40oC menggunakan viscometer Ostwald sedangkan pengukuran densitas dilakukan menggunakan piknometer. Hasil pengukuran viskositas dan densitas untuk minyak biji karet yang diperoleh dari proses ekstraksi menggunkan pelarut CH2Cl2 dan n-heksana pada berbagai pelakuan dapat dilihat pada table berikut ini.
Tabel 5.11 Viskositas dan Densitas Minyak Biji Karet Hasil Proses Ekstraksi Standar Order Rasio F : S Ukuran Partikel (Mesh) Lama Ekstraksi (Jam) Viskositas (mm2/s) Densitas (gr/mL) CH2Cl2 n-Hexane CH2Cl2 n-Hexane 1 1:4 +10 4 64.36 65.36 0.88 0.87 2 1:6 +10 4 64.55 65.80 0.89 0.89 3 1:4 -20+30 4 64.53 64.46 0.89 0.89 4 1:6 -20+30 4 64.86 64.45 0.88 0.89 5 1:4 +10 6 65.27 64.89 0.87 0.88 6 1:6 +10 6 65.13 64.75 0.88 0.87 7 1:4 -20+30 6 63.91 65.55 0.88 0.88 8 1:6 -20+30 6 65.38 65.53 0.89 0.89 9 1:5 -10+20 5 64.97 64.88 0.89 0.88 10 1:5 -10+20 5 64.63 65.04 0.89 0.87 11 1:5 -10+20 5 65.11 64.86 0.89 0.88 12 1:5 -10+20 5 64.88 64.97 0.88 0.89
5.2.9 Perbandingan Proses Ekstraksi Menggunakan Pelarut CH2Cl2 dan n-Hexane
Proses ekstraksi menggunakan pelarut CH2Cl2 memberikan yield minyak biji karet yang lebih baik sebesar 33,04% dibandingkan dengan proses ekstraksi menggunakan pelarut n-Hexane yang hanya sebesar 27,4%. Kadar FFA, viskositas, dan viskositas minyak biji karet yang dihasilkan dari kedua proses ekstraksi tersebut relatif sama.
Kondisi optimum untuk proses ekstraksi minyak biji karet menggunakan pelarut CH2Cl2 maupun n-heksana adalah pada rasio umpan biji karet terhadap pelarut 1:5, ukuran partikel biji karet -10+20, dan lama waktu ekstraksi 5 jam. Adapun temperatur optimum proses ekstraksi adalah di sekitar titik didih masing-masing pelarut.
BAB VI
RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA
Pada tahap pertama, fokus utama penelitian adalah untuk mempelajari cara pengambilan minyak biji karet menggunakan metode pengepresan maupun metode ekstraksi. Beberapa informasi mengenai rendemen/perolehan minyak biji karet maupun kondisi operasi optimum proses pengambilan minyak biji karet sudah diperoleh. Sifat fisik dan kimia minyak biji karet, meliputi kandungan asam lemak bebas, viskositas dan densitas juga sudah didapatkan.
Pada tahap selanjutnya, penelitian akan difokuskan pada pengembangan katalis dan pengembangan proses untuk pembuatan biodiesel. Adapun rencana kerja untuk tahapan pengembangan katalis maupun tahapan pengembangan proses untuk pembuatan biodiesel adalah sebagai berikut:
6.1Pengembangan Katalis
Katalis asam heterogen dapat dibuat dari bahan baku yang memiliki gugus dasar glukosa seperti D-glukosa, sukrosa, pati, dan selulosa melalui proses pirolisis yang kemudian dilanjutkan dengan proses sulfonasi. Proses pirolisis merupakan proses dekomposisi termal pada temperatur tinggi. Proses ini bertujuan untuk melakukan karbonisasi secara tidak sempurna terhadap bahan baku yang memiliki gugus dasar glukosa untuk membentuk lembaran-lembaran karbon polisiklik aromatik. Proses sulfonasi berguna untuk menambahkan gugus asam –HSO3 ke dalam lembaran-lembaran karbon polisiklik aromatik tersebut di atas menghasilkan katalis asam heterogen.
Lou et al. (2008) melakukan percobaan untuk memproduksi katalis asam heterogen menggunakan berbagai bahan baku, antara lain D-glukosa, sukrosa, pati, selulosa. Dari hasil percobaannya didapatkan bahwa aktivitas katalisis terbaik diberikan oleh katalis yang dibuat dari bahan baku pati. Adapun kondisi operasi proses pirolisis yang optimum adalah pada 400oC selama 15 jam, sementara kondisi operasi proses sulfonasi optimum adalah pada 150oC selama 15 jam.
Chen & Fang (2011) melakukan percobaan untuk memproduksi katalis asam heterogen menggunakan bahan baku berupa campuran glukosa dan berbagai jenis pati yang memiliki kandungan amilopektin yang berbeda, yaitu: pati beras ketan (kadar amilopektin 99,7%), pati jagung (kadar amilopektin 72%), dan amilosa (kadar amilopektin 0%). Ditemukan bahwa kadar amilopektin yang berbeda-beda pada pati yang dicampurkan berpengaruh terhadap aktivitas katalis yang dihasilkan. Kadar amilopektin yang berbeda menyebabkan perbedaan pada struktur karbon polisiklik aromatik bahan katalis yang dihasilkan. Hal ini penting karena struktur karbon polisiklik aromatik bahan katalis akan mempengaruhi jumlah gugus –HSO3 yang dapat menempel pada permukaan katalis. Semakin banyak gugus –HSO3 yang dapat menempel pada permukaan katalis menyebabkan aktivitas katalis semakin tinggi. Dari percobaannya didapatkan bahwa katalis yang memiliki aktivitas paling baik dan densitas asam yang paling besar adalah katalis yang dibuat dari bahan baku campuran glukosa dan pati jagung. Adapun kondisi operasi proses pirolisis yang digunakan adalah pada temperatur 400oC selama 75 menit dan kondisi operasi proses sulfonasi yang digunakan adalah pada temperatur 150oC selama 5 jam.
Dalam penelitian ini, katalis asam heterogen akan dibuat dari bahan baku berbagai jenis pati yang memiliki kandungan amilopektin yang berbeda, yaitu: pati kentang, pati
ganyong, pati singkong, dan pati jagung. Adapun kondisi operasi proses pirolisis dan proses sulfonasi yang akan digunakan dalam pembuatan katalis ada dua macam, mengikuti kondisi operasi optimum yang dilaporkan oleh Lou, et al. (2008) dan Chen & Fang (2011).
Tabel 6.1 Rancangan Percobaan Pembuatan Katalis Asam Heterogen
Variabel Percobaan Variasi
Bahan Baku 1. Pati Kentang 2. Pati Ganyong 3. Pati Singkong 4. Pati Jagung
Kondisi Operasi 1. Pirolisis pada T = 400oC selama 15 jam Sulfonasi pada T = 150oC selama 15 jam 2. Pirolisis pada T = 400oC selama 1.25 jam
Sulfonasi pada T = 150oC selama 5 jam
Beberapa uji karakterisasi yang akan dilakukan meliputi analisa kadar amilopektin dari bahan baku pati yang digunakan, uji Scanning Electron Microscopy (SEM) untuk mengetahui struktur dan morfologi permukan katalis yang dihasilkan, uji EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) untuk mengetahui komposisi kimia katalis yang dihasilkan, dan uji Brunauer-Emmett-Teller (BET) untuk menentukan luas permukaan dan ukuran pori katalis yang dihasilkan.
6.2Pengembangan Proses Pembuatan Biodiesel
Biji karet dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan biodiesel karena memiliki kandungan minyak yang cukup besar. Akan tetapi kandungan FFA pada minyak biji karet cukup tinggi sehingga dapat menyebabkan reaksi samping penyabunan (saponifikasi) jika direaksikan secara langsung dengan metanol menggunakan katalis basa pada proses satu tahap. Untuk mengatasi masalah ini dapat dilakukan proses dua tahap, di mana pada tahap pertama, minyak biji karet akan diturunkan terlebih dahulu kadar FFA-nya sampai di bawah 1% dengan mereaksikannya dengan methanol menggunakan katalis asam sebelum kemudian pada tahap kedua diolah lebih lanjut menjadi biodiesel dengan bantuan katalis basa.
Katalis yang digunakan dalam proses tersebut dapat berupa katalis homogen atau katalis heterogen. Katalis homogen akan memberikan performa yang lebih baik daripada katalis heterogen. Namun, katalis homogen memiliki beberapa kelemahan jika dibandingkan dengan katalis heterogen, seperti lebih korosif, sulit didaur ulang, dan dapat menyebabkan pencemaran pada lingkungan.
Dalam penelitian ini, katalis asam yang akan digunakan dalam proses pre-treatment adalah katalis asam homogen H2SO4 dan katalis asam heterogen yang dibuat dari bahan baku pati (lihat penjelasan pada sub bab 6.1). Percobaan menggunakan katalis asam homogen H2SO4 akan dilakukan pada tahun kedua sementara percobaan menggunakan katalis asam heterogen yang dibuat dari bahan baku pati akan dilakukan pada tahun ketiga.
Variabel yang akan divariasikan dalam proses pre-treatment menggunakan katalis H2SO4 adalah waktu reaksi (t), rasio molar methanol terhadap minyak (M:O) dan jumlah katalis. Variasi yang dilakukan untuk waktu reaksi (t) adalah 1 jam dan 2 jam, untuk rasio molar methanol terhadap minyak (M:O) adalah 6:1 dan 12:1, dan untuk jumlah katalis H2SO4
adalah 1%-w dan 5%-w minyak awal. Temperatur reaksi ditetapkan pada 60oC dengan laju pengadukan magnetic stirrer maksimum. Rancangan percobaan yang digunakan adalah rancangan percobaan faktorial 23 dengan penambahan center point. Penambahan center point yang dilakukan adalah sebanyak 4 kali dengan mengambil nilai tengah dari setiap variasi yang dilakukan. Respon proses yang diamati adalah kadar FFA minyak biji karet setelah proses pre-treatment (y).
Tabel 6.2 Rancangan Percobaan Proses Pembuatan Biodiesel Tahap I
Waktu Reaksi (jam) Jumlah Katalis = 1%-w Jumlah Katalis = 5%-w M:O (6:1) M:O (12:1) M:O (6:1) M:O (12:1)
t=1 y1 y2 y3 y4
t=2 y5 y6 y7 y8
Untuk tahap kedua, katalis basa yang akan digunakan adalah katalis basa homogen NaOH dan katalis basa heterogen CaO yang dibuat dari kalsinasi CaCO3 pada temperatur 1000oC selama 2 jam. Kondisi operasi yang digunakan untuk pembuatan biodiesel menggunakan katalis basa homogen NaOH adalah pada temperatur 65oC dengan laju pengadukan magnetic stirrer maksimum, waktu reaksi 1 jam, rasio molar metanol terhadap minyak 9:1, dan jumlah katalis 1%-b/v minyak. Kondisi operasi yang digunakan untuk pembuatan biodiesel menggunakan katalis basa heterogen CaO adalah pada temperatur 65oC dengan laju pengadukan magnetic stirrer maksimum, waktu reaksi 3 jam, rasio molar metanol terhadap minyak 9:1, dan jumlah katalis 3%-b minyak. Kinerja kedua jenis katalis ini dalam proses pembuatan biodiesel kemudian dapat diamati dan dibandingkan.
Dalam penelitian ini akan dilakukan karakterisasi sifat-sifat fisik dan kimia produk biodiesel yang dihasilkan, antara lain: viskositas, densitas, kandungan metil ester, angka setana, titik nyala, titik kabut, angka asam, angka iod, dan residu karbon. Pada tahap awal penelitian, analisa yang dilakukan hanyalah analisa dasar seperti analisa viskositas, densitas, dan kandungan metil ester. Pada tahap akhir penelitian barulah dilakukan uji lengkap untuk melihat apakah produk biodiesel yang dihasilkan sudah memenuhi standar SNI.
