Proses Pembuatan Biodiesel dari Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) dan Dimethyl Carbonate dengan Reaktor Packed Bed Menggunakan Katalis Novozym® 435

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1BIODIESEL

Biodiesel didefinisikan sebagai ester monoalkil dari asam lemak rantai panjang, atau dikenal sebagai Fatty Acid Methyl Esters (FAME) yang berasal dari bahan baku terbarukan seperti minyak sayur atau lemak hewan [10,13].

Minyak yang paling sering digunakan dalam proses pembuatan biodiesel di seluruh dunia adalah rapeseed (terutama di negara-negara Uni Eropa), kedelai (Argentina dan Amerika Serikat), kelapa sawit (negara-negara Asia dan Amerika Tengah) dan bunga matahari, meskipun minyak lainnya juga banyak digunakan seperti kacang tanah, biji rami, safflower, minyak nabati lainnya, dan juga lemak hewani [23].

Keuntungan penggunaan biodiesel sebagai pengganti bahan bakar diesel yaitu [24-27] :

1. Biodiesel merupakan bahan bakar terbarukan yang diperoleh dari minyak nabati atau lemak hewan.

2. Toksisitas rendah dibandingkan dengan bahan bakar diesel.

3. Terdegradasi lebih cepat daripada bahan bakar diesel sehingga meminimalkan dampak lingkungan dari tumpahan biodiesel.

4. Emisi lebih rendah dari kontaminan seperti karbon monoksida, partikel, hidrokarbon aromatik polisiklik, dan aldehida.

5. Resiko kesehatan renfah karena mengurangi emizi zat karsinogenik. 6. Tidak ada kandungan sulfur dioksida (SO2).

7. Titik nyala yang lebih tinggi (minimum 100 oC).

Beberapa kelemahan penggunaan biodiesel sebagai pengganti bahan bakar diesel yaitu [24-27] :

a. Konsumsi bahan bakar sedikit lebih tinggi karena nilai kalori yang lebih rendah.

c. Titik beku lebih tinggi daripada bahan bakar diesel dimana akan menjadi kendala dan menyulitkan dalam cuaca dingin.

d. Kurang stabil dibandingkan bahan bakar diesel sehingga penyimpanan jangka panjang (lebih dari enam bulan) dari biodiesel tidak dianjurkan.

e. Dapat mendegradasi plastik, karet alam gasket, dan selang bila digunakan dalam bentuk murni.

f. Dapat melarutkan endapan sedimen dan kontaminan lainnya dari bahan bakar diesel dalam tangki penyimpanan dan saluran bahan bakar yang kemudian menuju kedalam mesin sehingga dapat menyebabkan masalah pada katup dan sistem injeksi. Karena itu, pembersihan tangki sebelum mengisi dengan biodiesel dianjurkan.

Titik nyala biodiesel lebih tinggi dari bahan bakar diesel. Titik nyala ini penting untuk penyimpanan bahan bakar dan transportasi di jalan keselamatan. Angka setana biodiesel (~50) lebih tinggi dari bahan bakar diesel. Angka setana merupakan faktor penting untuk menentukan kualitas bahan bakar diesel, terutama kualitas pengapian bahan bakar diesel. Viskositas juga merupakan faktor penting untuk biodiesel. Viskositas mempengaruhi kebanyakan peralatan injeksi bahan bakar dan peningkatan viskositas bahan bakar mengubah viskositas pada suhu rendah. Viskositas tinggi memiliki efek negatif pada atomisasi semprot bahan bakar [28].

Tabel 2.1 Perbandingan Kandungan Unsur Kimia Biodiesel dan Solar [28] Kandungan Biodiesel (%) Solar (%)

Karbon 79,6 86,4

Hidrogen 10,5 13,6

Oksigen 8,6 -

Nitrogen 1,3 -

C/H 7,6 6,5

n-Aliphatik 15,2 67,4

Olephenik 84,7 3,4

Aromatik - 20,1

Tabel 2.2 Standar Biodiesel Berdasarkan ASTM D 6751/09, EN 14214/03, dan 28. Cold filter plugging

Biodiesel dapat digunakan dalam bentuk murni atau bila dicampur dengan bahan bakar diesel dalam proporsi tertentu. Kebanyakan campuran biodiesel umum adalah B2 (2% biodiesel, 98% solar), B5 (5% biodiesel, 95% solar), B20 (20% biodiesel, 80% solar) [32].

2.2BAHAN BAKU

2.2.1 Dimethyl Carbonate (DMC)

Dimethyl Carbonate (DMC) diproduksi dari metanol dan karbon dioksida

(CO2) sehingga DMC disebut zat kimia yang ramah lingkungan dan memiliki

reaktivitas kimia yang baik, tidak mudah larut dalam air dan memiliki sifat melarut yang baik dengan sebagian besar pelarut organik [33-34].

Salah satu manfaat dari DMC berbasis transesterifikasi asam lemak adalah bahwa reaksi tidak berada dalam kesetimbangan karena senyawanya terurai menjadi CO2 dan alkohol [35]. Sifat-sifat fisika dan kimia DMC dapat dilihat

pada tabel 2.3.

Tabel 2.3 Sifat-sifat Fisika dan Kimia DMC [36] Karakteristik Nilai

Berat molekul 90,08 g/mol Wujud cairan tidak berwarna Titik didih 90 oC pada 760 mmHg

Titik leleh 2-4 oC

Densitas 1,0690 g/cm3

Kelarutan dalam air Tidak mudah larut

2.2.2 Palm Fatty Acid Distillate (PFAD)

Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) adalah produk sampingan dari proses

pemurnian minyak kelapa sawit dengan asam lemak bebas (FFA) lebih dari 93% berat [37]. PFAD berwarna kuning muda dan berwujud padat pada temperatur kamar [8]. Oleh karena PFAD merupakan produk sampingan maka harga PFAD jauh lebih murah daripada minyak olahan lainnya [11].

Tabel 2.4 Kompisisi Bahan Baku Biodiesel (%berat) [38]

Rapeseed Kedelai Kelapa

Sawit Tallow PFAD Asam Lemak Rumus Molekul Struktur %berat Asam Lemak Jenuh

Miristat C14H28O2 14 : 0 1,0

Palmitat C16H32O2 16 : 0 45,6

Stearat C18H36O2 18 : 0 3,8

Arachidiat C20H40O2 20 : 0 0,3

Asam Lemak Tak Jenuh Tunggal

Palmitoleat C16H30O2 16 : 1 0,2

Oleat C18H34O2 18 : 1 33,3

Ecosenoat C20H38O2 20 : 1 0,2

Tetracosenoat C24H46O2 24 : 1 0,6

Asam Lemak Tak Jenuh Ganda

Linoleat C18H32O2 18 : 2 7,7

Linoleneat C18H30O2 18 : 3 0,3

(a) (b)

Gambar 2.1 Palm Fatty Acid Distillate (a) Pada Suhu Ruangan (b) Setelah Dipanaskan

2.2.3 Katalis Enzim

katalis asam seperti H2SO4 / HCl atau yang biasa disebut dengan proses

esterifikasi untuk menurunkan kandungan FFA sebelum memasuki proses transesterifikasi [3,38].

Katalis berupa enzim merupakan solusi untuk kandungan FFA yang tinggi pada minyak [38], sehingga diharapkan PFAD berpotensi dijadikan bahan baku yang murah untuk pembuatan biodiesel.

Tabel 2.6 Tingkat FFA yang Direkomendasi untuk Proses Transesterifikasi Menggunakan Katalis Basa

Referensi FFA (%berat)

Ma dan Milford, 1999 [39] < 1 Ramadhas, dkk., 2005 [40] ≤ 2 Zhang, dkk., 2003 [41] < 0,5 Freedman, dkk., 1984 [42] < 1 Tiwari, dkk., 2007 [43] < 1 Sahoo, dkk., 2007 [44] ≤ 2

Enzim dikategorikan kedalam dua bagian yaitu [28] : 1. Free Enzyme

Diisolasi dari berbagai spesies tanaman (getah pepaya, lipase biji oat, dan lipase jarak biji), hewan bakteri (babi dan lipase pankreas manusia), jamur berserabut dan ragi.

2. Immobilized Enzyme

Tabel 2.7 Perbandingan Antara Free Enzyme dan Immobilized Enzyme [28] Karakterisitik Free Enzyme Immobilized Enzyme

Harga Tinggi Rendah

Efisiensi Rendah Tinggi

Aktivitas Tidak stabil Stabil

Penggunaan kembali dan pemulihan

Tidak mungkin Mungkin Toleransi terhadap suhu,

pH dll

Rendah Tinggi

Untuk memisahkan dari substrat

Sulit Mudah

Untuk memisahkan dari produk

Sulit Mudah

Pada penelitian ini digunakan enzim Novozym® 435. Novozym® 435 adalah lipase komersial yang diperoleh dengan imobilisasi Candida antarctica pada resin akrilik dan merupakan katalis yang baik yang memberikan yield biodiesel lebih tinggi dari 90% [45].

Gambar 2.2 Novozym® 435

2.3TRANSESTERIFIKASI ENZIMATIK

Transesterifikasi enzimatik telah menarik banyak perhatian karena memproduksi produk kemurnian tinggi dan memungkinkan pemisahan mudah dari produk sampingan berupa gliserol [46].

Transesterifikasi enzimatik memiliki sejumlah keunggulan yaitu [47] : a. Sedikitnya limbah yang dihasilkan industri

b. Enzim dapat digunakan kembali

Transesterifikasi secara enzimatik mudah dalam memisahkan antara biodiesel, enzim dan alkohol. Transesterifikasi alkali membutuhkan proses yang banyak dalam pemisahan katalis dan alkohol yang tidak bereaksi dengan biodiesel. Penghapusan katalis melibatkan banyak komplikasi dan biodiesel harus dicuci secara berulang-ulang untuk mencapai kemurnian tertentu [46].

C

Gambar 2.3 Reaksi Esterifikasi Enzimatik

Oil Transesterification Separation

Oil

MeOH

Enzyme

Separation Transesterification

Biodiesel Upper Phase

Glycerol Lower

Phase

Gambar 2.5 Produksi Biodiesel dengan Proses Enzimatik [46]

2.4REAKTOR PADA TRANSESTERIFIKASI ENZIMATIK

Reaktor yang paling sering digunakan dalam transesterifikasi enzimatik adalah reaktor batch dan reaktor packed bed.

2.4.1 Reaktor Batch

Reaktor Batch adalah desain sederhana yang biasa digunakan didalam laboratorium. Proses ini dioperasikan dengan penambahan semua komponen dari awal. Proses batch berguna untuk mengumpulkan data tentang proses, seperti untuk produktivitas misalnya enzim. Kekurangan pada proses ini adalah sulitnya memproduksi ester dalam skala besar karena diperlukan volume tangki yang besar, waktu reaksi yang lama dan proses ini tidak berlangsung kontinu.

Gambar 2.6 Reaktor Batch

2.4.2 Reaktor Packed Bed

Reaktor packed bed adalah alternatif dari reaktor batch yang secara substansual lebih cepat dan merupakan reaktor kontinu yang lebih ekonomis. Reaktor Packed bed paling banyak digunakan di bidang bioteknologi karena mudah untuk mengoperasikan. Keuntungan yang paling penting dari reaktor packed bed adalah penurunan tegangan geser pada enzim yang akan mengarah ke

stabilitas enzim jangka panjang [28]. Dan selain itu, sebuah sistem reaktor packed bed dengan imobilisasi enzim menghasilkan kontak yang baik antara reaktan cair

dan katalis padat [38].

1 2

3

4 5

7

6

1. Conical Flask 2. Heater

3. Peristaltic Pump 4. Reactor

5. Glass Beads

6. Novozyme® 435

Dari kedua reaktor tersebut maka reaktor packed bed merupakan sistem reaktor transesterifikasi praktis dengan efisiensi transesterifikasi tinggi [28].

Berikut ini adalah beberapa faktor yang mempengaruhi kinerja transesterifikasi enzimatik dengan proses kontinu :

1. Temperatur

Transesterifikasi enzimatik berlangsung pada suhu rendah dengan rentang 25-60 oC. Pada umumnya, laju reaksi meningkat dengan kenaikan suhu reaksi karena dengan peningkatan konstanta laju dengan suhu dan berkurangnya transfer massa [48-49]. Namun, peningkatan suhu melebihi suhu optimum akan mengakibatkan denaturasi dan deaktivasi termal yang tinggi terhadap enzim sehingga akan terjadinya penurunan aktivitas katalitik [50].

2. Konsentrasi enzim

Semakin tinggi konsentrasi enzim maka semakin meningkat kandungan Fatty Acid Methyl Ester (FAME) karena semakin banyak lipase, semakin banyak molekul substrat yang diserap ke pusat aktif dari lipase tersebu [17].

3. Laju alir

Laju alir yang lebih tinggi dapat mempersingkat waktu reaksi. Ketika laju alir rendah maka reaktan (alkohol) akan memiliki waktu yang lebih lama untuk berkontak dengan enzim sehingga mengurangi aktivitas enzim. Sebaliknya laju alir yang tinggi dapat menurunkan kadar FAME karena kontak antara enzim dan substrat tidak begitu lama [17].

4. Perbandingan rasio molar

2.5ANALISIS EKONOMI

Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) adalah produk sampingan dari proses

pemurnian minyak kelapa sawit sehingga PFAD dapat dijadikan alternatif baru sebagai bahan baku untuk pembuatan biodiesel. Karena PFAD merupakan produk samping maka diharapkan PDAD dapat meminimalkan biaya produksi dan dampak terhadap lingkungan sehinngga dapat diproduksi untuk mencukupo kebutuhan bahan bakar dalam negeri yang semakin meningkat.

Untuk itu, perlu dilakukan kajian potensi ekonomi biodiesel dari PFAD. Namun, dalam tulisan ini hanya akan dikaji potensi ekonomi secara sederhana. Sebelum melakukan kajian tersebut, perlu diketahui harga bahan baku yang digunakan dalam produksi dan harga jual biodiesel.

 Biaya bahan baku :

 Biaya pembelian asam lemak sawit distilat = Rp 1.130 / L [52]

 Biaya pembelian dimethyl carbonate = 1,80 ml (1.5 L Rp 1.800.000) = Rp 2.160 [53]

 Biaya pembelian Novozym®435

$1 / g x Rp 13.401 / $ x 0,01 g = Rp 134,01 [54,55]

 Biaya listrik pada carousel

0,5 kWh x Rp 1,352 /kWh x 2 jam = Rp 1.352 [56] Total biaya bahan baku = Rp 3.654,27