PENGUKURAN D AN PERHITUNGAN
KESETIMBANGAN CAIR--CAIR SISTEM MINYAK NABATI-ASAM LEMAK BEBAS-METANOL
TESIS MAGISTER
Oteh: SILVIANA NIM: 23099039
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA PROGRAM PASCASARJANA
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
ABSTRAK
Minyak nabati, seperti minyak sawit mentah, merupakan bahan dasar pembuatan bahan kimia oleo (oleochemicals) yang dapat menggantikan peran bahan kimia petro (petrochemicals) di masa mendatang. Salah satu jembatan penghubung industri minyak nabati dan oleokimia adalah konversi minyak nabati menjadi metil ester asam lemak Akan tetapi, proses konversi tersebut sangat terganggu oleh keberadaan asam lemak bebas dalam minyak nabati. Salah satu cara untuk menyingkirkan asam lemak bebas dari minyak nabati adalah dengan ekstraksi menggunakan metanol sebagai pelarut. Cara ini tidak saja dapat mengurangi kadar asam lemak bebas dalam minyak nabati tetapi juga dapat meningkatkan produksi metil ester asam lemak melalui esterifikasi dari ekstrak yang diperoleh.
Penelitian ini bertujuan menghasilkan data kesetimbangan cair-cair sistem minyak nabati-asam lemak-metanol. Data kesetimbangan diperoleh melalui pengukuran menggunakan sel Smith-Bonner pada temperatur 40 - 50 °C dan tekanan atmosfer. Sebagai tambahan, perhitungan data komposisi kesetimbangan melibatkan metode UNIFAC jug& dilakukan untuk mengkaji kemampuan UNIFAC dalam memprediksi kelakuan cair-car sistem minyak nabati-asam lemak bebas-metanoi.
Kurva binodal yang diperoleh menunjukkan bahwa dengan adanya kenaikan temperatur maka leas daerah dua fasa semakin sempit. Koefisien distribusi asam lemak bebas berkisar antara 0,06 - 0,4 pada temperatur 40 dan 45 °C, sedangkan pada temperatur 50 °C berkisar antara 1,1 - 2,7.
Perhitungan komposisi kesetimbangan cair-cair menggunakan metode UNIFAC dengan parameter VLE dan LLE masing-masing menghasilkan kesalahan yang besar, yaitu: 57% dan 52%. Perhitungan ekstraksi secara grafik menunjukkan bahwa jumiah tahap yang diperlukan untuk mencapai kadar 0,5% berat asam lemak bebas berkisar antara 2 - 6, tergantung pada rasio umpan terhadap pelarut dan temperatur
DAFTAR ISI
Hal.
JUDUL PENELITIAN i
LEMBAR PENGESAHAN ii
KATA MIJTIARA iii
KATA PENGANTAR iv
ABSTRCK v
ABSTRACT vi
DAFTAR ISI vii
DAFTAR GAMBAR a
DAFTAR TABEL aiii
DAFTAR SEVfHOL avi
BABI PENDAHULUAN 1
1. Latar Belakang 1
2. Perumusan Masalah 4
3. Tujuan Penelitian 5
4. Batasan Masalah 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 6
2.1. Minyak Nabati 6
2.1.1. Sumber Minyak Nabati 6 2.1.2. Komposisi Minyak Nabati 6 2.1.3. Kegunaan Minyak Nabati 7 2.2. Kesetimbangan Cair-Cair 8 2.3. Estimasi Koefisien Aktifitas 9
2.4. Diagram Fasa 15
2.5. Pengaruh Temperatur 20 2.6. Ekstraksi Cair-Cair 21 2.7. Perhitungan Jumlah Tahap 23 2.7.1. Ekstraksi Satu Tahap (Single- 23
Stage)
2.7.2. Ekstraksi Multi Tahap 26 2.7.3. Perhitungan Kebutuhan Pelanrt 29
Minimum pada Operasi Multi Tahap Berlawanan Arah
BAB III RANCANGAN PENELTTIAN 31 3.1. Metodologi Penchtian 31 3.2. Pengukuran Kesetimbangan Cair-Cair 33
3.2.1. Bahan 33
3.2.2. Alat 33
3.2.3. Variabel Percobaan 34 3.2.4. Prosedur Percobaan 35 3.3. Perhitungan Kesetimbangan Cair-fair 39 3.3.1. Sistem Persamaan 39 3.3.2. Model Minyak Sawit 40 3.3.3. Grup dan Parameter 41 3.3. Algoritma Perhitungan 43 3.4. Perhitungan Kebutuhan Pelarut pada
Operasi Ekstraksi Tahap Tunggal 44 3.5. Perhitungan Jumlah Tahap pada Operasi
Ekstraksi Tahap Tunggal 44 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 45 4.1. Pengujian Awal Alat Kesetimbangan 45 4.2. Kesetimbangan CairCain Sistem CPO
-Asam Stearat - Metanol 47 4.3. Kesetimbangan Cairfair Sistem CPO
-Asam Oleat - Metanol 49 4.3.1. Kurva Binodal Sistem CPO-Asam
Oleat Metanol 49
4.3.2. Tie Line Sistem CPO-Asam
Oleat-Metanol 52
4.4. Perhitungan Kesetimbangan Cair-fair 57 4.5. Perhitungan Kebutuban Pelarut pada
Operasi Ekstraksi Tahap Tunggal 75 4.6. Perhitungan Jumlah Tahap pada
Ekstraksi Multi Tahap 76 BAB V KESE"ULAN DAN SARAN 79
5.1. Kesimpulan 79
5.2. Saran 79
DAFTAR PUSTAKA 81
LAMPIRAN A KARAKTERISTIK MINYAK SAWTr KOMPOSISI, DAN SIFAT FISIK
MINYAK NABATI 83
A.1. Karakteristik Minyak Sawit 83 A3. Komposisi N4myak Sawit 87 A2. Sifat Fisik Minyak Nabati 88 LAMPIRAN B PROSEDUR PENGUKURAN BERAT
JENIS DAN KADAR ASAM
LEMAK BEBAS 91
B.1. Pengukuran Berat Jenis 91 B.2. Pengukuran Kadar Asam Lemak Bebas 92 LAMPIRAN C METODA UNIFAC DAN ALGORITMA 95
PERHTTUNGAN KEBUTUHAN PELARUT DAN TAHAP
C.I. PersamaanUNIFAC 95
C.2. Parameter UNIFAC 96
C.3. Algoritma Perhitungan Kebutuhan Pelarut 98 dan Jumlah Tahap
LAMPIRAN D PROGRAM PERHI'TUNGAN 102 LAMPIRAN E ATURAN PENGUNGKTT (Lever Rule) 107 LAMPIRAN F KARAKTERISTIK BAHAN 111
LAMPIRAN G DATA ANTARA 114
G.1. Data Pengukuran Kesetimbangan Cair-fair
Sistem CPO-Asam Stearat-Metanol 114 G.2. Data Pengukuran Kesetimbangan Cair-fair
Sistem CPO-Asam Oleat-Metanol 117 G3. Data Pengukuran Kesetimbangan Cair-Cair
Sistem CPO-Asam Oleat-Metanol
Temperatur 50°C (Martinez4loreno,1949) 117
DAFTAR GAMBAR
hal. Gambar 2.1 Diagram teeter tipe 1, pada tekanan dan temperatur
tertentu. 16
Gambar 2.2 Diagram teeter tipe II pada tekanan dan
temperatur tertentu. 17
Crambar 2.3 Kurva kelarutan asam lemak jenuh dalam metanol 19 Crambar 2.4 Kurva kelarutan asam oleat vs temperatur 20 Crambar 2.5 Penganrh temperatur terhadap kurva kelarutan
sistem terner dengan adanya padatan 21 Gambar 2.6 Skema sederhana ekstraksi satu tahap (single
stage) 24
Gambar 2.7 Profil komposisi dalam diagram terner 26 Gambar 2.8 Skema proses ekstraksi multi tahap searah 27 Gambar 2.9 Skema proses ekstraksi multi tahap berlawanan
arah 27
Gambar 2.10 Ekstraksi multi tahap berlawanan arch 29 Crambar 2.11 Perhitungan pelarut minimum ekstraksi
multi tahap berlawanan arch 30 Gambar 3.1 Diagram alir metodologi penelitian 32 Crambar 3.2 Rangkaian alat percobaan 34 Gambar 3.3 Profil titrasi dalam diagram terner 36 Crambar 3.4 Algontma perhitungan komposisi kesetimbangan
cair-cair 43
Crambar 4.1 Kurva bnodal sistem aseton-air-benzen temperatur
30 °C 45
Gambar 4.2 Kurva binodal sistem aseton-air-benzen temperatur
45 °C 46
Crambar 4.3 Kurva kesetimbangan sistem CPO-asam
stearat-metanol 47
Crambar 4.4 Kurva distribusi sistem terner (cair-au padat) 49
BAB I PENDAHULUAN 1.1. LatarBelakang
Industri mnyak kelapa sawit merupakan hasil perkebunan terpenting di Indonesia. Keragaman kegunaan minyak sawit sebagai bahan baku industri pangan dan nonpangan memungkinkan prospelmya lebih cerah dibandmgkan kopi dan karet olahan. Secara nominal, Produk Domestik Bruto (PDB) kelapa sawit meningkat: tahun 1994 sekitar Rp. 2,64 triliun (27,9% dari sektor perkebunan), tahun 1997 meningkat menjadi Rp. 3,33 triliun (32,3% dari sektor perkebunan). Meskipun ada peningkatan, namun produktivitas kelapa sawit di Indonesia masih rendah dibandingkan Malaysia. Produktivitas kelapa sawit di Indonesia seldtar 2,6 - 3,4 ton CPO/ha/tahun, sedang Malaysia dapat mencapai rata-rata 3,5 - 4,2 ton CPO/ha/tahun [Tim Penulis, 19991.
Kelebihan minyak kelapa sawit dibandingkan dengan sumber minyak lainnya (kedelai, bunga matahari, zaitun, dan kelapa) adalah produktivitas yang tinggi, rata-rata 3,14 ton/ha (kedelai 0,34 ton/ha, bunga uptahari 0,53 ton/ha), merupakan tanaman musiman dan juga kera~gaman kegunaan minyalmya (interchangeable) sangat menonjol. Pemasaran komoditas perkebunan kelapa sawit masih berkisar pads upaya ekspor bernpa minyak kelapa sawit mentah. Mengingat persaingan perdagangan dunia semakin ketat, upaya demikian memiliki
kelemahan sehingga perlu upaya pengembangan yang lain. Upaya yang dilakukan untuk memngkatkan nilai ekspor buah kelapa sawit adalah
2
dengan jalan mengubahnya dalam bentuk produk lain, khususnya menjadi produk oleokimia.
Industri oleokimia didefinisikan sebagai industri k,mia yang menggunakan bahan baku minyak/lemak nabati maupttn hewani. Dalam dunia perdagangan terdapat dua jenis oleokimia, yaitu oleok,n ia alam (natural) yang diperoleh dari bahan baku minyak/lemak nabat, atau hewam dan oleokimia buatan yang diperoleh dan minyak bum, sepert, propilen dan
etilen-Industri mimak nabati dan industri oleokimia dapat dihubungkan melalw dua jalan, yaitu konversi minyak nabati menjad, metil ester asam lemak dan konversi minyak nabati menjadi asam lemak. Produksi utama mnyak yang dapat digolongkan dalam oleokimia dasar (basic oleochemicals) adalah asam lemak, metil ester asam lemak, lemak alkohol, asam amino, dan gliserin.
Jalan pertama dalam konversi minyak nabati menjadi metil ester asam lemak lebih memil,ld keuntungan. Sebagai bahan dasar oleokimia, metil ester asam lemak lebih mudah ditangani karena titik lelehnya relatif rendah sehingga akan letap dalam bentuknya, stabil pads waktu penyimpanan dan fraksionasi metil ester asam lemak lebih hemat energi karena titik didihnya yang rendah. Di santping An, meth ester asam lemak juga merupakan pengganti minyak diesel yang dikenal sebagai biodiesel (Othmer, 1992 dan PT. ICBS, 1997].
3
minyak nabati menjadi meth ester asam lemak dapat dilakukan melalui reaksi transesterifikasi. Trigliserida, komponen utama mnyak nabati, duvaksikan dengan metanol mengikuti persamaan reaksi berikut H2 - OOC-R,Konversi CH3 - OOCR, H2C-0H H - OOC-R2 + 3 CH30H "-'10 CH3 - OOCR2 + H i -0H H2 - OOC-R3 CH3- OOCR3 H2C-0H
trigliserida metanol metil ester gliserol asam lemak
Reaksi tang terjadi merupakan proses transesterifikasi dengan menggunakan NaOH sebagai katalis. Keberadaan asam lemak bebas (free fatty acid) dalam minyak nabati ternyata menghambat reaksi di atas karma asam lemak bebas dapat mengikat Na + sehingga keefektifan NaOH sebagai katalis berkurang. Reaksi yang terjadi sebagai berikut:
RCOOH + NaOH -oRCOONa + H2O
Minyak nabati umumnya mengandung 5-8% best asam lemak bebas. Pasaran dime mensyaratkan maksimum 4% berat [Setiadi, 1999] dan Standar Nasional Indonesia maksimum 5% berat [SNI, 1992]. Untuk menghmdan deaktifasi katalis dalam proses konversi mnyak nabati menjadi metil ester asam lem* asam lemak bebas dalam minyak nabati hams disingkirkan lebih dahulu hmgga mencapai kadar 0,5% berat. Salah sate cara yang dipilih adalah ekstraksi asam lemak bebas dengan pelanrt tertentu. Dari sejumlah pelarut yang ada, metanol merupakan salah sate alternatif karena ekstrak yang diperoleh (terdin
4
dari metanol dan asam lemak bebas) dengan penambahan katalis asam dapat dike= re" esterifikasi amok menghasilkan metil ester asam lemak Sedangkan rafinat dengan kadar 0,5°/. berat asam lemak bebas dapat langsung dike= reaksi transesterifikasi. Cars ini akan meningkatkan produksi metil ester asam lemak.
1.2. Perumusan Masalah
Sebagaimana telah dikemukakan sebelumnya bahwa kandungan asam lemak bebas dalam minyak nabati dapat mengganggu reaksi transesterifikasi sehingga perlu disingkirkan terlebih dahulu. Telah diungkapkan pula bahwa alternatif yang cocok berkenaan dengan pemngkatan produk metil ester asam lemak adalah ekstraksi dengan pelanrt metanol. Keberhasilan alternatif ini sangat tergantung pads kemampuan metanol melarutkan asam lemak bebas dalam mnyak nabati. Sehubungan dengan hal tersebut, pengukuran data kesetimbangan cair-cair sistem terner perlu dilakukan. Sebagai tambahan, untuk perancangan dan evaluasi proses ekstraksi, maka diperlukan perhitungan model matematik kesetimbangan cair-air, perhitungan jumlah tahap dan kebutuhan pelanit. Perhitungan model kmetimbangan cair-cair dapat dikatakan handal, jika model matematik kesetimbangan cair-cair dikembangkan berdasarkan teori-teori termodinamika.
5
1.3. Tujuan Penelitian
Berlatar belakang masalah yang disampaikan, secara umum penelitian ini bertujuan membahas kesetimbangan cair-cair sistem mnyak nabati-asam lemak bebas-metanol. Secara khusus, tujuan dari penelitian ini adalah sebagm berikut
1. Mengukur data kesetimbangan cair-cair sistem minyak nabati-asam lemak bebas-metanol.
2. Mengkaji perhitungan model matematik komposisi kesetimbangan cair-cair yang didasarkan pada teori termodinamika.
3. Menghitung jumlah tahap dan kebutuhan pelarut dalam proses ekstraksi asam lemak bebas dengan pelarut metanol hingga berkadar 0,5% berat.
1.4. Batasan Masalah
Kajian kesetimbangan cair-cair dalam penelitian ini dibatasi ketiga hal berikut
1. Sebagai minyak nabati digunakan minyak sawit, mengingat minyak sawit diproduksi dalam jumlah besar di Indonesia. 2. Asam stearat dan asam oleat digunakan sebagai asam lemak
bebas, masmg-masmg mewakili asam lemak jenuh dan asam lemak tak jenuh.
3. Pengukuran data kesetimbangan Lair-fair dilakukan pada tekanan atmosferik dan pads temperatur 40 - 50 °C karena ekstraksi umumnya dilakukan pada rentang temperatur ini.
