Pengaruh Suhu Reaksi Dan Jumlah Katalis Pada Pembuatan Biodiesel Dari Limbah Lemak Sapi Dengan Menggunakan Katalis Heterogen CaO Dari Limbah Kulit Telur Ayam

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1BIODIESEL

Biodiesel merupakan sumber bahan bakar alternatif pengganti solar yang terbuat dari minyak tumbuhan atau lemak hewan [21]. Biodiesel bersifat ramah terhadap lingkungan karena biodegradable, nontoxic, dan rendah emisi. Sifatnya bervariasi tergantung pada bahan baku minyak dan alkohol yang digunakan tetapi selalu dapat digunakan sebagai pengganti langsung untuk bahan bakar diesel [22].

Biodiesel umumnya disintesis melalui transesterifikasi dengan menggunakan katalis basa seperti natrium dan kalium hidroksida, atau natrium dan kalium karbonat [23]. Bahan baku untuk proses transesterifikasi harus memiliki angka asam lemak bebas < 0,5% [9]. Jika kadar asam lemak bebas tinggi akan mengakibatkan reaksi transesterifikasi terganggu akibat terjadinya reaksi penyabunan antara katalis dengan asam lemak bebas sehingga menurunkan yield biodiesel [24]. Pada kasus demikian, minyak nabati atau lemak hewani yang mengandung asam lemak bebas tinggi harus diesterifikasi terlebih dahulu. Asam lemak bebas dan alkohol dapat dikonversi menjadi ester dan air dengan katalis asam [25].

Keuntungan penggunaan biodiesel yaitu memiliki bilangan setana (cetane

number) yang tinggi dibandingkan bahan bakar dari petroleum, tidak mengandung

bahan aromatik, mengandung oksigen sekitar 10 sampai 11% berat, mengurangi emisi CO (karbon monoksida), HC (hidrokarbon), dan beberapa bahan lainnya pada gas hasil pembakaran [22].

Persyaratan kualitas biodiesel menurut SNI dapat dilihat pada tabel 2.1.

Tabel 2.1 Persyaratan Kualitas Biodiesel Menurut SNI [27]

No Parameter Standar

17 Angka iodium, g-I2/100g maks 115

18

Kestabilan oksidasi

Periode induksi metode rancimat, menit 360 atau

Periode induksi metode petro oksi, menit 27

2.2LEMAK SAPI

Tabel 2.2 Populasi Hewan Ternak per Ekor Tahun 2008-2012 di Indonesia [28] 11 Ayam ras pedaging 902.052 1.026.379 986.872 1.177.991 1.266.903

12 Itik 39.840 40.676 44.302 43.488 46.990

Yang tergolong sebagai lemak sapi adalah lemak rongga badan dan lemak keras yang menempel pada daging. Sebuah riset di Denpasar menunjukkan, seekor sapi bali berbobot 300-350 kg menghasilkan 4%-5% lemak. Bila setiap hari dipotong 150 ekor sapi, maka akan dihasilkan 1-2 ton lemak sapi [29]. Komposisi asam lemak dalam lemak sapi dapat dilihat pada tabel 2.3.

Tabel 2.3 Komposisi Asam Lemak dalam Lemak Sapi [6]

Asam Lemak % Komposisi

mudah terbakar, dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan daripada etanol). Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar dan sebagai bahan aditif bagi etanol industri [31].

Di Amerika Serikat, harga metanol adalah setengah harga etanol. Di beberapa negara, terutama Brazil, bahan baku dan teknologi yang tersedia memungkinkan produksi etanol lebih ekonomis melalui fermentasi, menghasilkan produk yang lebih murah daripada metanol. Etanol juga digunakan dalam produksi biodiesel untuk percobaan di negara Amerika Serikat dimana etanol dibuat dari fermentasi pakan kaya pati [30].

Selain metanol dan etanol, alkohol lainnya seperti propanol dan butanol juga dapat digunakan dalam reaksi transesterifikasi. Metanol lebih banyak dipilih karena berharga lebih murah daripada alkohol lainnya dan merupakan senyawa polar berantai karbon terpendek sehingga bereaksi lebih cepat dengan trigliserida [32] dan juga merupakan turunan alkohol yang memiliki berat molekul paling

rendah sehingga kebutuhannya untuk proses alkoholisis relatif sedikit dan lebih stabil [14].

Sifat-sifat fisika dan kimia metanol dapat dilihat pada tabel 2.4. Tabel 2.4 Sifat-Sifat Fisika dan Kimia Metanol [33]

Berat molekul 32,04 g/mol

Wujud cairan tidak berwarna

Titik didih 64,5oC (148,1F)

Titik leleh -97,8oC (-144F)

Spesific gravity 0,7915

Kelarutan dalam air Mudah larut

2.4KATALIS HETEROGEN

Katalis yang sering digunakan dalam produksi biodiesel adalah katalis homogen (KOH dan NaOH). Namun, penggunaan katalis tersebut memiliki kelemahan yaitu pemisahan katalis dari produknya cukup rumit. Sisa katalis homogen tersebut dapat mengganggu pengolahan lanjut biodiesel yang dihasilkan [34]. Selain itu, katalis homogen tersebut dapat bereaksi dengan asam lemak bebas membentuk sabun sehingga akan mempersulit pemurnian serta menurunkan

Penggunaan katalis heterogen dalam produksi biodiesel dapat mengatasi beberapa kelemahan yang dimiliki oleh katalis homogen. Pemisahan katalis heterogen dari produknya cukup sederhana yaitu dengan menggunakan penyaringan [36]. Beberapa contoh katalis heterogen misalnya CaO, MgO, SrO, Zeolit, Al2O3, ZnO, TiO2, dan ZrO telah digunakan dalam proses transesterifikasi. Di antara katalis ini, logam alkali oksida (misalnya MgO, CaO, dan SrO) memiliki aktivitas tinggi untuk digunakan dalam proses transesterifikasi. Dari beberapa logam alkali oksida ini, CaO lebih mudah ditemukan di lingkungan. Umumnya, Ca(NO3)2, CaCO3, atau Ca(OH)2 adalah bahan baku untuk memproduksi katalis CaO. Ada beberapa sumber kalsium alam yang berasal dari limbah untuk mensintesis katalis CaO seperti kulit telur, kulit moluska dan tulang. Alasan dipilih CaO dari limbah kulit telur ayam ini karena jumlahnya yang berlimpah di lingkungan dan tidak hanya menghilangkan biaya pengelolaan limbah, tetapi juga katalis dengan efektivitas tinggi dapat secara bersamaan dicapai untuk industri biodiesel [13].

Komposisi kimia dari kulit telur dapat dilihat pada tabel 2.5. Tabel 2.5 Komposisi Kimia dari Kulit Telur [37]

Elemen

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Jazie, et al., kondisi optimum proses kalsinasi CaO dari limbah kulit telur ayam diperoleh pada suhu 900oC dan waktu 2 jam [10].

2.5ESTERIFIKASI

Bahan baku yang memiliki kadar asam lemak bebas tinggi harus dilakukan perlakuan awal sebelum masuk ke tahap transesterifikasi [38]. Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk menghilangkan asam lemak bebas adalah mereaksikan asam lemak bebas dengan alkohol dengan bantuan katalis asam sulfat. Reaksi ini dikenal dengan esterifikasi [39]. Esterifikasi merupakan reaksi antara asam karboksilat dengan alkohol menghasilkan metil ester dan air. Asam karboksilat yang digunakan dapat berasal dari asam lemak bebas yang terkandung dalam minyak nabati atau lemak hewani. Reaksinya adalah sebagai berikut [40] :

RCOOH + CH3OH ↔ RCOOCH3 + H2O Asam Lemak Metanol Metil Ester Air

Reaksi esterifikasi merupakan reaksi bolak-balik yang relatif lambat. Untuk mempercepat jalannya reaksi dan meningkatkan hasil, proses dilakukan dengan pengadukan yang baik, penambahan katalis dan pemberian reaktan berlebih agar reaksi bergeser ke kanan. Reaksi esterifikasi berlangsung dengan bantuan katalis seperti H2SO4, HCl, HF dan H3PO4 [40].

Faktor-faktor yang mempengaruhi reaksi esterifikasi antara lain : a. Katalisator.

Katalisator berfungsi untuk mengurangi tenaga aktivasi pada suatu reaksi sehingga pada suhu tertentu harga konstanta kecepatan reaksi semakin besar. Pada reaksi esterifikasi yang sudah dilakukan biasanya menggunakan konsentrasi katalis antara 1-4% berat sampai 10% berat tiap gram FFA yang terkandung dalam minyak [22, 31].

b. Suhu reaksi.

(60-70oC) pada tekanan atmosfer. Semakin meningkatnya temperatur, akan ada kemungkinan metanol yang hilang di dalam reaksi [41].

c. Waktu reaksi.

Semakin lama waktu reaksi maka kemungkinan kontak antar zat semakin besar sehingga akan menghasilkan konversi yang besar. Jika kesetimbangan reaksi sudah tercapai maka dengan bertambahnya waktu reaksi tidak akan menguntungkan karena tidak memperbesar hasil [31]. Pada dasarnya, reaksi dilakukan dengan waktu reaksi 1 jam [12].

d. Pengadukan.

Pengadukan akan menambah frekuensi tumbukan antara molekul zat pereaksi dengan zat yang bereaksi sehingga mempercepat reaksi dan reaksi terjadi sempurna [31].

2.6TRANSESTERIFIKASI

Tahapan reaksi transesterifikasi merupakan salah satu tahapan yang penting untuk mempercepat jalannya produksi metil ester dan gliserol [42]. Transesterifikasi merupakan suatu reaksi kesetimbangan. Untuk mendorong reaksi agar bergerak ke kanan maka perlu digunakan alkohol dalam jumlah berlebih sehingga dihasilkan metil ester (biodiesel) [43]. Metanol lebih umum digunakan untuk proses transesterifikasi karena harganya lebih murah dan cepat bereaksi dengan trigliserida [44].

Reaksi transesterifikasi trigliserida menggunakan CaO dapat dilihat pada gambar 2.1.

Step 1 R-OH R-O- H+

Ca O

Step 2 R1-C-O-R

O-R O CH2-O-C-R1 CH2-O-C-R1 CH2-O O R-O- H+ O

CH-O-C-R1 CH-O-C-R1 CH-O-C-R1 O Ca O O O CH2-O-C-R1 CH2-O-C-R1 CH2-O-C-R1 O O O

Step 3

CH2-O CH2-O-H H+

CH-O-C-R1 CH-O-C-R1

O Ca O O Ca O CH2-O-C-R1 CH2-O-C-R1

O O

Gambar 2.1 Reaksi Transesterifikasi Trigliserida Menggunakan CaO [4]

Faktor-faktor yang mempengaruhi reaksi transesterifikasi katalis heterogen antara lain :

a. Molar rasio (minyak:alkohol).

Reaksi transesterifikasi katalis heterogen memerlukan rasio mol untuk alkohol:minyak lebih tinggi seperti 12:1 dan 30:1 [12]. Semakin tinggi rasio mol alkohol:minyak akan meningkatkan yield biodiesel karena reaksi bersifat

reversible [11].

b. Katalis yang digunakan.

bersifat lebih kental sehingga diperlukan daya yang tinggi untuk pengadukan [15].

c. Suhu reaksi.

Pada dasarnya, reaksi transesterifikasi katalis heterogen dilakukan dekat dengan titik didih metanol (60-70oC) pada tekanan atmosfer. Semakin meningkatnya temperatur, akan ada kemungkinan metanol yang hilang di dalam reaksi sehingga menurunkan yield biodiesel [12].

d. Waktu reaksi.

Pada dasarnya, reaksi transesterifikasi katalis heterogen dilakukan dengan waktu reaksi 3-24 jam [12]. Semakin lama waktu reaksi akan mengurangi

yield biodiesel karena adanya reaksi balik yaitu metil ester yang terbentuk

kembali menjadi trigliserida [46].

e. Kandungan asam lemak dan air dalam minyak atau lemak.

Bahan baku untuk proses transesterifikasi harus memiliki angka asam lemak bebas < 0,5% [9]. Jika angka asam lemak bebas melebihi jumlah ini, pembentukan sabun akan menghambat pemisahan metil ester dari gliserol dan juga mengurangi tingkat konversi metil ester [45].

2.7ANALISIS EKONOMI

Untuk itu, perlu dilakukan kajian potensi ekonomi biodiesel dari lemak sapi. 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 untuk 9 run :

• Biaya pembelian limbah lemak sapi = Rp 5.000/kg / (750 ml/kg) = Rp 6.700 L

• Biaya listrik pembuatan CaO = 230 V x 30 A x 2 jam / 1000 x Rp 1.352

= Rp 18.658 [47]

• Biaya pembelian metanol = 667 ml (1 L Rp 15.000)

= Rp 10.005 [48]

• Biaya listrik pada hot plate = 500 W / 1000 x 3210 mnt / 60 x Rp 1.352

= Rp 36.166 [47]

• Biaya pembelian asam sulfat = 5 ml (2,5 L Rp 396.000)

= Rp 792 [48]

Total biaya bahan baku = Rp 72.321