DENGAN BERBANTUKAN GELOMBANG ULTRASONIK
Haris Nu’man Aulia
STEM Akamigas, Jl. Gajah Mada No. 38 Cepu E-mail: harisnumanaulia@gmail.com
ABSTRAK
Biodiesel adalah bahan bakar terbaharui, biodegradable, tak beracun dibuat dari minyak atau lemak melalui transesterifikasi dengan alkohol. Pembuatan biodisel umumnya memerlukan waktu yang lama, dimana dapat diatasi dengan proses berbantukan gelombang ultrasonik. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh temperatur pada proses produksi biodiesel berbantukan gelombang ultrasonik sekaligus mempelajari model kinetikanya.Penelitian ini dilakukan dengan variasi paramater temperatur (35 oC, 45 oC, 55 oC) dengan parameter tetap daya 300 Watt, perbandingan molar metanol: minyak (6:1), dan konsentrasi katalis 1 wt %. Dari hasil penelitian menunjukan bahwa model kinetika tersebut dapat menggambarkan kondisi yang sebenarnya, dengan koefisien determinasi R2 > 0,9.
Kata kunci: model kinetika, ultrasonik, transesterifikasi
ABSTRACT
Biodiesel is a renewable, biodegradable, non-toxic fuel. It is made from oils or fats and alcohol by the transesterification process. Biodiesel production process generally takes a long time, but it can be overcome by using ultrasound assisted process. This study aims to determine the effect of temperature on the biodiesel production process assisted by ultrasonic waves as well as to learn a kinetic model of it. This study was conducted by varying parameters of temperature (35 oC, 45 oC, 55 oC) with a fixed parameter’s of power of 300 Watts, the methanol-oil molar ratio of 6: 1, and catalyst concentration of 1 wt%. The results of the study showed that the kinetic’s model can also describe the actual conditions with the coefficient of determination R2> 0.9.
Keywords: kinetic model, ultrasound, transesterification
1. PENDAHULUAN
Biodiesel merupakan bahan bakar alternatif pengganti minyak solar dan terdiri dari campuran fatty acid metyl esters (FAMEs) yang diperoleh dari sumber dapat di-perbarukan seperti minyak nabati dan lemak hewan1)
. Secara kimia biodiesel diproduksi melalui transesterifikasi , yakni reaksi reversibel tiga tahap yang meng-konversi trigliserida menjadi campuran FAMEs dan gliserol dengan bantuan katalis2).
Proses produksi biodiesel telah di-lakukan para peneliti, diantaranya proses transesterifikasi dan esterifikasi berkatalis
asam3), transesterifikasi berkatalis basa hete-rogen4), transesterifikasi dengan proses
enzymatic5), transesterifikasi via metanol superkritis non katalis6), transesterifikasi ber-bantukan microwave7), dan transesterifikasi berbantukan gelombang ultrasonik8)). Peneli-tian tersebut dilakukan secara intensif untuk memperbaiki konversi, waktu reaksi, kon-sumsi bahan, dan pengaruh lingkungan.
Proses berkatalis basa mengurangi efisiensi katalis dan kurang hemat energi. Proses berkatalis asam memiliki laju reaksi yang rendah dan dapat membentuk produk samping. Proses enzymatic biayanya mahal. Proses via metanol superkritis non katalis kondisi operasinya pada tekanan dan
temperatur yang tinggi, biaya mahal, dan rumit. Proses berbantukan microwave perolehan yield dan lama reaksi masih rendah dibandingkan berbantukan ultrasonik dan masih dikaji pada penerapan skala industri. Pada proses berbantukan ultrasonik dibutuhkan waktu operasi 25 menit, di-bandingkan 8 jam pada metode konven-sional. Transesterifikasi berbantukan ultra-sonik merupakan metode yang efisien, hemat waktu, dan ekonomis, antara lain meng-hasilkan konversi yang besar (92%) dengan waktu 70 detik dibandingkan pada proses konvensional yang mencapai konversi (91%) dengan waktu 1 jam pada pembuatan biodiesel berbahan baku beef tallow9).
Penggunaan gelombang ultrasonik memberikan pengaruh positif untuk menaik-kan produk metil ester. Pencampuran dengan menggunakan ultrasonik lebih baik di-bandingkan dengan menggunakan penga-dukan karena adanya efek kavitasi9)10). Kece-patan reaksi meningkat karena efek kavitasi, termal, dan mekanik yang dihasilkan gelombang ultrasonik yang memberikan energi yang sangat besar. Peningkatan laju reaksi akan menghasilkan konversi pem-bentukan biodiesel yang lebih tinggi dan proses berlangsung lebih cepat dibandingkan dengan proses tanpa penggunaan ultrasonik.
Kavitasi adalah salah satu efek akibat adanya gelombang ultrasonik di dalam cairan. Jika pada cairan diradiasikan gelom-bang ultrasonik maka tekanan cairan tersebut akan bertambah pada saat gelombang ultrasonik mempunyai amplitudo positif dan akan berkurang pada saat amplitudo negatif. Akibat perubahan tekanan ini, gelembung-gelembung gas yang biasanya ada dalam cairan akan terkompresi pada saat tekanan cairan naik dan terekspansi pada saat tekanan turun.
Bila amplitudo gelombang ultrasonik cukup besar maka gelembung tersebut akan pecah pada saat kompresi, yaitu pada saat tekanan di luar gelembung besar untuk memecahkan gelembung yang sebelumnya sudah berukuran maksimum (mengembang saat ekspansi). Pecahnya gelembung ini akan menghasilkan gelombang kejut (shock
waves) karena terjadi pada tekanan yang besar.
Efek mekanik terjadi akibat gelombang ultrasonik yang merambat di dalam medium yang mengakibatkan adanya getaran partikel di dalam medium itu. Getaran ini terjadi pada semua intensitas, sehingga dapat me-nyebabkan efek mekanik terhadap partikel di dalam medium. Efek mekanik ini dapat menimbulkan percepatan partikel11).
Penelitian tentang kinetika transes-terifikasi biodiesel telah banyak dilakukan tetapi yang berhubungan dengan kinetika reaksi dengan proses berbantukan ultrasonik belum banyak diteliti. Kinetika reaksi mempelajari laju reaksi kimia dan faktor-faktor yang berpengaruh terhadap laju reaksi secara kuantitatif. Kinetika reaksi akan memberikan data empirik tentang laju reaksi, rA, konstanta laju reaksi, k; dan orde reaksi
n. Data empirik ini sangat penting dan diperlukan pada pra-rancangan peralatan reaktor dan faktor-faktor yang mempe-ngaruhi dalam skala teknik (technical scale). Model kinetika reaksi reversibel untuk proses berbantukan gelombang ultrasonik12). Model yang didapatkan memuat paramater konsentrasi katalis, daya ultrasonik, per-bandingan molar reaktan, dan suhu reaksi. Adapun modelnya sebagai berikut:
rA= 0,0707Ccat e 0,1001P0,9+1,0 RT CAo [XAe2 (1−XA)(M−XA)−X2(1−XAe)(M−XAe) XAe2 ] ... (1)
Tujuan penulisan ini adalah membuk-tikan kevalidan model kinetika yang didapatkan oleh penelitian melalui eks-perimen laboratorium.
2. METODE A. Model Kinetika
Penentuan model kinetika reaksi ber-dasarkan persamaan reaksi transesterifikasi yang dapat disederhanakan sebagai berikut :
𝑇𝐺 + 3 𝑀𝑒𝑂𝐻 ↔ 3 𝐹𝐴𝑀𝐸 + 𝐺𝐿 𝛼𝐴 + 𝛽𝐵 ↔ 𝜀 𝐶 + 𝛾𝐷 … …(2)
Analisis data kinetika dilakukan dengan menggunakan data hasil penelitian reaktor batch. Anggapan-anggapan yang diambil pada analisa kinetika sebagai berikut.
1. Persamaan kinetika reaksi berdasarkan reaksi non elementer dan reversibel 2. Persamaan laju reaksi berdasarkan
trigliserida sebagai limiting reaktan. Persamaan umum laju reaksi pada pers. (2) dengan anggapan reaksi reversibel :
(-rA)=− 𝑑CA 𝑑𝑡 =k1C𝐴 𝛼C 𝐵 𝛽− k2C𝐶𝜀C𝐷𝛾...(3)
menerapkan anggapan reaksi non elementer, maka persamaan (3) menjadi :
(-rA)=− 𝑑CA 𝑑𝑡=k1C𝐴 C𝐵 −k2C𝐶C𝐷...(4) CAodXdtA= k1CAo2 (1 − XA)(M - XA ) - k2 CAo2 XA2 ...(5) dXA dt = k1CAo(1 − XA)(M- XA ) - k1 KeCAoXA 2 ....(6)
Berdasar persamaan stoikiometrinya : CA = CAo(1 - XA) CB = CBo - CAo .XA = CAo (M - XA) ; dimana M= CBo/ CAo CC = CCo + CAo.XA ; dimana CCo = 0, maka CC = CAo. XA CD = CDo + CAo.XA ;dimana CDo = 0 ,maka CD = CA0.XA
Satuan untuk 𝑘1 dan 𝑘2 adalah ltr.mol
-1
.min-1. Saat tercapai kesetimbangan, berlaku persamaan berikut : k1C𝐴𝑒C𝐵𝑒 =k2 C𝐶𝑒C𝐷𝑒 ...(7) Ke =k1 k2 = CCe CDe CAe CBe = XAe 2 (1−XAe ) (M− XAe) ...(8) Substitusi pers. (7) ke pers. (6) , diperoleh persamaan berikut : 𝑑𝑋𝐴 𝑑𝑡 = 𝑘1𝐶𝐴𝑜[ X𝐴𝑒 2 (1− X𝐴 )(𝑀−X𝐴 )− X𝐴 2 (1−X𝐴𝑒)(M−X𝐴𝑒 ) X𝐴𝑒2 ]...(9) B. Eksperimental Laboratorium
Minyak goreng yang digunakan dalam percobaan penelitian ini adalah minyak goreng kemasan yang diperoleh dari toko
indomaretdi Tembalang. Metanol dengan kemurnian 99,9% diperoleh dari CV. Indrasari Semarang, sedangkan katalis KOH diperoleh dari Laboratorium C-BIORE. Peralatan yang digunakan pada penelitian terdiri atas: peralatan transesterifikasi, dan peralatan analisa sampel. Labu leher tiga (kapasitas 1 liter) dilengkapi dengan konden-sor, pemanas, pengaduk, dan termometer digunakan untuk reaksi transesterifikasi. Keperluan pengambilan sampel dilakukan dengan menggunakan pipet ukur (10 ml). Penentuan parameter kinetika reaksi transesterifikasi minyak goreng menjadi metil ester (biodiesel) merujuk kepada kondisi percobaan optimum, yaitu kon-sentrasi katalis 1 wt%, dan perbandingan molar 6 : 113). Parameter daya mengikuti alat yakni 300 Watt, dan variasi temperatur (35, 45, dan 55 oC). Minyak goreng dimasukan dalam sebuah labu leher tiga. Campuran katalis dan metanol yang dibutuhkan di-reaksikan secara terpisah dan dipanaskan sampai suhu tertentu. Kemudian campuran katalis-metanol dimasukkan ke dalam labu leher tiga, pengadukan, dan tombol ultrasonik dinyalakan. P-30 P-31 E-14 P-29 P-27 P-26 P-25 P-22 E-11 1 2 4 5 P-36 P-37 3 6 7 P-41 P-42 P-43 P-44 8 9 Keterangan gambar : 1. Kondensor 6. Klem
2. Motor Pengaduk 7. Ultrasonic cleaner
3. Labu leher 3 8. Buret
4. Termometer 9. Erlenmeyer
5. Statif
Gambar 2. Rangkaian Alat Penelitian Laboratorium
Penghitungan waktu reaksi dimulai segera setelah pencampuran dilakukan. Sampel sebanyak ±6 kali diambil setiap reaksi berlangsung (30 menit). Frekuensi pengambilan sampel bervariasi (2,5; 5; 7,5;
10; 20; 30 menit) sesuai dengan kondisi reaksi. Analisa sampel dilakukan terhadap bahan baku, hasil utama dan produk samping. Analisa sampel bahan baku menentukan kadar ALB.
Analisa metil ester sebagai produk utama dilakukan dengan metode (GC) Gas Chromatography. Adapun rangkaian alat penelitiannya dapat dilihat pada gambar 2.
3. PEMBAHASAN A. Analisis Bahan Baku
Sebelum proses transesterifikasi dila-kukan, bahan baku penelitian berupa minyak goreng dianalisis untuk mengetahui rapat massa, dan asam lemak bebasnya. Sedang-kan metanol dianalisa untuk me-ngetahui rapat massa. Hasil analisa tersebut seperti terlihat pada tabel 1.
Tabel 1. Hasil Analisa Minyak Goreng dan Metanol
Karakter Nilai
Rapat massa minyak (g/ml)
Kandungan asam lemak bebas minyak (%) Rapat massa metanol (g/ml)
Konsentrasi metanol (%)
0,9078 0,193 0,79 99,8
Tabel 1 menunjukkan bahwa kandungan asam lemak bebas dalam minyak rendah (di bawah 0,5%) sehingga proses trans-esterifikasi dengan katalis basa bisa dilakukan. Jika kadar asam lemak bebasnya tinggi maka harus diawali dengan melakukan tahap esterifikasi asam lemak bebas dengan bantuan katalis asam.
Gambar 3 menunjukkan grafik model kinetika reaksi variasi suhu 35, 45, dan 55
o
C. Konversi metil ester data percobaan pada menit ke – 5; 7,5; 10; dan 20 pada suhu 55
o
C tidak sesuai dengan kurva simulasi. Hal ini dikarenakan terjadi fluktuasi temperatur selama reaksi terjadi dalam percobaan.
Namun demikian, secara umum kurva simulasi sesuai dengan data percobaan. Peningkatan suhu percobaan dilakukan pada suhu 35,45, sampai 55oC yang meng-hasilkan konversi yang sedikit meningkat dari 52,73 %; 54,53 % sampai 57,25 %.
Peningkatan suhu reaksi menjadikan ke-larutan metanol tinggi. Hasil penelitian menunjukan bahwa pengaruh temperatur reaksi transesterifikasi menghasilkan kon-versi tiap waktu yang lebih tinggi dengan nilai konversi semakin meningkat berurutan dari suhu 35oC, 55oC, dan 45oC14)12).
Gambar 3. Prediksi Model Transesterifikasi Parameter Suhu Pada penelitian ini persentase konversi trigliserida tidak begitu tinggi dibandingkan dengan hasil penelitian Widayat et al (2015) dikarenakan daya ultrasonik yang digunakan bukan kondisi optimum yang meng-indikasikan terjadinya transfer energi ke sistem berkurang dan aktivitas kavitasi menjadi lebih rendah. Daya ultrasonik yang maksimum menghasilkan aktivitas kavitasi adalah 200 Watt13). Tetapi model kinetika yang didapatkan oleh Widayat et al (2015) masih menunjukan kevalidan jika di-cocokkan dengan hasil penelitian ini sebagaimana yang diperlihatkan di Tabel 3. Hal ini menunjukan bahwa asumsi reaksi non elementer orde 2 dan reversibel benar-benar menggambarkan kondisi sesung-guhnya. Jika membuat model kinetika sendiri dengan orde yang semakin tinggi, pasti hasilnya tidak lebih baik.
Tabel 2 menunjukkan bahwa dari hasil perhitungan pada suhu reaksi 35, 45, dan 55
o
C memiliki nilai k1 sama, tetapi nilai k2
pengurangan trigliserida menjadi metil ester (reaksi ke kanan) pada berbagai suhu sama akan tetapi memiliki perbedaan kecepatan pengurangan metil ester (reaksi ke kiri) yakni pada suhu 35oC lebih besar diikuti suhu 45 dan 55oC. Besarnya nilai k2 dari
pada k1 dapat memperlambat pembentukan
metil ester. Hal ini membuktikan bahwa reaksi transesterifikasi berbantukan ultra-sonik minyak goreng bekas ini bersifat reversibel, khususnya Vyas et al (2011) dan Avramovic et al (2012) masing-masing dengan proses berbantukan ultrasonik tetapi mendapatkan model kinetika irreversible orde 1 dan order 2.
Tabel 2. Nilai Konstanta Kecepatan Reaksi Transesterifikasi Variabel Suhu
Suhu (ltr/ mol. menit)
(oC) k1 k2 35 45 55 0,0687 0,0687 0,0688 0,6387 0,5731 0,4866 B. Analisis Statistika
Tabel 3 menunjukan nilai rata-rata SSE, RMSE, dan R2 yang ditentukan pada parameter suhu reaksi. Secara umum model distribusi produk yang dihasilkan dan dihubungkan dengan data eksperimen menghasilkan nilai SSE, RMSE mendekati 0 dan R2 mendekati 1. Berdasarkan tabel tersebut model yang bagus untuk parameter temperatur yakni temperatur reaksi 35 oC (SSE= 0,0005; RMSE = 0,2486; R2 = 0,9978), diikuti temperatur 45 oC (SSE = 0,0012; RMSE = 0,2845; R2 = 0,9949), dan temperatur 55 oC (SSE = 0,0016; RMSE = 0,2766; R2 = 0,9940).
Tabel 3. Analisa Statistika Model Kinetika
Parameter SSE RMSE R2
35 oC 45 oC 55 oC 0,0005 0,0012 0,0016 0,2486 0,2845 0,2766 0,9978 0,9949 0,9940 4. SIMPULAN
Kinetika transesterifikasi minyak goreng bekas berbantukan ultrasonik dengan
para-meter suhu, perbandingan molar reaktan, konsentrasi katalis, dan daya ultrasonik dimodelkan dengan asumsi reaksi reversibel orde 2 dengan persamaan sebagai berikut :
rA= dXA dt = 0,0707Ccat e 0,1001P0,9+1,0 RT CAo [XAe 2 (1 − X A)(M − XA) − X2(1 − XAe)(M − XAe) XAe2 ]
Hasil eksperimen laboratorium menegaskan bahwa model Widayat et al (2015) tersebut benar-benar dapat mengambarkan kondisi yang sebenarnya dengan nilai R2> 0,9 dan RMSE < 1.
5. DAFTAR PUSTAKA
1. Ma, F., Hanna,M.A. Biodiesel production:a review. Bioresour. Technol 1999;70:1-15.
2. Han, M., Yi, W., Wu, Q., Liu, Y., Hong, Y., Wang, D. Preparation of biodiesel from waste oils catalyzed by a Brønsted acidic ionic liquid. Bioresour. Technol 2009;100:2308-2310.
3. Cao,F. Y. Chen, F. Zhai, J. Li, J.Wang, X.Wang, S.Wang,W. Zhu. Biodiesel production from high acid value waste frying oil catalyzed by superacid
heteropolyacid, Biotechnol. Bioeng
2008;101:93-100.
4. Kawashima, A.K. Matsubara, K. Honda. Development of heterogeneous base catalysts for biodiesel production,
Bioresour. Technol 2008;99:3439-3443.
5. Ranganathan,S.V., S.L. Narasimhan, K. Muthukumar. An overview of enzymatic production of biodiesel, Bioresour. Technol 2008;99:3975-3981.
6. Hawash,S., N. Kamal, F. Zaher, O. Kenawi, G.E. Diwani. Biodiesel fuel fromJatropha oil via non-catalytic super-critical methanol transesterification,
Fuel 2009;88:579-582.
7. Azcan,N., A. Danisman. Microwave assisted transesterification of rapeseed oil, Fuel 2008;87:1781-1788.
8. Stavarache,C.,Vinatoru,M., Maeda,Y., Bandow, H. Ultrasonically Driven
Con-tinuous Process for Vegetable Oil transesterification. Ultrasonics Sono-chem 2007; 14:413-417.
9. Teixeira, L.S.G., Assis, JCR., Mendonça, D.R., Santos,I.T.V., Guimarães, P.R.B.,
Pontes, L.A.M., Teixeira, J.S.R.
Comparison Between Conventional
and Ultrasonic Preparation of
Beeftallow biodiesel. Fuel Processing Technology 2009; 90:1164-1166. 10. Deshmane, V. G., Gogate, P. R., dan
Pandit, A. B. Ultrasound-Assisted Synthesis of Biodiesel from Palm Fatty Acid Distilate, Ind. Eng. Chem. Res 2009; 48:7923-7927.
11. Sabbagha R. E. Diagnostic Ultrasound Applied to Obstetrics and Gynecology, Haper & Row, London 1980; pp:19-31. 12. Widayat, Aulia, H.N., Hadiyanto,
Sasongko, S.B. Kinetic Study on Ultra-sound Assisted Biodiesel Production from Waste Cooking Oil. Journal of Engineering and Technological Sciences 2015;47(4):374-388.
13. Hingu,S.M., Gogate, P.R., Rathod, V.K. Shynthesis of biodiesel from waste cooking oil using sonochemicalreactors. Ultrasonic Sonochemistry 2010; 17:827-832 .
Daftar Simbol
CA = konsentrasi trigliserida (TG), (mol/ liter atau lbmol/ft3)
CA0,CAf = konsentrasi trigliserida(TG) awal, (mol/ liter atau lbmol/ft3)
CAe = konsentrasi TG dalam kesetimbangan, (mol/ liter atau lbmol/ft3)
CB = konsentrasi metanol, (mol/ liter atau lbmol/ft3) CB0 = konsentrasi metanol mula-mula, (mol/ liter atau lbmol/ft3)
CBe = konsentrasi metanol saat setimbang, (mol/ liter atau lbmol/ft3)
CC = konsentrasi metyl ester (ME), (mol/ liter atau lbmol/ft3)
CC0 = konsentrasi metyl ester mula-mula, (mol/ liter atau lbmol/ft3)
CCe = konsentrasi ME dalam kesetimbangan, (mol/ liter atau lbmol/ft3)
CD = konsentrasi gliserol (GL), (mol/ liter atau lbmol/ft3)
CD0 = konsentrasi gliserol mula-mula, (mol/ liter atau lbmol/ft3)
CDe = konsentrasi GL dalam kesetimbangan, (mol/ liter atau lbmol/ft3)
k1 = konstanta kecepatan reaksi ke arah produk, liter/ mol. menit
k2 = konstanta kecepatan reaksi ke arah reaktan, liter/ mol. menit
k0 = faktor frekuensi, hr -1 Ke = konstanta kesetimbangan XA = konversi trigliserida, %
XAe = konversi trigliserida dalam kesetimbangan, %
rA = kecepatan reaksi trigliserida, mol/ liter. menit
T = temperature, oK t = waktu, hr
Ea = energy aktivasi, kal/ moloK R = konstanta gas ideal , kal/ mol oK M = Perbandingan mol metanol : mol trigliserida
