202
ANALISIS PENGARUH HIDROLISIS KONDISI SUB KRITIS AIR TERHADAP
KANDUNGAN ASAM LEMAK BEBAS PADA PRODUKSI BIODIESEL
DENGAN METODE METANOL SUPERKRITIS
The Analysis of Water Sub Critical Hydrolysis Conditions on Content in
Fatty Methyl Ester Biodiesel Production by Supercritical Methanol Method
Bambang Dwi Argo1 dan Budi Swastomo2
1Jurusan Teknik Pertanian - Fakultas Teknologi Pertanian - Universitas Brawijaya 2Program Doktor dan Magister Teknik - Fakultas Teknik - Universitas Brawijaya
ABSTRACT
Biodiesel is an alternative fuel with a fatty acid ester composition made from raw vegetable oils/animal that has characteristics similar to diesel oil. High quality biodiesel fuel from oil/fat had been processed by two-stage supercritical metanol method which consisted of the hydrolysis process by mixing oil and water in sub-critical conditions that generated free fatty acids and glycerol, followed by esterification process that mixed free fatty acids with methanol in supercritical methanol conditions. In this research, hydrolysis of frying oil at sub-critical conditions had been conducted in various conditions. The conditions were the ration of oil to water and hydrolysis time in the reactor chamber at sub-critical condition. Materials used in this research were commercial frying cooking oil and bottled water. The purpose of this study was to find out the effect of hydrolysis at sub-critical condition on free fatty acids content generated in the production of biodiesel using super critical methanol. The results showed that there was an increasing percentage of ALB in the hydrolysis reaction with sub-critical water conditions. The highest and significant ALB was 67.10% that obtained in ratio of water to oil 25:75 and holding time of 20 minutes. Fatty acid produced in super-critical reactor was solid at room temperature and the behavior of this product still required a thermal analysis for designing exhausting pipe from the reactor in order to prevent blockage.
Keywords: Biodiesel, hydrolysis, sub-critical, free fatty acids PENDAHULUAN
Banyak penelitian telah dilakukan untuk mendapatkan biodiesel dengan menggunakan teknologi konvensional. Teknologi ini dapat memproduksi bio-diesel dengan menerapkan reaksi este-rifikasi dan transesteeste-rifikasi secara si-multan. Reaksi kimia ini menggunakan minyak nabati/hewan dan metanol (alko-hol), dengan bantuan katalis asam atau basa kuat pada temperatur tertentu serta dilakukan pengadukan. Kelemahan dari penggunaan katalis basa (transesterifi-kasi) adalah kemungkinan terbentuknya sabun (saponifikasi) yang menghambat proses pemisahan (pemurnian) metil es-ter (biodiesel) dengan gliserol. Untuk
mengatasi permasalahan penyabunan perlu dilakukan proses esterifikasi lebih dahulu untuk mengkonversi/mengurangi kadar asam lemak bebas (ALB) dan selanjutnya baru dilakukan proses trans-esterifikasi dengan katalis basa guna mengkonversi trigliserid yang ada men-jadi metil ester (biodiesel). Produksi bio-diesel menggunakan katalis juga memer-lukan waktu yang relatif lama.
Penelitian-penelitian untuk menda-patkan proses produksi biodiesel terus dikembangkan seperti penggunaan tek-nologi ultrasonik, gelombang mikro
(microwave), pemanfaatan jenis
mikro-organisma, dan teknologi superkritis. Metode superkritis adalah salah satu metode pembuatan biodiesel tanpa
203 menggunakan bahan katalis kimia. Me-tanol superkritis adalah salah satu meto-de untuk memproduksi biodiesel meto-dengan kualitas yang tinggi, dilakukan pada suhu dan tekanan yang sangat tinggi (super-kritis). Metode metanol superkritis me-miliki beberapa kelebihan, yaitu a) tidak dipengaruhi oleh kondisi bahan baku, se-perti adanya asam lemak bebas yang terkandung dalam bahan yang akan ter-esterifikasi secara langsung menjadi me-til ester, b) tingkat konversi trigliserid menjadi metil ester yang tinggi, c) waktu proses yang lebih singkat, d) tidak dipe-ngaruhi oleh keberadaan air, dan e) biaya pengolahan limbah yang relatif rendah karena tidak ada sabun yang terbentuk.
Saka dan Kusdiana (2001) melaku-kan transesterifikasi minyak lobak (
ra-peseed oil) dengan metanol subkritis dan
superkritis mulai temperatur 200–500C dan diperoleh hasil maksimum metil es-ter pada temperatur superkritis 350C. Lebih lanjut Saka dan Kusdiana (2004) meneliti pengaruh air terhadap produksi biodiesel (metil ester) dalam proses transesterifikasi trigliserid dan esterifi-kasi asam lemak dalam metanol super-kritis. Pada metode dengan mengguna-kan katalis, air amengguna-kan memberimengguna-kan efek negatif pada biodiesel yang dihasilkan karena akan menghasilkan sabun. Akan tetapi keberadaan air memberikan efek positif jika menggunakan metanol super-kritis karena akan mempermudah pemi-sahan produk yang dihasilkan (biodiesel dan gliserol).
Saka dkk (2006) mempelajari produksi bahan bakar biodiesel non ka-talis dengan teknologi metanol superkri-tis. Untuk mewujudkan kondisi reaksi yang lebih toleran terhadap tekanan dan temperatur yang tinggi maka dikem-bangkan dua tahapan proses yang meli-puti hidrolisis minyak/lemak dalam air subkritis dan selanjutnya esterifikasi metil asam lemak superkritis metanol.
Tahapan pertama (hidrolisis), mi-nyak dan air dicampur direaksikan pada kondisi subkritis air (270C dan 7-20 MPa) menghasilkan asam lemak bebas
(ALB). Setelah hidrolisis, reaksi cam-puran dipisahkan menjadi fase minyak dan fase air. Fase minyak (bagian atas) adalah asam lemak, sedangkan fase air (bagian bawah) mengandung gliserol. Tahapan kedua fase minyak dicampur dengan metanol dan direaksikan pada kondisi superkritis metanol untuk meng-hasilkan biodiesel.
Berdasarkan hal tersebut, maka perlu dilakukan penelitian pengaruh hid-rolisis pada produksi biodiesel dengan metode super kritis metanol. Tahapan pertama pada produksi biodiesel meng-gunakan metode super kritis metanol adalah hidrolisis yang menghasilkan asam lemak bebas (ALB) dan gliserol, Perumusan masalah dalam penelitian ini menyangkut dua hal yaitu: a) bagaimana pengaruh komposisi air dan minyak goreng terhadap kandungan asam lemak bebas (ALB) pada proses hidrolisis air dan minyak, b) bagaimana pengaruh lama waktu penahanan terhadap kandungan asam lemak bebas (ALB) pada proses hidrolisis air dan minyak.
Tujuan penelitian ini adalah me-ngetahui kandungan asam lemak bebas (ALB) akibat pengaruh hidrolisis pada produksi biodiesel dengan metode su-perkritis metanol dimana proses hidrolisis berlangsung pada kondisi sub kritis air.
METODE PENELITIAN Alat dan Bahan
Alat yang digunakan dalam peneli-tian berupa seperangkat reaktor untuk proses hidrolisis, gelas ukur untuk mengukur volume campuran minyak dan air, serta seperangkat toolkit. Bahan yang digunakan dalam penelitian berupa minyak goreng kemasan dengan merek Bimoli dan air dalam kemasan dengan merek Aqua. Karakteristik fisik dan ki-mia dari kedua bahan mengacu pada ka-rakteristik bahan yang dieluarkan oleh masing-masing pabrik yang memproduk-si
204 Gambar 1 Reaktor proses hidrolisis pada kondisi sub-kritis Keterangan: 1. Heater 2. Tabung reaktor 3. Safety valve 4. Pressure gauge 5. Stop kran saluran keluar hasil reaksi 6. Water mur 7. Sprayer 8. Tabung penurun tekanan 9. Tangki pendingin 10. Stop kran saluran
air
11. Stop kran saluran hasil reaksi 12. Tangki penampung
hasil reaksi Gambar 2. Bagian reaktor hidrolisis Metode Penelitian
Kondisi sub kritis telah ditetapkan pada temperatur 270C dan tekanan pro-ses 15–20 MPa. Rancangan yang digu-nakan adalah Rancangan Acak Lengkap dengan dua faktor. Faktor pertama ada-lah komposisi air dan minyak (6 perla-kuan). Faktor kedua adalah waktu pena-hanan (3 perlakuan), sehingga terdapat 18 kombinasi perlakuan. Perbandingan
komposisi antara minyak dan air adalah berdasarkan volume.
Komposisi air dan minyak dibagi dua bagian yang pertama komposisi mi-nyak lebih bami-nyak yang kedua air yang lebih banyak. Komposisi campuran meli-puti
a. Minyak lebih dominan: 5% air : 95% minyak ; 15% air : 8 % minyak ; dan 25% air : 75% minyak.
b. Air lebih dominan: 50% air : 50 minyak : 60% air : 40% minyak ; 70%air : 30% minyak.
Variabel yang diukur adalah jumlah asam lemak bebas yang dihasilkan dari hasil hidrolisis dengan berbagai konfigu-rasi.
HASIL DAN PEMBAHASAN Kadar Asam Lemak Bebas
Dalam penelitian ini, minyak goreng telah dihidrolisis dengan menggunakan air pada tekanan 15–20 MPa dan tempe-ratur 270C. Berdasarkan hasil reaksi hidrolisis minyak goreng dan air pada tekanan 15-20 MPa dan suhu 270C de-ngan waktu penahanan 10, 20, dan 30 menit maka telah didapatkan data seperti yang ada pada Tabel 1.
Pemilihan Perlakuan Terbaik
Pemilihan perlakuan terbaik dari hasil proses hidrolisis minyak goreng pada kondisi subkritis dilakukan dengan membandingkan nilai ALB yang didapat-kan pada setiap perlakuan. Hasil analisis statistik menunjukkan bahwa proporsi campuran menghasilkan ALB dengan perbedaan yang cukup signifikan se-dangkan lama penahanan tidak mengha-silkan perbedaan yang signifikan. Penge-lompokan pemilihan perlakuan terbaik berdasarkan bahan yang dominan dalam campuran telah dilakukan dalam pene-litian ini. Secara keseluruhan kisaran jumlah ALB yang diperoleh berkisar antara 12,75-68,11%. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
205 Tabel 1. Kadar asam lemak bebas hasil hidrolisis No. Komposisi Penahanan (menit) Hasil Reaksi (ml) Asam Lemak (ml) Air (ml) Cairan Keluar (ml) Waktu (menit, detik) ALB (%) Minyak Air 1 95 5 10 650 640 10 90 57,25 25,36 20 650 620 30 100 63,30 16,13 30 650 600 50 100 72,45 20,52 2 85 15 10 600 550 50 100 58,49 36,63 20 540 490 80 100 65,25 42,35 30 400 350 100 200 77,10 43,62 3 75 25 10 580 430 150 120 70,25 52,49 20 580 430 150 130 76,30 67,10 30 500 430 70 200 84,25 65,44 4 50 50 10 520 235 285 150 77,10 40,10 20 460 210 250 190 92,01 62,81 30 420 210 240 160 104,29 40,54 5 40 60 10 510 150 260 170 74,02 22,68 20 460 110 350 170 90,08 32,22 30 500 140 360 150 103,07 48,62 6 30 70 10 580 80 500 120 68,01 12,75 20 510 90 420 140 85,40 46,89 30 490 60 430 160 99,20 68,11
Komposisi Campuran Dominan Minyak Komposisi air 5%, 10% dan 15% menunjukan perbedaan hasil yang signifikan (nyata) pada taraf keberartian 5%. Hal ini tampak dari nilai P (probabilitas) sebesar 0,003 lebih kecil dari nilai alfaa (level of significance/taraf keberartian) sebesar 5%. Begitu pula nilai F hitung sebesar 32,03 yang lebih besar dari F tabel sebesar 6,94.
Hasil menunjukkan bahwa H0 dito-lak untuk faktor proporsi atau komposisi. Ini berarti bahwa faktor komposisi ber-pengaruh nyata pada nilai ALB (%). Sedangkan pada faktor waktu penahanan terlihat bahwa nilai P sebesar 0,631 yang lebih besar dari nilai alfa sebesar 5% dan nilai F hitung lebih kecil dari F tabel sebesar 6,94.
Hasil menunjukkan bahwa H0 dite-rima untuk faktor waktu penahanan. Ini berarti bahwa Faktor waktu penahanan tidak berpengaruh signifikan terhadap ALB (%). Nilai R-square menunjukkan koefisien determinasi sebesar 94,21% yang berarti bahwa besarnya pengaruh variasi komposisi terhadap variasi ALB
sebesar 94,21%. Adapun sisanya, 5,79% disebabkan oleh faktor lain. Nilai
R-square (adj) yaitu koefisien determinasi
yang distandarkan adalah 88,42%, me-nunjukkan besarnya nilai koefisien de-terminasi yang dibakukan. Dari nilai ter-sebut juga menunjukkan bahwa pengaruh komposisi adalah signifikan terhadap ALB (%).
Hasil analisis rata-rata ALB pada masing-masing level dari faktor kompo-sisi ditunjukan pada Tabel 3.
Tabel 3. Kadar asam lemak bebas (%) pada perbandingan rerata komposisi air:minyak
Komposisi air :minyak Kadar ALB (%)
5:95 20,67a
15:85 40,87b
25:75 61,68c
Pada Tabel 3 tampak bahwa ketiga level perlakukan pada faktor komposisi menunjukkan perbedaan yang nyata. Hal ini terlihat dari rata-rata ALB terletak pada interval yang berbeda.
206 Tabel 4. Kadar asam lemak bebas (%) pada perbandingan rerata waktu pena-hanan Waktu Penahanan (Menit) Kadar ALB (%) 10 38,16a 20 41,86a 30 43,19a
Hasil analisis rata-rata ALB pada masing-masing level dari faktor waktu menunjukan bahwa perbandingan rata-rata ALB pada ketiga level perlakukan untuk faktor waktu penahanan, dan terlihat adanya interval dengan jarak yang hampir berimpit dan berdekatan. Hal ini menunjukkan bahwa tidak terjadi pengaruh yang cukup signifikan pada perubahan waktu penahanan terhadap ALB yang dihasilkan.
Komposisi Campuran Dominan Air.
Hasil analisis pada Tabel 5 untuk data komposisi air diatas 50% menun-jukkan bahwa baik faktor komposisi dan waktu penahan tidak memberikan pe-ngaruh atau efek yang siginifikan. Hal ini tampak dari nilai P (Probabilitas) sebesar 0,616 dan 0,192 yang lebih besar dari nilai alfa (level of significance) sebesar 0,05. Ini juga diperkuat oleh nilai F hitung dari tabel sebesar 0,55 dan 2,56 yang lebih kecil dari nilai F tabel, serta nilai R square hanya 60,84% dan R
square adj sebesar 21,68%. Ini artinya
pengaruh baik komposisi dan waktu penahan terhadap ALB tidak signifikan. Hasil ini didukung juga oleh perban-dingan rata-rata dari kedua faktor ter-sebut. Rata-rata tiap komposisi maupun waktu penahan hampir berimpit dan tidak menunjukkan perbedaan.
Tabel 5. Kadar asam lemak bebas (%) pada perbandingan rerata komposisi air:minyak
Komposisi air :minyak Kadar ALB (%)
50:50 47,82a
60:40 34,51a
70:30 52,42a
Pada Tabel 5 tampak bahwa per-bandingan rata-rata perlakuan dari keti-ga perlakukan pada komposisi menun-jukkan perbedaan yang tidak nyata, hal ini terlihat dari rata-rata ALB pada interval yang hampir sama.
Pada Tabel 6 tampak bahwa per-bandingan rata-rata perlakuan dari keti-ga perlakuan pada waktu penahanan, terlihat adanya interval dengan jarak yang hampir berimpit dan berdekatan. Hal ini menunjukkan bahwa tidak terjadi pengaruh yang signifikan pada perubahan waktu penahanan dengan komposisi yang berbeda.
Tabel 4. Pengaruh waktu penahanan terhadap kadar asam lemak bebas (%)
Waktu Penahanan (Menit) Kadar ALB (%) 10 25,17a 20 47,31a 30 52,42a
Analisis Pengaruh Komposisi Air dan Waktu Penahanan terhadap Kadar Asam Lemak Bebas (ALB).
Grafik utama (main effect)
Gambar 3 menunjukkan pengaruh
main effect (efek utama) dari
eks-perimen, dan terlihat bahwa pengaruh faktor komposisi air sangat signifikan sedangkan faktor waktu tidak menun-jukkan pengaruh yang signifikan. Hal ini tampak dari gradien garis efek waktu penahanan yang hampir horisontal. Ini artinya tidak ada perbedaan yang signi-fikan antara waktu penahanan 10 menit dan 30 menit.
Grafik surface plot
Pengaruh komposisi campuran air dan minyak pada proses hidrolisis minyakgoreng dan air terhadap kadar asam bebas (ALB) pada Gambar 4, tampak bahwa pengaruh terbesar pada komposisi air sebesar 25% dan minyak 75% dengan nilai rata-rata ALB diatas 60%.
207 M e a n o f FF A ( % ) 70 60 50 25 15 5 70 60 50 40 30 20 10 0 30 20 10
KOMPOSISI AIR (%) WAKTU PENAHANAN (menit)
PENGARUH KOMPOSISI AIR DAN WAKTU PENAHANAN TERHADAP FFA
KOMPOSISI AIR (%) W A K T U P E N A H A N A N ( m e n it ) 70 60 50 40 30 20 10 30 25 20 15 10 FFA (%) 30 - 40 40 - 50 50 - 60 > 60 < 20 20 - 30
Contour Plot of FFA (%) vs WAKTU PENAHANAN (menit); KOMPOSISI AIR (%)
FFA (%) 0 5 20 40 60 0 KOMPOSISI A IR (%) 5 0 5 15 25 50 60 KOMPOSISI A IR (%) 20 30 5 WA KT U PENA HA NA N (menit) 10 60 70
PENGARUH KOMPOSISI AIR (%) DAN WAKTU PENAHANAN (menit) TERHADAP FFA(%)
Gambar 3. Efek utama pada komposisi air dan waktu penahanan terhadap ALB
Dari data yang ada terlihat bahwa pengaruh terbesar terdapat pada kom-posisi air 25% dengan waktu penahanan 20 menit. Jadi perlakuan yang paling ideal dalam memberikan efek maksimal pada proses hidrolisis minyak goreng dan air terhadap kadar asam lemak be-bas (ALB) adalah pada komposisi 25% air dan waktu penahanan 20 menit. Ke-simpulan ini didukung oleh grafik surface plot diatas yang menunjukkan visualisasi tiga dimensi dari pengaruh efek kompo-sisi dan waktu penahanan terhadap ALB (ditunjuk oleh anak panah).
Gambar 4. Surface plot pengaruh komposisi air (%) dan waktu penahanan (menit) terhadap ALB (%)
Grafik contour plot
Pada Gambar 5 tampak bahwa komposisi air menunjukkan warna con-tour yang bergerak dari warna hijau muda ke hijau tua disaat komposisi 20 sampai dengan 50% warna paling do-minan hijau tua, setelah melewati 50%
warna hijau tua berangsur berubah ke hijau muda. Warna yang cenderung gelap menunjukkan persen asam lemak bebas (ALB) yang lebih tinggi menandai bahwa komposisi mempunyai pengaruh yang dominan terhadap kadar asam lemak be-bas, terutama terjadi pada komposisi air dan minyak sebesar 20% sampai dengan 50%.
Pada grafik contour plot waktu pe-nahanan terlihat contour warna tidak ba-nyak mengalami perubahan warna yang dominan baik itu warna terang (hijau muda) mapun warna gelap (hijau tua) hal ini menandakan bahwa waktu penahanan kurang memberikan pengaruh pada perubahan kadar asam lemak bebas (ALB). Dua kondisi di atas menandakan bahwa komposisi sangat berpengaruh terhadap kadar asam lemak bebas (ALB) jika dibandingkan dengan waktu pena-hanan.
Gambar 5. Grafik contour plot
SIMPULAN
Terdapat pengaruh yang signifikan komposisi air dan minyak goreng terha-dap kandungan asam lemak bebas (ALB) pada proses hidrolisis air dan minyak kondisi air sub kritis, pengaruh yang pa-ling signifikan terdapat pada komposisi 25% air dan 75% minyak dengan waktu penahanan 20 menit.
Tidak terdapat pengaruh yang sig-nifikan lama waktu penahanan terhadap kandungan asam lemak bebas (ALB) pada proses hidrolisis air dan minyak.
208 DAFTAR PUSTAKA
Saka, S. and D. Kusdiana. 2001.
Bio-diesel fuel from rapeseed oil as prepared in supercritical methanol. Fuel 80: 225-231
Saka, S. dan D. Kusdiana. 2004. Effects
of water on biodiesel fuel pro-duction by supercritical metanol treatment. Bioresource Technology 91:289–295
Saka, S. D. Kusdiana, and E. Minami. 2006. Non catalytic biodiesel fuel production with supercritical me-thanol technologies. Journal of Scientific and Industrial Research 65: 420-425
