Optimasi Proses Pembuatan Biodiesel Dari Bahan Baku Asam Lemak Sawit Distilat (ALSD) dan Dimethyl Carbonate (DMC) dengan Menggunakan Katalis Novozym®435

(1)

OPTIMASI PROSES PEMBUATAN BIODIESEL DARI

BAHAN BAKU ASAM LEMAK SAWIT DISTILAT

(ALSD) DAN

DIMETHYL CARBONATE

(DMC)

DENGAN MENGGUNAKAN KATALIS

NOVOZYM

®

435 SKRIPSI

Oleh

WILLIAM

110405043

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

(2)

OPTIMASI PROSES PEMBUATAN BIODIESEL DARI

BAHAN BAKU ASAM LEMAK SAWIT DISTILAT

(ALSD) DAN

DIMETHYL CARBONATE

(DMC)

DENGAN MENGGUNAKAN KATALIS

NOVOZYM

®

435 SKRIPSI

Oleh

WILLIAM

110405043

SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN

PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

(3)

(4)

(5)

iii

PRAKATA

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga

skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan skripsi dengan judul “Optimasi Proses Pembuatan Biodiesel Dari Bahan Baku Asam Lemak Sawit Distilat (ALSD) dan

Dimethyl Carbonate (DMC) dengan Menggunakan Katalis Novozym®435”, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia

Universtas Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan

gelar Sarjana Teknik.

Melalui penelitian ini diperoleh hasil biodiesel dari produk samping pemurnian kelapa

sawit yaitu asam lemak sawit distilat dengan reaksi transesterifikasi menggunakan

katalis Novozym®435, sehingga hasil yang diperoleh dapat dimanfaatkan khususnya

mengurangi jumlah penggunaan bahan bakar fosil.

Selama melakukan penelitian sampai penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat

bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih dan

penghargaan yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Dr. Ir. Taslim, M.Si selaku dosen pembimbing yang telah banyak

memberikan bimbingan dan arahan dalam menyelesaikan penelitian dan

penulisan skripsi ini.

2. Bapak Dr. Tjahjono Herawan dan Ibu Meta Rivani, S.T yang telah memberikan

bantuan dan arahan dalam pelaksanaan kegiatan penelitian ini.

3. Ibu Ir. Renita Manurung, M.T. dan Bapak Ir. Bambang Trisakti, M.T. selaku

dosen penguji yang telah memberikan saran dan masukan yang membangun

dalam penulisan skripsi ini.

4. Bapak Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Kimia,

Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

5. Ibu Dr. Ir. Fatimah, M.T, selaku Sekretaris Departemen Teknik Kimia, Fakultas

(6)

iv

6. Ibu Ir. Renita Manurung, M.T. dan Bapak Ir. Bambang Trisakti, M.T. selaku

dosen penguji yang telah memberikan saran dan masukan yang membangun

dalam penulisan skripsi ini.

7. Ibu Prof. Dr. Ir. Setiaty Pandia sebagai Dosen Pembimbing Akademik.

8. Seluruh Dosen/Staf Pengajar dan Pegawai Administrasi Departemen Teknik

Kimia USU yang telah memberikan banyak sekali ilmu yang sangat berharga

kepada penulis.

9. Johan Senjaya atas kerjasamanya yang baik hingga akhir selama melakukan

penelitian dan penulisan skripsi ini.

10.Teman-teman anggota Keluarga Mahasiswa Buddhis Universitas Sumatera

Utara (KMB USU) dan anggota Laboratorium Proses Industri Kimia USU.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna oleh karena itu penulis

mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini

memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Medan, 12 Agustus 2015

Penulis

(7)

(8)

v

DEDIKASI

Skripsi ini saya persembahkan untuk :

Bapak & Ibu tercinta

Bapak Hok Heng dan Ibu Mei Cin

Mereka adalah orang tua hebat yang telah membesarkan dan

mendidikku dengan penuh kasih sayang.

Terima kasih atas pengorbanan, nasehat dan do’a yang tiada hentinya

(9)

vi

RIWAYAT HIDUP PENULIS

Nama : William

NIM : 100405043

Tempat, tanggal lahir : Medan, 29 Juni 1994 Nama orang tua : Hok Heng dan Mei Cin Alamat orang tua :

Jl. Besi No. 32 A Medan

Asal Sekolah:

 SD Wage Rudolf Supratman 1 Medan tahun 1999-2005  SMP Wage Rudolf Supratman 1 Medan tahun 2005-2008  SMA Wage Rudolf Supratman 1 Medan tahun 2008-2011 Beasiswa yang diperoleh:

1. Beasiswa Bantuan Mahasiswa (BBM) tahun 2013 Pengalaman Kerja dan Organisasi:

(10)

vii

ABSTRAK

Produksi biodiesel telah berkembang pesat selama ini, dan telah menarik banyak perhatian sebagai bahan bakar pengganti minyak solar yang menjanjikan, karena sifat fisik dan kimia serta kandungan energi biodiesel yang mirip dengan minyak solar. Masalah utama dalam memproduksi biodiesel adalah biaya tinggi yang dapat dikurangi dengan menggunakan bahan baku yang lebih murah. Oleh karena itu, dalam penelitian ini biodiesel disintesis dengan esterifikasi enzimatik dari kualitas bahan baku yang tidak dimurnikan dan jauh lebih murah daripada minyak olahan, seperti asam lemak sawit distilat (ALSD) dengan dialkil karbonat menggunakan amobil lipase (Novozym®435). Beberapa keunggulan proses enzimatik dibandingkan dengan proses kimia, penggunaan energi yang rendah, memungkinkan esterifikasi gliserida dengan kadar asam lemak bebas yang tinggi (ALSD, 85-95% FFA) dan tidak ada kerugian aktivitas enzimatik. Metanol digantikan oleh dialkil karbonat (DMC) dikarenakan esterifikasi (metanolisis) diteliti berada dalam kesetimbangan reaksi sedangkan menggunakan DMC senyawa produk segera terurai menjadi karbon dioksida dan alkohol. Selain itu, DMC disebut zat kimia yang ramah lingkungan, murah, tidak beracun dan mudah didapat. Faktor-faktor yang mempengaruhi reaksi seperti rasio molar DMC terhadap ALSD, suhu reaksi, waktu reaksi dan konsentrasi katalis secara sistematis dianalisis dengan metodologi respon permukaan (RSM) dengan desain komposit pusat (CCD). Kondisi optimum dihasilkan dengan menggunakan rasio molar DMC/ALSD 6:1, pada suhu 60 oC, untuk 3 jam reaksi dengan berat katalis 10% (berdasarkan berat minyak). Hasil penelitian menunjukkan bahwa sintesis biodiesel melalui esterifikasi enzimatik menggunakan ALSD cocok digunakan sebagai bahan baku yang ekonomis untuk produksi biodiesel.

(11)

viii

ABSTRACT

Biodiesel production has rapidly grown over the last decades, and it has attracted much attention in the market as fuel that promising substitute for petroleum diesel, because its physical and chemical properties and energy content are similar to those of petroleum diesel. The main problem in producing biodiesel is its high cost which could be reduced by use of less expensive feedstock. Therefore, in this work biodiesel were synthesized by enzymatic esterification from low quality feedstock which is unrefined and much cheaper than the refined oil, such as palm fatty acid distillate (PFAD) with dialkyl carbonate using immobilized lipase (Novozym®435). Enzymatic process has certain advantages over the chemical process, as it is less energy intensive, allowing the esterification of glycerides with high free fatty acid contents (PFAD, 85-95% FFA) and no enzymatic activity loss. Methanol replaced by dialkyl carbonate, especially DMC due to esterification (methanolysis) is close to equilibrium reaction whereas using DMC the intermediate compound immediately decomposes to carbon dioxide and an alcohol, which have been investigated. Moreover, DMC are cheap, eco-friendly chemical, non-toxic properties and widely available. Factors affecting the reaction such as DMC to PFAD molar ratio, reaction temperature, reaction time and catalyst concentration were systematically analyzed by response surface methodology (RSM) with central composite design (CCD). The optimal condition was using 6:1 molar ratio of DMC to PFAD at 60 oC, for a reaction time 3h in the presence 10wt% of catalyst (based on oil weight). The results showed that synthesis of biodiesel through enzymatic esterification using PFAD suitable as low cost feedstock for biodiesel production.

(12)

ix

DAFTAR ISI

Halaman

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i

PENGESAHAN ii

PRAKATA iii

DEDIKASI v

RIWAYAT HIDUP PENULIS vi

ABSTRAK vii

1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 7

2.1 BIODIESEL 7

2.2 ASAM LEMAK SAWIT DISTILAT 9

2.3 DIMETHYL CARBONATE 9

2.4 KATALIS ENZIM 10

2.5 ESTERIFIKASI ENZIMATIS 11

2.6 ANALISIS EKONOMI 13

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 15

3.1 LOKASI DAN WAKTU PENELITIAN 15

(13)

x

3.2.1 Bahan 15

3.2.2 Peralatan 15

3.3 RANCANGAN PERCOBAAN 16

3.4 PROSEDUR PENELITIAN 18

3.4.1 Proses Esterifikasi Enzimatis 18

3.4.2 Pengujian Kadar Asam Lemak Bebas 18

3.5 ANALISIS BIODIESEL 19

3.5.1 Analisis Kualitatif 19

3.6 FLOWCHART PERCOBAAN 20

3.6.1 Flowchart Proses Esterifikasi Enzimatis 20

3.6.1 Flowchart Pengujian Kadar Asam Lemak Bebas 21

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 22

4.1 HASIL ANALISIS BAHAN BAKU 22

4.2 OPTIMASI PEMBUATAN BIODIESEL DARI BAHAN BAKU

ASAM LEMAK SAWIT DISTILAT (ALSD) DAN DIMETHYL

CARBONATE (DMC) DENGAN MENGGUNAKAN

NOVOZYM®435 23

4.3 VALIDASI MODEL 36

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 37

4.1 KESIMPULAN 37

4.2 SARAN 37

(14)

xi

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 3.1 Flowchart Proses Esterifikasi Enzimatis 20

Gambar 3.2 Flowchart Pengujian Kadar Asam Lemak Bebas 21

Gambar 4.1 Hasil Analisis GC Komposisi Asam Lemak Sawit

Distilat (ALSD) 22

Gambar 4.2a 3-D Surface %Yield Biodiesel untuk Suhu Reaksi Dengan

Rasio Molar DMC/ALSD Pada Waktu Reaksi 2 Jam

dan Jumlah Biokatalis 10% dari Berat ALSD 27

Gambar 4.2b Kontur %Yield Biodiesel untuk Suhu Reaksi Dengan

Rasio Molar DMC/ALSD Pada Waktu Reaksi 2 Jam

dan Jumlah Biokatalis 10% dari Berat ALSD 27

Gambar 4.3a 3-D Surface %Yield Biodiesel untuk Waktu Reaksi Dengan Rasio Molar DMC/ALSD Pada Suhu Reaksi

60 oC dan Jumlah Biokatalis 10% dari Berat ALSD 28

Gambar 4.3b Kontur %Yield Biodiesel untuk Waktu Reaksi

Dengan Rasio Molar DMC/ALSD Pada Suhu Reaksi

60 oC dan Jumlah Biokatalis 10% dari Berat ALSD 29

Gambar 4.4a 3-D Surface %Yield Biodiesel untuk Jumlah Biokatalis Dengan Rasio Molar DMC/ALSD Pada

Suhu Reaksi 60 oC dan Waktu Reaksi 2 Jam 30

Gambar 4.4b Kontur %Yield Biodiesel untuk Jumlah Biokatalis

Dengan Rasio Molar DMC/ALSD Pada Suhu Reaksi

60 oC dan Waktu Reaksi 2 Jam 30

Gambar 4.5a 3-D Surface %Yield Biodiesel untuk Waktu Reaksi Dengan Suhu Reaksi Pada Rasio Molar DMC/ALSD

6:1 dan Jumlah Biokatalis 10% dari Berat ALSD 31

Gambar 4.5b Kontur %Yield Biodiesel untuk Waktu Reaksi Dengan

(15)

xii

Jumlah Biokatalis 10% dari Berat ALSD 32

Gambar 4.6a 3-D Surface %Yield Biodiesel untuk Jumlah Biokatalis Dengan Suhu Reaksi Pada Rasio Molar

DMC/ALSD 6:1 dan Waktu Reaksi 2 Jam 33

Dengan Suhu Reaksi Pada Rasio Molar DMC/ALSD

6:1 dan Waktu Reaksi 2 Jam 33

Gambar 4.7a Kontur %Yield Biodiesel untuk Jumlah Biokatalis

Dengan Waktu Reaksi Pada Rasio Molar DMC/ALSD

6:1 dan Suhu Reaksi 60 oC 34

Dengan Waktu Reaksi Pada Rasio Molar DMC/ALSD

6:1 dan Suhu Reaksi 60 oC 34

Gambar 4.8 Hubungan Nilai Observasi dengan Nilai Prediksi 36

Gambar LD.1 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 1 50

Gambar LD.12 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 12 61

(16)

xiii

Gambar LE.1 Foto Asam Lemak Sawit Distilat (ALSD) 77

Gambar LE.2 Foto Dimethyl Carbonate (DMC) 77

Gambar LE.3 Foto Biokatalis Novozym®435 77

Gambar LE.4 Foto Pengujian Kadar Asam Lemak Bebas 78

Gambar LE.5 Foto Rangkaian Alat Esterifikasi (Carousel) 78

Gambar LE.6 Foto Penggunaan Syringe filter 78

Gambar LE.7 Foto Pemisahan Hasil Esterifikasi dengan Syringe

filter 79

Gambar LE.8 Foto Evaporasi Hasil Esterifikasi dengan Rotary

Vacuum Evaporator 79

(17)

xiv

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Model Kinetika

Pembuatan Biodiesel dari Asam Lemak Sawit Distilat dan

Penggunaan Katalis Novozyme 435

3

Tabel 2.1 Standar Biodiesel Berdasarkan ASTM D 6751/09, EN

14214/03, dan Pr EN 14214/09

8

Tabel 2.2 Komposisi Asam Lemak dalam ALSD 9

Tabel 2.3 Sifat-Sifat Fisika dan Kimia DMC 10

Tabel 3.1 Level Kode Rancangan Penelitian 16

Tabel 3.2 Rancangan Percobaan Penelitian 17

Tabel 4.1 Komposisi Asam Lemak dari Asam Lemak Sawit Distilat

(ALSD) 23

Tabel 4.2 Komposisi Penyusun ALSD 23

Tabel 4.3 Hasil Yield Biodiesel dari Berbagai Perlakuan 24

Tabel 4.4 Analysis of Variance (ANOVA) terhadap Yield 25 Tabel 4.5 Perkiraan Parameter Model Persamaan Statistik 25

Tabel LA.1 Komposisi Asam Lemak Bahan Baku Asam Lemak Sawit

Distilat (ALSD) 45

Tabel LB.1 Hasil Analisis Yield Biodiesel 46

(18)

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran A Data Bahan Baku 45

LA.1 Komposisi Asam Lemak Bahan Baku Asam Lemak

Sawit Distilat (ALSD) Hasil Analisis GCMS

45

Lampiran B Data Penelitian 46

LB.1 Data Yield Biodiesel 46

LB.2 Data Validasi Model 47

Lampiran C Contoh Perhitungan 48

LC.1 Perhitungan Kadar FFA Asam Lemak Sawit Distilat

(ALSD)

48

LC.2 Perhitungan Kebutuhan Dimethyl Carbonate (DMC) 48

LC.3 Perhitungan Yield Biodiesel 49

Lampiran D Hasil Analisis Biodiesel 50

LD.1Hasil Analisis Biodiesel 50

Lampiran E Dokumentasi Penelitian 77

LE.1 Foto Bahan Baku Penelitian 77

LE.2 Foto Pengujian Kadar Asam Lemak Bebas 78

(19)

xvi

DAFTAR SINGKATAN

ALSD Asam Lemak Sawit Distilat

ANOVA Analysis of Variance

BM Berat Molekul

CCD Central Composite Design

DMC Dimethyl Carbonate

et al et alia

FAME Fatty Acid Methyl Ester

FFA Free Fatty Acid

GC Gas Chromatography

GCMS Gas Chromatography Mass Spectrometry

RSM Response Surface Methodology

(20)

xvii

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Dimensi

N Normalitas larutan NaOH N

V Volume larutan NaOH terpakai Ml