STUDI PROSES MEKANISME PENGADUKAN DENGAN METODE STATIC -MIXER UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI TRANSESTERIFIKASI MINYAK SAWIT MENJADI BIODIESEL

Transkripsi

1 STUDI PROSES MEKANISME PENGADUKAN DENGAN METODE STATIC -MIXER UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI TRANSESTERIFIKASI MINYAK SAWIT MENJADI BIODIESEL RIZAL ALAMSYAH SEKOLAH PASCA SARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2010

2 PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Studi Proses Mekanisme Pengadukan Dengan Metode Static-Mixer Untuk Meningkatkan Efisiensi Transesterifikasi Minyak Sawit Menjadi Biodiesel adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada Perguruan Tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini. Bogor, September 2010 Rizal Alamsyah NIM. F

3 ABSTRACT RIZAL ALAMSYAH. Study on Mixing Process Using Static-mixer Method to Increase Transesterification Efficiency of Refined Palm Oil into Biodiesel. SUPERVISORS: ARMANSYAH H. TAMBUNAN, Y. ARIS PURWANTO, and DADAN KUSDIANA One of the difficulties faced in the current technology for biodiesel production is the requirement for rigorous mixing of methanol with the feedstock oil in the reactor. Utilization of blade mixer has limitation due to the immiscible state of those substances. This research was devoted to assess of static-mixer utilization in a transesterification reactor for biodiesel production in terms of kinetics reaction (reaction rate coefficient k, activation energy Ea, and collision factor or coefficient factor A). The experiments were conducted by reacting refined bleached deodorized palm olein (triglyceride or TG) with methanol (MeOH) at 50, 55, 60, 65, and 70 o C, using potassium hydroxide (KOH) as a catalyst at atmospheric pressure. Molar ratio of TG and MeOH was 1 : 11.5 and KOH used was 1% of palm oil weight. Transesterification process using blade agitator with the same reaction condition was performed as base of comparison to those of static-mixer. Energy consumption was measured for heater during oil heating, transesterification, boiling water and biodiesel drying by kwh meter. It was also conducted for pump for distribution, reactant mixing, and impeller of blade agitator. The experiments showed that static-mixer has significant effect in reducing reaction time to reach required fatty acid methyl ester content (FAME) i.e. 96.5% than those of blade agitator. Transesterification reaction time with static-mixer were shorter than with blade agitator for all temperature levels. Reaction temperature of 65 o C with 5 minutes of reaction time demonstrated the best condition for running the static-mixer reactor. The kinetics satudy was conducted based on the decrease of bounded glicerol or unmethyl esterified compound (ume) which consists of triglyceride TG, digliceryde DG, and monoglyceride MG during transesterification reaction. Since the bounded glycerol decreased rapidly in the first stage reaction so the reation rate was evaluated into two stages reaction of transesterification that gived the initial and the final reaction rate coefficient (k 1 and k 2 ), the initial and final activation energy (Ea 1 and Ea 2 ) and the initial and final collision factor (A 1 and A 2 ). The value of Ea 1, Ea 2, A 1, and A 2 for static-mixer experiments were 1.33 J/mol, J/mol, 6.48, minute -1 and 8.89 minute -1, respectively. The energy ratios of static-mixer are 2,4 times higher than those of blade agitator reactor for all temperature reaction levels. It means that transesterification by

4 static-mixer improved the energy ratio of blade agitator. The static-mixer experiment at reaction temperature 65 o C demonstrated the lowest energy consumption (Q in ) e.g kj/kg, meanwhile Q in for 50, 55, 60 and 70 o C were kj/kg, kj/kg, kj/kg, and kj/kg respectively. Based on the heat transfer analysis, the overall heat transfer from the reactor wall was kj, meanwhile the highest of heat transfer was released from pipe for circulating the reactants. Keywords : static mixer, blade agitator, activation energy, biodiesel, collision factor, energy ratio, and transesterification

5 RINGKASAN RIZAL ALAMSYAH. Studi Proses Mekanisme Pengadukan Dengan Metode Static -Mixer Untuk Meningkatkan Efisiensi Transesterifikasi Minyak Sawit Menjadi Biodiesel. Dibimbing oleh ARMANSYAH H. TAMBUNAN, Y. ARIS PURWANTO, dan DADAN KUSDIANA Biodiesel merupakan monoalkil ester (misal: fatty acid methyl ester atau FAME) yang diproses dengan metode transesterifikasi antara trigliserida yang berasal dari minyak nabati atau lemak hewani dengan alkohol rantai pendek terutama metanol untuk digunakan sebagai bahan bakar mesin diesel. Proses esterifikasi atau transesterifikasi dapat dilangsungkan dengan menggunakan katalis atau tanpa katalis. Sejauh ini dalam produksi biodiesel umumnya dilakukan dengan proses transesterifikasi menggunakan katalis basa. Kekurangan dari proses katalis basa adalah: 1) terdapat dua fase campuran minyak nabati-metanol (MeOH) yang memerlukan mekanisme pengadukan yang kuat agar proses transesterifikasi bisa efektif dan reaksi mengarah ke sebelah kanan, 2) dalam purifikasi biodiesel kasar (crude biodiesel) diperlukan proses yang panjang karena di dalam produk masih terkandung impurities yang terdiri dari residu katalis, metanol yang tidak bereaksi, dan sabun yang harus dipisahkan. Waktu reaksi transesterifikasi dengan sistem pengadukan ini berkisar antara menit. Tujuan penelitian yang dilakukan adalah untuk: 1) menentukan kinetika reaksi transesterifikasi (laju reaksi, konstanta laju reaksi k, energi aktivasi Ea, dan frekuensi tumbukan A) menggunakan reaktor static-mixer pada beberapa tingkat suhu yaitu 50, 55, 60, 65, dan 70 o C pada tekanan atmosfir. Sebagai pembanding proses transesterifikasi dengan menggunakan blade agitator dilakukan pada tingkat suhu yang sama, dan 2) mengkaji kebutuhan energi transesterifikasi, kebutuhan energi pemanasan awal, purifikasi (pencucian dan pengeringan) dan rasio energi biodiesel dari minyak curah sawit (refined bleached deodorized palm olein - RBDPO). Pembuatan biodiesel dilakukan dengan proses transesterifikasi RBDPO dengan metanol (MeOH) menggunakan reaktor static-mixer. Rasio molar antara RBDPO dan MeOH adalah 1 : 11,5. Jumlah KOH yang digunakan sebanyak 1% dari RBDPO. Proses pembuatan biodiesel adalah diawali dengan pemanasan awal RBDPO dalam reaktor sesuai suhu yang ditentukan (50, 55, 60, 65, dan 70 o C) dan pada saat yang sama juga MeOH dipanaskan. Saat suhu yang diinginkan tercapai, campuran MeOH-KOH dimasukkan ke dalam reaktor, kemudian pengadukan dimulai dengan menghidupkan pompa static-mixer sehingga campuran melewati static-mixer. Sampling dilakukan pada biodiesel dengan mengambil contoh di keran bagian atas pada selang waktu menit ke 1, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 55, 60, 65, 70, 80, dan 90 untuk dianalisis mutunya sesuai dengan Sandard SNI Sampel ditampung dalam glass jar untuk kemudian diendapkan (settling) hingga terbentuk 2 lapisan (bagian atas biodiesel kasar dan bagian bawah adalah gliserol kasar). Biodiesel kasar kemudian dicuci dan dianalisa berdasarkan standard

6 SNI untuk biodiesel. Pengujian dilakukan untuk beberapa parameter mutu utama antara lain untuk: gliserol bebas dan total gliserol dengan metoda uji (AOCS: Ca 14-56), kandungan metil ester (biodiesel), angka asam (AOCS: Cd 3-63), angka penyabunan (AOCS: Cd 3-25), viskositas, densitas, dan kadar air. Biodiesel yang dihasilkan secara visual memiliki warna kuning jernih dan terlihat encer. Hasil samping reaksi transesterifikasi adalah gliserol yang berwarna coklat gelap dan lebih kental dibanding metil ester, yang berada pada lapisan bagian bawah. Reaksi transesterifikasi menunjukkan bahwa laju reaksi metil ester menggunakan static-mixer lebih cepat dibanding dengan blade agitator pada periode awal proses. Hasil percobaan menunjukkan bahwa penggunaan static-mixer mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap pengurangan waktu reaksi untuk mencapai kandungan metil ester minimum yaitu 96,5% dibanding menggunakan blade agitator, untuk seluruh perlakuan suhu yang diberikan. Waktu reaksi transesterifikasi dengan static-mixer lebih pendek dibanding dengan blade agitator unrtuk semua perlakuan suhu. Suhu reaksi 65 o C dan waktu reaksi 5 menit memperlihatkan kondisi terbaik untuk mengoperasikan reactor static-mixer. Hasil yang sama juga ditunjukkan dengan hasil penurunan, gliserol terikat (triglierida TG, digliserida DG, dan monogliserida MG) yang tidak bereaksi, viskositas dan angka asam dari biodiesel untuk penggunaan kedua metode pengadukan tersebut. Perhitungan kinetika didasarkan atas penurunan jumlah gliserol terikat atau unmethyl esterified compound (ume) yang tidak bereaksi dan terdiri dari TG, DG, dan MG). Karena penurunan jumlah gliserol terikat dengan static-mixer lebih cepat pada tahap awal proses, maka laju reaksi dievaluasi ke dalam 2 tahap proses transesterifikasi sehingga memberikan konstanta laju reaksi awal (k 1 ) dan laju raksi akhir (k 2 ). Perubahan dari laju reaksi awal menuju laju reaksi akhir terlihat naik turun, akan tetapi hasil masih menunjukkan kecenderungan penurunan. Perubahan jumlah gliserol terikat dengan blade agitator menunjukkan penurunan yang stabil sehingga laju reaksi dievaluasi dalam satu tahap reaksi transesterifikasi. Dari hasil yang diperoleh laju reaksi awal (k 1 ) dengan static-mixer pada tahap awal lebih tinggi dibandingkan dengan menggunakan blade agitator. Waktu reaksi transesterifikasi dengan static-mixer lebih pendek dibanding dengan blade agitator untuk semua perlakuan suhu. Suhu reaksi 65 o C dan waktu reaksi 5 menit memperlihatkan kondisi terbaik untuk mengoperasikan reaktor staticmixer. Energi aktifasi (Ea) dan frekuensi tumbukan (A) dihitung berdasarkan persamaan Arhenius untuk tahap awal dan akhir reaksi untuk static-mixer, serta untuk satu tahap pada blade agitator. Dengan demikian muntuk static-mixer dihasilkan energi aktivasi awal dan akhir (Ea 1 and Ea 2 ) serta frekuensi tumbukan awal dan akhir (A 1 and A 2 ) yang masing-masing nilainya adalah : 1,33 J/mol, 16,71 J/mol, 6,48, menit -1 dan 8,89 menit -1. Nilai Ea dan A untuk percobaan blade agitator adalah 10,49 J/mol, dan 2,9 menit -1. Energi transesterifikasi rata-rata menggunakan reaktor static-mixer adalah 84,53 kj/kg lebih kecil dibanding menggunakan blade agitator yaitu 484,16 kj/kg.

7 Kebutuhan energi rata-rata untuk produksi biodiesel (Q in ) menggunakan static-mixer adalah 1812,60 kj/kg, sedangkan bila menggunakan blade agitator adalah 2212,32 kj/kg. Energi transesterifikasi terkecil didapat pada suhu operasi (static-mixer) 65 o C yaitu 56,01 kj/kg. Dari hasil percobaan static-mixer pada suhu 50, 55, 55, 60, 65, dan 70 o C dihasilkan rasio energi masing-masing 3,67, 3,3, 3,65, 3,73, 3,75, dan 3,34. Rasio energi dalam pengolahan biodiesel dengan menggunakan static-mixer 2,4 kali lebih tinggi dibandingkan menggunkan blade agitator. Hal ini menunjukan bahwa reaktor static-mixer dapat mengurangi konsumsi energi (meningkatkan efisiensi proses transesterifikasi). Dari hasil analisis kehilangan panas terlihat bahwa kehilangan terbesar terjadi pada pipa untuk saluran sirkulasi reaktan (116,57 kj/kg) disusul dengan dinding tangki (73,98 kj), tutup atas (38,47 kj), static-mixer (27,72 kj), dan tutup bawah (8,38 kj).

8 Hak Cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2010 Hak Cipta dilindungi Undang-undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebut sumber a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah b. Penulisan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB

9 STUDI PROSES PENGADUKAN DENGAN METODE STATIC - MIXER UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI TRANSESTERIFIKASI MINYAK SAWIT MENJADI BIODIESEL RIZAL ALAMSYAH Disertasi Sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Doktor pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian SEKOLAH PASCA SARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2010

10 Penguji pada Ujian Tertutup: Dr. Ir. Kohar Irwanto, MSi. Dr. Ir. Leopold E. Nelwan, MSi. Penguji pada Ujian Terbuka: Dr. Ir. Joelianingsih, MT. Dr. Ir. Desrial, M.Eng.

11 Judul Disertasi : STUDI PROSES PENGADUKAN DENGAN METODE STATIC -MIXER UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI TRANSESTERIFIKASI MINYAK SAWIT MENJADI BIODIESEL Nama : Rizal Alamsyah NIM : F Disetujui Komisi Pembimbing Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan Ketua Dr. Ir. Y. Aris Purwanto, MSc. Anggota Dr. Ir. Dadan Kusdiana, MSc. Anggota Diketahui Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Dekan Sekolah Pascasarjana Dr. Ir. Wawan Hermawan, MS. Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS. Tanggal Ujian: 21 September 2010 Tanggal Lulus:

12 KATA PENGANTAR Puji syukur saya panjatkan ke hadirat Allah SWT, atas segala izin, ridha dan karunianya sehingga disertasi berjudul Studi Proses Mekanisme Pengadukan Dengan Metode Static-Mixer Untuk Meningkatkan Efisiensi Transesterifikasi Minyak Sawit Menjadi Biodiesel dapat dirancang dan diselesaikan. Kegiatan penelitian ini dilaksanakan mulai dari bulan Maret 2008 hingga September Disertasi ini dibuat dalam rangka penelitian untuk penyelesaian studi program Doktor (S3) di bidang Ilmu Keteknikan Pertanian pada Sekolah Pasca Sarjana Institut Pertanian Bogor. Penelitian ini dirancang sedemikian rupa yang diharapkan dapat memberikan kontribusi dalam khazanah teknologi energi terbarukan (renewable energy). Dalam penyelesaian disertasi ini penulis banyak mendapatkan bimbingan, arahan, serta koreksi konstruktif dari komisi pembimbing. Oleh karena itu ucapan terima kasih disampaikan kepada Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan (ketua), Dr. Ir. Y. Aris Purwanto, M.Sc. (anggota) dan Dr. Ir. Dadan Kusdiana, MSc. (anggota). Penulis juga menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Dr. Ir. Kohar Irwanto, MSi. dan Dr. Ir. Leopold E. Nelwan, MSi. selaku dosen penguji pada ujian tertutup. Penulis juga menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Dr. Ir. Joelianingsih, MT. dan Dr. Ir. Desrial, M.Eng. selaku dosen penguji pada Ujian Terbuka. Penelitian Disertasi S3 di sekolah Pasaca Sarjana IPB ini didanai oleh Pusat Pendidikan Latihan (Pusdiklat) Industri Kementerian Perindustrian dan The Indonesian International Education Foundation (IIEF). Karenanya penulis menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya atas bantuannya. Ucapan terimakasih juga ditujukan kepada Laboratorium energi dan Elektrifikasi Fateta IPB serta kepada Ir. Yang-yang Setiawan, MSc. selaku Kepala Balai Besar Industri Agro di mana penulis bekerja atas dukungan sarana dan prasarana yang berharga terhadap penelitian ini.

13 Ucapan terima kasih disampaikan pula kepada: 1. Rektor IPB, Dekan Sekolah Pascasarjana IPB, Dekan Fakultas Teknologi Pertanian IPB, Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Sekolah Pasca Sarjana IPB atas penerimaan yang diberikan kepada penulis untuk mengikuti pendidikan program DOKTOR (S3) di IPB melalui jalur penelitian (by research). Tak lupa staf pengajar dan pegawai yang ada di lingkup Sekolah Pasaca Sarjana IPB, atas segala ilmu pengetahuan dan pelayanan yang telah diberikan selama menempuh pendidikan di IPB. 2. Dr. Sony Solistia Wirawan (BPPT), Prof. Hiroshi Nabetani (Food National Research, Japan), Dr. Milan Martinov (CIGR), Dr. Zazueta Ranahan (CIGR), Ir. Ari Rahmadi, MSc. dan Ir. Maharani (BPPT) atas masukan dan arahan teknis penulisan karya ilmiah yang telah disusun, 3. Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah (Universitas Persada), Prof. Dr. Ir. Irawadi Djamaran (TIN, IPB), dan Dr. Ir. Setyo Pertiwi, MSc. (TEP, IPB) atas arahan teknisnya 4. Ayahanda (H. Abdul Moeis Abdullah) dan Ibunda (Hj. Nelly Sadiah) atas asuhan, didikan, perhatian, doa yang tulus, serta dorongan morilnya. 5. Istri (Dra. Ariyanti) dan anak-anak penulis tercinta (Arizia Tamara dan Amira Mayariza Ghina) atas segala dorongan semangat motivasi dan yang telah bersabar menanti selama pendidikan. 6. Staf Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Pak Harto, Firman, dan Darma atas segala bantuan teknis. 7. Bengkel Tanggerang (Kota Tanggerang) atas pembuatan dan pengujian awal static-mixer dan Ir. Asadi, MSi (UPN Jakarta) atas masukan teknis selama konstruksi reaktor. 8. Saudara/i Ir. Sri Wuri Hadono, MAppSc, Anton Simorangkir, SH, Anita Pardede, dan Ir. Nurdin Kurnia, MSi (BBIA), Ir. Lukman Junaidi, Hendra Wijaya, Ssi, MSi, Ir. Nobel Christian Siregar, ST., M Eng., Eni Hawani Lubis, Dipl. IV Kim, MSi., Reno Fitri Hasrini, SP., MSi., Yuliasri Ramadhani Meutia, STP, MSi., Irma Susanti, STP, Msi., Fitri Hasanah, STP., MSi, Henggar, ST., Ir. Dadang

14 Supriatna, MSi., Ramlan Ruvendi, SE, MM., dan teman-teman di Bidang Sarana Riset dan Standardisasi BBIA serta Ir. Wawan Kartiwa, MSi (BPK, Bandung) yang sering memberikan dorongan moril selama studi. 9. Saudara/i Ade Wahyuni SP, Atika SP, Retno STP, Ismail STP, dan Didin N, STP atas bantuan teknis pengujian laboratorium, dan 10. Rasa terimakasih juga disampaikan kepada sdr. Mulyawatulloh, Firman, Darma, Rusmawati, dan Harto (TEP) atas kelancaran teknis dan administrasi penelitian. Penulis menyadari tulisan ini masih mempunyai kekurangan, untuk itu saran, masukan, maupun kritik yang konstruktif sangat diharapkan. Penulis turut berdoa semoga Allah SWT memberikan limpahan rahmat dan karunianya kepada semuanya. Akhir kata semoga dari disertasi ini dapat memberikan manfaat bagi yang memerlukannya. Aaamiin ya rabbal a lamin. Bogor, September 2010 Rizal Alamsyah

15 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bogor, Jawa Barat pada tanggal 10 Juli 1959 sebagai anak keempat dari H. Abdul Muis Abdullah dan Hj. Nely Sadiah. Pada tanggal 10 Desember 1990 penulis menikah dengan Hj. Dra. Ariyanti dan dikaruniai dua anak yaitu Arizia Tamara dan Amira Mayariza Ghina. Penulis menyelesaikan pendidikan SD, SMP sampai SMA di Bogor masingmasing tahun 1971, 1974 dan Pendidikan Sarjana (S1) ditempuh pada Jurusan Mekanisasi Pertanian Fateta IPB dan diselesaikan pada tahun Selanjutnya penulis mendapat kesempatan melanjutkan Pendidikan Pasca Sarjana (S2) di School Applied Science jurusan Food Engineering, The University of New South Wales (UNSW), Sydney-Australia dan diselesaikan pada tahun Penulis juga pernah mengikuti program pendidikan training for trainer di Cornell University USA dalam bidang Food Technology pada tahun 1993 serta pernah mengikuti Training Course on Biomass Integrated Utilization Technologies, di China Agricultural University (CAU) Beijing China pada tahin Selanjutnya, sejak Agustus 2006 penulis diterima sebagai mahasiswa S3 di Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian (TEP) Sekolah Pasca Sarjana Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur penelitian (by research). Penulis bekerja sebagai peneliti sejak tahun 1986 hingga sekarang dan menjabat sebagai Kepala Bidang Sarana Riset dan Standardisasi di Balai Besar Industri Agro (BBIA) Kementerian Perindustrian, Bogor dari tahun 2009 hingga sekarang. Karya ilmiah dari hasil penelitian disertasi S3 berupa Jurnal internasional telah dipublikasikan pada Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal Volume 12, Nomor 1 (manuskrip 1566 April), Tahun 2010 dengan judul Comparison of Static-Mixer and Blade Agitator Reactor in Biodiesel Production Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Karya ilmiah lain dari hasil penelitian ini juga dipublikasikan pada Jurnal Riset Industri (JRI) Volume 4 Nomor 2 (Agustus) Tahun 2010 dengan judul Energy Consumption Analysis in

16 Biodiesel Production Process from Palm Oil Olein by Utilizing Static-Mixer Reactor. Sebuah review berjudul The Current Status Of Biodiesel Production Technology: A Review, dipublikasikan pada Jurnal Keteknikan Pertanian. Vol. 21 No. 4 (Desember) Tahun Karya ilmiah berjudul Rekayasa Mekanisme Pengadukan Dengan Metode Static-mixer Untuk Meningkatkan Efisiensi Proses Transesterifikasi Minyak Nabati Menjadi Biodiesel dipresentasikan dan dipublikasikan pada Prosiding Seminar Nasional Perteta, Yogyakarta 18 November Karya ilmiah tersebut juga merupakan bagian dari hasil penelitian Disertasi S3 penulis. Disertasi yang berjudul Rekayasa Mekanisme Pengadukan Dengan Metode Static Mixer Untuk Meningkatkan Efisiensi Proses Transesterifikasi Minyak Nabati Menjadi Biodiesel ini juga telah mendapat anugerah (award) yang dilombakan dalam momen DISSERTATION SCHOLAR DISSERTATION AWARD, yang disponsori FORD FOUNDATION dan dilaksanakan oleh The Indonesian International Education Foundation (IIEF) pada bulan Mei 2010.

17 DAFTAR ISI DAFTAR TABEL. DAFTAR GAMBAR... DAFTAR LAMPIRAN... DAFTAR SIMBOL... Halaman iv v viii x I. PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Kerangka Pemikiran Hipotesis Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Ruang Lingkup dan Outline Disertasi 9 II. TINJAUAN PUSTAKA Biodiesel Proses Transesterifikasi Faktor-faktor yang Mempengaruhi Proses Transesterifikasi Penggunaan Katalis Kinetika Reaksi Static-mixer Profil Turbulensi Fluida dalam Static-mixer Jenis Static-mixer Aplikasi Static-mixer Blade agitator 34 III. METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Bahan Reaktor Static-mixer Kondisi Percobaan Prosedur Percobaan Uji Performansi Analisis Parameter Uji Kinetika Reaksi Analisis Kehilangan Panas Analisis Energi i

18 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Karakteristik Teknik Reaktor Uji Performansi Analisis Parameter Uji Kinetika Reaksi Laju Reaksi Perbandingan Reaksi menggunakan Static-mixer dan Blade agitator Konstanta Laju Reaksi (k) Energi Aktifasi (Ea) dan Frekuensi Tumbukan (A) Analisis Energi Analisis Kehilangan Panas Kebutuhan Energi untuk Proses Transesterifikasi Kebutuhan Energi untuk Pemanasan awal dan Purifikasi Rasio Energi V. KESIMPULAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN.. 95 ii

19 DAFTAR TABEL Halaman 1 Data konsumsi BBM Indonesia tahun Karakteristik katalis asam homogen Karakteristik katalis asam heterogen Perbandingan metode katalis lipase dan alkali dalam pengolahan biodiesel 24 5 Komparasi metode katalis dan non-katalis Petunjuk penggunaan static mixer Hasil uji coba reaktor static-mixer Keseimbangan masa pengolahan biodiesel dengan static-mixer Konstanta laju reaksi transesterifikasi dengan static-mixer dan blade agitator Perbandingan energi aktivasi (Ea) dan frekuensi tumbukan (A) Konsumsi energi untuk setiap tahap produksi biodiesel Hasil perhitungan rasio energi (Er) iii

20 DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Bauran energi Indonesia tahun 2006 dan proyeksinya tahun Opsi proses transesterifikasi Kerangka pemikiran penelitian 7 4 Reaksi alkoholisis trigliserida dengan metanol Diagram proses transesterifikasi (untuk FFA minyak < 0,5 %) 19 6 Diagram proses Es-trans (esterifikasi-transesterifikasi) untuk FFA minyak > 0,5 %) Mekanisme reaksi katalis asam Reaksi transesterifikasi TG dan MeOH Hubungan energi dan reaksi bahan kimia Jenis elemen dan housing dari static-mixer tipe helical Profil zona reaksi reaktan A dan B dalam reaktor blade agitator Profil zona reaksi reaktan, produk, serta reaktan yang tidak bereaksi Diagram reaktor dan setting percobaan Diagram rancangan (a) elemen static-mixer, (b) balde agitator Diagram posisi pengukuran kondisi proses Diagram alir percobaan penelitian Sampel produk biodiesel selama proses transesterifikasi Produk hasil pengendapan Proses pencucian biodiesel Perbandingan biodiesel pada tahap transesterifikasi, pencucian, dan pengeringan FAME yang dihasilkan dengan static-mixer pada suhu 50, 60 dan 70 o C Angka asam FAME yang dihasilkan dengan static-mixer pada suhu 50, 60 dan 70 o C iv

21 23 Gliserol total FAME yang dihasilkan dengan static-mixer pada suhu 50, 60 dan 70 o C Viskositas AME yang dihasilkan dengan static-mixer pada suhu 50, 60 dan 70 o C Densitas FAME yang dihasilkan dengan static-mixer pada suhu 50, 60 dan 70 o C Pengaruh suhu terhadap pembentukan FAME menggunakan static-mixer Pengaruh suhu terhadap pembentukan FAME menggunakan blade agitator Viskositas FAME yang dihasilkan dengan static-mixerdan blade agitator pada suhu 65 o C Angka asam FAME yang dihasilkan dengan static-mixerdan blade agitator pada suhu 65 o C Pembentukan FAME menggunakan static-mixer dan blade agitator pada suhu 50 o C Pembentukan FAME menggunakan static-mixer dan blade agitator pada suhu 70 o C Hubungan konsentrasi ME selama reaksi transesterifikasi menggunakan static-mixer dan blade agitator pada suhu 50 o C Hubungan konsentrasi ME selama reaksi transesterifikasi menggunakan static-mixer dan blade agitator pada suhu 55 o C Hubungan konsentrasi ME selama reaksi transesterifikasi menggunakan static-mixer dan blade agitator pada suhu 60 o C Hubungan konsentrasi ME selama reaksi transesterifikasi menggunakan static-mixer dan blade agitator pada suhu 65 o C Hubungan Konsentrasi ME selama reaksi transesterifikasi menggunakan static-mixer dan blade agitator pada suhu 70 o C Plot Arhenius antara konstanta laju reaksi (ln k) tahap awal dengan kebalikan suhu mutlak menggunakan static-mixer.. 68 v

22 38 Plot Arhenius antara konstanta laju reaksi (ln k) tahap akhir dengan kebalikan suhu mutlak menggunakan static-mixer Plot Arhenius antara konstanta laju reaksi (ln k) dengan kebalikan suhu mutlak menggunakan blade agitator Posisi pengukuran suhu pada reaktor, static-mixer Sebaran suhu pada tutup atas, uap keluar, heater,dan kran atas Sebaran suhu pada pipa sirkulasi, dinding luar, static-mixer, dan kran bawah Sebaran suhu pada tutup bawah, dinding dalam, glas wool, dan kran tengah Sebaran suhu rata-rata pada reaktor Kehilangan panas pada reaktor Kebutuhan energi transesterifikasi yang dibutuhkan untuk staticmixer dan blade agitator Distribusi energi produksi biodiesel dengan reaktor static-mixer Distribusi energi produksi biodiesel dengan reaktor blade agitator Rasio energi produksi biodiesel dengan tanpa melibatkan energi purifikasi Rasio energi produksi biodiesel dengan melibatkan energi purifikasi Reaktor static-mixer Tangki penampung (tangki pencucian) Rumahan (Casing) dan elemen static-mixer Pompa static-mixer Pemanas (Heater) Kondenser Kontrol panel static-mixer vi

23 DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Gambar piktorial reaktor static-mixer Gambar irisan reaktor static-mixer Tampak atas reaktor static-mixer Spesifikasi Reaktor Static-Mixer Rancangan Fungsional Reaktor Static-mixer Perhitungan rancangan tangki reaktor static-mixer Perhitungan rancangan settling tank dan pencucian Perhitungan tenaga pompa Perhitungan tenaga pemanas (Heater) Perhitungan rancangan kondensor Perhitungan komposisi bahan baku sesuai dengan rasio yang ditetapkan dan keseimbangan massa biodiesel kwh meter untuk pengukuran konsimsi energi Pengujian Reaktor dan pengukuran proses transesterifikasi Standard Nasional Indonesia SNI (biodiesel) Data hasil pengukuran kandungan metil ester Hubungan parameter mutu biodiesel dengan waktu Data sebaran suhu alat 70 C Data sebaran suhu reaktor static-mixer Perhitungan pindah panas pada dinding tangki utama Perhitungan kehilangan panas dari dinding luar ke udara sekitar Perhitungan kehilangan panas dari pipa ke udara luar Perhitungan kehilangan panas melalui dinding static-mixer Perhitungan kehilangan panas melalui tutup atas Perhitungan kehilangan panas melalui tutup bawah Perhitungan Er suhu 50 o C Perhitungan Er suhu 55 o C vii

24 27 Perhitungan Er suhu 60 o C Perhitungan Er suhu 65 o C Perhitungan Er suhu 70 o C Roadmap biodiesel Indonesia Roadmap pemanfaatan biofuel Indonesia viii

25 DAFTAR SINGKATAN A : Frekuensi tumbukkan atau faktor pre-eksponensial (tidak berdimensi) As : Angka penyabunan (mg KOH/g biodiesel) Aa : Angka asam (mg KOH/g biodiesel) Ad luas / penampang dinding tangki reaktor (m 2 ) CN: : Bilangan setana (tidak berdimensi) CP : Cloud Point atau titik kabut ( o C) CR : Residu karbon (% w/w), Dd : Diameter dinding tangki reaktor (m) DG : Digliserida E f : Rasio energi Ea : Energi aktivasi (kj/mol) f : Koefisien gesekan FFA : Free fatty acyd atau kadar asam lemak bebas (% ) FP : Flash point atau titik nyala ( o C) g : percepatan gravitasi (m/det 2 ) GL : Gliserol Gb : Gliserol bebas (% massa) Gttl : Gliserol total (% massa) hp : Tenaga motor (Watt) h : koefisien pindah panas konveksi (W/m 2 K), h f : Kehilangan tekanan akibat gesekan (m) h b : Kehilangan tekanan akibat belokan (m) h l : Kehilangan tekanan akibat kran (m) h sm : Kehilangan tekanan akibat static-mixer (m) h t : Kehilangan total (m) k : Konstanta laju reaksi transesterifikasi keseluruhan (menit -1 ) k 1 : Konstanta laju reaksi transesterifikasi tahap awal (menit -1 ) k 2 : Konstanta laju reaksi transesterifikasi tahap akhir (menit -1 ) k n : Konstanta laju reaksi konversi TG, DG dan MG (menit -1 ) ix

26 k r : Konstanta laju reaksi konversi TG menjadi ME (menit -1 ) k l : Konstanta laju reaksi konversi Me menjadi TG (menit -1 ) k : Pseudo konstanta laju reaksi transesterifikasi (menit -1 ) Kt : Parameter pressure drop aliran turbulen MeOH : Metanol ME : Kandungan metil ester (% w/w) MG : Monogliserida N Nu : bilangan Nusselt (tidak berdimensi) n : Jumlah elemen static-mixer n : Jumlah mol PP : Pour point atau titik tuang ( o C) N Gr : bilangan Grashoff (tidak berdimensi) N pr : bilangan Prandtl (tidak berdimensi) p : Panjang pipa (m) Q : Laju volumetrik (m 3 /menit) q n : kehilangan panas (kj), R : Tetapan gas (8,31 jk -1 mol -1 ) R n : Asam lemak, n :1,2,3...dst RBDPO : Refined bleached deodorized palm olein Re : Bilangan Reynolds (tidak berdimensi) T : Suhu biodiesel ( o C) TG : Trigliserida [ TG ] : Kadar trigliserida (%,w/w) t : Waktu (jam) t d : temperatur dinding luar ( K) t u : suhu udara luar ( K) μ ME : unmethyl esterfied compounds [μ ME] : Kadar unmethyl esterfied compounds (% w/w) w : Lebar elemen v : kecepatan alir (m/det) LTMD : Perbedaan suhu logaritmik ( C) x

27 DAFTAR SIMBOL ß : koefisien muai volume (1/K) ρ : Densitas (kg/l) μ : Viskositas kinematik (cst) μ d : Viskositas dinamik (Pa.s) xi

28 1.1 Latar Belakang I. PENDAHULUAN Bahan bakar minyak berbasis fosil seperti solar, premium (bensin), premix dan minyak tanah sangat memegang peranan penting dalam memenuhi kebutuhan energi nasional antara lain untuk transportasi, industri, mesin pertanian, dan keperluan rumah tangga. Dilihat dari kebutuhan energi nasional, sekitar lima puluh persen bahan bakar tersebut dipasok dari bahan bakar yang berasal dari minyak bumi, sedangkan sebagian lagi dipenuhi dari sumber energi lain seperti batu bara, gas bumi, panas bumi dan tenaga air. Sumber energi terbarukan (renewable energy) seperti biomassa sejauh ini belum banyak dimanfaatkan sehingga menyebabkan bauran energi (energy mix) dirasakan masih timpang. Bauran energi di Indonesia dalam memenuhi kebutuhan energi nasional adalah: minyak bumi 52 %, gas bumi 29 %, batu bara 15 %, PLTA 3 %, panas bumi 1 % dan energi terbarukan 0,2 %. Ketimpangan ini dimungkinkan karena penguasaan teknologi yang belum maksimal dan sistem pengelolaan energi yang kurang baik (Komara, 2007). Pada tahun 2025 direncanakan target bauran energi berubah dengan penurunan penggunaan minyak bumi dan peningkatan penggunaan sumber energi gas, batu bara, dan energi baru terbarukan seperti terlihat dalam Gambar 1. Dibagi menjadi: biofuel (5%), panas bumi (5%), biomasa nuklir, tenaga air dan tenaga angin (5%), batu bara cair (2%) Gambar 1. Bauran energi Indonesia tahun 2006 dan proyeksinya tahun 2025 (Perpres No. 5 Tahun 2006) 1

29 Kebutuhan energi bersifat primer dan selalu beriringan dengan pertumbuhan ekonomi. Dengan pertumbuhan industri dan produksi kendaraan transportasi yang terus meningkat mengakibatkan kenaikan permintaan bahan bakar dari minyak bumi. Dengan tingkat pertumbuhan ekonomi nasional yang terus dipacu dan membaik, bisa dipastikan konsumsi energi juga akan meningkat. Data terakhir konsumsi BBM (bensin, solar, dan minyak tanah) pada tahun 2009 disajikan dalam Tabel 1. Dalam tabel tersebut disajikan data konsumsi bahan bakar menurut sektor (industri, rumah tangga, dan transportasi) dan terlihat bahwa jenis BBM solar merupakan jumlah terbanyak dikonsumsi dengan jumlah 122,25 kl, sedangkan dilihat dari sektor maka sektor transportasi mengkonsumsi BBM kedua terbanyak yaitu 35,05 % setelah sektor industri. Tabel 1. Data Konsumsi BBM Indonesia Tahun 2008 Konsumsi Menurut Jenis (Juta kl) Jenis BBM bersubsidi Bensin Solar Minyak tanah Jumlah Jumlah 114,79 122,25 46,83 283,87 Konsumsi Menurut Sektor (%) Sektor Industri Transportasi Rumah komersial Lain-lain Jumlah tangga Jumlah 39,84 35,05 15,50 5,06 4, Sumber : Pusdatin KESDM (2009). Sebagian dari kebutuhan BBM dalam negeri dipenuhi oleh minyak impor dan saat ini impor BBM mencapai 30 persen dari kebutuhan dalam negeri (Ariati, 2007). Angka tersebut relatif tinggi karena Indonesia merupakan negara penghasil minyak mentah. Di sisi lain laju peningkatan konsumsi bahan bakar minyak di dalam negeri yang semakin tinggi menyebabkan jumlah impor bahan bakar minyak (BBM) pada tahun 2010 diperkirakan akan meningkat 40 persen dari kebutuhan dalam negeri. Oleh sebab itu, ketergantungan impor Indonesia terhadap komoditas BBM dan minyak mentah akan terus meningkat. Di sisi lain cadangan minyak bumi Indonesia terbatas. Untuk mengurangi jumlah penggunaan BBM, pemerintah telah mengeluarkan peraturan antara lain INPRES No.1 tahun 2006 tentang penyediaan dan pemanfaatan bahan bakar nabati (biofuel) sebagai bahan bakar lain, dan 2

30 PERPRES No. 5 tahun 2006 tentang kebijakan energi nasional yang menjelaskan target pemerintah di bidang konversi energi melalui pemanfaatan sumber energi alternatif. Biodiesel berpotensi menggantikan solar dan bisa menjadi solusi permasalahan bahan bakar minyak (BBM) di masa mendatang. Informasi yang menyatakan FAME (biodiesel) dengan stabilitas oksidasi dan termal yang lebih rendah dibanding petroleum diesel telah mendorong beberapa fihak untuk melakukan hydrogenated vegetable oil (HVO) agar stabilitas oksidasi dan oksidasi termal lebih baik dari peroleum diesel. dengan pertimbangan bila tidak dilakukan akan membuat FAME (biodiesel) akan tidak kompetitif dengan HVO. Sebenarnya reaksi oksidasi ini terjadi karena pengaruh oksigen atmosfir dalam biodiesel (autoxidation). Proses ini berlangsung selama transportasi dan penyimpanan biodiesel dan dalam tangki bahan bakar di kendaraan. Biodiesel termasuk golongan alkil ester dengan nama kimia alkil ester mempunyai kemiripan sifat dengan solar. Biodiesel merupakan salah satu jenis bahan bakar pengganti solar yang yang berasal dari minyak nabati yang bahan bakunya bisa diperbaharui dengan cara budidaya. Beberapa sumber minyak nabati yang bisa digunakan sebagai sumber bahan biodiesel adalah biji sawit, biji jarak, biji nyamplung, kelapa, kedelai dan lainnya. Penggunaan biodiesel sebagai bahan bakar untuk mesin diesel mempunyai beberapa keuntungan antara lain bisa mengurangi ketergantungan terhadap pasar minyak dunia, menjadikan substitusi bahan bakar solar (biosolar) dan bisa mengurangi emisi gas buang kendaraan (Wirawan, et al., 2008; Carraretto, et. al., 2004). Biodiesel merupakan metil ester (fatty acid methyl ester) yang diproses dengan cara transesterifikasi antara trigliserida yang berasal dari minyak nabati atau lemak hewan dengan alkohol rantai pendek terutama metanol untuk digunakan sebagai bahan bakar mesin diesel (Mettelbach dan Remschmidt, 2004; Knothe, 2005). Penggunaan biodiesel sebagai bahan bakar substitusi solar harus diikuti dengan pengembangan teknologi proses yang efisien dan ekonomis. Hal ini sejalan dengan road map biodiesel yang mengharuskan menerapkan teknologi 3

31 yang lebih maju sejalan dengan waktu (Ariyati, 2007). Proses transesterifikasi tersebut bisa dilakukan dengan menggunakan katalis atau tanpa katalis. Katalis yang digunakan dalam proses transesterifikasi (catalytic transesterification) bisa terdiri dari katalis asam, basa, dan biokatalis (enzim), sedangkan untuk untuk proses transesterifikasi tanpa katalis (non-catalytic transesterification) bisa diproses pada tekanan atmosfir dan kondisi tekanan tinggi (supercritical). Secara skematis metode-metode transesterifikasi dapat dilihat dalam Gambar 2. Gambar 2. Opsi proses transesterifikasi (Joeliangsih, 2008; Mettelbach dan Remschmidt, 2004) Sejauh ini teknik produksi biodiesel komersil umumnya dilakukan dengan proses transesterifikasi menggunakan katalis basa. Salah satu masalah yang dihadapi dalam menghasilkan biodiesel dengan metode ini adalah laju reaksi atau efektifitas proses transesterifikasi yang masih relatif lambat sehingga berimplikasi terhadap jumlah energi yang dibutuhkan dalam proses relatif besar (Carraretto et al., 2004; Mootabadi et al., 2008; Ajav dan Akingbehin, 2002). Untuk lebih mendapatkan proses yang lebih efisien dari proses katalis basa ini, maka perlu dikembangkan suatu rekayasa proses yang lebih efisien diilihat dari pemakaian energi, laju reaksi, waktu reaksi. Masalah dalam proses transesterifikasi katalis basa tersebut adalah sukar bercampurnya trigliserida dan metanol. Dengan mekanisme pencampuran biasa menggunakan blade agitator, frekuensi tumbukan kurang optimal bila dilakukan 4

32 pada putaran (rpm) yang rendah. Bahan-bahan tersebut bisa bereaksi atau proses reaksi bisa mengarah ke kanan bila diterapkan mekanisme pengadukan yang amat kuat (vigorous stirring) dan suhu yang relatif tinggi (Darnoko dan Cheryan, 2000a). Dengan kata lain dibutuhkan putaran (rpm) yang amat tinggi, di mana sebagai konsekuensinya memerlukan daya (horse power / hp) yang cukup besar. Untuk memperbaiki rekayasa proses ini maka perlu dikembangkan suatu proses pengolahan biodiesel dengan katalis basa yang mempunyai sistem pengadukan (stirring) yang lebih intensif sehingga laju reaksi lebih tinggi dari yang sudah dicapai, konstanta reaksi (k) lebih tinggi, dan energi aktivasi (Ea) yang lebih rendah. Untuk pengembangan rekayasa proses ini diperlukan suatu pendekatan rancangan peralatan yang baru. Salah satu pendekatannya adalah pemanfatan sistem pengadukan static-mixer pada reaktor biodiesel. Rasio energi (perbandingan energi output input) di dalam suatu proses pengolahan biodiesel dapat dijadikan suatu ukuran nilai efisiensi ekonomis dan teknis selama proses berlangsung sehingga dapat dijadikan cara untuk menentukan metode yang terbaik dalam pengolahan biodiesel (Costa, 2006; Mootabadi, et al., 2008; Spath dan Mann, 2000 ). Semakin tinggi nilai rasio energi maka akan semakin efisien energi yang digunakan untuk poduksi biodiesel. Penelitian yang membahas analisis rasio energi dari pengolahan biodiesel masih belum banyak dilakukan. Sejauh ini penelitian rasio energi biodesel dilakukan dengan menggunakan reaktor konvensional (blade agitator). Dalam penelitian ini akan dilakukan proses transesterifikasi dengan menggunakan reaktor static-mixer di samping itu juga dihitung energi input untuk pemanasan awal minyak dan purifikasi (pencucian dan pengeringan). 1.2 Rumusan Masalah Sistematika perumusan masalah yang akan dikaji dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: Transesterifikasi minyak nabati menjadi biodisel dengan katalis basa masih menghasilkan laju reaksi yang rendah sehingga waktu reaksi transesterifikasi relatif masih lama (1-2 jam pada kondisi reaksi T 65 o C dan tekanan atmosfir). 5

33 Metode pengadukan yang banyak diterapkan masih menggunakan metode pengadukan (mixing) konvensional dalam proses produksi biodisel (blade agitator); akibatnya bila pengadukan kurang kuat mengakibatkan efektifitas reaksi (frekuensi) tumbukan berkurang serta menghasilkan nilai konstanta reaksi (k) yang relatif kecil, Konversi biodiesel (metil ester) dari minyak nabati (triglserida) dengan katalis basa dipengaruhi pengadukan (vigorous stiring), semakin tinggi rpm produksi semakin tinggi produksi/laju pembentukan metil ester. Pengadukan yang efektif diperkirakan dapat meningkatkan reaksi tumbukan, laju reaksi, dan meningkatkan konstanta reaksi pada proses produksi biodiesel. 1.3 Kerangka Pemikiran Waktu reaksi yang relatif lama dan konsumsi energi yang tinggi merupakan kendala dalam pengolahan biodiesel dari minyak nabati dengan metode katalitik basa. Lamanya reaksi disebabkan laju reaksi pembentukan metil ester (biodiesel) masih lambat. Lambatnya pembentukan metil ester ini erat kaitannya dengan mekanisme pengadukan yang selama ini digunakan. Umumnya pengolahan biodiesel menggunakan reaktor yang dilengkapi dengan blade agitator untuk melangsungkan reaksi transesterifikasi. Persoalan dengan sistem pengadukan bahan seperti ini adalah dua fase bahan dalam reaksi sulit bercampur. Bila putaran blade agitator tidak tinggi akan memberikan efek pencampuran yang tidak maksimal (laju reaksi yang lambat), sehingga sulit untuk mendapatkan waktu reaksi yang singkat. Untuk memecahkan masalah ini diperlukan suatu rekayasa proses dengan suatu mekanisme sehingga proses dapat dilangsungkan dengan waktu yang relatif singkat dan jumlah energi yang lebih kecil. Salah satu metode yang bisa diterapkan adalah dengan penerapan sistem pengadukan statis (static-mixer). Mekanisme pengadukan dengan static-mixer adalah suatu sistem pengadukan yang menggabungkan mekanisme pencampuran bahan dengan cara dividing (membagi), rotating (memutar), channeling (menghubungkan), diverting (membelokan), dan recombining (menggabung kembali) aliran atau bahan yang dicampur. Secara skematis skema kerangka pemikiran disajikan dalam Gambar 3. 6

34 Gambar 3. Kerangka pemikiran penelitian 7

35 Sejauh ini penelitian pengolahan biodiesel dengan menggunakan staticmixer masih terbatas. Thompson (2007) melakukan penelitian pengolahan biodiesel (canola metil ester) dari minyak canola menggunakan static-mixer skala 30 ml dengan melihat pengaruh berbagai konsentrasi katalis. Reaktor static-mixer merupakan reaktor skala laboratorium dengan lebar elemen 4,9 mm dan panjang 300 mm. Hasil penelitian menunjukkan waktu pengolahan metil ester yang terbaik (total gliserol terendah) dicapai pada suhu 60 o C, konsentrasi katalis 1,5 % dengan waktu proses 30 menit. Untuk memperbaiki rekayasa proses ini diperlukan suatu rancangan peralatan yang baru yaitu reaktor static mixer yang mampu memberikan konstanta reaksi yang lebih tinggi dan memberikan efisiensi energi (rasio energi outputinput) yang tinggi. 1.4 Hipotesis Tiga hipotesis yang dikemukakan dalam penelitian ini terdiri dari: 1. Konstanta laju reaksi (k) dan frekuensi tumbukan (A) dapat meningkat dengan sistem pengadukan static-mixer 2. Waktu reaksi pembentukan biodiesel (fatty acid methyl ester atau FAME) dengan static-mixer akan lebih singkat dibandingkan waktu reaksi menggunakan blade agitator 3. Konsumsi energi dapat berkurang dengan penerapan static-mixer dalam reaktor pengolahan biodiesel 1.5 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian adalah untuk mengkaji reaksi pengolahan biodiesel dari minyak sawit dengan reaktor static-mixer sehingga diperoleh waktu transesterifikasi lebih singkat dan kebutuhan energi pengolahan relatif lebih kecil dibandingkan reaktor blade agitator. Secara spesifik tujuan penelitian adalah untuk: 1. Menentukan kinetika reaksi transesterifikasi (laju reaksi, konstanta laju reaksi k, energi aktivasi Ea, dan frekuensi tumbukan A) menggunakan reaktor 8

36 static-mixer pada beberapa tingkat suhu yaitu 50, 55, 60, 65, dan 70 o C pada tingkat suhu yang sama pada tekanan atmosfir. Sebagai pembanding proses transesterifikasi dengan menggunakan blade agitator dilakukan. 2. Mengkaji kebutuhan energi transesterifikasi, kebutuhan energi pemanasan awal dan purifikasi (pencucian dan pengeringan) dan rasio energi biodiesel dari minyak curah sawit (refined bleached deodorized palm olein RBDPO). 1.6 Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini adalah untuk 1) memberikan informasi karakteristik transesterifikasi biodiesel dengan reaktor static-mixer, 2) memberikan informasi rancangan sebagai bahan scale up reaktor, dan 3) memberikan alternatif rancangan pengolahan biodiesel dengan waktu yang lebih singkat dan energi pengolahan biodiesel lebih kecil. 1.7 Ruang Lingkup dan Outline Disertasi Penelitian ini mengkaji pembuatan biodiesel dengan menggunakan sistem pengadukan static-mixer. Dalam proses pembuatan biodiesel tersebut digunakan bahan baku (feedstock) trigliserida (TG) dari minyak goreng sawit (RBDPO), methanol (MeOH) dengan bantuan katalis KOH. Percobaan dilakukan dengan mengunakan reaktor static-mixer dengan mereaksikan reaktan (TG, MeOH, dan katalis sebanyak 16,5 liter (kapasitas maksimum reaktor 23 liter). Secara garis besar pembuatan biodiesel terdiri dari tahap proses pemanasan awal minyak, proses transesterifikasi, dan proses purifikasi (pencucian dan pengeringan). Untuk memvalidasi hasil proses transesterifikasi dengan static-mixer maka dilakukan juga percobaan yang sama dengan menggunakan reaktor blade agitator. Secara garis besar pembahasan dalam penelitian ini terdiri dari 3 pembahasan, yaitu: Pertama, pembahasan mengenai uji performansi (keseimbangan massa) dan analisis pindah panas reaktor static-mixer. Analisis pindah panas yang diamati dalam reaktor pada bagian pipa, dinding tangki, tutup atas, tutup bawah, dan staticmixer. 9

37 Kedua, pembahasan mengenai kajian tentang menentukan kinetika reaksi transesterifikasi (laju reaksi, konstanta laju reaksi k, energi aktivasi Ea, dan frekuensi tumbukan A) menggunakan reaktor static-mixer pada beberapa tingkat suhu yaitu 50, 55, 60, 65, and 70 o C pada tekanan atmosfir. Hasilnya dibandingkan dengan hasil yang dicoba dengan menggunakan reaktor blade agitator pada kondisi percobaan yang sama. Ketiga, pembahasan mengenai analisis kebutuhan energi pemanasan awal, energi transesterifikasi, dan energi untuk purifikasi (pencucian dan pengeringan) dan rasio energi biodiesel dari minyak curah sawit RBDPO. Penelitian dilakukan dengan menggunakan reaktor static-mixer yang dioperasikan pada suhu 50, 55, 60, 65, and 70 o C. Percobaan dengan kondisi yang sama juga dilakukan dengan reaktor blade agitator untuk memvalidasi efisiensi energi. 10

38 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Biodiesel Biodiesel merupakan sejenis bahan bakar diesel yang diproses dari bahan hayati terutama minyak nabati dan lemak hewan dan secara kimiawi dinyatakan sebagai monoalkil ester dari asam lemak rantai panjang yang bersumber dari golongan lipida (Darnoko, et al., 2001; Tapasvi, et al., 2005; Ma dan Hanna, 1999). Biodiesel didefinisikan sebagai monoalkil ester rantai panjang dari asam lemak yang diderivasi dari bahan yang dapat diperbaharui (renewable feedstocks), seperti minyak nabati dan lemak hewan, untuk penggunaan penyundutan kompresi (compression-ignition) dari mesin diesel (Krawczyk, 1996). Biodiesel dianggap sebagai bahan bakar pengganti (alternatif) dari bahan bakar konvensional diesel solar yang tersusun dari metil ester asam lemak (FAME). Terminologi biodiesel berasal dari persetujuan Department of Energy (DOE), The Environmental Protection Agency (EPA) dan The American Society of Testing Materials (ASTM) sebagai salah satu energi alternatif untuk mesin diesel (ASTM, 2002; DOE, 2009; EPA 2009 ). Istilah bio merujuk kepada bahan terbarukan dan bahan hayati yang berbeda dari solar yang berbahan baku minyak bumi. Dalam kenyataannya, biodiesel bisa digunakan murni (100 % metil ester) atau sebagai campuran dengan perbandingan tertentu dengan bahan bakar solar. Dalam istilah perdagangan campuran biodiesel dengan solar dinamakan dengan notasi BXX. Misalnya bila campuran biosolar mengandung 5 % atau 10 % solar maka notasi masing-masing biosolar dinyatakan sebagai B5 dan B10. Biodiesel merupakan monoalkil ester (misal: fatty acid methyl ester/fame) yang diproses dengan metode transesterifikasi antara trigliserida yang berasal dari minyak nabati atau lemak hewani dengan alkohol rantai pendek terutama metanol untuk digunakan sebagai bahan bakar mesin diesel (Krawczyk, 1996; Mittelbach, and Reshmidt, 2004; Knothe, 2005). Sehubungan dengan proses transesterifikasi ini proses pengolahan banyak diteliti dan dikembangkan untuk mendapatkan proses yang lebih efisien. 11

39 2.2 Proses Transesterifikasi Reaksi transesterifikasi memegang peranan penting dalam pengolahan biodiesel dari minyak nabati (trigliserida atau TG). Reaksi transesterifikasi disebut juga reaksi alkoholisis dan proses ini sering dikaitkan dengan proses untuk mengurangi viskositas trigliserida (TG) (Otera, 1993). Reaksi transesterifikasi secara umum dinyatakan sebagi berikut (persamaan 1): RCOOR 1 + R 2 OH RCOOR 2 + R 1 OH.....[1] Ester Alkohol Ester Alkohol Bila methanol (MeOH) digunakan dalam reaksi di atas maka reaksinya disebut metanolisis dan reaksinya bisa dilihat seperti pada Gambar 4. Untuk menjadikan biodiesel, minyak nabati diproses secara kimia dengan cara transesterifikasi dengan keberadaan alkohol (metanol atau etanol) dan katalis (basa atau asam) untuk menghasilkan alkil ester (biodiesel) dan gliserol sebagai hasil samping. O O H 2 C O C O R 1 H 3 C O C O R 1 H 2 C OH HC O C R 2 3CH 3 OH H 3 C O C R 2 HC O O H 2 C H 2 C O C R 3 H 3 C O C R 3 TG MeOH FAME GL OH OH... [2] TG + CH 3 OH DG + CH 3 COOR 1 DG + CH 3 OH MG + CH 3 COOR 2...[3] MG + CH 3 OH GL + CH 3 COOR 3. Gambar 4. Reaksi alkoholisis TG dengan MeOH reaksi keseluruhan pers. [2]; tiga reaksi berurutan dan reversibel pers. [3] (R 1,2,3 = asam lemak) Trigliserida (TG) sebagai komponen utama dari minyak nabati bila direaksikan dengan dengan alkohol (misal methanol), maka ketiga rantai asam lemak akan dibebaskan dari skeleton gliserol dan bergabung dengan methanol untuk menghasilkan asam lemak alkil ester (misal asam lemak metil ester atau 12