KAJIAN PENGARUH SUHU DAN LAMA REAKSI SULFONASI PADA PEMBUATAN METHYL ESTER SULFONIC ACID

Transkripsi

1 KAJIAN PENGARUH SUHU DAN LAMA REAKSI SULFONASI PADA PEMBUATAN METHYL ESTER SULFONIC ACID (MESA) DARI METIL ESTER MINYAK BIJI JARAK PAGAR (Jatropha Curcas L.) MENGGUNAKAN SINGLE TUBE FALLING FILM REACTOR (STFR) SKALA 5L Oleh PRIMA YUNINDA F FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

2 KAJIAN PENGARUH SUHU DAN LAMA REAKSI SULFONASI PADA PEMBUATAN METHYL ESTER SULFONIC ACID (MESA) DARI METIL ESTER MINYAK BIJI JARAK PAGAR (Jatropha Curcas L.) MENGGUNAKAN SINGLE TUBE FALLING FILM REACTOR (STFR) SKALA 5L SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknologi Industri Pertanian Institut Pertanian Bogor Oleh PRIMA YUNINDA F FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

3 INSTITUT PERTANIAN BOGOR FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN KAJIAN PENGARUH SUHU DAN LAMA REAKSI SULFONASI PADA PEMBUATAN METHYL ESTER SULFONIC ACID (MESA) DARI METIL ESTER MINYAK BIJI JARAK PAGAR (Jatropha Curcas L.) MENGGUNAKAN SINGLE TUBE FALLING FILM REACTOR (STFR) SKALA 5L SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknologi Industri Pertanian Institut Pertanian Bogor Oleh PRIMA YUNINDA F Dilahirkan pada tanggal 23 Juni 1987 di Jakarta Tanggal Lulus : Desember 2009 Menyetujui Bogor, Desember 2009 Prof. Dr. Erliza Hambali, Msi Pembimbing Akademik I Dr. Ani Suryani, DEA Pembimbing Akademik II

4 Prima Yuninda. F Kajian Pengaruh Suhu dan Lama Reaksi Proses Sulfonasi pada Pembuatan Methyl Ester Sulfonic Acid (MESA) dari Metil Ester Minyak Jarak Pagar (Jatropha curcas L.) Menggunakan Single Tube Falling Film Reactor (STFR) Skala 5 Liter. Di bawah bimbingan Erliza Hambali dan Ani Suryani RINGKASAN Sufaktan merupakan senyawa aktif penurun tegangan permukaan yang dapat diproduksi secara kimiawi dan biokimiawi. Surfaktan dapat disintesis dari turunan minyak bumi dan minyak nabati. Metil Ester Sulfonat (MES) merupakan salah satu jenis surfaktan anionik berbasis minyak nabati yang mampu bersaing dengan Linier Alkilbenzen Sulfonat (LAS) yang merupakan sintesis dari minyak bumi. Produksi surfaktan berbasis minyak nabati seperti metil ester sulfonat (MES) dapat dipenuhi dengan menggunakan minyak jarak pagar sebagai bahan bakunya karena jarak pagar memiliki kandungan minyak yang tinggi. Surfaktan metil ester sulfonat (MES) adalah salah satu jenis surfaktan anionik dimana pada gugus hidrofiliknya bermuatan negatif yang bersifat aktif permukaan. Sintesis metil ester sulfonat melibatkan proses sulfonasi sebagai proses utama. Proses sulfonasi merupakan proses terikatnya gugus sulfonat pada rantai hidrokarbon, dalam hal ini gugus karbon dari metil ester. Proses sulfonasi melibatkan pereaksi kimia yang mengandung gugus sulfat atau sulfit. Pereaksi kimia yang banyak dipakai dalam proses sulfonasi adalah gas SO 3. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh suhu dan lama reaksi sulfonasi terhadap sifat fisiko kimia methyl ester sulfonate acid (MESA) yaitu asam yang masih perlu dinetralkan sebelum menjadi garamnya (MES) yang diproduksi dari metil ester minyak biji jarak pagar serta mendapatkan kondisi proses terbaik pada pembuatan MESA dari metil ester minyak biji jarak pagar. Penelitian ini menggunakan rancangan percobaan acak lengkap faktorial dengan dua kali pengulangan. Faktor yang dikaji adalah suhu dan lama reaksi. Taraf faktor suhu pada proses sulfonasi dalam penelitian ini adalah 80 ; 100 ; dan 120 C, sedangkan faktor lama reaksi adalah 30 ; 45 ; 60 ; 75 ; dan 90 menit. Methyl ester sulfonate acid (MESA) yang dihasilkan dapat menurunkan tegangan permukaan air berkisar antara 46,47% hingga 52,38%. Selain itu, surfaktan ini memiliki nilai tegangan antar muka berkisar antara 2,80 0,73 dyne/cm, bilangan iod 33,53 72,32 mg I 2 /g MESA, bilangan asam 4,10 20,63 mg NaOH/g MESA, ph 1,12 sampai 1,63, dan kadar bahan aktif 1,2 30,4%. Berdasarkan hasil sidik ragam, suhu dan lama reaksi berpengaruh sangat signifikan terhadap nilai tegangan permukaan, nilai tegangan antar muka, bilangan iod, dan ph, bilangan asam, dan kadar bahan aktif. Kondisi proses terbaik dari kombinasi suhu dan lama reaksi pada penelitian ini adalah pada kondisi proses dengan suhu 100 C dan lama reaksi 75 menit. Pada kondisi proses tersebut, didapat sifat fisiko-kimia MESA sebagai berikut : nilai tegangan permukaan 32,38 dyne/cm, nilai tegangan antar muka 0,73 dyne/cm, bilangan iod 72,32 mg I 2 /g MESA, bilangan asam 19,81 mg NaOH/g MES, ph 1,15, dan kadar bahan aktif 30,4%.

5 Prima Yuninda. F The Effect of Temperature and reaction time on Methyl Ester Sulfonic Acid (MESA) Sulfonation Production From methyl ester of Jatropha Oil Using Single Tube Falling Film Reactor (STFR) with 5L scale. Supervised by Erliza Hambali and Ani Suryani SUMMARY Surfactant is surface active agent which can be produced by chemically or biochemically. Surfactant is synthesized by petroleum and vegetable oil. Methyl ester sulfonate (MES) is one of anionic surfactant based on vegetable oil. MES could be a competitor for linear alkylbenzene sulfonate (LAS) which produced from petroleum. Surfactant production based on vegetable oil such as methyl ester sulfonate can be obtained from methyl ester of Jatropha oil because it has vegetable oil component. Surfactant methyl ester sulfonate (MES) is one of anionic surfactant which has negative charge on hydrophilic group which surface active characteristic. MES production involves sulfonation process as the main process. Sulfonation process is a process in which sulfonate group is bound to hydrocarbon chain, on this case, the carbon group are from methyl ester. Sulfonation process involves chemical reagent including sulphate or sulphite group. SO 3 gas is used on sulfonation process as sulfonation agent. The research purposes are to obtain the effect of temperature and reaction time of methyl ester sulfonate acid (MESA) characteristic and to get the best process condition of syntheses MESA from methyl ester of Jatropha oil. This experimental design of this research is factorial completely randomized design with double replication. The treatment used are temperature with levels 80, 100, and 120 C and reaction time with levels 30, 45,60, 75, and 90 minutes. Surfactant methyl ester sulfonate acid that was produced can decrease water surface tension of 46,47-52,38%. Besides that, this surfactant has interfacial tension value of 2,80-0,73 dyne/cm, iodine value 33,53-72,32 mg I 2 /g MESA, acid value 4,10-20,63 mg NaOH/g MESA, ph 1,12-1,63, and active matter 1,2-30,4%. Based on the statistical analysis, temperature and reaction time are significantly influence of surface tension value, interfacial tension value, iodine value, acid value, ph, and active matter. The best condition process is obtained at temperature of 100 C and reaction time of 75 minutes. At this condition can produce MESA which has surface tension value of 32,38 dyne/cm, interfacial surface tension 0,73 dyne/cm, iodine value of 72,32 mg I 2 /g MESA, acid value of 19,81 mg NaOH/g MESA, ph 1,15, and active matter of 30,4%.

6 SURAT PERNYATAAN Saya yang bertanda tangan di bawah ini, Nama : Prima Yuninda NRP : F Departemen : Teknologi Industri Pertanian Fakultas : Teknologi Pertanian Universitas : Institut Pertanian Bogor Menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul Kajian Pengaruh Suhu dan Lama Reaksi Sulfonasi pada Pembuatan Methyl Ester Sulfonic Acid (MESA) dari Metil Ester Minyak Jarak Pagar (Jatropha curcas L.) Menggunakan Single Tube Falling Film Reactor (STFR) Skala 5 Liter merupakan karya tulis saya pribadi dengan bimbingan dan arahan dari dosen pembimbing, kecuali yang dengan jelas disebut rujukannya. Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya tanpa tekanan dari siapapun. Bogor, Desember 2009 Penulis, (Prima Yuninda) F

7 RIWAYAT HIDUP Penulis adalah anak ketiga dari lima bersaudara dari pasangan Arlimda Arkeman dan Rabina Hatta. Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 23 Juni Penulis menempuh pendidikan Sekolah Dasar di SD Budi Mulia pada tahun , Pendidikan Lanjutan Tingkat Pertama di SLTP Budi Mulia pada tahun , dan Pendidikan Lanjutan Tingkat Atas di SMA Sekolah Indonesia Singapura pada tahun Pada tahun 2005, Penulis melanjutkan pendidikan sarjana di Institut Pertanian Bogor melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Selama perkuliahan, selain mengikuti kegiatan akademis Penulis juga berpartisipasi dalam organisasi kemahasiswaan yaitu Badan Eksekutif Mahasiswa Fakultas Teknologi Pertanian serta berbagai kepanitiaan. Pada tahun 2008 penulis melaksanakan kegiatan praktek lapang di PT. Sinar Meadow Internasional Indonesia, Jakarta dengan topik Mempelajari Proses Produksi Shortening di PT. Sinar Meadow Internasional Indonesia. Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana di Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor, Penulis melakukan penelitian dengan judul Kajian Pengaruh Suhu dan Lama Reaksi Proses Sulfonasi pada Pembuatan Methyl Ester Sulfonic Acid (MESA) dari Minyak Jarak Pagar (Jatropha curcas L.) Menggunakan Single Tube Falling Film Reactor (STFR) Skala 5 Liter. Di bawah bimbingan Prof. Dr. Erliza Hambali, Msi dan Dr. Ani Suryani, DEA.

8 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT, karena atas rahmat dan karunia-nya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul. Kajian Pengaruh Suhu dan Lama Reaksi Proses Sulfonasi pada Pembuatan Methyl Ester Sulfonic Acid (MESA) dari Metil Ester Minyak Jarak Pagar (Jatropha curcas L.) Menggunakan Single Tube Falling Film Reactor (STFR) Skala 5 Liter. Dalam kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah banyak membantu penulis selama masa perkuliahan hingga skripsi ini selesai, diantaranya : 1. Keluarga penulis; Papa, Mama, kakak, serta adik-adikku tersayang yang selalu memberikan semangat, kasih sayang, doa, dan kehangatan yang selalu mengiringi derap langkahku dalam menapaki kehidupan. 2. Prof. Dr. Erliza Hambali, Msi selaku Pembimbing Akademik pertama atas segala bantuan, bimbingan, kritik dan sarannya yang sangat berguna sehingga dapat tersusunnya skripsi ini. 3. Dr. Ani Suryani, DEA selaku Pembimbing Akademik kedua atas segala bantuan, bimbingan, kritik dan sarannya yang sangat berguna sehingga dapat tersusunnya skripsi ini. 4. Seluruh staff pengajar departemen Teknologi Industri Pertanian yang telah memberikan banyak bekal ilmu yang sangat bermanfaat. 5. Laboran-laboran SBRC, mas Saeful dan Otto, terima kasih atas kesabaran dan keikhlasannya dalam membantu Penulis selama penelitian. 6. Laboran-laboran departemen Teknologi Industri Pertanian yang telah membantu pelaksanaan penelitian ini. Penulis menyadari skripsi ini jauh dari kesempurnaan. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pihak-pihak yang membacanya. Bogor, Desember 2009 Penulis i

9 Ucapan terima kasih Penulis persembahkan kepada: 1. Mama dan Papa atas doa, kasih sayang, perhatian, inspirasi, motivasi dan bantuannya. Semoga karya tulis ini dapat membuat Mama dan Papa bangga. 2. Kakak dan Adikku atas dukungan dan doanya selama ini. 3. Kak Yayan Ariyanto, atas semua kasih sayang, motivasi, inspirasi, kesabaran, dan bantuannya selama ini, juga untuk Ibu dan Bapak Kak Yayan yang selalu memberikan kasih sayang dan perhatiannya layaknya orang tua sendiri. 4. Macan-macanQu, Ovi dan Putri atas persahabatan, kebersamaan, motivasi, dan keceriaannya selama ini, thx a lot, sist!! Trio Macan TIN 42 tetep Exist ya, we re the best!! 5. Sahabat-sahabat kecilqu, Icha dan Siwi atas persahabatan dan dukungannya selama ini. We re Best Friends Forever.. 6. Mas Saiful, Oto, Mas Slamet, Mas Obie, dan Mba Siti atas bantuannya selama penulis melakukan penelitian. 7. Rekan-rekan seperjuangan di bawah binaan Bu Erliza Hambali, Efrat dan Fikri, semangat ya! 8. Rekan-rekan TIN 42 atas keceriaan, kebersamaan, kekompakkan, dan bantuannya selama masa perkuliahan, semoga ini akan tetap terjaga selamanya. 9. Semua pihak yang tidak dapat Penulis sebutkan satu persatu

10 DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR... i DAFTAR TABEL... iv DAFTAR GAMBAR... v DAFTAR LAMPIRAN... vi I. PENDAHULUAN... 1 A. LATAR BELAKANG... 1 B. TUJUAN PENELITIAN... 3 II. TINJAUAN PUSTAKA... 4 A. SURFAKTAN... 4 B. METIL ESTER SULFONAT (MES)... 5 C. SULFONASI... 7 D. JARAK PAGAR III. METODOLOGI A. BAHAN DAN ALAT Alat Bahan B. METODE PENELITIAN Tahapan Penelitian IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. SIFAT FISIKO-KIMIA BIJI DAN MINYAK JARAK PAGAR B. ANALISIS METIL ESTER C. PENGARUH FAKTOR SUHU DAN LAMA REAKSI Kadar Bahan Aktif... 22

11 2. Bilangan Iod Tegangan Permukaan Tegangan Antar Muka Bilangan Asam Derajat Keasaman (ph) D. KONDISI PROSES TERBAIK PADA PEMBUATAN MESA V. KESIMPILAN DAN SARAN A. KESIMPULAN B. SARAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN iii

12 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Komposisi asam lemak beberapa jenis minyak yang digunakan Sebagai bahan baku pembuatan MES... 6 Tabel 2. Parameter analisis MES... 7 Tabel 3. Komposisi penyusun biji jarak pagar Tabel 4. Komposisi asam lemak pada minyak jarak pagar Tabel 5. Hasil analisis komposisi biji jarak pagar Tabel 6. Hasil analisis sifat fisikokimia minyak jarak pagar Tabel 7. Hasil analisis sifat fisikokimia metil ester jarak pagar yang dihasilkan iv

13 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Ilustrasi struktur molekul surfaktan... 4 Gambar 2. Reaksi sulfonasi pada pembuatan MES... 6 Gambar 3. Kemungkinan terikatnya reaksi kimia dalam proses sulfonasi... 9 Gambar 4. Bentuk buah dan biji jarak pagar Gambar 5. Skema single tube falling film reactor Gambar 6. Reaktor STFR yang telah dibuat Gambar 7. Diagram alir tahapan penelitian Gambar 8. Diagram alir prosedur penelitian Gambar 9. Nilai kadar bahan aktif MESA yang dihasilkan Gambar 10. Nilai bilangan iod MESA yang dihasilkan Gambar 11. Nilai tegangan permukaan MESA yang dihasilkan Gambar 12. Nilai tegangan antar muka MESAyang dihasilkan Gambar 13. Nilai bilangan asam MESA yang dihasilkan Gambar 14. Nilai ph MESA yang dihasilkan v

14 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Prosedur analisis biji dan minyak jarak pagar Lampiran 2. Prosedur analisis surfaktan MES Lampiran 3. Data hasil penelitian, sidik ragam dan uji lanjut Duncan terhadap kadar bahan aktif Lampiran 4. Data hasil penelitian, sidik ragam dan uji lanjut Duncan terhadap bilangan iod Lampiran 5. Data hasil penelitian, sidik ragam dan uji lanjut Duncan terhadap tegangan permukaan Lampiran 6. Data hasil penelitian, sidik ragam dan uji lanjut Duncan terhadap tegangan antar muka Lampiran 7. Data hasil penelitian, sidik ragam dan uji lanjut Duncan terhadap bilangan asam Lampiran 8. Data hasil penelitian, sidik ragam dan uji lanjut Duncan terhadap ph vi

15 I. PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG Surfaktan atau surface active agent merupakan senyawa yang memiliki gugus hidrofilik dan hidrofobik dalam satu molekulnya. Dengan adanya gugus hidrofilik dan hidrofobik tersebut surfaktan mampu menurunkan tegangan permukaan suatu zat dalam air. Selain itu, keberadaan surfaktan tersebut juga mampu menyatukan dua zat yang berbeda kepolarannya seperti menyatukan minyak dan air (Rosen, 1999). Aplikasi surfaktan sangat luas, surfaktan digunakan sebagai bahan aktif pada produk-produk perawatan diri, shampoo, detergen dan bahkan digunakan sebagai bahan aktif pada lumpur pengeboran minyak. Berdasarkan kegunaannya, surface active agent atau surfaktan diklasifikasikan peruntukannya bagi deterjen sebagai bahan pembasah (wetting agent), pengental emulsifier, agen pendispersi, agen pembusa (Swern, 1979). Menurut LIPI (2006), kebutuhan surfaktan di Indonesia setiap tahunnya mencapai ton, dimana ton surfaktan diproduksi dalam negeri dan masih diproduksi dari petroleum, sedangkan lainnya diimpor dari negara lain. Oleh karena itu, pengembangan industri surfaktan berbasis minyak nabati sangat prospektif di Indonesia. Salah satu surfaktan berbasis minyak nabati yang sangat prospektif untuk dikembangkan adalah surfaktan MES (Metil Ester Sulfonat). Surfaktan MES merupakan salah satu jenis surfaktan anionik. Menurut MacArthur et al., (1998) MES banyak diaplikasikan untuk produk personal care dan laundry. Selain itu, MES juga dapat diaplikasikan sebagai oil well stimulation agent menggantikan petroleum sulfonat dan memiliki kelebihan yaitu bersifat terbarukan, mudah didegradasi, sifat detergensi yang baik terutama dalam air dengan tingkat kesadahan yang tinggi dan toleransi lebih baik terhadap keberadaan kalsium (Matheson, 1996).

16 Pada penelitian ini metil ester yang digunakan sebagai bahan baku diproses hanya sampai dalam bentuk methyl ester sulfonic acid (MESA) yang masih merupakan asam dari metil ester sulfonat dan merupakan produk hasil sulfonasi, karena penelitian ini fokus pada proses sulfonasi serta faktor yang mempengaruhinya. MESA dapat diperoleh dengan metode sulfonasi. Pada umumnya metode sulfonasi ini menggunakan H 2 SO 4, NaHSO 3 dan gas SO 3 sebagai reaktan. Dari ketiga reaktan tersebut, gas SO 3 merupakan reaktan yang paling sering digunakan. Proses sulfonasi merupakan proses terikatnya gugus sullfonat pada rantai hidrokarbon, dalam hal ini gugus karbon dari metil ester (Foster, 1996). Kebutuhan Metil Ester sebagai bahan baku dalam pembuatan MESA selama ini dipenuhi dengan melakukan transesterifikasi minyak nabati seperti minyak kelapa sawit. Penggunaan minyak sawit sebagai bahan baku surfaktan dapat menyebabkan terjadinya persaingan pasokan dengan keperluan pangan. Oleh karena itu, diperlukan adanya komoditas lain yang tidak bertentangan dengan keperluan pangan. Salah satu komoditas yang memiliki potensi untuk dikembangkan sebagai bahan baku surfaktan adalah jarak pagar (Jatropha curcas L.). Hal ini dikarenakan jarak pagar memiliki produktivitas dan kadar minyak yang tinggi. Menurut Kemala (2006), produktivitas jarak pagar mencapai ton/ha/tahun. Sedangkan kadar minyak jarak pagar berkisar antara % (Winkler et al. 1997; Gubitz et al. 1999; Peace dan Aladesanmi 2008). Selain itu, prospektifitas jarak pagar sebagai bahan baku surfaktan didukung oleh daerah penyebarannya yang cukup luas, meliputi: Lampung, Jawa Barat, Banten, Jawa Tengah, Jawa Timur, Nusa Tenggara Barat, Nusa Tenggara Timur, dan Kalimantan Tengah (Departemen Pertanian, 2008). Menurut Foster (1996), hal yang harus dipertimbangkan untuk menghasilkan kualitas MES terbaik adalah rasio mol reaktan, suhu reaksi, lama reaksi, konsentrasi gugus sulfat yang ditambahkan, bahan untuk sulfonasi, waktu netralisasi, ph dan suhu netralisasi. Di lain pihak, menurut Stein (1975) faktor suhu dan lama reaksi merupakan faktor yang harus dikendalikan pada proses sulfonasi. Peningkatan suhu akan meningkatkan laju reaksi pembentukan MESA, 2

17 namun pada peningkatan suhu tertentu akan menurunkan jumlah MESA yang dihasilkan. Hal ini juga terjadi pada faktor lama reaksi. B. TUJUAN Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh suhu dan lama reaksi sulfonasi terhadap sifat fisiko kimia methyl ester sulfonate acid (MESA) dari minyak biji jarak pagar serta mendapatkan kondisi proses terbaik pada pembuatan MESA dari metil ester minyak biji jarak pagar. Selain itu, penelitian ini juga bertujuan untuk melihat keberhasilan proses sulfonasi. 3

18 II. TINJAUAN PUSTAKA A. SURFAKTAN Surfaktan merupakan senyawa aktif penurun tegangan permukaan (surface active agent) yang dapat diproduksi melalui sintesis kimiawi atau biokimiawi. Surfaktan telah digunakan sebagai bahan adhesive, penggumpal, pembasah, pembusaan, emulsifier, dan bahan penetrasi serta telah diaplikasikan dalam industry kimia, farmasi, kosmetika, dan industri pangan. Kehadiran gugus hidrofobik dan hidrofilik yang berada dalam satu molekul menyebabkan surfaktan cenderung berada pada antar muka dari fasa yang berbeda derajat polaritasnya dan ikatan hidrogennya seperti minyak dan air. Pembentukan film pada antar muka ini menurunkan energi antar muka dan menyebabkan sifatsifat khas molekul surfaktan (Georgiou et al, 1992). Perbedaan kecenderungan pada molekul surfaktan mengakibatkannya berorientasi pada permukaan antar fasa dalam sebuah sistem dan menurunkan tegangan antar mukanya. Perbedaan kecenderungan inilah yang menjadi penyebab utama karakteristik yang dimiliki oleh surfaktan (Gervasio, 1996; Goddard, 1993; Tadros, 1992). Hidrofilik Hidrofobik Gambar 1. Ilustrasi struktur molekul surfaktan (Gervasio, 1996) Sifat-sifat surfaktan adalah mampu menurunkan tegangan permukaan, tegangan antarmuka, meningkatkan kestabilan partikel yang terdispersi dan mengontrol jenis formasi emulsi (misalnya oil in water (O/W) atau water in oil (W/O)). Disamping itu, surfaktan akan terserap ke dalam permukaan partikel minyak atau air sebagai penghalang yang akan mengurangi atau menghambat penggabungan (coalescence) dari partikel yang terdispersi.

19 Surfaktan dibagi menjadi empat bagian penting dan digunakan secara meluas pada hampir semua sektor industri modern. Jenis-jenis surfaktan tersebut adalah surfaktan anionik, surfaktan kationik, surfaktan nonionik dan surfaktan amfoterik (Rieger, 1985). Ada empat macam jenis surfaktan yang telah dikenal berdasarkan muatan pada gugus polarnya yaitu surfaktan anionik, nonionik, kationik, dan amfoterik. Berdasarkan jumlah konsumsi surfaktan dunia, surfaktan anionik merupakan surfaktan yang paling banyak digunakan yaitu sebesar 50%, kemudian disusul nonionik 45%, kationik 4%, dan amfoterik 1% (Watkins, 2001). Surfaktan anionik adalah senyawa yang bermuatan negatif dalam bagian aktif permukaan (surface-active) atau pusat hidrofobiknya (misalnya RCOO-Na, R adalah fatty hydrophobe). Surfaktan kationik adalah senyawa yang bermuatan positif pada bagian aktif permukaan (surface-active) atau gugus antar muka hidrofobiknya (hydrofobic surface-active). Surfaktan nonionik adalah surfaktan yang tidak bermuatan atau tidak terjadi ionisasi molekul. Surfaktan amfoterik adalah surfaktan yang mengandung gugus anionik dan kationik, dimana muatannya bergantung kepada ph, pada ph tinggi dapat menunjukkan sifat anionik dan pada ph rendah dapat menunjukkan sifat kationik (Sadi, 1993). B. METIL ESTER SULFONAT (MES) Metil ester sulfonat (MES) termasuk golongan surfaktan anionik, yaitu surfaktan yang bermuatan negatif pada gugus hidrofiliknya atau bagian aktif permukaan (surface-active (Watkins, 2001). Metil ester sulfonat (MES) merupakan zat yang disintesis dari bahan metil ester dan agen sulfonasi melalui proses sulfonasi. Metil ester sendiri dapat dihasilkan dari berbagai bahan baku seperti dari minyak kelapa, minyak sawit dan tallow. MacArthur et al. (2001) menyebutkan bahwa studi tentang MES dengan rantai C16-C18 yang dilakukan oleh Lion - Jepang menunjukkan bahwa MES memiliki sifat yang lebih baik daripada surfaktan LAS atau AS (alcohol sulfate) dalam hal daya 5

20 cuci di air dingin dan air sadah hingga 100 ppm (CaCO 3 ). Hasil pengujian di laboratorium memperlihatkan bahwa laju biodegradasi MES serupa dengan AS dan sabun, namun lebih cepat dibandingkan LAS. Hal tersebut menyebabkan metil ester sulfonat pada masa mendatang diindikasikan akan menjadi surfaktan anionik yang paling penting (Watkins, 2001). O O SO 3 + R n C OCH 3 R n-1 CH C OCH3 SO 3 H Sulfur trioksida + Metil Ester α-methyl Ester Sulfonic acid Gambar 2. Reaksi sulfonasi pada pembuatan MESA (Watkins, 2001) Menurut Sheats dan MacAthur (2002), jenis minyak yang dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan MES adalah kelompok minyak nabati seperti minyak kelapa, minyak inti sawit, stearin sawit, minyak kedelai dan tallow. Pada Tabel 1 disajikan komposisi asam lemak beberapa jenis minyak yang digunakan sebagai bahan baku pembuatan MES. Tabel 1. Komposisi asam lemak beberapa jenis minyak yang digunakan sebagai bahan baku pembuatan MES Asam Lemak CPO PKO Minyak (%) a ( %) a kelapa (%) a Tallow (%) b Asam Lemak Jenuh : Kaprat (C 10 ) - 3,6 7 - Laurat (C 12 ) Miristat (C 14 ) Palmitat (C 16 ) Stearat (C 18 ) Asam Lemak Tak Jenuh : Oleat (C 18:1 ) Linoleat (C 18:2 ) Linolenat (C 18:3 ) 0, Sumber : a Hui (1996a), b Watkins (2001). 6

21 Menurut Matheson (1996), α-metil ester sulfonat (α-mes) memperlihatkan karakteristik dispersi yang baik, sifat detergensi yang baik terutama pada air dengan tingkat kesadahan yang tinggi (hard water) dan tidak adanya fosfat, ester asam lemak C 14, C 16 dan C 18 memberikan tingkat detergensi terbaik, serta bersifat mudah didegradasi (good biodegradability). Dibandingkan petroleum sulfonat dan -MES, surfaktan α-mes menunjukkan beberapa kelebihan diantaranya yaitu pada konsentrasi MES yang lebih rendah daya deterjensinya sama dengan petroleum sulfonat, dapat mempertahankan aktivitas enzim yang lebih baik, toleransi yang lebih baik terhadap keberadaan kalsium, dan kandungan garam (disalt) lebih rendah. Pada Tabel 2 dapat dilihat parameter-parameter analisis yang dilakukan terhadap surfaktan metil ester sulfonat. Tabel 2. Parameter analisis MES Wt% Coconut C12-C14 Palm Kernel C8-C18 Palm Stearin C16-C18 Sodium methyl ester sulfonate (α-mes) Disodium carboxy sulfonate (di -salt) Metanol Hidrogen peroksida (H 2 O 2 ) Air (H 2 O) Petroleum ether extractables (PEX) Sodium carboxylate (RCOONa) Sodium sulfate (Na 2 SO 4 ) Sodium methyl sulfate (CH 3 OSO 3 Na) % ph Klett color, 5% active (a-mes + di -salt) Sumber: MacArthur dan Sheat (2002) C. SULFONASI Bahan baku untuk surfaktan MES adalah metil ester yang diperoleh dari proses esterifikasi minyak. Minyak yang akan dijadikan bahan untuk 7

22 produksi surfaktan harus diolah menjadi metil ester terlebih dahulu. Asam lemak yang telah diolah menjadi metil ester akan menjadikan senyawa yang lebih stabil terhadap suhu rendah maupun tinggi (Ketaren, 1986). Metil ester mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan asam lemak, diantaranya yaitu: 1) pemakaian energi sedikit karena membutuhkan suhu dan tekanan lebih rendah dibandingkan dengan asam lemak; 2) peralatan yang digunakan murah karena metil ester bersifat non korosif sehingga tidak terlalu membutuhkan peralatan stainless steel yang kuat; 3) metil ester lebih mudah didistilasi karena titik didihnya lebih rendah dan lebih stabil terhadap panas; 4) metil ester mudah dipindahkan dibandingkan asam lemak karena sifat kimianya lebih stabil dan non korosif. Proses produksi surfaktan MES dilakukan dengan mereaksikan metil ester dengan agen sulfonasi. Menurut Bernardini (1983) dan Pore (1976), pereaksi yang dapat dipakai pada proses sulfonasi antara lain asam sulfat (H 2 SO 4 ), oleum (larutan SO 3 di dalam H 2 SO 4 ), sulfur trioksida (SO 3 ), NH 2 SO 3 H, dan ClSO 3 H. Untuk menghasilkan kualitas produk terbaik, beberapa perlakuan penting yang harus dipertimbangkan adalah rasio mol, suhu reaksi, konsentrasi gugus sulfat yang ditambahkan, waktu netralisasi, jenis dan konsentrasi katalis, ph dan suhu netralisasi (Foster, 1996). Dari hasil penelitian sebelumnya, surfaktan MES yang diproduksi dengan menggunakan reaktan NaHSO 3 dan H 2 SO 4 ternyata memperlihatkan karakteristik bersifat larut minyak. Hal ini disebabkan karena proses sulfonasi yang terjadi belum sempurna sehingga gugus sulfonat yang terbentuk hanya sekitar 65 persen, sementara sisanya masih dalam bentuk minyak. Oleh karena itu, kondisi proses sulfonasi untuk memproduksi surfaktan MES tersebut di atas akan diteliti dengan menggunakan reaktan berupa gas SO 3 agar dihasilkan surfaktan MES dengan karakteristik larut air yang nantinya dapat diaplikasikan untuk berbagai keperluan. Reaksi sulfonasi molekul metil ester dari asam lemak dapat terjadi pada tiga sisi yaitu (1) gugus karboksil; (2) bagian α-atom karbon; (3) rantai tidak jenuh (ikatan rangkap) (Gambar 3). Pemilihan proses sulfonasi tergantung 8

23 pada banyak faktor yaitu: karakteristik dan kualitas produk akhir yang diinginkan, kapasitas produksi yang disyaratkan, biaya bahan kimia, biaya peralatan proses, sistem pengamanan yang diperlukan, dan biaya pembuangan limbah hasil proses. Untuk menghasilkan kualitas produk terbaik, beberapa perlakuan penting yang harus dipertimbangkan adalah rasio mol reaktan, suhu reaksi, konsentrasi grup sulfat yang ditambahkan (SO 3, NaHSO 3, asam sulfit), waktu netralisasi, ph dan suhu netralisasi (Foster, 1996). Gambar 3. Kemungkinan terikatnya pereaksi kimia dalam proses sulfonasi (Jungermann, 1979) Menurut Stein dan Baumann (1975), lapisan metil ester bereaksi dengan gas SO3 dari reaktor bagian atas. Pada reaktor dipasang saluran pemisah antara fase gas dan fase cairan. Metil ester yang masuk ke dalam reaktor dengan laju alir 600 gram/jam dan gas SO3 dengan konsentrasi 5%. Sulfonasi metil ester dilakukan pada suhu C. Gas SO3 bersifat eksotermis dan reaksi terjadi secara cepat dengan metil ester pada suhu yang lebih rendah akibat adanya gugus karbonil dari ester, tetapi sulfonasi belum tercapai. Untuk itu diperlukan suhu yang lebih tinggi agar sulfonasi berlangsung sempurna. Pengotor utama dalam proses pembuatan MES adalah terbentuknya disalt pada proses hidrolisis saat reaksi penetralan. Walaupun di-salt merupakan surfaktan, namun di-salt memiliki sifat yang tidak diinginkan, yaitu cenderung menurunkan kinerja MES. Kraft point C16 di-salt (65 C) lebih tinggi daripada C16 MES (17 C) dan di-salt lebih sensitif (tidak tahan) terhadap air sadah. Akibatnya kelarutan MES di dalam air sadah dan air dingin menjadi turun. Untuk itu diperlukan proses pemurnian C16 MES dan pengoptimalan kondisi proses produksi MES. Surfaktan MES memiliki kelemahan yaitu gugus ester pada struktur MES cenderung mengalami hidrolisis baik pada kondisi asam 9

24 maupun basa. Kecepatan reaksi hidrolisis akan semakin tinggi dengan meningkatnya suhu (Rosen, 2004). Proses pemurnian dilakukan untuk mengurangi atau menghilangkan pengotor yang terdapat pada suatu produk sehingga diperoleh produk dengan kualitas yang lebih tinggi. Pada proses pembuatan MES, pemurnian terdiri dari dua tahap yaitu pemucatan dan netralisasi. Proses pemucatan dilakukan untuk menghilangkan warna gelap yang terbentuk akibat proses sulfonasi. Menurut MacArthur dan Sheat (2002), proses pemucatan dilakukan dengan mencampurkan MESA dengan methanol sekitar 31-40% (b/b) dan H 2 O 2 50% sekitar 1-4% (b/b) pada suhu C selama 1-1,5 jam. Tahap kedua pada proses pemurnian adalah tahap netralisasi yang bertujuan untuk mencegah ph yang terlalu rendah dan mencegah hidrolisis yang menyebabkan disalt (Forcella, 2008). Proses netralisasi dilakukan dengan mencampurkan MESA dengan larutan NaOH 50% pada suhu 55 C (Foster, 1996). D. JARAK PAGAR Tanaman jarak terdiri dari beberapa spesies yang berbeda, perbedaan tersebut meliputi morfologi buah dan biji, kandungan minyak, komponen asam lemak, dan beberapa komponen lainnya. Tanaman jarak pagar (Jatropha curcas L.) sangat prospektif dijadikan sebagai bahan baku pembuatan surfaktan monogliserida dan digliserida. Hal ini dikarenakan jarak pagar memiliki komponen penyusunnya yang mendukung untuk dijadikan sebagai bahan baku surfaktan. Di Indonesia terdapat berbagai jenis tanaman jarak, antara lain: jarak kepyar (Ricinus communis), jarak bali (Jatropha podagrica ), jarak ulung (Jatropha gossypifolia L.) dan jarak pagar (Jatropha curcas). Pada umumnya jenis tanaman jarak yang paling sering digunakan untuk biodiesel dan produk oleokimia lainnya adalah jarak pagar dan jarak kepyar (Pusat Penelitian dan Pengembangan Perkebunan, 2006). Kedua tanaman jarak tersebut termasuk ke dalam famili Euphorbiaceae. Jarak Pagar (Jatropha curcas) seringkali salah diidentifikasi dengan tanaman jarak kepyar (Ricinus communis). Salah satu perbedaan diantara kedua jenis jarak tersebut adalah morfologi buah dan 10

25 bijinya. Menurut Sinaga (2006), jarak pagar memiliki buah berupa buah kotak berbentuk bulat telur dengan diameter 2 4 cm, berwarna hijau ketika masih muda dan kuning jika sudah masak. Buah terbagi menjadi 3 ruang, masingmasing ruang berisi satu biji. Biji berbentuk bulat lonjong, berwarna coklat kehitaman, dan mengandung banyak minyak. Menurut Heller (1996), biji jarak pagar memiliki panjang 2 cm dan lebar 1 cm. Di lain pihak, jarak kepyar (Ricinus communis) memiliki buah dengan kulit buah yang berduri. Ukuran biji lebih kecil dari jarak pagar, dengan panjang biji 4 25 mm dan lebar 5 16 mm. Warna biji pada umumnya berwarna cokelat terang dan bercak cokelat tua disekitar bijinya (Salunkhe et al., 1992). Bentuk buah dan biji dari kedua jenis jarak ini dapat dilihat pada Gambar 4. (a) (b) Gambar 4. Bentuk buah dan biji jarak pagar (Jatropha curcas L) (a) dan jarak kepyar (Ricinus communis) (b) Selain itu, hal yang membedakan jarak pagar dengan jarak lainnya adalah persentase komponen penyusun dan kandungan asam lemaknya. Komponen penyusun pada jarak pagar dapat dilihat pada Tabel 3. Kandungan minyak jarak pagar sangat tinggi yaitu berkisar antara % sehingga sangat prospektif untuk digunakan sebagai bahan baku produk oleokimia seperti surfaktan. Selain itu, kandungan air pada biji jarak pagar pun cukup tinggi. Menurut Kurashige et al. (1993), efek air terhadap kinetika reaksi hidrolisis sangat penting karena air dapat menyebabkan proses hidrolisis minyak. 11

26 Tabel 3. Komponen penyusun biji jarak pagar Komposisi (%) Nilai (%) a b c Minyak (% b/b) ±0.37 Protein (% b/b) ±1.04 Serat (% b/b) ±0.35 Abu (% b/b) ±0.26 Air (% b/b) ±0.01 Karbohidrat (% b/b) ±0.91 Sumber : Winkler et al. (1997) a Gubitz et al. (1999) Peace dan Aladesanmi (2008) c Minyak jarak pagar mengandung 21% asam lemak jenuh (berikatan tunggal) dan 79% asam lemak tak jenuh (berikatan rangkap) (Nanewar, 2005). Selain itu, minyak jarak mengandung trigliserida sebesar 97.3% dan digliserida sebesar 2.7% (Gubitz et al, 1999). Tingginya kandungan trigliserida dalam minyak jarak pagar ini menunjukkan minyak jarak pagar sangat cocok dijadikan sebagai bahan baku surfaktan. Hal ini dikemukakan oleh Macrae (1983), bahwa trigliserida akan dipecah oleh lipase menjadi digliserida dan monogliserida yang berfungsi sebagai surfaktan. Adapun komposisi asam lemak pada minyak jarak pagar dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4. Komposisi asam lemak pada minyak jarak pagar Kandungan asam lemak Presentase (%) Sumber : Gubitz et al.(1999) Asam miristat Asam palmitat Asam stearat Asam arachidat Asam behenat Asam palmitoleat Asam oleat Asam linoleat Asam linolenat

27 Asam lemak dominan pada minyak jarak pagar adalah asam oleat, asam linoleat, dan asam palmitat. Asam oleat dan asam linoleat merupakan asam lemak tak jenuh, sedangkan asam palmitat merupakan asam lemak jenuh. Asam oleat merupakan asam lemak yang terdapat di sebagian besar minyak atau lemak dengan rata-rata komposisinya 50% dari total asam lemak. Menurut Hamilton (1983), semakin tinggi jumlah asam lemak tak jenuh dalam suatu minyak, maka akan menyebabkan minyak tersebut semakin mudah teroksidasi. Tanaman jarak pagar (Jatropha curcas L.) memiliki produktivitas yang tinggi. Menurut Kemala (2006), klasifikasi teknis usaha tani jarak pagar dapat dibedakan menurut status teknologinya yaitu: (1) tingkat rendah dengan produktivitas mencapai 4.35 ton/ha/tahun, dimana jarak pagar ditanam tidak teratur, persentase tumbuh ± 65%, pemakaian pupuk dan obat-obatan lebih sedikit; (2) tingkat sedang dan tinggi dengan produktivitas mencapai 6.5 ton/ha/tahun, dimana jarak pagar ditanam teratur, jumlah bibit 2750 bibit, ukuran lubang teratur (10 x 20 cm), persentase tumbuh lebih tinggi 80% untuk teknologi sedang dan 90% untuk teknologi tinggi, pemakaian pupuk dan obat-obatan lebih banyak, curahan tenaga kerja lebih tinggi dari status teknologi rendah; dan (3) teknologi tinggi dengan produktivitas sebesar 8.7 ton/ha/tahun. Selain itu, penyebaran jarak pagar cukup luas. Jarak pagar tersebar di beberapa daerah di Indonesia seperti: Lampung, Jawa Barat, Banten, Jawa Tengah, Jawa Timur, Nusa Tenggara Barat, Nusa Tenggara Timur, dan Kalimantan Tengah (Departemen Pertanian, 2008). 13

28 III. METODOLOGI A. ALAT DAN BAHAN 1. Alat Peralatan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah reaktor single tube falling-film yang digunakan untuk mereaksikan metil ester dengan gas SO 3. Peralatan lainnya adalah labu yang dilengkapi dengan pendingin balik dan termometer, hot plate, magnetic stirrer, buret, neraca analitik, ph meter, alat pengepress biji jarak, tensiometer du nuoy, spinning drop tensiometer, pipet, labu Erlenmeyer dan peralatan gelas lainnya. Skema single tube falling-film reactor secara lengkap disajikan pada Gambar 4 dan Gambar 5 menunjukkan peralatan utama yang digunakan. SO3 Gas regulator SO3 Mist catcher Organic inlet Cooling water in Oleum Cooling water out SO3 effluent Product Sampling point Gambar 5. Skema single tube falling-film reactor

29 Gambar 6. Reaktor STFR yang telah dibuat 2. Bahan Bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah metil ester dari minyak jarak pagar (Jatropha Curcas L) dan gas SO 3. Bahan kimia yang digunakan untuk analisa antara lain KOH, H 2 SO 4 95%, metanol, NaOH, HCl, penolphtalein, Na 2 SO 4, pati, air suling (aquades), sikloheksan, asam asetat glasial 96%, kalium iodida, Na 2 S 2 O 3, K 2 Cr 2 O 7, larutan Wijs, toluene, khloroform, petroleum eter, indikator metilene blue, dan Cetyltrimethylammonium Bromide (CTAB). B. METODE PENELITIAN 1. Tahapan Penelitian Penelitian yang dilakukan terdiri dari 3 tahap, yaitu a) analisis sifat fisiko-kimia biji dan minyak jarak pagar, b) esterifikasi dan transesterifikasi minyak jarak pagar, c) pembuatan methyl ester sulfonic acid (MESA). Diagram alir tahapan penelitian disajikan pada Gambar 7. a. Analisis sifat fisiko kimia biji dan minyak jarak pagar Pada tahapan ini bahan baku yang digunakan adalah biji jarak pagar kering. Biji jarak pagar ini diperoleh dari penyedia biji jarak pagar yaitu PT. Rajawali Nusantara 15

30 Indonesia (Nusindo) di daerah Cirebon. Biji jarak pagar dianalisis terlebih dahulu kemudian dipress untuk mendapatkan minyaknya. Minyak jarak pagar diperoleh dari hasil pengepresan biji jarak menggunakan alat screw press. Minyak jarak pagar yang dihasilkan selanjutnya dianalisis sifat fisiko kimianya, meliputi : kadar air, kadar abu, bilangan iod, bilangan asam, bilangan penyabunan, dan kadar asam lemak bebas. Prosedur analisis biji dan minyak jarak pagar disajikan pada Lampiran 1. Gambar 7. Diagram alir tahapan penelitian b. Esterifikasi dan transesterifikasi minyak jarak pagar Pada tahap ini minyak jarak pagar yang diperoleh selanjutnya diproses esterifikasi dan transesterifikasi untuk menghasilkan metil ester, dan dilanjutkan dengan proses pemurnian menggunakan metode Setyaningsih et al. (2007). Minyak jarak pagar dipanaskan sampai suhu 55 o C, ditambah metanol 225% dari jumlah FFA dan katalis asam sulfat 5% FFA. Kadar asam lemak bebas diperoleh pada tahap analisis fisiko-kimia minyak jarak pagar. Selanjutnya dilakukan pengadukan untuk menyeragamkan suhu sampai terbentuk ester. Suhu campuran dipertahankan pada 55 o C, selama 1 jam. Setelah reaksi berlangsung sempurna dilakukan tahap transesterifikasi, dengan menambahkan metanol 15% dari jumlah minyak dan NaOH sebanyak 1%. Pengadukan dilanjutkan kembali selama 1 jam sampai terbentuk warna kecoklatan yang menandai telah terbentuknya gliserol sebagai produk samping. Metil ester dipisahkan dari gliserol, kemudian dicuci dengan akuades suhu 50 o C untuk 16

31 menghilangkan sisa katalis, metanol dan sabun, sampai tiga kali pencucian. Pengeringan metil ester dilakukan menggunakan pemanasan suhu 115 o C sampai seluruh air menguap. Metil ester yang dihasilkan selanjutnya dianalisis sifat fisiko kimianya, meliputi: kadar air, bilangan iod, bilangan asam, bilangan penyabunan, fraksi tak tersabunkan, gliserol total dan kadar ester. Prosedur analisis metil ester disajikan pada Lampiran 1. c. Pembuatan Methyl Ester Sulfonic Acid Pada tahapan ini dilakukan proses sulfonasi dengan menggunakan reaktor STFR (Single Tube Falling Film Reactor) skala 5 L. Proses sulfonasi metil ester dilakukan di dalam Singletube Falling Film Reactor (STFR). Terdapat tiga reaksi yang terjadi dalam reaktor, yaitu : kontak antara fase gas dan liquid, penyerapan gas SO 3 dari fase gas dan reaksi dalam fase liquid. Metil ester dipompakan ke head reactor, masuk ke liquid chamber dan mengalir turun membentuk liquid film dengan ketebalan tertentu yang dibentuk oleh corong head yang didisain khusus untuk keperluan ini. Ketebalan film bisa diatur dengan mengubah lebar jarak (gap) antara corong dengan tabung reaktor, menggunakan washer yang memiliki tebal tertentu. Visualisasi tiga dimensi STFR disajikan pada Gambar 6. MESA diproduksi menggunakan metil ester dari minyak jarak pagar dengan menggunakan pereaksi gas SO 3. Kondisi proses sulfonasi yang dikaji adalah laju alir reaktan konstan 100 ml/menit, suhu proses 80, 100, 120 o C, lama reaksi 30, 45, 60, 75, dan 90 menit serta laju alir gas SO 3 konstan 0,7 kg SO 3 /jam. Pada penelitian ini digunakan rasio mol antara metil ester dengan gas SO 3 sebesar 1:1, diharapkan akan dihasilkan MESA dengan perbandingan mol antara metil ester dengan gugus sulfonat di dalamnya sebesar 0,785 mol dan 0,215 mol. Hal ini mengacu kepada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Watkins (2001), yang mereaksikan 1 mol metil ester dengan 1 mol SO 3. Rancangan percobaan yang digunakan pada penelitian ini adalah rancangan acak lengkap faktorial dengan 2 faktor, yaitu suhu (tiga taraf) dan lama reaksi (lima taraf). Pengulangan dilakukan sebanyak dua kali. Model rancangan percobaannya adalah : Y ijk = µ + A i +B j +(AB) ij + k(ij) 17

32 Dimana : Y ijk = hasil pengamatan pada ulangan ke-k, suhu ke-i dan lama reaksi ke-j µ = rata-rata yang sebenarnya A i B j = pengaruh suhu ke-i (i=1,2,3) = pengaruh lama reaksi ke-j (j=1,2,3,4,5) (AB) ij = pengaruh interaksi suhu ke-i dan lama reaksi ke-j i(j) = galat eksperimen Pengaruh perlakuan suhu dan lama reaksi pada berbagai taraf tersebut diamati terhadap parameter tegangan antar muka, tegangan permukaan, bilangan iod, bilangan asam, ph, dan bahan aktif. Prosedur analisis MESA disajikan pada Lampiran 2. Diagram alir prosedur pembuatan Metil Ester Sulfonat dapat dilihat pada Gambar 8. Gambar 8. Diagram alir prosedur penelitian 18

33 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. SIFAT FISIKO-KIMIA BIJI DAN MINYAK JARAK PAGAR Biji jarak pagar yang digunakan untuk penelitian ini diperoleh dari PT. Rajawali Nusantara Indonesia (Nusindo) di daerah Cirebon. Analisis biji jarak pagar bertujuan untuk mengetahui komponen-komponen penyusun biji jarak pagar serta mengetahui kondisi awal bahan baku yang akan digunakan dalam penelitian. Analisis ini terdiri dari analisis kadar minyak, kadar air, dan kadar abu. Hasil analisis biji jarak pagar dapat dilihat pada Tabel 5. Tabel 5. Hasil analisis komposisi biji jarak pagar Komposisi Nilai (%) Hasil Penelitian Minyak 39,87 Abu 4,62 Air 8,90 Berdasarkan Tabel 5, dapat dilihat bahwa biji jarak pagar memiliki kadar minyak sebesar 39,87%. Kadar minyak biji jarak pagar yang digunakan untuk penelitian ini tidak berbeda jauh dengan hasil penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Winkler et al. (1997), Gubitz et al. (1999), dan Peace dan Aladesanmi (2008) yang telah dijelaskan pada bab tinjauan pustaka. Tingginya kadar minyak jarak pagar ini menunjukkan bahwa jarak pagar sangat potensial digunakan sebagai sumber minyak nabati yang dapat digunakan sebagai bahan baku produksi surfaktan Methyl Ester Sulfonic acid (MESA). Hasil analisis kadar air biji jarak pagar menunjukkan nilai yang cukup tinggi yaitu sebesar 8,90%. Nilai kadar air ini lebih tinggi dibandingkan dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Winkler et al. (1997), Gubitz et al. (1999) serta Peace dan Aladesanmi (2008). Di lain pihak, kadar abu biji jarak pagar sebesar 4,62% yang tidak terlalu jauh berbeda dengan literatur. Kadar abu menunjukkan kandungan bahan-bahan anorganik dalam biji jarak pagar.

34 Karakterisasi minyak jarak pagar dilakukan untuk mengetahui sifat fisikokimia sebelum dilakukan transesterifikasi menjadi Metil Ester yang merupakan bahan baku dalam produksi Metil Eseter Sulfonat. Karakterisasi ini meliputi pengujian kadar air, kadar abu, FFA, bilangan asam, bilangan penyabunan, bilangan iod, dan densitas. Hasil yang diperoleh disajikan pada Tabel 6. Tabel 6. Hasil analisis sifat fisikokimia minyak jarak pagar Sifat Fisiko Kimia Hasil Analisis Bilangan asam (mg KOH/g minyak) 20, ±0.21 Bilangan penyabunan (mg KOH/g minyak) 197, ±0.50 Bilangan iod (mg iod/g minyak) 99,34 - Densitas 0,91 0,911 Sumber : Peace dan Aladesanmi (2008) a Hambali et al. (2006) a b Bilangan asam minyak jarak pagar yang cukup tinggi yaitu sebesar 20,94 mg KOH/g minyak. Tingginya bilangan asam ini terjadi karena biji jarak pagar yang digunakan merupakan biji jarak kering yang telah mengalami penyimpanan. Secara alami biji jarak pagar akan terus mengalami hidrolisis karena adanya kandungan air dan enzim lipase sehingga dapat memecah trigliserida menjadi asam lemak bebas. Nilai bilangan asam ini menunjukkan banyaknya asam lemak bebas (FFA) yang terkandung dalam minyak. Nilai FFA yang tinggi ini menyebabkan minyak harus diesterifikasi terlebih dahulu sebelum ditransesterifikasi, karena jika tidak diesterifikasi terlebih dahulu maka akan mengakibatkan pembentukan sabun dan menimbulkan masalah pada saat pemisahan gliserol serta menurunkan rendemen metil ester. Nilai bilangan penyabunan minyak jarak pagar tidak berbeda jauh dengan minyak jarak hasil penelitian Peace dan Aladesanmi (2008), yaitu sebesar 197,6 mg KOH/g minyak. Sementara itu, nilai bilangan iod minyak jarak pagar sebesar 99,34 mg iod/g minyak. Bilangan iod menunjukkan banyaknya gram iodin yang diserap oleh 100 gram minyak atau lemak. Bilangan iod bergantung pada komposisi asam lemak penyusun minyak/lemak ataupun produk turunannya. Besarnya jumlah iod yang diserap menunjukkan banyaknya ikatan rangkap atau tidak jenuh (Ketaren, 1986). Menurut Sinaga (2006), jenis asam lemak dominan pada minyak jarak adalah asam lemak oleat (C 18 H 34 O 2 ) dan linoleat (C 18 H 32 O 2 ) yang merupakan asam lemak tidak jenuh. 20

35 B. ANALISIS METIL ESTER Metil ester yang digunakan pada penelitian ini diperoleh dari proses esterifikasi dan transesterifikasi minyak jarak pagar. Analisis metil ester dilakukan untuk melihat karakteristik metil ester sebelum dilakukan sulfonasi untuk memperoleh Methyl Ester Sulfonic acid (MESA). Analisis ini meliputi kadar air, bilangan asam, bilangan penyabunan, bilangan iod, gliserol total, bilangan tak tersabunkan dan kadar ester. Hasil analisis metil ester dapat dilihat pada Tabel 7. Tabel 7. Hasil analisis sifat fisikokimia metil ester jarak pagar yang dihasilkan No Karakter Satuan Nilai sumber 1 Bilangan asam mg KOH/g ME 0,155 0,5 a 2 Bilangan iod mg Iod/g ME 98, a 3 Bilangan penyabunan mg KOH/g ME 214, b 4 Gliserol total %-(b/b) 0,12 0,25 a 5 Bilangan tak tersabunkan % 0,39 0,27 b 6 Kadar ester %, dihitung 98,9 96,5 a Sumber : a Hambali et al. (2006); b Henkel ME16 Berdasarkan hasil analisis metil ester diketahui bahwa metil ester yang diproduksi sesuai dengan literatur, sehingga metil ester yang diproduksi dapat digunakan sebagai bahan baku Methyl Ester Sulfonic acid (MESA). 21

36 C. PENGARUH FAKTOR SUHU DAN LAMA REAKSI Proses sulfonasi metil ester dari minyak biji jarak pagar merupakan kegiatan utama dalam penelitian ini. Proses ini bertujuan untuk menghasilkan surfaktan methyl ester sulfonic acid (MESA). Metil ester yang digunakan sebagai bahan baku diperoleh dari proses esterifikasi dan transesterifikasi minyak jarak pagar. Faktor yang digunakan pada penelitian ini meliputi suhu dan lama reaksi. Analisis yang dilakukan meliputi analisis kadar bahan aktif, bilangan iod, tegangan permukaan, tegangan antar muka, bilangan asam, ph MESA yang terbentuk. Hasil analisis selanjutnya dihitung melalui analisis statistik menggunakan software SPSS sehingga diketahui pengaruh dari faktor-faktor yang digunakan terhadap parameter analisis dalam penelitian ini. 1. Kadar Bahan Aktif Bahan aktif merupakan jumlah bahan aktif permukaan yang terkandung dalam suatu bahan. Semakin besar nilai bahan aktif maka semakin baik kualitas bahan tersebut. Pada penelitian ini kadar bahan aktif merupakan parameter utama karena dengan diketahuinya kadar bahan aktif dapat menjadi parameter untuk mengetahui keberhasilan dari sulfonasi. Dari hasil penelitian, diketahui bahwa nilai bahan aktif dari MESA yang dihasilkan berkisar antara 1,2% sampai 30,4%. Dari hasil sidik ragam menunjukkan adanya pengaruh suhu (X) dan lama reaksi (Y) terhadap nilai bahan aktif. Pada tingkat kepercayaan 95 % (α = 0,05) suhu dan lama reaksi berpengaruh signifikan terhadap peningkatan kadar bahan aktif. Sama halnya dengan interaksi antara kedua faktor (X*Y) tersebut juga memberikan pengaruh signifikan terhadap kadar bahan aktif. Hasili sidik ragam dapat dilihat pada Lampiran 3. Hasil uji lanjut Duncan terhadap suhu reaksi menunjukkan bahwa suhu 80 C, 100 C, dan 120 C memberikan pengaruh yang berbeda nyata terhadap nilai bahan aktif pada tingkat kepercayaan 95%. Hasil uji lanjut Duncan terhadap lama reaksi juga menunjukkan bahwa pada lama reaksi 60 dan 90 menit tidak memberikan pengaruh yang berbeda, tetapi keduanya berbeda nyata dengan lama reaksi 30, 45, dan 75 menit. pada lama reaksi 30, 45, dan 75 menit memberikan pengaruh yang berbeda nyata terhadap parameter bahan aktif. Data hasil uji lanjut Duncan dapat dilihat pada Lampiran 3. Kadar bahan aktif MESA yang dihasilkan disajikan pada Gambar 9. 22