STRATEGI FORMULASI BIODIESEL JATROPHA UNTUK MEMENUHI SPESIFIKASI WWFC

Transkripsi

1 STRATEGI FORMULASI BIODIESEL JATROPHA UNTUK MEMENUHI SPESIFIKASI WWFC 2009: Teknik Blending Dengan Biodiesel Sawit dan Rekayasa Kimia (Partial Hydrogenation) Rizqon Fajar, Siti Yubaidah, Muhammad Ma ruf Balai Termodinamika Motor & Propulsi BPP Teknologi Gedung 230 Kawasan Puspitek Serpong Tangerang 15314, Indonesia. Phone & fax & Abstrak Paper ini menjelaskan tentang hasil studi tentang strategi untuk meningkatkan stabilitas oksidasi biodiesel jatropha curcas (jarak pagar) sehingga memenuhi stabilitas oksidasi yang terdapat pada WWFC WWFC (World Wide Fuel Charter) adalah kesepakatan bersama tentang kualitas bahan bakar yang harus dipenuhi oleh kendaraan bermotor. Spesifikasi WWFC untuk stabilitas oksidasi biodiesel adalah minimal 10 jam waktu induksi. Biodiesel jatropha memiliki stabilitas oksidasi berkisar antar 2 s/d 3 jam. Strategi untuk meningkatkan stabilitas oksidasi hingga minimal 10 jam adalah dengan melakukan pencampuran biodiesel sawit dan anti-oxidant. Strategi alternatif adalah dengan melakukan rekayasa kimia yaitu hidrogenasi parsial. Dengan Hidrogenasi parsial yang terkontrol, stabilitas oksidasi biodiesel jatropha dapat meningkat secara signifikan. Hidrogenasi menggunakan katalis Pd selama 0,5 jam dapat meningkatkan stabilitas oksidasi hingga 15 jam dan menggunakan katalis Pt dapat meningkatkan stabilitas oksidasi hingga lebih dari 20 jam. Keywords: stabilitas oksidasi, biodiesel jatropha, blending, hidrogenasi 1. PENGANTAR Pemerintah Indonesia saat ini melalui PT Pertamina telah memasarkan biodiesel sebagai komponen campuran dalam solar dengan kandungan maksimum 10% [1] Namun demikian sebelum biodiesel murni (B-100) dicampur kedalam solar, harus terlebih dahulu memenuhi persyaratan. Ada dua persyaratan yang harus dipenuhi, yang pertama biodiesel B-100 harus memenuhi spesifikasi yang terdapat pada SNI [2]. Kedua biodiesel juga sebaik-nya harus memenuhi spesifikasi yang dikeluarkan oleh WWFC (World Wide Fuel Charter) pada tahun 2009 [3]. World Wide Fuel Charter adalah kesepakatan yang telah disetujui bersama oleh para pembuat mesin kendaraan dunia termasuk Jepang (JAMA), Eropa (ACEA) dan Amerika (EMA & Alliance). Sebagaimana diketahui bahwa sebagian besar kendaraan bermotor di Indonesia adalah berasal dari ketiga Negara tersebut, khususnya Jepang. Memenuhi spesifikasi WWFC adalah keharusan demi keamanan mesin dan jaminan atau garansi mesin. Memenuhi spesifikasi SNI adalah cukup mudah, selama proses produksi biodiesel dilakukan dengan benar. Namun demikian tidaklah mudah untuk memenuhi persyaratan yang telah ditetapkan dalam WWFC Selain persyaratan yang lebih ketat dibandingkan standar nasional SNI, ada beberapa parameter yang belum ada spesifikasi-nya pada SNI yaitu stabilitas oksidasi. Stabilitas oksidasi merupakan parameter terpenting dibandingkan parameter lain hal ini karena biodiesel dengan stabilitas oksidasi yang rendah akan membahayakan mesin. Oksidasi biodiesel dapat terjadi karena adanya udara dan dipercepat oleh panas, sinar dan logam. Hasil oksidasi dapat berupa asam yang akan meng korosi komponen seperti saluran dan tangki bahan bakar. Oksidasi biodiesel juga menghasilkan padatan (polimer) yang akan memblok pada nozzle dan filter bahan bakar. Kondisi lingkungan di Indonesia dengan suhu lingkungan yang dan kelembaban yang tinggi memungkinkan proses oksidasi yang lebih cepat. Tantangan yang terdapat pada spesifikasi WWFC 2009 adalah stabilitas oksidasi yang berlaku untuk biodiesel B-100 adalah minimal 10 jam. Sedangkan stabilitas oksidasi yang terdapat pada standar Amerika ASTM D b adalah minimal 3 jam dan standar Eropa EN telah menetapkan minimal 6 jam. Menurut hasil dari beberapa pengukuran terhadap stabilitas oksidasi, biodiesel sawit menghasilkan waktu induksi yang tinggi yaitu lebih dari 10 jam [4], [5]. Sementara itu untuk biodiesel dari jarak pagar menghasilkan yang sebaliknya yaitu stabilitas oksidasinya sangat rendah dan hanya menghasilkan waktu induksi dibawah 6 jam [4], [5]. Biodiesel dari minyak jarak pagar (jatropha) lebih diharapkan menjadi bahan baku dimasa depan, hal ini karena minyak jarak pagar merupakan bahan non pangan sehingga penggunaannya sebagai bahan bakar tidak akan mengganggu industri pangan yang bersifat utama (primer). Namun demikian potensi tanaman jarak pagar masih belum dikembangkan di Indonesia sehingga ketersediaannya masih terbatas. Oleh karena itu penggunaan minyak sawit sebagai bahan baku biodiesel di Indonesia masih diperlukan sampai

2 dengan ketersediaan minyak jarak cukup besar dengan harga yang relatif murah. Pada paper ini akan diusulkan konsep yaitu strategi untuk membuat formulasi biodiesel terbuat dari campuran biodiesel dari minyak jarak pagar dan minyak sawit. Minyak jarak digunakan karena merupakan tanaman no pangan sedangkan minyak sawit digunakan karena ketersediaannya sangat melimpah dan memiliki stabilitas oksidasi yang tinggi sehingga dapat menutup kekurangan biodiesel jarak yang memiliki stabilitas rendah. Strategi alternatif untuk meningkatkan stabilitas oksidasi biodiesel jarak adalah dengan rekayasa kimia. Reaksi minyak nabati atau ester-nya dengan gas hydrogen yang dibantu dengan katalis (Pd atau Pt) dapat mengubah komposisi asam lemak. Reaksi hidrogenasi dapat mengubah asam lemak tak jenuh menjadi asam lemak jenuh. Namun demikian reaksi hidrogenasi harus dikontrol agar tidak semua berubah menjadi asam lemak jenuh karena akan memperburuk sifat aliran biodiesel pada suhu rendah. Oleh karena reaksi hidrogenasi harus dikontrol agar hanya sebagian asam lemak tak jenuh yang bereaksi (terutama C18:2 dan C:18:3). Reaksi tersebut lebih dikenal dengan Partial Hydrogenation. Pada paper ini akan dilaporkan hasil pengukuran stabilitas oksidasi yang diambil dari hasil penelitian Imam Paryanto [6] Formulasi biodiesel baik hasil pencampuran dengan sawit maupun dengan rekayasa kimia tersebut harus memenuhi kualitas standar yang ditetapkan pada WWFC Selain stabilitas oksidasi, parameter kunci harus diperhatikan adalah viskositas, densitas, dan CFPP (Cold Flow Pluging Point). Parameter lain juga dihitung agar nilainya tidak melewati batas yang ditentukan dalam standar. 2. METODOLOGI 2.1. Properties Biodiesel Properties yang digunakan dalam penelitian ini adalah komposisi asam lemak, terutama kandungan asam lemak tak jenuh (linoleat dan linolenat). Tabel 1 memperlihatkan hasil analisa terhadap komposisi asam lemak dari biodiesel jarak dan sawit yang diperoleh dari referensi [7]. Komposisi asam lemak minyak jarak dan sawit digunakan untuk menentukan parameter kunci campuran yaitu stabilitas oksidasi dan CFPP. Campuran biodiesel jarak-sawit dihitung dengan komposisi mulai dari 100% jarak s/d 100% sawit dengan interval 20%. Tabel 1. Komposisi Lemak Biodiesel sawit [7] Komposisi (%) Lemak Jarak Sawit (%) (Jatropha) C12:0 Laurat - 0,2 C14:0 Miristat - 0,5 C16:0 Palmitat 12,7 43,4 C16:1 Palmitoleat 0,7 0,1 C18:0 Stearat 5,5 4,6 C18:1 Oleat 39,1 41,9 C18:2 Linoleat 41,6 8,6 C18:3 Linolenat 0,2 0,3 C20:0 Arachidat 0,2 0,3 C22:0 Behenat - 0,1 JUMLAH Penentuan Parameter Kunci Biodiesel Sebagaimana diketahui bahwa parameter kunci yang menentukan kualitas biodiesel adalah stabilitas oksidasi, CFPP (Cold Filter Plugging Point) viskositas, densitas,, bilangan setana, titik kabut dan lain-lain. Diantara parameter kunci tersebut stabilitas oksidasi dan CFPP merupakan parameter yang tergantung pada jenis bahan baku, khususnya komposisi asam lemak. Sedangkan yang lain sangat tergantung pada proses pembuatan dan pemurnian produk. Dan pada umumnya dapat dengan mudah memenuhi spesifikasi yang ditetapkan dalam SNI maupun standar internasional. Tabel 2. Parameter Kunci dari Kualitas Biodiesel Parameter Kunci Batas Nilai Spesifikasi Stabilitas Min. 10 jam WWFC 2009 Oksidasi CFPP Tidak ada Tidak ada Viskositas 40 o C 2,3-5 cst SNI Densitas 40 o C SNI Bilangan Setana Min. 51 SNI Titik Kabut Maks. 18 o C SNI 2.3. Perhitungan Stabilitas Oksidasi J.Y. Park et al [8] telah melakukan studi efek pencampuran biodiesel dari berbagai bahan baku terhadap stabilitas oksidasi. Korelasi antar komposisi asam lemak dengan stabilitas oksidasi dan CFPP juga ditemukan. Terdapat relasi yang kuat antar stabilitas oksidasi dan kandungan asam lemak tak jenuh. Stabilitas oksidasi menurun dengan kenaikan kandungan asam linoleat dan linolenat. Korelasi antara stabilitas oksidasi dan kandungan asam lemak tak jenuh tersebut dapat digambarkan dengan persamaan berikut: Y = 117,9295/X + 2,5905 (0 < X < 100) (1) Dimana X adalah kandungan dari asam lemak linoleat dan linolenat dan Y adalah stabilitas oksidasi (jam). Jika komposisi asam lemak

3 dalam campuran sebuah formulasi biodiesel diketahui maka stabilitas oksidasi dapat diprediksi menggunakan persamaan (1) 2.4. Perhitungan CFPP (Cold Filter Plugging Point) CFPP adalah suhu tertinggi dimana bahan bakar biodiesel gagal melewati sebuah filter. CFPP juga merupakan perkiraan tentang suhu terendah dimana biodiesel dapat dengan mudah mengalir bebas melalui saluran bahan bakar. J.Y Park et al [8] telah menentukan korelasi yang baik antar kandungan asam lemak tak jenuh dengan CFPP. Korelasi antara CFPP dan kandungan total asam lemak tak jenuh adalah sebagai berikut: Y = -0,4880.X + 36,0548 (0 < X 88) (2) Y = -2,7043.X + 232,0036 (88 < X < 100) (3) Dimana X adalah kandungan total asam lemak tak jenuh dan Y adalah CFPP ( o C). Jika komposisi asam lemak tak jenuh diketahui maka CFPP sebuah formulasi biodiesel dapat diprediksi menggunakan persamaan (2) dan (3) 2.4. Perhitungan Parameter Kunci Lain Setelah stabilitas oksidasi dari campuran biodiesel jarak-sawit ditentukan maka parameter seperti viskositas, densitas dan lain-lain ditentukan untuk mengecek apakah nilainya masuk spesifikasi. Parameter tersebut juga diperlukan untuk mengevaluasi terhadap kualitas pengkabutan dan pembakaran. Clements L.D. [9] telah membuat model untuk menghitung parameter kunci biodiesel yaitu densitas, viskositas, bilangan setana, titik kabut (cloud point) dan nilai kalor. Model tersebut disusun berdasarkan parameter campuran dari beberapa methyl ester asam lemak penyusun biodiesel. Model parameter biodiesel yang diusulkan Clements L.D diuraikan seperti pada Tabel 3. Clements L.D telah membandingkan hasil perhitungan menggunakan model pada Tabel 3 dengan nilai pengukuran yang terdapat pada literatur untuk biodiesel dari berbagai bahan baku. Rata-rata kesalahan yang ditemukan berkisar kurang dari 2%, kecuali viskositas dimana kesalahannya sekitar 10%. Tabel 3. Model Parameter Kunci Biodiesel Parameter Kunci Model Densitas mix = x i.(a i.t + b i.) Viskositas Bilangan Setana Titik Kabut Nilai Kalor Ln mix = x i.f( ) CN mix = x i.cnii i In (T c +l0)= 2.2-l.57.ln (x unsat ) H mix = x i.hii i mix : densitas campuran; mix : viskositas campuran; CN mix : bilangan setana campuran; T c : titik kabut campuran; H mix : nilai kalor x i : fraksi volume methyl ester murni, a i & b i konstanta [8] 3. HASIL DAN DISKUSI Dari data komposisi asam lemak yang terdapat pada Tabel 1 dan persamaan (1), stabilitas oksidasi dari berbagi campuran biodiesel jarak-sawit dapat diprediksi atau dihitung. Tabel 4 menampilkan beberapa formulasi campuran biodiesel jarak-sawit mulai komposisi 100% jarak, 80%-20% jarak sawit hingga 100% sawit. Stabilitas oksidasi biodiesel jarak dan sawit murni hasil prediksi adalah 5,4 dan 15,8 jam. Sementara itu hasil pengukuran dari kedua biodiesel murni tersebut pada referensi [4] adalah sekitar 3,23 dan 13,37 jam. Hasil ini mengindikasikan bahwa hasil prediksi untuk biodiesel campuran jarak-sawit untuk berbagai komposisi juga lebih besar dari hasil pengukuran. Tabel 4. Korelasi antara Stabilitas Oksidasi Komposisi Lemak linoleat dan Linolenat Rasio Campuran Stabilitas Oksidasi (jam) Linoleat Linolenat 100:0 5,4 41,6 0,2 80:20 5,9 35 0,22 60:40 6,7 28,4 0,24 40:60 7,9 21,8 0,26 20:80 10,2 15,2 0,28 0:100 15,8 8,6 0,3 Stabilitas oksidasi biodiesel sawit pada Tabel 4 menunjukkan bahwa biodiesel sawit telah memenuhi persyaratan WWFC 2009, yaitu lebih dari 10 jam. Demikian pula dengan komposisi campuran 20% jarak dan 80% sawit. Meskipun untuk komposisi 60% dan 40% biodiesel jarak, stabilitas oksidasi nya kurang dari 10 jam namun masih memenuhi persyaratan EN yaitu minimal 6 jam. Untuk memenuhi stabilitas oksidasi WWFC 2009, maka terhadap komposisi 60% biodiesel jarak dan lebih rendah dapat dilakukan penambahan anti-oxidant. Tabel 6. Komposisi Lemak Biodiesel Jarak Sebelum dan Setelah Hidrogenasi Parsial Komposisi sebelum Komposisi setelah Hidrogenasi Lemak Hidrogenasi (%) Katalis Pd (%) Katalis Pt (%) C12:0 0,03 0,04 0,03 C14:0 0,07 0,07 0,07

4 C16:0 14,19 14,23 14,19 C16:1 0,85 0,80 0,79 C17:0 0,09 0,10 0,10 C18:0 6,71 13,84 17,10 C18:1 39,97 69,56 55,76 C18:2 37,04 0,71 11,04 C18:3 0,18 0,00 0,02 C20:0 0,20 0,21 0,21 C20:1 0,07 0,07 0,11 C22:0 0,03 0,03 0,03 C24:0 0,04 0,04 0,04 Stab. Oks 1,68 jam 15 jam 21,68 jam Titik tuang 2 o C 9 13 o C Titik kabut 3 o C o C CFPP (estimate) 0,46 10,79 15,9 o C Tabel 5 memperlihatkan hasil reaksi hidrogenasi biodiesel jarak selama 0,5 jam menggunakan katalis Pd dan Pt. Reaksi hidrogenasi parsial ternyata mengubah komposisi asam lemak secara signifikan. Reaksi hidrogenasi terjadi, terutama terhadap asam lemak jenuh linoleat (C18:2) dan linolenat (C18:3) menjadi asam lemak tak jenuh oleat (C18:1). Karena hidrogenasi terkontrol, terjadi perubahan juga dalam jumlah yang sedikit dari asam oleat (C18:1) menjadi asam stearat (C18:0). Hidrogenasi parsial yang berlangsung hanya 0,5 jam telah mengubah stabilitas oksidasi yang signifikan. Sebelum hidrogenasi biodiesel jarak memiliki stabilitas oksidasi yang sangat rendah yaitu sekitar 1,68 jam. Setelah hidrogenasi, stabilitas oksidasi meningkat menjadi 15 jam (katalis Pd) dan 21,68 jam (katalis Pt). Hidrogenasi dapat mengubah biodiesel jarak menjadi bahan bakar diesel yang memenuhi persyaratan stabilitas oksidasi menurut spesifikasi WWFC 2009 (min. 10 jam) Perubahan komposisi asam lemak linoleat dan linolenat juga mengubah sifat aliran biodiesel yaitu titik tuang, titik kabut dan CFPP. Pencampuran dengan biodiesel sawit berakibat meningkatkan CFPP. Meskipun hal ini kurang menguntungkan namun masih bias ditolerir selama penggunaan biodiesel senantiasa dicampur dengan minyak diesel solar (Biosolar) dan kendaraan tidak beroperasi di daerah dingin atau suhu rendah yang ekstrim. Tabel 6 memperlihatkan kenaikan dalam CFPP jika fraksi biodiesel sawit ditingkatkan atau jika fraksi asam lemak tak jenuh (linoleat dan linolenat) menurun. Tabel 6. Korelasi antara CFPP dan Komposisi Lemak Tak Jenuh Rasio Campuran CFPP ( o C) Total Lemak Tak Jenuh 100:0-3,77 81,60 80:20-0,77 75,46 60:40 5,22 69,32 40:60 8,22 63,18 20:80 8,22 57,04 0:100 11,22 50,90 Perubahan titik tuang, titik kabut dan CFPP juga terjadi setelah hidrogenasi, namun demikian perubahannya masih dalam batas yang diperbolehkan menurut SNI. SNI mensyaratkan bahwa titik kabut biodiesel adalah maksimum 18 o C. Sifat kimia fisika lain juga berubah akibat pencampuran dengan biodiesel sawit maupun akibat reaksi hidrogenasi karena mengubah komposisi asam lemak. Perubahan dalam parameter kunci seperti viskositas, densitas. bilangan setana dan nilai kalor dapat diprediksi atau dihitung menggunakan model yang terdapat pada Tabel 3. Perubahan dalam parameter tersebut diperkirakan tidak akan melewati batas yang terdapat dalam spesifikasi SNI maupun internasional. Parameter lain yang berpengaruh pada proses pengkabutan seperti tegangan permukaan juga akan berubah. Sifat lubrisitas bahan bakar biodiesel juga akan berubah dan lubrisitas biodiesel sangat tergantung dengan komposisi asam lemak. Keduanya belum menjadi bahan studi pada paper ini. Namun demikian keduanya dapat diprediksi menggunakan model yang terdapat pada literature. 4. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari studi ini adalah sebagai berikut: 1. Stabilitas oksidasi biodiesel jarak pagar (Jatropha Curcas) dapat ditingkatkan sehingga memenuhi persyaratan dalam spesifikasi WWFC (World Wide Fuel Charter 2009) melalui pencampuran dengan biodiesel dengan stabilitas oksidasi yang lebih tinggi yaitu sawit dan melalui rekayasa kimia yaitu hidrogenasi parsial. 2. Pencampuran dengan biodiesel sawit dan hidrogenasi parsial, keduanya adalah dalam rangka upaya untuk mengubah komposisi asam lemak, yaitu menurunkan kadar asam lemak linoleat (C18:2) dan asam lemak linolenat (C18:3). 3. Pencampuran dengan biodiesel sawit tidak sepenuh-nya berhasil dalam meningkatkan stabilitas oksidasi untuk memenuhi spesifikasi dalam WWFC Untuk itu diperlukan penambahan additive anti-oxidant hingga stabilitas oksidasi-nya meningkat hingga lebih dari 10 jam. 4 Hidrogenasi parsial dari biodiesel jatropha dapat meningkatkan stabilitas oksidasi secara signifikan (> 10 jam). Namun demikian, hidrogenasi harus terkontrol agar tidak mengubah sifat kimia fisika

5 seperti densitas, viskositas, bilangan setana dll secara drastis sehingga tidak mengganggu operasional mesin. 5. UCAPAN TERIMAKASIH Kami ucapkan terimakasih kepada BTMP BPP Teknologi yang telah membantu dalam bentuk dana dan fasilitas uji untuk penelitian ini. Kepada Bpk Dr. Ir Prawoto sebagai Kepala BTMP kami ucapkan terimakasih atas bantuan moril dan dukungannya agar hasil penelitian ini dapat disosialisasikan kepada masyarakat, khususnya kepada para peneliti dan perekayasa. Tidak lupa kami ucapkan terimakasih kepada Bpk. Ir. Imam Paryanto MSc yang telah memberikan masukan berupa data hasil hidrogenasi biodiesel jarak untuk kesempurnaan penulisan ini. 6. DAFTAR PUSTAKA 1. Keputusan Direktur Jenderal Minyak & Gas Bumi Nomor : 3675 K/24/DJM/2006, Lampiran II: Spesifikasi Bahan Bakar Minyak Jenis Minyak Solar Spesifikasi Biodiesel SNI , badan Standarisasi Nasional 3. Biodiesel Guidelines, March 2009, World Wide Fuel Charter Committee 4. Sarin R et al (2007), Jatropha-Palm Biodiesel Blends: An Optimum mix for Asia, In: Fuel, 86 pp Rizqon Fajar (2010), Data Uji Stabilitas Oksidasi Biodiesel Jatropha-Sawit, Laporan Internal BTMP BPPT 6. Imam Paryanto (2008), Application of Partial Hydrogenation of Biodiesel Using Various Catalysts for Improving Oxidation Stability, Internal Repport, Agency for Assessment and Application Technology Indonesia 7. Renewable Energy Group, Inc., (2009), Feedstock and BiodieselCharacteristics Report 8. Ji-Yeon Park et al (2008), Blending effect of biodiesel on oxidation stability and low temperature flow properties, In: Biosource Technology, 99, pp Clements, L.D. (1996), Blending Rule for Formulating Biodiesel Fuel,