BAB I PENDAHULUAN. Gambar 1.1 Perkembangan Produktivitas Kakao di Indonesia, dari tahun Universitas Sumatera Utara

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG Katalis merupakan salah satu bahan yang digunakan dalam pembuatan biodiesel. Jenis katalis yang biasanya digunakan untuk produksi biodiesel seperti katalis homogen, katalis heterogen dan enzim [1].Umumnya katalis heterogen basa/asam digunakan dalam pembuatan biodiesel komersial melalui proses transesterifikasi [2]. Katalis basa telah diakui memberikan konversi yang lebih besar daripada katalis asam [3].Kulit buah kakao (CPH/Cocoa Pod Husk) adalah salah satu jenis katalis basa heterogen [4]. Kakao (Theobrema cacao L.) adalah salah satu komoditas unggulan sub sektor perkebunan. Kakao menempati luar areal keempat terbesar untuk sub sektor perkebunan setelah kelapa sawit, kelapa, dan karet. Menurut data dari Direktorat Jenderal Perkebunan, perkembangan luas areal kakao di Indonesia selama periode tahun cenderung meningkat, yaitu dari 37,08 ribu ha pada tahun 1980 menjadi 1,74 juta ha pada tahun Rata-rata peningkatan luas areal kakao mencapai 13,29% pertahun. Sedangkan perkembangan produktivitas kakao di Indonesia selama tahun cenderung berfluktuasi dapat dilihat pada gambar berikut [5]. Gambar 1.1 Perkembangan Produktivitas Kakao di Indonesia, dari tahun

2 2 Kulit buah kakao (Theobroma cacao L.)merupakan limbah pertanian yang belum dimanfaatkan secara optimal. Selama ini limbah kulit kakao biasanya dibuang di tempat pembuangan sampah kota, yang berkontribusi terhadap masalah lingkungan yang ada. Kulit buah kakao (Theobroma cacao L.)adalah limbah pertanian utama dari industri kakao dan telah ditemukan untuk menjadi sumber yang kaya kalium karbonat (K 2 CO 3 ).Saat ini, teknologi yang digunakan untuk memproduksi K 2 CO 3 membuat produk yang lebih mahal dan tidak aman lingkungan.sementara itu, K 2 CO 3 dari abu CPH (Cocoa Pod Husks) merupakan sumber potensi tinggi sebagai katalis untuk produksi biodiesel [4].Salah satu cara untuk memanfaatkan kandungan K 2 CO 3 dari kulit buah kakao yaitu dengan proses kalsinasi [4]. Kalsinasi merupakan proses pemberian panas (thermal treatment) terhadap suatu material padatan untuk terjadinya dekomposisi termal, transisi fasa atau penghilangan fraksi-fraksi yang volatil, selain dekomposisi, selama kalsinasi terjadi pula : Sintering prekursor atau pembentukan oksida seperti kalium oksida (K 2 O) dan reaksi oksida dengan penyangga [6]. Selain itu kalsinasi bertujuan untuk memperbesar pori-pori [7].Kalsinasi biasanya dilakukan dibawah titik leleh produk yang diinginkan, hal ini karena kalsinasi dilakukan dalam kondisi vakum, maka diperkirakan kalium karbonat telah mengalami dekomposisi termal, membentuk sisi aktif basa yaitu K 2 O [6].Kulit buah kakao (CPH) setelah mengalami proses kalsinasi akan mengubah K 2 CO 3 menjadi K 2 O yang dapat digunakan sebagai katalis untuk produksi biodiesel [4]. Semakin meningkatnya populasi manusia dan bertambahnya aktivitas di industri maupun transportasi mengakibatkan kebutuhan energi tak terbarukan dari bahan bakar minyak bumi semakin meningkat sehingga mengakibatkan ketersediaan nya semakin langka dan harganya menjadi sangat mahal.selain itu, muncul berbagai dampak buruk yang diakibatkan oleh efek rumah kaca yang dihasilkan sehingga mendorong berbagai usaha penemuan bahan bakar alternatif yaitu salah satunya adalah biodiesel [8].Biodiesel merupakan mono alkil ester dari rantai panjang asam lemak seperti dari minyak nabati dan lemak hewan yang digunakan sebagai pengganti bahan bakar fosil (diesel) dan bersifat terbarukan, sebagai bahan bakar (energi) alternatif yang bersih, dan berkelanjutan [9].

3 3 Salah satu bahan yang dapat digunakan dalam pembuatan biodiesel adalah minyak goreng bekas/minyak jelantah (Waste Cooking Oil/WCO). Minyak jelantah adalah bahan baku yang menjanjikan sebagai pengganti dari minyak nabati untuk produksi biodiesel [2]. Hal ini karena minyak jelantah merupakan sisa bekas penggorengan minyak goreng. Selain itu, harga minyak jelantah kira-kira % lebih murah dari minyak goreng murni sehingga dapat mengurangi harga produksi biodiesel secara efektif hingga % [2; 10 ; 11]. Lebih lagi, produksi biodiesel dari minyak jelantah tidak hanya menghindari kompetisi dari penggunaan WCO sebagai sumber pangan tetapi juga dapat memecahkan berbagai masalah limbah pembuangan WCO. Diperkirakan bahwa sekitar 20 ribu - 29 juta ton WCO dihasilkan per tahun [10 ;12]. Metode yang umum digunakan dalam menghasilkan biodiesel adalah transesterifikasi.transesterifikasi (alkoholisis) adalah reaksi kimia antara minyak atau lemak dengan alkohol yang dikatalisasi oleh katalis asam atau basa untuk membentuk ester dan gliserol [13]. Alkohol seperti metanol, etanol, propanol, butanol dan amil alkohol dapat digunakan dalam proses transesterifikasi [14]. Umumnya, metanol dan etanol merupakan yang paling banyak digunakan sebagai katalis untuk mempercepat reaksi transeterifikasi, karena biayanya murah dan keuntungan fisik dan kimianya dibandingkan dengan alkohol rantai panjang [1; 13; 15]. Oleh Karena itu dalam penelitiaan ini, digunakan Kulit buah kakao (CPH)sebagai katalis basa heterogen dalam pembuatan biodiesel berbasis minyak jelantah sebagai bahan baku, dan metanol sebagai pelarut (reaktan). Adapun beberapa penelitian sebelumnya yang mendukung penelitian ini adalah

4 Tabel 1.1 Penelitian-penelitian Terdahulu tentang Pembuatan Biodiesel dengan Menggunakan Katalis Kalium Oksida Katalis Judul Penelitian Variabel Proses Konversi / Yield bahan baku : Jatropha curcas oil (minyak bijik jarak) Pelarut : Etanol Metode: : Transesterifikasi dan Cocoa Pod Husk: A New Source Ekstraksi Enzim Lipase dari Kulit of CLEA-Lipase for Preparation Kakao Oflow-Cost Biodiesel: an Rasio Molar minyak : Etanol = 1 Optimized Process : 4, 1 : 6, 1:8 [16] T reaksi = 70 o C t reaksi = 2, 4, 6 jam % katalis = 2,3,4 % Pengadukan = rpm Cocoa pod husk (Abu kulit kakao) Hasil analisa diperoleh yield tertinggi dari asam lemak bebas dan gliserida menjadi biodiesel sebesar 93 % pada rasio mol minyak : etanol 1:6, katalis 3 % (b/b) dan waktu reaksi 4 jam Cocoa Pod husk (CPA) dan Rice husk ash (RHA) Production of Biodiesel from Parinari polyandra B. Seed Oil using Bio-Based Catalysts [17] Bahan baku : Parinari Polyandra B. Seed Oil Rasio Molar minyak : Metanol = 1 : 6 T reaksi = 2 jam T kalsinasi 600 o C t kalsinasi = 35 menit % katalis = 0,5-4 % Dari hasil analis GC/MS dari setiap biodiesel 1 % KOH memberiakn yield 99,94 %, 4 % CPA memberikan yield 98,61 % sedangkan 2 % RHA memberikan yield 88,85 % 4

5 5 Tabel 1.1 Penelitian-penelitian Terdahulu tentang Pembuatan Biodiesel (Lanjutan) Cocoa Pod Husk (Abu kulit kakao) Biodiesel Production in Nigeria using Cocoa Pod Ash as a Catalyst Base [18] Bahan baku : waste vegetable oil Rasio Molar minyak : Metanol = 1 : 50 T reaksi = 60 o C t reaksi = 5 jam T kalsinasi = 490 o C t Kalsinasi = 6 jam % kalsinasi = 5 % Yield biodiesel tertinggi yang dihasilkan adalah 94 % Cocoa Pod Husk (Abu kulit kakao : MgO) dan CPH ash The Potential of using Cocoa Pod Husks as Green Solid Base Catalysts for the Transesterification of Soybean Oil into Biodiesel: Effects of Biodiesel on Engine Performance [4] Bahan baku : Soybean oil (minyak kedelai) Rasio Molar minyak: Metanol = 1 : 6 (untuk CPH/MgO dan CPH ash catalysts) T reaksi = 40, 50, 60, 70, 80 o C (untuk katalis CPH/MgO dan CPH ash) t reaksi = 60 menit (untuk katalis CPH/MgO) dan 120 menit (untuk katalis CPH % katalis = 0,5 ; 1 ; 1,5 % T kalsinasi = 650 o C t Kalsinasi = 4 jam Hasil bioiesel yang diperoleh adalah 98,7 % untuk katalis 1 % CPH/MgO pada T reaksi 60 o C selama 60 menit dan 91,4 % untuk 1 % abu CPH pada 60 o C selama 120 menit 5

6 6 Tabel 1.2 Penelitian-penelitian Terdahulu tentang Pembuatan Biodiesel dari Minyak Jelantah Katalis Basa NaOH Calcium Diglyceroxide A Two-Step Biodiesel Production Process from Waste Cooking Oil via Recycling Crude Glycerol Esterification Catalyzed by Alkali Catayst [10] Enhancement in biodiesel production using waste cooking oil and calcium diglyceroxide as a heterogeneous catalyst in presenceof ultrasound [11] Bahan baku : Waste Cooking Oil (Minjak jelantah) Rasio Metanol : Minyak dari 0.8:1 sampai 1.7:1 dengan interval 0,1 :1 % katalis : 0% sampai 0.7 % (b/b) dengan interval 0.1 % (b/b) T reaksi : 190, 200, dan 210 C t reaksi : 2, 3, dan4 jam Metode : Esterifikasi dengan katalis NaOH dan melalui daur ulang gliserol mentah hasil esterifikasi Pelarut : Metanol Metode : Transesterifikasi Rasio Molar minyak : Metanol = 1 : 6, 1:9, 12:1, 14:1 T reaksi = 45, 50, 55, 60, 65 o C t reaksi = 5-40menit (interval 5 menit) % katalis = 0,5; 0,75; 1; 1,25 % Hasil: Konversi FFA dalam WCO (kadar asam : 124,9 mg KOH/g) menjadi asilgliserol 99,6 % dibawah kondisi optimal (1,4:1 rasio molar gliserol menjadi FFA, 4 jam, 210 o C, beban katalis 0,5 % berat berdasarkan berat WCO. Setelah transesterifikasi dari ester WCO dengan katalis metanol oleh NaOH, produk yield terakhir adalah 93,1 % berat dan 98,6 % berat dari asam lemak metil ester (FAME) Kondisi reaksi optimal yaitu pada rasio metanol : minyak 9:1, persen katalis 1% (b/b) dari WCO, temperatur reaksi 60 o C, kekuatan intensitas rendah ultrasonik 120 W memberikan yield maksimum sebesar 93,5 % 6

7 7 Berdasarkan uraian diatas, diperlukan penelitian lebih lanjut tentang potensi penggunaan katalis heterogen K 2 O hasil kalsinasi dari limbah kulit buah kakao dengan mengkaji pengaruh suhu kalsinasi untuk menghasilkan kemurnian dan yield biodiesel, memperoleh kajian lebih lanjut tentang karakteristik analisa proksimat, kandungan komponen dan morfologi dari katalis abu kulit kakao sertamemperoleh kondisi maksimum padapengujian katalis abu kulit buah kakao dalam pembuatan biodiesel berbasis minyak goreng bekas (WCO) dengan proses transesterifikasi. 1.2 RUMUSAN MASALAH Kulit buah kakao merupakan limbah pertanian yang belum dimanfaatkan secara optimal. Selama ini limbah kulit biah kakao biasanya dibuang di tempat pembuangan sampah kota, yang berkontribusi terhadap masalah lingkungan yang ada. Kulit buah kakao memiliki kandungan mineral yang tinggi berupa K 2 CO 3 untuk dimanfaatkan sebagai katalis basa heterogen.kulit buah kakao (CPH) setelah mengalami proses kalsinasi akan menghasilkan K 2 O yang berpotensi dapat digunakan sebagai katalis untuk produksi biodieseldari minyak jelantah. Penelitian ini diarahkan kepada penyelidikan potensi penggunaan katalis heterogen K 2 O hasil kalsinasi dari limbah kulit buah kakao, pengaruh variasi suhu kalsinasi katalis kulit buah kakao untuk menghasilkan kemurniaan dan yield biodiesel yang tinggi dari Minyak Jelantah. Untuk itu perlu dilakukan penelitiaan untuk memperoleh pengaruh katalis kulit kakao, variasi suhu kalsinasi katalis,pengujian katalis dalam produksi biodiesel, memperoleh analisa proksimat, komponen dan morfologi dari katalis dan kondisi maksimum dari variabel operasi terhadap kemurniaan dan yield biodiesel berbasis minyak jelantah. 1.3 TUJUAN PENELITIAN Adapun tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Memperoleh pengaruh variasi suhu kalsinasi katalis terhadap kemurniaan dan yield. 2. Memperolehanalisa proksimat, komponen dan morfologi dari katalis abu kulit kakao hasil kalsinasi.

8 8 3. Mendapatkan kondisi maksimum dari variabel proses dalam pengujian katalis buah kakao dalam produksi biodiesel berbasis minyak jelantah. 4. Memperoleh kemampuan katalis heterogen kulit kakao dalam pembuatan biodiesel. 1.4 MANFAAT PENELITIAN Manfaat dari penelitian yang dilakukan adalah : 1. Memberikan informasi katalis basa heterogen Kulit kakao dalam pembuatan biodiesel berbasis WCO (Waste Cooking Oil) 2. Memperoleh pengaruh variasi suhu kalsinasi katalis terhadap kemurniaan dan yield biodiesel yang dihasilkan. 3. Sebagai bahan referensi dan informasi kepada peneliti selanjutnya yang tertarik untuk meneliti dan mengembangkan proses dengan katalis kulit kakao ini. 4. Memanfaatkan limbah kulit buah kakao dan minyak jelantah menjadi produk yang lebih berguna sekaligus mengatasi masalah limbah minyak jelantah. 1.5 RUANG LINGKUP 1. Penelitian dilakukan di Laboratorium Penelitian, Laboratorium Proses Industri Kimia, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 2. Bahan baku yang digunakan adalah Waste Cooking Oil (WCO) yang diperoleh dari penjual makanan gorengan yang ada di sekitar kampus USU, Kulit buah kakao (K 2 O) sebagai katalis, dan bahan kimia seperti Aquadest (H 2 O), Karbon Aktif, Natrium Hidroksida (NaOH), Phenolftalein (C 20 H 14 O 4 ), Metanol (CH 3 OH), Etanol (C 2 H 5 OH). 3. Penelitian ini dilaksanakan dengan 4 tahapan proses yaitu persiapan kulit buah kakao sebagai katalis, proses persiapan bahan baku, proses penurunan FFA bahan baku (Waste Cooking Oil)dan pengujian katalis dalam pembuatan biodiesel berbasis minyak jelantah (WCO).

9 9 1. Proses Persiapan Kulit Buah KakaoSebagai Katalis Adapun proses persiapan kulit buah kakao sebagai katalis dengan mengadopsi prosedur yang dilakukan oleh Ofori-Boateng and Keat [4] dan Khanahmadi et al. [16] antara lain: Kulit buah kakao dicuci bersih dan dipotong ukuran kecil dan dikeringkan di bawah sinar matahari selama 2 minggu. Kulit kering dihaluskan dengan ballmill dan diayak dengan ayakan 100 mesh. Temperatur Kalsinasi : 650, 700, dan C. Waktu Kalsinasi : 4 jam [4]. Abu hasil kalsinasi di analisa dengan metode AAS (Atomic Absorption Spectrometer). 2. Proses Persiapan Bahan Baku Adapun proses persiapan bahan baku dengan mengadopsi prosedur yang dilakukan oleh Tan, et al. [19] antara lain: Penyaringan bahan baku minyak jelantah dengan kertas saring. Bahan baku ditampung dan didiamkan selama beberapa hari. Terbentuk dua lapisan emulsi minyak-air. Emulsi minyak - air dipanaskan selama ± 30 menit pada suhu 110 o C untuk menghilangkan kandungan air dengan menggunakan hot plate. Analisa bahan baku dengan menggunakan GC (Gas Chromatography). 3. Proses Penurunan FFA Bahan Baku (Waste Cooking Oil) Adapun proses penurunan FFA bahan baku (Waste Cooking Oil) dengan mengadopsi prosedur yang dilakukan dengan Putra, et al. [42] : Penyaringan langsung dengan menggunakan kertas saring untuk menghilangkan zat padat. Minyak dipanaskan sampai 110 o C selama ± 15 menit dengan menggunakan hot plate.

10 10 Sebanyak 1 % (b/b) karbon aktif dari minyak dituangkan ke dalam minyak dan kemudian diaduk selama 80 menit. Campuran tersebut kemudian disaring Kadar FFA dari minyak jelantah <1%, dilanjutkan proses transesterifikasi. Adapun pengujiaan Analisa yang akan dilakukan pada produksi Biodiesel yang dihasilkan antara lain: 1. Analisa proksimat katalis buah kakao yang meliputi analisa kadar air (Moisture), Volatile matters, kadar abu, rendemen abu, fix carbon, dan ph 2. Analisa kadar K 2 O dari K 2 CO 3 setelah kalsinasi dengan metode AAS dan analisa SEM-EDS. 3. Analisa kadarfree Fatty Acid (FFA) bahan baku WCO dengan metodeaocs ca5a Analisa komposisi bahan baku WCO dan biodiesel yang dihasilkan dengan menggunakan GC (Gas Chromatography) type Shimadzu QP 2010 Brands. 5. Analisa viskositas biodiesel yang dihasilkan dengan metode ASTM D Analisa densitas biodiesel yang dihasilkan dengan metode OECD 109.