ANALISIS KINETIKA REAKSI TRANSESTERIFIKASI PADA PRODUKSI BIODIESEL SECARA KATALITIK DENGAN STATIC MIXING REACTOR SULASTRI PANGGABEAN

Transkripsi

1 ANALISIS KINETIKA REAKSI TRANSESTERIFIKASI PADA PRODUKSI BIODIESEL SECARA KATALITIK DENGAN STATIC MIXING REACTOR SULASTRI PANGGABEAN SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2011

2 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Analisis Kinetika Reaksi Transesterifikasi pada Produksi Biodiesel secara Katalitik dengan Static Mixing Reactor adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi mana pun. 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 tesis ini. Bogor, Agustus 2011 Sulastri Panggabean NRP F

3

4 ABSTRACT SULASTRI PANGGABEAN. Analysis of Kinetic Transesterification Reaction in Catalytic Biodiesel Production with Static Mixing Reactor. Under supervision of LEOPOLD O. NELWAN and ARMANSYAH H TAMBUNAN Catalytic process of biodiesel production requires rigorous mixing and a certain amount of catalyst itself in order to obtain the proper result of the process. Hipotetically, a good mixing can reduce the amount of required catalyst for a certain results. In this study, a static mixing reactor with KOH as catalyst was used to produce biodiesel. The objective of the study were (1) to evaluate the affect of decreassing the amount of KOH required as catalyst for the biodiesel production in the static mixing reactor (2) to study the kinetics of the reaction. The result showed that the percentage of catalyst greatly affected the reaction conversion, yield and kinetics of the transesterification reaction at the beginning of the reaction and declined afterward, because its ability nearly reached its maximum capacity. The model of reaction order that most appropriate to describe the condition of transesterification in this study was a pseudo third-order model. The activation energy was kj mol -1, and the influence of static mixers in the reactor was indicated by the value of the collision frequency factor (1.95 x 10 8 min -1 ). In other words, the presence of static mixer has a significant influence in accelerating the reaction. Keywords: activation energy, biodiesel, catalytic reaction, reaction order, static mixer, transesterificastion

5

6 RINGKASAN SULASTRI PANGGABEAN. Analisis Kinetika Reaksi Transesterifikasi pada Produksi Biodiesel secara Katalitik dengan Static Mixing Reactor. Dibimbing oleh LEOPOLD O. NELWAN dan ARMANSYAH H TAMBUNAN. Biodiesel merupakan bahan bakar diesel yang diproduksi dari ester asam lemak atau minyak nabati yang merupakan sumber terbarukan (renewable). Proses produksi biodiesel dibagi ke dalam dua proses, yaitu secara katalitik dan non-katalitik. Metode non-katalitik masih memiliki beberapa kelemahan, yaitu nilai rasio energi yang masih kecil dan laju reaksi yang masih lambat. Sehingga, proses secara katalitik masih menjadi pilihan utama dalam proses produksi biodiesel untuk skala besar. Proses produksi secara katalitik membutuhkan bantuan katalis untuk mempercepat terjadinya reaksi trigliserida dan metanol dengan cara menurunkan energi aktivasi. Disamping itu, metode katalitik memerlukan pengadukan yang kuat (rigorous stirring) karena sifat TG dan metanol yang sulit untuk saling tercampur (immiscible). Dan untuk mengatasi masalah pengadukan tersebut, pada penelitian ini digunakan static mixer. Katalis yang biasa digunakan adalah katalis basa (NaOH atau KOH). Pengurangan pemakaian katalis menjadi salah satu pokok bahasan dalam proses secara katalitik. Reaktor yang dilengkapi dengan static mixer diharapkan menjadi solusi yang tepat dalam memecahkan permasalahan ini. Static mixer merupakan suatu alat yang dapat digunakan untuk mencampur dua jenis fluida atau lebih tanpa kerja mekanik, hanya memanfaatkan aliran dan kekentalan fluida. Bentuk mixer yang berupa ulir membagi aliran fluida menjadi partikel-partikel fluida sehingga dapat bercampur dengan baik. Proses reaksi dalam static mixer memanfaatkan tumbukan antar partikel senyawa yang bereaksi, dimana semakin besar tumbukan yang terjadi dalam reaktor, maka reaksi antar partikel juga akan semakin besar, karena kontak antar bidang permukaan partikel akan semakin sering. Prinsip kerja reaktor dengan static mixer adalah membagi aliran fluida menjadi partikel-partikel fluida yang lebih homogen sehingga mempermudah proses difusi dan diharapkan akan terjadi reaksi antara trigliserida dengan gas metanol, kemudian keluar dalam bentuk campuran biodiesel dan gliserol. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan kajian pengolahan biodiesel secara katalitik dengan mengunakan static mixing reactor (SMR) dan melakukan analisis kinetika transesterifikasi yang terjadi akibat pengurangan KOH pada proses produksi biodiesel yang menggunakan static mixing reactor (SMR). Sistem produksi yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah sistem batch, dimana umpan (3000 ml) dimasukkan seluruhnya sebelum proses dijalankan. Adapun beberapa kondisi yang diperlukan demi tercapainya tujuan tersebut adalah temperatur proses (30, 40 dan 60 o C), mol rasio (1:6 merupakan perbandingan antara mol minyak dengan mol metanol), jumlah katalis (0.3, 0.4, dan 0.5% w/w) dan waktu pemutaran bahan (10, 20, dan 30 menit). Hasil yang diperoleh kemudian dianalisis (konversi dan yield), dan kinetika transesterifikasi. Dengan demikian, diharapkan dapat memberikan informasi tentang proses produksi biodiesel secara katalitik dengan sistem pengadukan statis.

7 Dari hasil penelitian diperoleh nilai konversi tertinggi sebesar % (mol/mol) yang terjadi pada perlakuan temperatur 60 o C, KOH sebanyak 0.5% w/w dalam waktu 30 menit pemutaran bahan. Demikian pula dengan nilai yield tertinggi (96.15% w/w) terjadi pada kondisi perlakuan yang sama. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai persentase katalis dan static mixer memberikan pengaruh yang sangat besar terhadap nilai konversi, yield dan kinetika reaksi yang terjadi pada awal reaksi, kemudian pengaruhnya berkurang setelah 10 menit. Sehingga, model orde reaksi yang paling sesuai untuk menggambarkan kondisi tersebut dalam penelitian ini adalah model reaksi pseudo-orde ketiga. Energi aktivasi yang dibutuhkan pada proses tersebut sebesar kj mol -1, dan dengan nilai faktor frekuensi tumbukan yang terjadi sebesar 1.95 x 10 8 menit -1. Kata kunci: biodiesel, energi aktivasi, orde reaksi, static mixer, transesterifikasi

8 Hak Cipta milik IPB, tahun 2011 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB

9

10 ANALISIS KINETIKA REAKSI TRANSESTERIFIKASI PADA PRODUKSI BIODIESEL SECARA KATALITIK DENGAN STATIC MIXING REACTOR SULASTRI PANGGABEAN Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2011

11 Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr. Ir. Usman Ahmad, M. Agr

12 Judul Tesis : Analisis Kinetika Reaksi Transesterifikasi pada Produksi Biodiesel secara Katalitik dengan Static Mixing Reactor Nama : Sulastri Panggabean NRP : F Disetujui Komisi Pembimbing Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, M.Si Ketua Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan Anggota Diketahui Ketua Mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan Dekan Sekolah Pascasarjana Dr. Ir. Setyo Pertiwi, M. Agr Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc. Agr Tanggal Ujian: 05 Agustus 2011 Tanggal Lulus:

13 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia- Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Januari 2011 ini ialah biodiesel, dengan judul Analisis Kinetika Reaksi Transesterifikasi pada Produksi Biodiesel secara Katalitik dengan Static Mixing Reactor. Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, M.Si dan Bapak Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan selaku pembimbing, serta Bapak Dr. Ir. Usman Ahmad, M. Agr yang telah memberi banyak saran. Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Dirjen Dikti-Kemendiknas RI atas biaya penelitian melalui hibah kompetitif penelitian kerjasama luar negeri dan publikasi internasional. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayahanda A. Madjid Panggabean, ibunda Mariana Sinurat, kakanda Zakiyah Panggabean, Syirajuddin Munir Putra Panggabean dan Misbah Munawar Panggabean, serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat. Bogor, Agustus 2011 Sulastri Panggabean

14 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Tarutung pada tanggal 17 April 1985 dari ayah Abdul Madjid Panggabean dan ibu Mariana Sinurat. Penulis merupakan putri terakhir dari empat bersaudara. Tahun 2003 penulis lulus Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru (SPMB). Penulis memilih program studi Teknik Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Sumatera Utara dan lulus pada tahun Kemudiaan pada Tahun 2009 diterima di Sekolah Pascasarjana Mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Selama mengikuti program S2, penulis pernah menjadi asisten praktikum mata kuliah Teknik Konversi Bioenergi untuk judul praktikum Biodiesel pada tahun ajaran 2010/2011.

15 DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL... iv DAFTAR GAMBAR... DAFTAR LAMPIRAN... vii DAFTAR SINGKATAN... viii DAFTAR SIMBOL... PENDAHULUAN... 1 Latar Belakang... 1 Tujuan Penelitian... 4 Manfaat Penelitian... 4 TINJAUAN PUSTAKA... 5 Bahan Bakar Biodiesel... 5 Proses Produksi Biodiesel... 7 Produksi Biodiesel secara Katalitik... 8 Mekanisme Pengadukan Konvensional Blade Agitator Static Mixer Aliran Fluida dalam Pipa Kinetika Reaksi Transesterifikasi Laju Reaksi dan Orde Reaksi Transesterifikasi Persamaan Arrhenius METODE Tempat dan Waktu Bahan dan Alat Prosedur Penelitian HASIL DAN PEMBAHASAN Static Mixing Reactor Analisis Kebutuhan Daya Proses Produksi Biodiesel secara Katalitik dengan Static Mixing Reactor Konversi Reaksi Produksi Metil Ester dan Yield Biodiesel Kinetika Reaksi Transesterifikasi Laju Reaksi Orde Reaksi dan Konstanta Laju Reaksi Energi Aktivasi dan Faktor Frekuensi Tumbukan Simulasi Pendugaan Waktu Proses Transesterifikasi KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA v x

16 DAFTAR TABEL Halaman 1 Pemakaian katalis basa pada produksi biodiesel Pola pengambilan sampel Nilai parameter hasil perhitungan Kebutuhan Head pompa Kebutuhan daya berdasarkan perhitungan Data hasil penelitian Konstanta laju reaksi Perbandingan energi aktivasi pada beberapa penelitian lain Energi aktivasi dengan menggunakan dua tahap perhitungan Simulasi waktu proses pencapaian nilai SNI... 50

17 DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Persamaan stoikiometri reaksi transesterifikasi trigliserida menjadi biodiesel Tahapan reaksi transesterifikasi trigliserida menjadi biodiesel (R COOR) Pengaruh katalis terhadap energi aktivasi (Clark 2004) Pola aliran di dalam bejana tanpa buffle pada sistem pengadukan dengan blade agitator (McCabe et al. 1993) Pembagian aliran dan pencampuran radial cairan di dalam static mixer (Bor dan Thomas 1971) Pembagian aliran di mixer adalah fungsi dari jumlah elemen dalam static mixer (Bor dan Thomas 1971) Aliran fluida dalam static mixing reactor (Admix 2010b) Skematik static mixing reactor Reaktor Elemen static mixer Rangkaian elemen static mixer Alat (Static mixing reactor) Diagram alir penelitian Pola pencampuran dalam static mixer (Kenics 1998) Sampel (a) minyak (RBDPO), (b) biodiesel crude (layer atas) dan gliserol (layer bawah), (c) biodiesel crude, dan (d) biodiesel Konversi reaksi pada temperatur 60 oc dengan KOH 0.3 %, 0.4 % dan 0.5 % (w/w) Konversi reaksi pada KOH 0.5 % (w/w) dan temperatur 30, 40, 60 oc Hubungan antara temperatur dan produk yang dihasilkan tiap waktu pemutaran bahan Hubungan antara yield biodiesel dan waktu pemutaran bahan berdasarkan % KOH Kadar metil ester tiap perlakuan suhu dengan KOH 0.5% selama 30 menit pada alat static mixing reactor Kadar metil ester (% w/w) tiap perlakuan suhu dengan KOH 1% selama 30 menit pada alat blade agitator (Alamsyah 2010) Perubahan kadar metil ester tiap 10 menit pemutaran bahan pada temperatur 60 oc... 40

18 vi 23 Model reaksi transesterifikasi pseudo-orde ketiga pada perlakuan temperatur 40 oc Penentuan nilai energi aktivasi dengan model reaksi pseudo-orde ketiga Hasil simulasi model reaksi pseudo-orde ketiga pada perlakuan temperatur 60 oc dan KOH 0.5% w/w Nilai fraksi massa biodiesel selama 6 menit waktu reaksi pada perlakuan temperatur 60 oc (Frascari et al. 2009) Hasil simulasi fraksi massa biodiesel selama 6 menit waktu reaksi pada perlakuan temperatur 60 oc dan KOH 0.5% w//w Hasil simulasi nilai metil ester selama 50 menit waktu reaksi pada perlakuan temperatur 60 oc dan KOH 0.5% w/w... 49

19 DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Proses pabrikasi alat, komponen alat dan alat utuh Langkah-langkah penelitian Persiapan bahan Proses sampling Metode pengujian menurut SNI Syarat mutu biodiesel ester alkil berdasarkan SNI Hasil analisis laboratorium Penghitungan konversi reaksi dan Yield biodiesel Penentuan konstanta laju reaksi Perbandingan antara hasil simulasi dan eksperimen untuk seluruh perlakuan... 72

20 DAFTAR SINGKATAN A : Faktor frekuensi (mol -1 ) A, B : Konsentrasi reaktan A dan B yang bereaksi (mol) a, b : Orde reaksi terhadap A, B Aa : Angka asam (mg KOH g -1 biodiesel ) As : Angka penyabunan (mg KOH g -1 biodiesel ) Cp : Panas jenis campuran (kj kg -1 o C -1 ) CPO : Crude palm oil D : Diameter (m) DG : Digliserida EA : Energi aktivasi (kj mol -1 ) f : Koefisien kerugian FAME : Fatty acid methyl esterified FFA : Free fatty acid g : Percepatan gravitasi (m s -2 ) Gttl : Kadar gliserol total (%-massa) H : Head (m) k : Konstanta laju reaksi (mol -1 ) KOH : Kalium hidroksida L : Panjang (m) m : Massa (m) MeOH : Metanol MG : Monogliserida ME : Methyl esterified Mf : Fraksi mol n : Mol NaOH : Natrium hidroksida P : Daya Pompa (W) PA : Pro analysis Pf : Daya Fluida P h : Daya Heater (W)

21 ix Q : Debit (m 3 s -1 ) q : Kalor (kj) R : Konstanta atau tetapan gas (8.314 J K -1 mol -1 ) r : Laju reaksi (mol s -1 ) Re : Bilangan Reynold SMR : Static mixing reactor SNI : Standar nasional Indonesia SS304 : Stainless steel 304 T : Temperatur (Kelvin). t : Waktu TG : Trigliserida ume : un methyl esterified V : Volume (l) v : Kecepatan (m s -1 ) w/w : weight/weight

22 DAFTAR SIMBOL α : Konversi reaksi (mol mol -1 ) η p : Efisiensi pompa (%) ρ : Densitas metanol (kg m -3 ) ν : Viskositas (m 2 s -1 )

23 PENDAHULUAN Latar Belakang Biodiesel merupakan minyak diesel yang diproduksi dari ester asam lemak atau minyak nabati (minyak kelapa, minyak kelapa sawit, minyak jarak, minyak jagung, minyak biji bunga matahari, lemak hewan dan lain-lain) yang merupakan sumber terbarukan (renewable). Khusus di Indonesia, bahan baku yang paling berpotensi adalah minyak kelapa sawit, karena Indonesia memiliki lahan perkebunan kelapa sawit yang luas, sehingga mampu menyediakan bahan baku untuk konsumsi dalam negeri maupun untuk ekspor. Metode produksi biodiesel berbahan baku minyak kelapa sawit dapat dibedakan ke dalam dua cara, yaitu secara katalitik dan non-katalitik. Proses produksi secara katalitik membutuhkan bantuan katalis untuk mempercepat terjadinya reaksi antara asam lemak bebas (FFA)/trigliserida dan metanol/etanol. Dengan adanya katalis, maka energi yang dibutuhkan untuk terjadinya reaksi (energi aktivasi) dapat diturunkan. Sehingga jumlah partikel yang mampu bereaksi dapat bertambah. Katalis yang digunakan dapat berupa katalis asam (untuk FFA tinggi), katalis basa (untuk FFA rendah) dan katalis enzim (untuk FFA tinggi). Proses produksi secara non-katalitik memiliki beberapa keunggulan, baik dari segi ketersediaan bahan baku pendukung maupun kesederhanaan proses produksi. Proses secara non-katalitik tidak membutuhkan katalis sehingga proses yang berlangsung lebih sederhana, namun membutuhkan kondisi tertentu untuk mencapai energi aktivasi yang dibutuhkan sehingga reaksi antara FFA/trigliserida dengan metanol/etanol dapat berlangsung. Energi aktivasi dapat dicapai dengan menaikkan tekanan maupun temperatur, salah satunya dengan mencapai kondisi supercritical methanol (Kusdiana dan Saka 2001). Proses pencapain kondisi supercritical methanol membutuhkan biaya produksi yang cukup tinggi dan lebih beresiko terhadap terjadinya ledakan akibat tekanan tinggi yang disertai dengan temperatur tinggi. Permasalahan tersebut dapat diatasi dengan membuat kondisi superheated methanol vapor yaitu

24 2 temperatur tinggi dan tekanan atmosfer. Namun, sistem ini masih memiliki kelemahan yaitu laju reaksi proses secara non-katalitik dengan kondisi superheated methanol vapor masih rendah. Sehingga, proses secara katalitik masih menjadi pilihan utama dalam proses produksi biodiesel untuk skala besar. Pada proses secara katalitik yang melibatkan FFA dalam jumlah besar (proses dengan katalis asam atau enzim) membutuhkan waktu yang lebih lama untuk menghasilkan produk yang diinginkan. Hal tersebut dapat diatasi dengan pemakaian katalis basa. Namun, FFA minyak harus diturunkan terlebih dahulu melalui proses esterifikasi, karena pemakaian katalis basa pada proses yang melibatkan FFA tinggi dapat menghasilkan produk sampingan berupa sabun dan air yang dapat menurunkan kualitas metil/etil ester (biodiesel) yang dihasilkan. Oleh karena itu, penelitian proses produksi biodiesel secara katalitik lebih diarahkan pada penggunaan katalis basa dan FFA di bawah 1%, dengan mengoptimalkan pemakaian katalis. Katalis basa yang biasa digunakan adalah NaOH atau KOH. Dari beberapa hasil penelitian menunjukkan bahwa persentase KOH yang digunakan umumnya sebesar 1% w/w atau masih lebih banyak jika dibandingkan dengan persentase NaOH (dapat digunakan pada persentase kecil, yaitu dibawah 0.5% w/w). Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian yang dapat menurunkan pemakaian KOH tetapi tetap menghasilkan metil ester yang masuk dalam standard SNI (minimal 96.5 % w/w). Selain pemakaian katalis, energi aktivasi dapat dicapai melalui perlakuan temperatur yang tepat dan meningkatkan frekuensi tumbukan antar partikel reaktan. Peningkatan temperatur dapat dilakukan dengan menggunakan heater dan frekuensi tumbukan dapat ditingkatkan melalui pengadukan. Proses produksi dengan metode katalitik juga memerlukan system pengadukan yang kuat (rigorous mixing) agar TG dan MeOH yang bersifat immiscible (tidak saling tercampur) dapat bercampur dengan baik. Sistem pengadukan atau pencampuran mekanis sudah banyak dilakukan dalam proses produksi biodiesel. Namun, sistem yang melibatkan moving parts perlu dihindari karena dapat menambah biaya perawatan dan umur ekonomis alat akan cenderung singkat. Hal ini dapat diatasi dengan pemakaian alat yang dapat menjalankan

25 3 fungsinya sebagai pengaduk dan pencampur, namun bekerja dalam kondisi statis. Salah satunya adalah dengan memanfaatkan static mixer. Pemakaian static mixer sudah mulai digunakan dalam pencampuran katalis pada proses produksi biodiesel secara katalitik. Kegunaan dari static mixer tersebut dalam hal ini adalah untuk membantu fungsi katalis dalam mempercepat terjadinya reaksi. Penelitian untuk membuktikan hal tersebut telah dilakukan oleh Alamsyah (2010). Dari hasil penelitian tersebut diperoleh bahwa pemakaian static mixer dalam proses produksi biodiesel secara katalitik dapat menurunkan waktu reaksi. Hal inilah yang menjadi salah satu dasar pertimbangan pemakaian static mixer dalam reaktor untuk memproduksi biodiesel secara katalitik. Static mixing reactor (SMR) terdiri dari static mixer yang merupakan suatu alat yang dapat digunakan untuk mencampur dua jenis fluida atau lebih tanpa kerja mekanik, hanya memanfaatkan aliran dan kekentalan fluida. Untuk mencapai energi aktivasi yang dibutuhkan, maka SMR dilengkapi dengan sistem pemanas (heater) sehingga temperatur reaksi yang sesuai dapat tercapai dan reaksi antara FFA/trigliserida dengan metanol/etanol dapat berlangsung dengan baik untuk menghasilkan biodiesel. Cara kerja SMR adalah membentuk atau meningkatkan turbulensi aliran campuran FFA/trigliserida dan metanol/etanol, sehingga partikel-partikel dari campuran ini menjadi lebih kecil (luas permukaan kontak partikel menjadi lebih besar) dan dapat bercampur dengan baik. Turbulensi aliran yang terbentuk pada kondisi temperatur yang sesuai dan dengan pemakaian sedikit katalis diharapkan dapat mempercepat terjadinya reaksi antara FFA/trigliserida dan metanol/etanol karena frekuensi tumbukan yang terjadi dalam reaktor semakin besar sehingga jumlah partikel energik bertambah. Karena semakin besar tumbukan yang terjadi, maka reaksi antar partikel juga akan semakin besar, karena kontak antar bidang permukaan partikel akan semakin sering. Dengan demikian, perlu dilakukan analisis pengurangan jumlah katalis KOH dalam proses produksi biodiesel secara katalitik dan analisis kinetika reaksi yang terjadi selama reaksi transesterifikasi. Dari hasil analisis tersebut dapat disimulasikan kebutuhan waktu proses agar reaksi dapat berlangsung untuk menghasilkan nilai metil ester yang masuk ke dalam nilai SNI (min. 96.5% w/w).

26 4 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah: - Melakukan kajian proses produksi biodiesel secara katalitik dengan menggunakan static mixing reactor (SMR) sistem batch - Melakukan kajian pengurangan jumlah KOH dalam produksi biodiesel secara katalitik dengan menggunakan static mixing reactor (SMR) sistem batch - Menganalisis kinetika reaksi transesterifikasi yang terjadi selama proses produksi biodiesel secara katalitik dengan menggunakan static mixing reactor (SMR) sistem batch - Melakukan simulasi untuk menduga waktu proses transestrifikasi yang dibutuhkan agar nilai metil ester yang dihasilkan memenuhi nilai SNI (minimal 96.5% w/w) Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang kinetika reaksi transesterifikasi proses produksi biodiesel secara katalitik dengan sistem pengadukan statis.

27 TINJAUAN PUSTAKA Bahan Bakar Biodiesel Biodiesel adalah istilah untuk bahan bakar berbasis mono-alkil ester yang terbuat dari sumber terbarukan seperti minyak sayur yang baru/telah digunakan dan lemak hewan (Agarwal 2006). Pemanfaatan biodiesel sebagai bahan bakar alternatif disebabkan oleh karakteristiknya mirip dengan diesel konvensional dan berasal dari sumber yang terbarukan (Kim et al. 2007). Dengan demikian, penggunaannya tidak memerlukan modifikasi maupun penggantian komponenkomponen mesin. Bahan bakar ini ramah lingkungan dan berkontribusi dalam mengurangi pemanasan global dan polusi udara karena bahan yang digunakan merupakan karbon netral dan rendah kandungan sulfur, serta mengurangi emisi yang mengandung hidrokarbon (seperti karbonmonoksida) (Yadav et al. 2010), bilangan asap (smoke number) yang rendah, memiliki cetane number yang lebih tinggi sehingga pembakaran lebih sempurna (clear burning), memiliki sifat pelumasan terhadap piston mesin, dan dapat terurai (biodegradabe) sehingga tidak menghasilkan racun (non toxic). Selain itu, Gerpen (2005) mengungkapkan bahwa terdapat sekurangnya lima alasan pengembangan biodiesel, antara lain: 1 Menyediakan pasar untuk kelebihan produksi minyak dan lemak hewan 2 Mengurangi, meskipun tidak menghilangkan, ketergantungan negara dalam mengimpor petroleum. 3 Biodiesel merupakan bahan bakar yang dapat diperbaharui dan mengurangi dampak pemanasan global karena siklus karbonnya yang tertutup. Analisis siklus hidup biodiesel menunjukkan bahwa keseluruhan emisi CO 2 berkurang sebesar 78% dibandingkan dengan bahan bakar diesel berbahan petroleum. 4 Emisi buang karbon monoksida, hidrokarbon yang tidak terbakar, dan emisi partikel padat dari biodiesel lebih rendah dibandingkan bahan bakar diesel.

28 6 5 Ketika ditambahkan ke dalam bahan bakar diesel yang reguler dalam jumlah 1 2%, dapat mengubah kelemahan sifat bahan bakar, misalnya bahan bakar diesel yang rendah kadar sulfur dan menjadi bahan bakar yang dapat diterima. Biodiesel membutuhkan bahan baku minyak nabati yang dapat dihasilkan dari tanaman yang mengandung asam lemak seperti kelapa sawit (crude palm oil/cpo), jarak pagar (crude jatropha oil/cjo), kelapa (crude coconut oil/cco), sirsak, srikaya, kapuk, dll. Indonesia sangat kaya akan sumber daya alam yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku biodiesel. Kelapa sawit merupakan salah satu sumber bahan baku minyak nabati yang prospektif dikembangkan sebagai bahan baku biodiesel di Indonesia, mengingat produksi CPO Indonesia cukup besar dan meningkat tiap tahunnya (Triwahyuningsih dan Adiprasetya 2009). Indonesia dan Malaysia adalah 2 produsen minyak sawit mentah terbesar di dunia. Bersama-sama, kedua negara ini menghasilkan 90% dari minyak sawit mentah (crude palm oil, CPO) dunia. CPO dewasa ini merupakan bahan mentah utama produksi biodiesel di seluruh dunia. Minyak sawit adalah satu-satunya bahan mentah biodiesel yang banyak tersedia, karena dewasa ini Indonesia memproduksi 19.5 juta ton/tahun CPO; 4.5 juta ton/tahun dikonsumsi oleh industri pangan dalam negeri (terutama untuk minyak goreng), 2.5 juta ton/tahun digunakan oleh produsen-produsen biodiesel dan sisanya diekspor (USAID 2009). Pemanfaatan minyak nabati secara langsung sebagai bahan bakar mesin diesel (biodiesel), ternyata masih dijumpai suatu masalah. Masalah yang dihadapi tersebut terutama disebabkan oleh viskositas minyak nabati yang terlalu tinggi (Krisnangkura et al. 2010) jika dibandingkan dengan diesel petroleum. Masalahmasalah akan muncul setelah mesin beroperasi dengan menggunakan minyak nabati dalam waktu yang lama, khususnya dengan sistem injeksi langsung. Permasalahan tersebut meliputi: 1 pembentukan kerak dan bentuk yang menyerupai trompet pada injektor sedemikian rupa sehingga proses atomisasi bahan bakar tidak berlangsung dengan baik atau terhalang karena orifice yang tersumbat, 2 penumpukan karbon, 3 minyak ring tersendat dan

29 7 4 penebalan serta gelling pada minyak pelumas sebagai akibat dari kontaminasi minyak nabati (Ma dan Hanna, 1999). Untuk mengatasi masalah tersebut, perlu dilakukan proses konversi minyak nabati kedalam bentuk ester (metil ester) dari asam lemak minyak nabati melalui proses transesterifikasi (Hamid dan Yusuf 2002). Proses Produksi Biodiesel Biodiesel dihasilkan melalui suatu proses yang dikenal sebagai transesterifikasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. O CH 2 - O - C R 1 O CH - O - C - R CH 3 OH O CH 2 - O - C - R 3 (katalis) O CH 3 - O - C R 1 O CH 2 - OH CH 3 - O - C - R 2 + CH - OH O CH 2 - OH CH 3 - O - C - R 3 Trigliserida Metanol FAME Gliserol Gambar 1 Persamaan stoikiometri reaksi transesterifikasi trigliserida menjadi biodiesel Dimana R 1, R 2, dan R 3 merupakan rantai panjang hidrokarbon, sering disebut sebagai rantai asam lemak (Gerpen 2005). Reaksi tersebut dibagi ke dalam 3 tahapan, yaitu pembentukan produk antara digliserida (DG) dan monogliserida (MG) (Utami et al. 2007) dan produk yang diinginkan yaitu FAME (fatty acid methyl esters), dengan hasil samping dari produksi tersebut yaitu gliserin. Tahapan tersebut berlangsung seperti pada Gambar 2 (Marchetti et al. 2007). Gambar 2 Tahapan reaksi transesterifikasi trigliserida menjadi biodiesel (R COOR) Keseimbangan reaksi terjadi pada kondisi, 3 mol metanol direaksikan dengan 1 mol minyak. Menurut Hong et al. (2009), selama terjadinya reaksi, agar keseimbangan selalu bergerak ke kanan, maka metanol yang direaksikan sebaiknya dalam jumlah yang berlebih dengan kata lain lebih dari rasio

30 8 stoikiometri reaksi transesterifikasi. Reyes et al. (2010) menyarankan perbandingan antara alkohol dengan trigliserida adalah 6:1. Metode produksi biodiesel dapat dibedakan ke dalam dua cara, yaitu secara katalitik dan non-katalitik (Petchmala et al. 2008). Pengolahan secara katalitik menggunakan NaOH (Tomoki 2008) atau KOH sebagai katalis basa, H 2 SO 4 sebagai katalis asam, dan lipase sebagai katalis yang berasal dari enzim (Marchetti et al. 2007, dan Yoo et al. 2011). Sedangkan, pengolahan secara non-katalitik dilakukan pada kondisi superkritis dari alkohol (tekanan dan temperatur tinggi yaitu sekitar 350 o C, 30 MPa (Kusdiana dan Saka 2001), K dan MPa (Valle et al.) atau menggunakan uap metanol lewat jenuh (superheated methanol vapor) (Joelianingsih 2008). Proses produksi biodiesel secara non-katalitik dapat dilakukan dengan menggunakan kondisi superkritis metanol tanpa menggunakan katalis (Kusdiana dan Saka 2001, Hong et al dan Kim et al. 2007). Cara ini akan memberikan waktu yang lebih singkat dan cara pemurnian yang lebih mudah serta lebih ramah lingkungan jika dibandingkan dengan proses katalis (Petchmala et al. 2008). Namun, metode ini memiliki kelemahan yaitu kondisi superkritis (kondisi temperatur tinggi yang disertai dengan tekanan tinggi) memberikan resiko terhadap terjadinya ledakan, cukup besar. Oleh karena itu, dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai cara untuk mengatasi permasalahan tersebut, hingga ditemukannya cara produksi biodiesel pada tekanan atmosfer. Namun, proses terbentuknya FAME masih membutuhkan waktu yang cukup lama (menurut Joelianingsih (2008) dengan alat bubble column reactor sekitar 270 sampai 300 menit waktu reaksi) atau dengan kata lain, laju reaksi pada proses superheataed methanol vapor masih sangat rendah. Sehingga, proses produksi secara nonkatalitik masih dirasakan sulit untuk dikembangkan pada skala besar dan membutuhkan penelitian yang lebih lanjut. Produksi Biodiesel secara Katalitik Katalis berfungsi untuk menurunkan energi aktivasi yang diperlukan untuk berlangsungnya suatu reaksi. Sehingga, jumlah partikel yang mampu bereaksi bertambah banyak, seperti yang terlihat pada Gambar 3.

31 9 Jumlah partikel Sekarang semua partikel ini juga memiliki energi yang cukup untuk bereaksi Sebelumnya hanya sejumlah partikel yang berada pada area di bawah kurva pada bagian ini yang memiliki energi yang cukup untuk bereaksi Sebelumnya hanya sejumlah partikel yang berada pada area di bawah kurva pada bagian ini yang memiliki energi yang cukup untuk bereaksi Sebelumnya hanya sejumlah partikel yang berada pada area di bawah kurva pada bagian ini yang memiliki energi yang cukup untuk bereaksi Gambar 3 Pengaruh katalis terhadap energi aktivasi (Clark 2004). Menambahkan katalis memberikan perubahaan yang berarti pada energi aktivasi. Katalis menyediakan satu rute alternatif bagi reaksi. Rute alternatif ini memiliki energi aktivasi yang rendah. Katalis hanya mempengaruhi laju pencapaian kesetimbangan, bukan posisi keseimbangan (misalnya: membalikkan reaksi). Katalis tidak mengganggu gugat hasil kesetimbangan suatu reaksi dimana konsentrasi atau massanya setelah reaksi selesai sama dengan konsentrasi atau massa reaksi sebelum reaksi dilangsungkan (Clark 2004). Proses produksi dengan menggunakan katalis asam akan memberikan nilai yield yang sangat besar namun reaksinya sangat lambat (dapat mencapai lebih satu hari). Selain itu, jumlah alkohol yang digunakan sangat banyak (biasanya dengan mol rasio 30:1 mol alkohol/mol minyak). Pemakaian katalis enzim memberikan harapan terhadap proses produksi biodiesel yang lebih aman terhadap lingkungan. Namun, sama halnya dengan katalis asam, katalis enzim membutuhkan waktu yang sangat lama agar reaksi dapat berlangsung. Selain itu, proses produksi dengan katalis enzim juga membutuhkan biaya yang sangat besar. Oleh karena itu, katalis yang biasa digunakan dalam produksi biodiesel secara katalitik adalah katalis basa (yang biasa digunakan adalah KOH dan NaOH). NaOH dan KOH adalah jenis basa kuat yang dapat terlarut dalam metanol dan etanol (Marchetti et al. 2005). Partikel-partikel yang tidak memiliki energi yang cukup untuk bereaksi Energi aktivasi yang baru Energi aktivasi sebelumnya Energi

32 10 Alasan lain yang menyebabkan pemakaian katalis basa lebih dipilih dalam proses produksi untuk skala industri adalah karena proses secara alkali (basa) akan lebih efisien dan rendah korosif daripada proses secara asam, alkohol yang digunakan lebih sedikit (biasanya 6:1 mol/mol), dan dengan temperatur proses yang lebih rendah. Tabel 1 Pemakaian katalis basa pada produksi biodiesel Autor Katalis Jumlah (%) Arquiza et al. (2000)* NaOH 0.5 Felizardo et al. (2006)* NaOH 0.6 Chhetri et al. (2008)* NaOH 0.08 Tomasevic dan Marinkovic (2003)* KOH 1 Reefat et al. (2008)* KOH 1 Phan dan Phan (2008)* KOH 0.75 Allawzi dan Kandah (2008)* KOH 1.2 Tang et al. (2007)** NaOH 0.8 Tapanes et al. (2008)** NaOH 0.8 Chitra et al. (2005)** NaOH 1 Berchmans et al. (2010)** KOH 1 Sumber: *Math et al. (2010); **Juan et al. (2011) Tabel 1 menunjukkan bahwa pemakaian katalis NaOH dapat diturunkan hingga 0.08% w/w, sedangkan untuk KOH rata-rata masih sebanyak 1% w/w. Oleh karena itu, perlu dibuat suatu sistem yang dapat menurunkan pemakaian KOH. Untuk menurunkan pemakaian KOH dapat dilakukan dengan meningkatkan intensitas tumbukan partikel-partikel yang bereaksi. Tumbukan tumbukan akan menghasilkan reaksi jika partikel-partikel bertumbukan dengan energi yang cukup untuk memulai suatu reaksi atau yang sering disebut sebagai energi aktivasi. Peningkatan frekuensi tumbukan dapat dilakukan dengan meningkatkan temperatur proses, konsentrasi dari pereaksi dan meningkatkan pengadukan. Untuk mempercepat reaksi, perlu meningkatkan jumlah dari partikelpartikel energik (partikel-partikel yang memiliki energi yang sama atau lebih besar dari energi aktivasi). Hampir sebagian besar reaksi yang terjadi baik di laboratorium maupun industri akan berlangsung lebih cepat apabila dipanaskan. Peningkatan temperatur dapat meningkatkan laju reaksi karena bertambahnya jumlah energi tumbukan aktif (Clark 2004). Sebagian reaksi berlangsung pada temperatur ruang, laju reaksi akan meningkat dengan meningkatnya temperatur.

33 11 Peningkatan konsentrasi salah satu reaktan dapat meningkatkan kemungkinan terjadinya tumbukan. Namun, apabila menggunakan katalis padat dalam jumlah yang sedikit dalam reaksi, dan direaksikan dengan reaktan yang memiliki konsentrasi yang cukup tinggi, maka permukaan katalis akan seluruhnya diliputi oleh partikel yang bereaksi sehingga mengurangi fungsi katalis. Selain itu, peningkatan konsentrasi larutan terkadang tidak memberikan efek apa-apa karena katalis telah bekerja pada kapasitas maksimumnya (Clark 2004). Cara lain untuk meningkatkan frekuensi tumbukan adalah dengan proses pengadukan. Mekanisme Pengadukan Konvensional Blade Agitator Sebagian besar proses bergantung pada keberhasilannya dalam mengaduk dan mencampur fluida. Pengadukan cairan biasanya dilakukan di dalam tangki atau bejana, biasanya berbentuk silinder dengan sumbu vertikal. Pengaduk yang digunakan dapat berupa impeler yang dipasang menggantung pada poros yang digerakkan oleh motor. Impeler menciptakan pola aliran dalam sistem, menyebabkan cairan beredar pada bejana dan akhirnya kembali ke impeler. Pola aliran pada sistem pengadukan dengan menggunakan agitator bergantung pada tipe impeler yang digunakan, karakteristik fluida, dan ukuran serta bentuk tangki, baffle, dan agitator. Pada aliran berputar, cairan mengalir dengan arah pergerakan mengikuti sudu impeler, kecepatan relatif antara blade dan liquid berkurang, dan tenaga yang dapat diserap oleh liquid terbatas. Prinsip dalam aliran adalah radial dan tangensial. Kompenen tangensial akan menyebabkan terbentuknya vortex (pusaran) dan putaran, yang harus dicegah dengan memasang buffle atau cincin diffuser. Dalam bejana yang tidak memiliki buffle putaran aliran dipengaruhi oleh semua tipe impeler, baik aliran aksial maupun radial. Apabila putarannya kuat, pola aliran di dalam tangki sebenarnya sama untuk semua bentuk impeler. Pada impeler yang berkecepatan tinggi, vortex akan terbentuk hingga mencapai impeler (hal ini tidak diinginkan) (McCabe et al. 1993), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.

34 12 Vortex n Permukaan cairan Samping Bawah Gambar 4 Pola aliran di dalam bejana tanpa buffle pada sistem pengadukan dengan blade agitator (McCabe et al. 1993) Static Mixer Selama ini pada produksi biodiesel, peningkatan frekuensi tumbukan dilakukan dengan menggunakan blade agitator yang memanfaatkan kerja dari moving part. Pemakaian moving part tersebut perlu dihindari untuk mengurangi pemakaian energi dan perawatan tambahan. Penambahan komponen mixer yang bekerja statis dapat dilakukan untuk menghindari hal tersebut. Pemakaian static mixer dalam produksi biodiesel telah dilakukan sebelumnya oleh Alamsyah (2010). Dalam hal ini static mixer berfungsi untuk mempermudah kerja katalis dalam mempercepat terjadinya reaksi antara trigliserida dan metanol melalui proses pengadukan yang dilakukan oleh elemen statis. Katalis yang digunakan oleh Alamsyah (2010) sebanyak 1% w/w, dan menghasilkan metil ester sebesar 98.7% dalam waktu 20 menit. Dari kondisi tersebut terlihat bahwa pemakaian katalis masih dapat diturunkan di bawah 1% dengan bantuan pengadukan dari static mixer yang menciptakan pemecahan, pembagian dan pembalikan aliran dengan tujuan mengurangi variasi bahan dan menghasilkan campuran yang lebih homogen (Kenics 2007). Energi kinetik yang tebentuk dari aliran (Nevers 1991) yang disebabkan oleh geometri static mixer, akan menyebabkan partikel-partikel fluida yang terbentuk menjadi lebih kecil, luas permukaan menjadi besar, sehingga frekuensi tumbukan yang terjadi dalam reaktor akan semakin besar pula (Clark 2004) dan

35 13 pada kondisi temperatur yang sesuai akan mempercepat terjadinya reaksi antar partikel campuran fluida (trigliserida dan metanol). Static mixer merupakan suatu alat yang digunakan untuk mencampur dua bahan fluida, umumnya fluida yang cair. Namun, juga digunakan untuk mencampur gas, mencampur gas dengan cairan atau cairan dengan cairan yang tidak terlarut. Perangkat ini terdiri dari elemen-elemen (umumnya berbentuk heliks) yang berada di dalam tabung silinder. Elemen tersebut terbuat dari logam atau sejenis plastik. Demikian pula, selubung mixer dapat dibuat dari logam atau plastik. Jenis bahan konstruksi untuk komponen static mixer antara lain stainless steel, polypropylene, teflon, kynar dan polyacetal. Fluida yang mengalir terus-menerus melewati elemen static mixer akan mengalami pencampuran dan pengadukan seolah-olah telah mengalami pengadukan secara batch konvensional dalam tangki (Admix 2010a). Keberhasilan proses pencampuran tergantung pada beberapa variabel antara lain sifat fluida, diameter dalam tabung, jumlah elemen, dan desain. Desain geometrik alat yang tepat dapat menghasilkan pola pembagian aliran dan pencampuran radial sekaligus. Pembagian aliran Pencampuran radial Gambar 5 Pembagian aliran dan pencampuran radial cairan di dalam static mixer (Bor dan Thomas 1971).

36 14 Jumlah elemen Gambar 6 Pembagian aliran di mixer adalah fungsi dari jumlah elemen dalam static mixer (Bor dan Thomas 1971). Proses pembagian aliran bahan (fluida) pada elemen mixer terjadi di bagian tepi setiap elemen. Aliran yang terbagi tersebut akan mengikuti saluran yang diciptakan oleh bentuk elemen mixer (heliks), kemudian mengalami pembagian lagi pada bagian tepi elemen berikutnya sehingga mengakibatkan peningkatan eksponensial dalam stratifikasi (jumlah bagian yang dihasilkan adalah 2 n dimana 'n' adalah jumlah elemen dalam mixer). Selain itu, geometri static mixer juga menyebabkan terbentuknya aliran turbulen mikro, pencampuran radial (sirkulasi dan rotasi bahan di sekitar pusat hidrolik) dan transfer momentum di setiap saluran mixer Jumlah pembagian Aliran laminar Pembagian Aliran turbulen Pembalikan inersia Pencampuran radial dan transfer momentum Layer = 2 e dimana e = jumlah elemen Membentuk aliran turbulen mikro Memaksa material berotasi pada pusat hidroliknya Gambar 7 Aliran fluida dalam static mixing reactor (Admix 2010b). Proses pencampuran dan pengadukan yang terjadi di saluran static mixer akan mengurangi atau menghilangkan gradien pada temperatur, kecepatan dan komposisi bahan (Bor dan Thomas 1971; Admix 2010b).

37 15 Aliran Fluida dalam Pipa Ada dua jenis aliran mantap dari fluida yang disebut aliran laminer dan aliran turbulen. Dalam aliran laminer partikel-partikel fluidanya bergerak di sepanjang lintasan-lintasan lurus, sejajar dalam lapisan-lapisan atau laminae. Sedangkan pada aliran turbulen partikel-partikel bergerak secara serampangan ke semua arah (Giles 1996). Fluida yang mengalir dalam aliran yang turbulen memiliki energi kinetik per satuan massa yang lebih besar jika dibandingkan dengan fluida yang mengalir dengan kecepatan yang sama pada aliran yang tidak turbulen. Dengan demikian, semakin meningkat intensitas turbulensi, maka energi kinetik turbulen akan semakin besar. Energi kinetik turbulen membentuk aliran dari konversi viskositas menjadi energi dalam (Nevers 1991). Kinetika Reaksi Transesterifikasi Laju Reaksi dan Orde Reaksi Transesterifikasi Laju reaksi biasanya diukur dengan melihat berapa cepat konsentrasi suatu reaktan berkurang pada waktu tertentu. Dengan melakukan percobaan yang melibatkan reaksi antara A dan B, akan diperoleh bahwa laju reaksi berhubungan dengan konsentrasi A dan B, seperti pada persamaan (1). r = k[a] a [B] b... (1) dimana: r = laju reaksi (mol s -1 ) k = konstanta laju reaksi A, B = konsentrasi reaktan yang bereaksi (mol) a, b = orde reaksi terhadap A, B Persamaan laju menunjukkan pengaruh dari perubahaan konsentrasi reaktan terhadap laju reaksi. Faktor-faktor lainnya seperti temperatur, katalis (Clark 2004) serta konstanta laju reaksi juga mempengaruhi laju reaksi. Dari persamaan (1) terlihat bahwa laju reaksi dipengaruhi oleh pangkat dari konsentrasi A dan B yang merupakan orde reaksi terhadap A dan B. Penyelidikan sebuah reaksi bertujuan untuk menentukan model laju dan konstanta laju reaksi, pada beberapa temperatur. Idealnya, langkah pertama adalah

38 16 mengidentifikasi semua produk dan menyelidiki apakah terdapat reaksi intermediate dan reaksi samping yang terlibat. Penentuan laju reaksi disederhanakan dengan metode isolasi pada konsentrasi seluruh reaktan yang berlebih. Apabila salah satu reaktan memiliki kelebihan konsentrasi, maka konsentrasi reaktan tersebut dapat dianggap konstan selama reaksi berlangsung (Atkins 1990). Apabila laju reaksi tersebut mengikuti model reaksi orde pertama, maka menjadi persamaan (2) = - k[a] 1... (2) Kemudian persamaan (2) tersebut diintegrasikan diantara limit waktu = 0 dan waktu t dengan konsentrasi yang beragam dari konsentrasi awal [A] o pada waktu nol ke [A] pada waktu setelahnya sehingga menghasilkan persamaan (3)... (3) Dari hasil integrasi tersebut diperoleh persamaan (4) atau... (4) (House 2007). Kinetika reaksi pada sistem produksi biodiesel dalam reaktor dibuat berdasarkan reaksi transesterifikasi overall, dengan asumsi bahwa reaksi berlangsung irreversible karena reaktan (alkohol) yang digunakan sangat berlebih sehingga konsentrasi dari alkohol selama reaksi dapat dianggap tetap. Pada kondisi ini perubahan jumlah alkohol pada reaksi tidak akan mempengaruhi laju reaksi (Utami et al. 2007). Apabila model orde reaksi yang berlaku untuk keseluruhan reaksi adalah orde kedua, maka persamaan laju reaksi setelah melalui teknik isolasi dengan konsentrasi B yang berlebih akan memberikan hasil seperti persamaan (5) = k [A] 2... (5) Model tersebut merupakan model pseudo orde kedua (Atkins 1990). Model laju reaksi tidak selalu mengikuti persamaan kesetimbangan pada suatu reaksi. Jika persamaan (5) diintegrasikan antara limit konsentrasi [A] o pada t = 0 dan [A] pada waktu t, maka akan menghasilkan laju reaksi dengan persamaan

39 17... (6) Sama halnya pada suatu reaksi yang mengikuti model reaksi dengan orde ketiga dan salah satu reaktannya dalam jumlah yang berlebih, maka setelah melalui teknik isolasi akan memiliki persamaan seperti persamaan (7): = - k[a] 3... (7) Jika persamaan diintegrasikan antara limit konsentrasi [A] o pada t = 0 dan [A] pada waktu t, maka diperoleh hasil integrasi laju reaksi pada persamaan (8) (House 2007).... (8) Dari perhitungan laju reaksi tersebut, maka nilai konstanta laju reaksi (tetapan laju) dapat ditentukan dengan cara memplotkan ke dalam grafik hubungan antara perubahan konsentrasi (sesuai dengan model orde reaksi yang sesuai) terhadap waktu. Persamaan Arrhenius Konstanta laju reaksi (tetapan laju) sebenarnya tidak benar-benar konstan. Konstanta ini berubah, jika temperatur reaksi ataupun katalis yang digunakan dalam reaksi diubah. Nilai konstanta laju reaksi dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan Arrhenius. Dimana:... (9) - T : temperatur (Kelvin). - R : konstanta atau tetapan gas (J K -1 mol -1 ) - E A : energi aktivasi (kj mol -1 ) - A : Faktor frekuensi (mol -1 ) A, merupakan faktor pre-eksponensial atau faktor sterik. A merupakan istilah yang meliputi faktor seperti frekuensi tumbukan dan orientasinya. A sangat bervariasi bergantung pada temperatur walau hanya sedikit. A sering dianggap sebagai konstanta pada jarak perbedaan temperatur yang kecil. Persamaan Arrhenius dapat dinyatakan dalam bentuk logaritmik seperti pada persamaan (10)... (10)

40 18 Persamaan Arrhenius dapat digunakan untuk menggambarkan pengaruh dari perubahaan temperatur pada tetapan reaksi dan laju reaksi. Jika misalkan tetapan laju berlipatganda, maka laju reaksi juga akan berlipatganda. Utami et al. (2007) dan Dasari (2003) telah membuktikan bahwa kenaikan temperatur berpengaruh terhadap kenaikan konstanta laju reaksi atau dengan kata lain mempercepat terjadinya reaksi. Faktor frekuensi (A) dalam persamaan ini kurang lebih konstan untuk perubahaan temperatur yang kecil. Katalis akan menyediakan rute agar reaksi berlangsung dengan energi aktivasi yang lebih rendah. Katalis adalah suatu zat yang mempercepat suatu laju reaksi, namun ia sendiri, secara kimiawi, tidak berubah pada akhir reaksi. Ketika reaksi selesai, akan diperoleh massa katalis yang sama seperti pada awal ditambahkan (Clark 2004) Salah satu faktor yang mempengaruhi kinetika reaksi pada proses ini adalah pencampuran dan intensitas pengadukan. Sudah jelas bahwa kinetika yang melibatkan reaksi dengan alkohol sangat dipengaruhi oleh intensitas pengadukan reaktan di dalam campuran, karena proses ini terjadi pada sistem yang heterogen dari dua fase yang tidak terlarut. Oleh karena itu diperlukan kondisi pengadukan yang mampu meningkatkan yield biodiesel atau untuk mempersingkat waktu proses, misalnya high shear mixer, reaktor dengan aliran yang berputar, dan ultrasound reactor (Reyes et al. 2010).

41 METODE Tempat dan Waktu Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Surya bagian Teknik Energi Terbarukan, Fakultas Teknologi Pertanian, IPB Bogor. Penelitian dilaksanakan mulai bulan Januari 2011 Juni Analisis laboratorium dilakukan di Laboratorium Pengujian, Departemen Teknologi Industri Pertanian, IPB Bogor. Bahan dan Alat Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: minyak goreng kelapa sawit (Refined Bleached Deodorized Palm Olein-RBDPO), metanol teknis dan KOH PA (pro analysis). Bahan penunjang adalah akuades. Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah prototipe static mixing reactor (SMR) berkapasitas 3000 ml. Skematik static mixing reactor yang digunakan dalam penelitian ini diperlihatkan oleh Gambar 8. Tangki pengumpanan bahan 2 Pressure gauge Gate valve 4 Reaktor Ball valve 1 Gate valve 2 Heat exchanger Heater Tangki pengumpul 2 Pompa Tangki pengumpanan bahan 1 E-86 Tangki pengumpul 1 Gate valve 1 Tangki air pendingin Gate valve 3 Keran air Produk Gambar 8 Skematik static mixing reactor.

42 20 SMR terdiri dari beberapa bagian utama dengan fungsi yang berbeda, antara lain: 1 Tangki pengumpul Tangki ini berfungsi sebagai tempat untuk mengumpulkan bahan sebelum bahan dialirkan melewati reaktor yang dilengkapi oleh static mixer dan heater. Tangki yang digunakan berbentuk silinder dengan diameter 10 cm dan tinggi 40 cm, bahan SS Tangki pengumpan Tangki pengumpan berfungsi sebagai pintu pemasukan bahan dengan ukuran diameter 10 cm dan tinggi 10 cm. Terbuat dari bahan stainless steel. 3 Pompa Pompa berfungsi untuk mensirkulasikan bahan dari Tangki pengumpul melewati Reaktor. 4 Reaktor Reaktor berfungsi sebagai tempat yang menyediakan kondisi untuk terjadinya reaksi (tumbukan, temperatur dan aliran). Reaktor yang digunakan berupa pipa berdiameter 4.09 cm dengan panjang 34 cm, terbuat dari pipa SS304. Elemen mixer yang terangkai di dalam reaktor berjumlah 6 elemen berbentuk heliks dengan panjang masing-masing elemen heliks sebesar 4 cm dan terbuat dari plat SS Pemanas (heater) Pemanas berfungsi untuk menyediakan panas yang dibutuhkan dalam proses transesterifikasi. Pemanas yang digunakan berupa selimut (band heater) yang menyelubungi dan dipasang pada dinding reaktor bagian luar. 6 Termostat digital Termostat berfungsi sebagai pengatur dan pengontrol heater dalam penyediaan panas untuk reaktor. 7 Termokopel Termokopel berfungsi sebagai sensor temperatur pada reaktor. Termokopel yang digunakan adalah tipe C/C dan tipe K.

43 21 8 Isolator Isolator berfungsi untuk mengurangi kehilangan panas reaktor ke lingkungan. Bahan yang digunakan sebagai isolator adalah glass wool dan sumbu kompor. 9 Control panel Control panel digunakan untuk menempatkan tombol on-off pompa dan termostat. Gambar 9 Reaktor Static mixer yang digunakan terdiri dari 6 elemen mixer berbentuk heliks. Bentuk heliks tersebut dihasilkan melalui proses puntir dengan sudut puntir 90 o pada masing-masing ujung plat yang digunakan sebagai bahan pembuat static mixer dan dipuntir dengan arah yang berlawanan. Gambar 10 Elemen static mixer