KINETIKA TRANSESTERIFIKASI BIODIESEL JARAK PAGAR. Luqman Buchori, Setia Budi Sasongko *)

Transkripsi

1 KINETIKA TRANSESTERIFIKASI BIODIESEL JARAK PAGAR Luqman Buchori, Setia Budi Sasongo *) Abstract Biodiesel were produced by trans-etherification of castor oil with alcohol in the presence of NaOH catalyst. The reaction mechanism and model of castor oil trans-etherification is A + 3B C + 3 D A, B, C, and D were castor oil, alcohol, glycerol, and ester. The reaction rate equation was r=-dca/dt = 1 (C A )(C B ) 3 2 (C C )(C D ) 3. In this study was used two measurement method of free fat acid as the rest content of castor oil with SNI and AOAC (Association of Analytical Chemist). It found that SNI method was the easier and the acurate measurement. The classification of alcohol used was methanol and ethanol to compare the action both of them. Methanol produces the higher conversion than ethanol. The reaction in a batch reactor with temperature 4, 5, and 6 C in atmospheric pressure as the operation condition to looing for inetics parameter of trans-etherification. Coefficient reaction rate and activation energy were loo into inetics study. Reaction rate was a mathematics model as a function of concentration and time which solved by Runge-Kutta, multivariable optimization and SSE (some square error) method using Matlab. The activation energy (Ea) and impact factor (A) obtained by linier regression method. The result of study obtained the inetics parameter of trans-etherification with methanol 1 =1.9313x1 31 exp (-41.94/RT) average error.1 and 2 =2.7678x1 25 exp( / RT) average error.3. While inetics parameter of trans-etherification with ethanol obtained 1 =1.168x1 19 exp( / RT) average error.36 and 2 =4.9966x1 6 exp(-1.328/rt) average error It means, more reactive alcohol then bigger the value of inetics parameter. Key words : biodiesel; ethanol; methanol; trans-etherification inetics parameter 1 2 Pendahuluan Biodiesel yang diestra dari minya nabati merupaan salah satu energi alternatif yang dapat diperbaharui. Tenologi onversi minya nabati menjadi biodiesel yang umum digunaan adalah transesterifiasi antara minya nabati dan alohol (metanol atau etanol) menggunaan atalis basa (NaOH atau KOH). Meanisme reasi transesterifiasi antara minya dengan alohol adalah sebagai beriut : RCOOCH 2 CH 2 OH RCOOCH + 3 C 2 H 5 OH 3COOC 2 H 5 + CHOH RCOOCH 2 CH 2 OH Minya alohol ester gliserol * R = gugus alil (Ma dan Hanna, 1999) Berdasaran meanisme di atas maa persamaan reasi dapat ditulis sebagai beriut : 1 A + 3B C + 3 D 2 Dimana A, B, C, dan D masing-masing adalah minya, alohol, gliserol, dan ester. Tiap moleul trigliserida mengandung tiga gugus asam lema. Jadi, setiap mol trigliserida yang teronversi aan dionsumsi tiga mol etanol dan menghasilan satu mol gliserin serta tiga mol etil ester asam-asam lema. Persamaan ecepatan reasi untu reasi di atas adalah : r = -dc A /dt = 1 (C A ) (C B ) 3 2 (C C ) (C D ) 3 (1) C A = C A (1 X A ) C B = C B 3(C A. X A ) C C = C A. X A C D = 3(C A. X A ) Dimana C A, C B, C C, dan C D masing-masing adalah onsentrasi minya, alohol, gliserol, dan ester, 1 dan 2 adalah onstanta ecepatan reasi, X A adalah frasi onversi asam lema bebas dalam minya dan t adalah watu reasi. Untu memudahan proses analisis dalam menyelesaian sejumlah model persamaan inetia serta menghitung besaran-besarannya, maa dapat digunaan perhitungan dengan cara analitis maupun pendeatan numeris. Pengembangan Model Pada penelitian ini digunaan variabel tetap yaitu perbandingan mol minya jara dan etanol (1:3 dalam 5 ml volume dengan atalis NaOH,5% volume campuran). Variabel berubah yang digunaan adalah jenis alohol (metanol dan etanol) dan suhu reasi (4, 5, dan 6ºC). Trasesterifiasi minya jara dilauan dengan menggunaan labu leher tiga yang dipanasan dalam water bath yang dilengapi pengatur suhu seperti yang ditunjuan pada Gambar *) Staf Pengajar Jurusan Teni Kimia Faultas Teni Universitas Diponegoro TEKNIK Vol. 33 No.2 Tahun 212, ISSN

2 penguuran asam lema bebas maa dapat dihitung parameter inetia transesterifiasi serta membandingan inerja etanol dan metanol sebagai reatan. Gambar 1. Rangaian alat proses transesterifiasi Katalis NaOH dilarutan terlebih dahulu dengan alohol, emudian campuran alohol dan atalis NaOH (natrium metosida/etosida) tersebut dipanasan pada suhu reasi sesuai variabel. Di tempat terpisah minya jara pagar juga dipanasan pada suhu reasi sesuai variabel. Setelah tercapai suhu reasi sesuai variabel, larutan natrium metosida/etosida dan minya dimasuan e dalam labu leher tiga untu direasian. Water bath dipanasan sampai suhu reasi yang ditentuan. Kemudian labu leher tiga yang berisi campuran dan dilengapi dengan pendingin bali ditempatan di dalam water bath. Proses dijalanan sampai onsentrasi onstan. Setelah proses selesai, sampel segera diambil untu dianalisa adar asam bebas. Respon uji berupa adar asam bebas yang merupaan adar minya jara sisa reasi. Penguuran asam lema bebas menggunaan dua prosedur yaitu metode SNI sebagai data primer dan metode AOAC (Association of Analytical Chemist) sebagai data pembanding. Tujuan dari pembandingan ini adalah untu mengetahui metode penguuran asam lema bebas yang lebih mudah dan aurat. Dari Perhitungan inetia dilauan berdasaran basis stoiiometri reasi dari data onversi reasi (X A ) berdasaran onsentrasi penguuran asam lema bebas sisa (C A ) sehingga diperoleh C B, C C, dan C D. Selanjutnya data C A, C B, C C, dan C D dimasuan e dalam program MATLAB untu mencari nilai onstanta laju reasi ( 1 dan 2 ). Model matematis laju reasi diselesaian dengan metode Runge-Kutta (Nur, 25). Optimasi multivariabel dan SSE (Sum Square Error) digunaan untu mendapatan onstata laju reasi sebagai fungsi onsentrasi dan watu (Surawidjaya, 2). Adapun energi ativasi (Ea) dan fator tumbuan (A) diperoleh dengan regresi linear menggunaan persamaan Arrhenius sebagai fungsi suhu. Ea RT = A exp (2) Ea 1 ln = + ln A (3) R T Data percobaan primer yang diperoleh diolah dengan mengiuti urutan erja seperti terlihat pada Gambar 2. Hasil dan Pembahasan Pada penelitian ini dilauan analisa lema bebas untu mengetahui prosentase onversi minya jara. Prosedur penguuran asam lema bebas menggunaan prosedur SNI sebagai data primer untu selanjutnya dibandingan dengan data seunder dari prosedur Official methods of Analysis of AOAC yang dilauan oleh laboratorium independen. Hasil penguuran disajian di Tabel 1. Tabel 1. Data hasil perbandingan onversi AOAC dan SNI Sample X A (AOAC) X A (SNI ) % perbedaan Methanol 4 C menit,125,1154 7,7 Methanol 4 C 9 menit,5938,5962,4 Ethanol 4 C menit,764,769,7 Ethanol 4 C 9 menit,5521,5769 4,3 Methanol 5 C menit,1285, ,8 Methanol 5 C 6 menit,6944,6923,3 Ethanol 5 C menit,972,962 1,1 Ethanol 5 C 9 menit,6667,6731 1, Methanol 6 C menit,1667, ,3 Methanol 6 C 6 menit,783,7115,4 Ethanol 6 C menit,1146,1154,7 Ethanol 6 C 9 menit,686,6923 1,7 TEKNIK Vol. 33 No.2 Tahun 212, ISSN

3 Data percobaan C A,C B,C C,C D Model inetia (Sistem Persamaan Diferensial) Tebaan awal parameter inetia ( 1 & 2 teba) Periraan harga baru dengan metode optimasi Evaluasi fungsi objetif optimasi berdasaran harga 1 & 2 baru Menyelesaian sistem persamaan differensial Hitung fungsi objetif 1 & 2 hitung No C A,C B,C C,C D hitung SSE = C data - C hitung Yes Iterasi max? No Fungsi objetive min? No Konsisten? Yes Parameter inetia ( 1 & 2 ) selesai Yes Gambar 2. Algoritma untu mendapatan parameter inetia Dari Tabel 1 terlihat bahwa prosentase perbedaan onversi minya jara yang diperoleh dari prosedur SNI dengan prosedur Official methods of Analysis of AOAC adalah berisar antara,7-7,7% pada percobaan etanol dan,3-25,8% pada percobaan metanol. Dapat disimpulan bahwa perbedaan prosedur memberian persen esalahan yang relatif ecil pada percobaan metanol. Aan tetapi percobaan metanol memberian persen esalahan hingga 25,8%. Penentuan titi ahir titrasi pada analisa percobaan metanol lebih sulit diamati daripada etanol. Hal ini berhubungan dengan ereatifan metanol yang lebih mudah teronversi daripada etanol. Sebagai reatan, alohol dengan atom C lebih sediit mempunyai ereatifan yang lebih tinggi daripada alohol dengan atom C lebih banya (Kir dan Othmer, 1978). TEKNIK Vol. 33 No.2 Tahun 212, ISSN

4 Dengan demiian prosedur SNI lebih mudah dilauan dengan tingat eauratan yang tida jauh berbeda dibandingan dengan prosedur Official methods of Analysis of AOAC (Association of Analytical Chemist). Pada penelitian ini, perhitungan inetia dilauan berdasaran basis stoiiometri reasi transesterifiasi. Dari data onversi (X A ) dan penguuran asam lema bebas sisa (C A ) diperoleh C B, C C, dan C D seperti terlihat pada Gambar 3. Konsentrasi (mol/lt) onsentrasi minya jara sisa (CA) onsentrasi metanol sisa (CB) onsentrasi gliserol (CC) onsentrasi metil ester (CD) Watu (menit) Gambar 3. Profil onsentrasi esetimbangan transesterifiasi dengan metanol pada suhu 4 C Selanjutnya data C A, C B, C C, dan C D dimasuan e dalam program MATLAB untu dicari nilai onstanta laju reasi ( 1 dan 2 ). Model matematis laju reasi diselesaian dengan metode Runge-Kutta, optimasi multivariabel dan SSE (Sum Square Error). Hasil onstanta laju reasi ( 1 dan 2 ) disajian dalam Tabel 2. Tabel 2. Konstanta laju reasi pada setiap variabel suhu Jenis Suhu Reasi Alohol 4 C 5 C 6 C 1,3 x Metanol 1 99,874 85, ,2251 1,4458-5,1 x 1 6 Etanol 1 77, , ,226 2,2748,6414, dan 2 [lt 3 /(mol 3 ) (menit)] Tabel 2 menunjuan bahwa harga onstanta laju reasi tranesterifiasi dengan menggunaan metanol lebih besar daripada etanol. Hal ini disebaban metanol lebih reatif dari etanol. Pada pembentuan ester, uat asam dari asam arbosilat hanya memegang peranan ecil dalam laju pembentuan ester. Oleh arena itu, laju pembentuan ester hanya ditentuan oleh ereatifan alohol. (Fessenden dan Fessenden, 1982). Energi ativasi (Ea) dan fator tumbuan (A) diperoleh dengan regresi linear menggunaan persamaan Arrhenius sebagai fungsi suhu. Hasilnya ditunjuan pada Tabel 3. Tabel 3 memperlihatan bahwa energi ativasi dan fator tumbuan percobaan variabel metanol lebih tinggi daripada percobaan variabel etanol. Dengan demiian maa semain reatif alohol aan semain besar energi ativasi dan fator tumbuan yang terjadi. Adapun nilai energi ativasi (Ea 1 ) dan fator tumbuan (A 1 ) pada 1 lebih besar daripada energi ativasi (Ea 2 ) pada 2. Hal ini menunjuan bahwa pada reasi transesterifiasi yang bersifat reversibel, energi ativasi (Ea 1 ) dan fator tumbuan (A 1 ) yang diperluan untu menghasilan produ yang diinginan lebih besar daripada energi ativasi (Ea 2 ) yang diperluan untu mengubah produ embali menjadi reatan. Konversi (XA) Watu (menit) Etanol 4 C Metanol 4 C Gambar 4. Hubungan watu dan onversi percobaan metanol dan etanol 4 C Konversi (XA) Watu (menit) Etanol 5 C Metanol 5 C Gambar 5. Hubungan watu dan onversi percobaan metanol dan etanol 5 C TEKNIK Vol. 33 No.2 Tahun 212, ISSN

5 Tabel 3. Energi ativasi (Ea) dan fator tumbuan (A) pada setiap jenis alohol Jenis Alohol Ea = [al/mol] Energi Ativasi (Ea) A Fator Tumbuan (A) Rata-rata error Metanol Ea A 1 1,9313 x 1 31,1 Ea A 2 2,7678 x 1 25,3 Etanol Ea A 1 1,168 x 1 19,36 Ea A 2 4,9966 x 1 6,1589 Konversi (XA) Etanol 6 C Metanol 6 C Watu (menit) Gambar 6. Hubungan watu dan onversi percobaan metanol dan etanol 6 C Gambar 4 sampai dengan 6 merupaan visualisasi fenomena reasi transesterifiasi yang menunjuan pengaruh jenis alohol terhadap onversi reasi. Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa metanol (CH 3 OH) memberian onversi yang lebih besar dan watu esetimbangan lebih cepat dibanding etanol (C 2 H 5 OH). Watu esetimbangan variabel metanol diperoleh pada watu 6 menit sedangan variabel etanol pada 9 menit. Hal ini diarenaan semain panjang rantai atom C maa pemutusan iatan rantai C main sulit, sehingga watu untu mencapai eseimbangan juga semain lama. Sebagai reatan, alohol dengan atom C lebih sediit mempunyai ereatifan yang lebih tinggi daripada alohol dengan atom C lebih banya (Kir dan Othmer, 198). Gambar 4 sampai 6 juga menunjuan pengaruh suhu terhadap onversi. Konversi optimum untu percobaan metanol dan etanol dicapai pada suhu 6 C. Konversi optimum pada variabel metanol sebesar,7115. Sedangan pada variabel etanol sebesar,6923. Gambar di atas menunjuan semain tinggi suhu reasi maa onversi yang diperoleh semain besar. Hal ini diarenaan penambahan panas pada suatu zat/senyawa aan meningatan ativitas moleular dan emudian meningatan onversi. Berdasaran huum arhenius bahwa semain tinggi suhu maa nilai onstanta ecepatan reasi aan semain meningat sehingga aan meningatan laju reasi. Metanol lebih dipilih daripada etanol arena memprodusi biodiesel dengan onversi lebih besar. Namun demiian, metanol buan bahan yang terbarui sehingga lebih bai jia menggunaan etanol. Sehubungan dengan enyataan saat ini, mesipun di negara berembang metanol lebih murah daripada etanol, pada tahun yang aan datang metil ester asam lema aan digunaan sebagai pengganti bahan baar diesel. Kajian eonomi menunjuan bahwa produsi biodiesel dari jara pagar sangat menguntungan arena menghasilan produ samping berupa gliserol dari produsi biodiesel yang memilii nilai jual. Kajian lingungan menunjuan bahwa biodiesel dapat didegradasi secara biologis empat ali lebih cepat daripada bahan baar diesel minya bumi. Aibat biodegradasi secara biologis, emisi dan bau yang tida sedap dapat diurangi (Syah, 25). Kesimpulan Dalam penguuran sisa asam lema bebas, prosedur SNI lebih mudah dilauan dengan tingat eauratan yang tida jauh berbeda dibandingan dengan prosedur Official methods of Analysis of AOAC (Association of analytical chemist). Penggunaan metanol sebagai reatan alohol transesterifiasi minya jara menghasilan onversi yang lebih besar daripada etanol. Namun arena metanol buan bahan yang terbarui maa lebih bai jia menggunaan etanol yang merupaan senyawa terbarui. Dari percobaan diperoleh bahwa onstanta laju reasi untu transesterifiasi dengan metanol 1 =1,9313x1 31 exp(-41.94/rt) dengan rata-rata esalahan,1 dan 2 =2,7678x1 25 exp( /rt) dengan rata-rata esalahan,3. Sedangan transesterifiasi dengan etanol diperoleh harga 1 =1,168x1 19 exp( /rt) dengan rata-rata esalahan,36 dan 2 =4,9966x1 6 exp(-1.328/rt) dengan rata-rata esalahan,1589. Semain reatif alohol, maa harga parameter inetia semain besar. Ucapan Terima Kasih Ucapan terima asih disampaian epada Fitria Ulfah dan Basoro Cahyo yang telah membantu pelasanaan penelitian ini. Pada awalnya proses pembuatan biodiesel adalah suatu solusi sebagai energi alternatif yang dapat diperbaharui. Oleh arenanya sebainya bahan bau pembuatan biodiesel ini juga harus berasal dari bahan yang terbarui. Aan tetapi berdasaran penelitian, penggunaan metanol sebagai reatan menghasilan onversi yang lebih besar daripada etanol. Daftar Notasi C Ao onsentrasi minya jara mula-mula, gmol/liter C Bo onsentrasi alohol mula-mula, gmol/liter C A onsentrasi minya jara sisa, gmol/liter C B onsentrasi alohol sisa, gmol/liter onsentrasi gliserol, gmol/liter C C TEKNIK Vol. 33 No.2 Tahun 212, ISSN

6 C D onsentrasi etil/metil ester, gmol/liter Ea energi ativasi, al/mol 1 & 2 onstanta laju reasi,lt 3 /(mol 3 ) (menit) A fator tumbuan R Tetapan gas, 1,987 al/(mol)( K) T Temperatur, K Daftar Pustaa 1. Fessenden, R.J. and Fessenden, J.S., (1982), Kimia Organi, Jilid e-2, Erlangga, Jaarta. 2. Kir, R.E and Othmer, D.F, (1978), Encyclopedia of Chemichal Technology, 3 rd ed, A Willey Interscience Publication, John Wiley and Sons, Inc., New Yor. 3. Ma, F. and Hanna, A.M., (1999), Biodiesel Production : A Review, Journal Series # 1219, Agricultural Research Division, Institute of Agriculture and Natural Resources, University of Nebrasa-Lincoln. 4. Nur, A., (25), Penyelesaian Numeris dalam Teni Kimia dengan Matlab, Jurusan Teni Kimia, UNS, Suraarta. 5. Surawidjaya, T.N., (2), Apliasi Komputer Untu Analisis Kinetia Kimia, Prosiding Seminar Reayasa Kimia dan Proses 2, Jurusan Teni Kimia, Faultas Teni, Undip, ISSN: pp. E Syah, A.N.A., (25), Biodiesel Jara Pagar Bahan Baar Alternatif yang ramah lingungan, Cetaan etiga, PT. AgroMedia Pustaa. Jaarta TEKNIK Vol. 33 No.2 Tahun 212, ISSN