Keywords: methyl ester sulfonate, methanolysis, emulsifier

Transkripsi

1 STUDI PENGARUH RASIO MOL REAKTAN DAN WAKTU REAKSI PADA PROSES METANOLISIS UNTUK PEMBUATAN METIL ESTER SULFONAT SEBAGAI EMULSIFIER DENGAN AGEN PENSULFONASI NAHSO 3 Chaula Lingga K.P [ ], Wahyu Arie W [ ] Jurusan Teknik Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember putri.chaula08@mhs.chem-eng.its.ac.id Pembimbing Prof. Dr. Ir. Suprapto, DEA Abstrak Pengolahan CPO (crude palm oil) di Indonesia pada saat ini masih terbatas pada minyak goreng dan sebagian kecil pada produk-produk oleokimia. Karena itu diperlukan upaya pengolahan minyak kelapa sawit yang lebih beragam untuk meningkatkan nilai ekonomisnya. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan kondisi proses metanolisis khususnya rasio mol reaktan dan waktu reaksi metanolisis untuk memproduksi metil ester sulfonat (MES) dengan karakteristik yang paling baik. Penelitian ini diawali dengan melakukan sulfonasi metil ester dengan agen pensulfonasi NaHSO 3. Kemudian dilakukan metanolisis dengan metanol. Selanjutnya dilakukan netralisasi dengan NaOH sampai ph netral. Dari hasil analisa produk Metil ester sulfonat yang terbaik dihasilkan pada proses metanolisis dengan rasio mol reaktan 1:0,75 dan waktu reaksi metanolisis 90 menit. Pada kondisi tersebut didapatkan karakteristik kinerja metil ester sulfonat sebagai berikut : nilai IFT 12,56 dyne/cm, prosentase kestabilan emulsi 82,80%, dan daya deterjensi dengan nilai kekeruhan 0,294 A. Katakunci: metil ester sulfonat, metanolisis, emulsifier Abstract CPO (crude palm oil) processing in Indonesia at present is still limited in making cooking oil and a small portion of oleochemicals products. Product diversification efforts are required to increase the economic value so that the palm oil processing become more variety product. The objectives of this research are to obtain the conditions methanolysis processes, specifically mol ratio and time of reaction for making methyl ester sulfonate (MES) with the best characteristic and to know the effect of methanolysis process concern to methyl ester sulfonat (MES) characteristics. This research started by doing methyl ester sulfonation with sulfonating agent NaHSO 3. And then doing methanolysis. Furthermore, doing neutralization with NaOH until the ph being neutral. Based on analysis of research result, the best product of methyl ester sulfonate was obtained at 90 minutes of methanolysis reaction and methanol mol ratio 1:0,75. In this condition, the characteristics of methyl ester sulfonate are : interfacial tension value 12,56 dyne/cm, emulsion stability 82,80%, and detergency which is indicated by the turbidity level 0,294 A. Keywords: methyl ester sulfonate, methanolysis, emulsifier

2 PENDAHULUAN I.1 LATAR BELAKANG Pengolahan CPO (crude palm oil) di Indonesia pada saat ini masih terbatas pada minyak goreng dan sebagian kecil pada produk-produk oleokimia seperti asam lemak, fatty alcohol, sabun, metil ester dan stearin. Sedangkan permintaan akan minyak goreng dalam negeri maupun luar negeri sudah jauh dari mencukupi sehingga terjadi excess supply yang mengancam turunnya harga pasar terhadap minyak goreng berbahan baku kelapa sawit. Padahal apabila CPO diolah menjadi produk-produk oleokimia dapat memberikan nilai tambah yang cukup tinggi dibanding dengan produk pengolahan minyak kelapa sawit lainnya, yaitu berkisar antara % dari nilai mentahnya. Berdasarkan Oil World and Reuter, industri oleokimia dasar ini baru mampu menyumbangkan produksi sebesar 3,6% dari produksi oleokimia dunia (Goenadi dkk, 2005), sehingga diperlukan upaya diversivikasi produk pengolahan minyak kelapa sawit yang lebih beragam untuk meningkatkan nilai ekonomisnya. Konversi minyak kelapa sawit menjadi surfaktan yang merupakan pengembangan produk ke arah hilir akan meningkatkan nilai tambah produk kelapa sawit. Pengembangan agroindustri yang lebih berorientasi ke arah hilir merupakan strategi yang harus dilaksanakan untuk beberapa jenis komoditas perkebunan yang berpotensi untuk dikembangkan menjadi produk hilir yang berorientasi ekspor. Keluaran dari pembangunan agroindustri adalah perolehan nilai tambah yang signifikan atas input teknologi yang diberikan. Semakin canggih teknologi yang digunakan untuk melakukan diversifikasi produk dari bahan baku, maka semakin tinggi pula nilai tambah produk diversifikasi tersebut serta memiliki harga yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan harga komoditas awalnya. Hambali dkk, (2004) menyatakan bahwa surfaktan memiliki nilai tambah hampir delapan kali lipat bila dibandingkan dengan minyak sawit mentah (CPO dan PKO). Produk oleokimia yang mempunyai nilai ekonomis yang cukup tinggi sebagai surfaktan salah satunya yang berfungsi sebagai emulsifier. Emulsifier memiliki keunikan struktur kimia yang mampu menurunkan tegangan permukaan dua senyawa yang berbeda polaritasnya. Tingkat penurunan tegangan permukaan oleh senyawa pengemulsi berkisar antara 50 dyne/cm hingga kurang dari 10 dyne/cm jika digunakan pada konsentrasi lebih kecil dari 0,2 persen (Noureddini dan Zhu, 1997). Pada umumnya agen pengemulsi diproduksi dari disintesis minyak bumi maupun minyak hewani. Kebutuhan akan emulsifier pada produk pangan, kecantikan maupun kesehatan yang berbasis emulsi pun semakin meningkat. Pengadaan emulsifier berbahan baku nabati telah dikembangkan. I.2. DASAR TEORI Fatty acid methyl ester (FAME) adalah bahan bakar alternatif yang dapat digunakan sebagai pengganti untuk petroleum konvensional berbasis bahan bakar diesel. FAME juga diartikan sebagai biodiesel yang termasuk mono-alkil ester dari rantai panjang asam lemak yang disintesis dengan mengganti gliserol dengan alkohol rantai pendek seperti metanol atau etanol dala proses kimia yang dikenal sebagai transesterifikasi. Metil Ester sulfonat (MES) merupakan zat yang disintesiskan dari bahan metil ester dan agen pensulfonasi melalui proses sulfonasi. Emulsifier merupakan senyawa yang mempunyai aktivitas permukaan (surface-active agents) yang dapat menurunkan tegangan permukaan (surface tension) antara liquid-liquid maupun gas-liquid.

3 I.2.1 Proses Sulfonasi Sulfonasi adalah reaksi kimia yang melibatkan penggabungan gugus asam sulfonat, -SO 3 H, ke dalam suatu molekul ataupun ion, termasuk reaksi-reaksi yang melibatkan gugus sulfonil halida ataupun garam-garam yang berasal dari gugus asam sulfonat, misalnya penggabungan SO 2 Cl ke dalam senyawa organik. Jenis-jenis zat pensulfonasi antara lain : 1.Persenyawaan SO 3, termasuk didalamnya : - SO 3 - H 2 SO 4 - NaHSO 3 - oleum 2. Persenyawaan SO Senyawa sulfoalkilasi. Gambar 1. Ester Reaksi Sulfonasi Metil I.2.2 Proses Metanolisis Proses ini dilakukan dengan penambahan alkohol (metanol). Dilakukan untuk menghilangkan SO 3 pada gugus alkoxy sehingga terbentuk -sulfofatty acid alkyl ester (MES). I.2.3 Proses Netralisasi Proses penetralan dilakukan untuk menstabilkan produk dan menetralkan ph (diharapkan ph MES mendekati 7) Gambar 3. Reaksi Netralisasi METODE PENELITIAN II.1. BAHAN Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: 1. Metil Ester 2. Metanol 35% 3. NaOH 4. NaHSO 3 5. Aquades II.2. ALAT Peralatan yang digunakan pada penelitian ini antara lain sebagai berikut : 1. Labu leher tiga 1000 ml 2. Kondensor reflux 3. Termometer raksa 4. Stirer-Hot plate 5. Magnetic stirer 6. Beaker glass 7. Erlenmeyer 8. Karet Sumbat 9. Oilbath 10. Gelas ukur 100 ml Gambar 2. Reaksi Metanolisis

4 PROSEDUR Gambar 4. Skema Susunan Peralatan II.3. VARIABEL PENELITIAN 1. Waktu reaksi metanolisis = 30, 60, 90 dan 120 menit 2. Rasio Mol Reaktan = 1:0,5; 1:0,75; 1:1, antara S0 3 -di-adduct dan metanol II.4. PROSEDUR PENELITIAN Diagram Alir Metodologi Penelitian Metil Ester Proses Sulfonasi Ratio Mol = 1 : 1,5 Suhu Reaksi = C Pengadukan selama = 4,5 jam Proses Metanolisis Suhu = 55 0 C Waktu Reaksi = 30, 60, 90, 120 menit Proses netralisasi penetralan sampai ph netral (± 7) dengan suhu 40 0 C Analisa IFT kestabilan emulsi, daya deterjensi, dan ph NaHSO 3 Metanol 35% Rasio Mol reaktan = 1:0,5; 1:0,75; 1:1 NaOH 45% III.1. PRODUSER PENELITIAN Prosedur pertama adalah menyusun peralatan sulfonasi seperti pada Gambar 4. Kemudian metil ester dicampurkan dengan NaHSO 3 dan dilakukan pemanasan serta pengadukan selama 4,5 jam dengan suhu reaksi 109 C. Selanjutnya dilakukan proses metanolisis dengan penambahan metanol sesuai variabel ratio mol dengan konsentrasi metanol 35%. Proses ini dilakukan sesuai variabel waktu reaksi dengan suhu 55ºC. Setelah itu dilakukan proses penetralan dengan penambahan NaOH 45% sebanyak 100 ml, proses penetralan dilakukan selama 30 menit dengan suhu 40 C (Dova dan Atrya, 2009; Hidayati dkk, 2008). Kemudian dilakukan uji produk. Kinerja produk MES ini ditinjau dari kemampuannya untuk menurunkan tegangan antarmuka air-minyak, mempertahankan kestabilan emulsi xylene-air, dan daya deterjensinya. Karakteristik dari MES ditinjau dari pengukuran ph produk akhir. ph MES diukur dengan menggunakan indikator universal (Adiandri,2006). III.2. PRODUSER PENGUJIAN Pengujian IFT (ASTM D 1331, 2000): Menimbang 1,5 gram MES melarutkannya dalam 100 ml air dan diaduk selama 30 menit. Spindle digital dicelupkan dalam campuran air-surfaktan. Diatur agar spindle berada tepat di permukaan cairan. Kemudian secara hati-hari ditambahkan lapisan tipis minyak diatas air. Setelah benar-benar terbentuk 2 lapisan, spindle diangkat pelanpelan sampai tepat terlepas dari cairan, angka yang ditunjukkan spindle digital dibaca sebagai nilai tegangan antarmuka airminyak. Gambar 5. Diagram alir penelitian

5 Pengujian kestabilan emulsi xylene-air (ASTM D 1436, 2000) Mencampurkan air xylene dengan perbandingan 3:2, kemudian menambahkan MES sebesar 10% ke dalam sistem emulsi air-xylene tersebut dan mengaduknya selama 5 menit. Kestabilan emulsi dihitung dengan membandingkan volume emulsi setelah diaduk (A1) dengan volume emulsi setelah didiamkan selama 24 jam (A2). % Kestabilan emulsi = A1 100% A2 Pengujian Daya Deterjensi (Sutanto, 2007) Merendam potongan kain putih berukuran seragam ke dalam larutan pengotor yang dibuat dari larutan kecap 1% selama 30 menit. Kemudian ditiriskan selama 1 jam. Selanjutnya potongan kain tersebut direndam dalam larutan surfaktan 10% selama 30 menit. Kekeruhan larutan surfaktan sebagai indikasi larutnya pengotor lemak pada larutan surfaktan diukur dengan menggunakan metode spektroskopi pada panjang gelombang 450 nm. Nilai yang terbaca merupakan nilai kekeruhan dengan satuan abs. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada penelitian ini pembentukan MES berbasis ME kelapa sawit dimulai dengan proses sulfonasi, yaitu mereaksikan ME dengan agen pensulfonasi NaHSO 3 dengan perbandingan mol reaktan 1:1,5, sulfonasi berlangsung selama 4,5 jam dengan suhu reaksi 109 C. Natrium bisulfit (NaHSO 3 ) dibuat berlebih dengan tujuan untuk menjamin berlangsungnya proses sulfonasi dengan baik. Hal ini mengadopsi mengadopsi hasil penelitian dari Hidayati dkk (2008), yaitu menggunakan rasio mol metil ester dan NaHSO 3 1:1,5, suhu 109 C, dan lama reaksi 4,5 jam. Sheats dan MacArthur (2002) juga telah melakukan proses sulfonasi untuk menghasilkan MES dari beberapa sumber bahan baku dan mol reaktan SO 3 dibuat berlebih dengan perbandingan mol reaktan metil ester dan SO 3 adalah 1:1,25 hingga 1:1,3. Sulfonasi berlangsung selama 4,5 jam dengan suhu reaksi 109 C. Menurut United States Patent, No 3,873,590 (1972),menyatakan bahwa pada proses sulfonasi,suhu dijaga pada 110 C. MES kasar (unpurified MES) yang dihasilkan dari proses sulfonasi metil ester dengan Natrium bisulfit (NaHSO 3 ) diduga masih mengandung bahan pengotor (impurities). Bahan pengotor yang menjadi perhatian utama adalah produk samping dari proses sulfonasi yang disebut di-salt. Keberadaan di-salt diduga dapat menurukan kinerja MES sebagai surfaktan. Untuk mengetahui kinerja MES kasar (unpurified MES) maka dalam penelitian ini dilakukan karakterisasi terhadap beberapa parameter surfaktan yaitu a) Tegangan Antarmuka dan ph b) Kestabilan Emulsi c) Daya Deterjensi Berdasarkan hal tersebut diatas, maka dilakukan pemurnian untuk mereduksi kandungan di-salt yang ada dalam surfaktan metil ester sulfonat (MES) yang dihasilkan selama proses sulfonasi. Dalam penelitian ini pemurnian metil ester sulfonat (MES) dilakukan dengan menggunakan metanol 35%. Metanolisis ini dilakukan pada waktu reaksi 30 menit, 60 menit, 90 menit dan 120 menit dan rasio mol reaktan antara SO 3 diadduct dan metanol. Proses terakhir dalam pembuatan MES ini ialah proses netralisasi yang bertujuan untuk mencegah ph yang terlalu rendah dan mencegah hidrolisis yang menyebabkan terbentuknya di-salt (Forcella, 2008). Dalam penelitian ini, netralisasi dilakukan dengan NaOH 45%-berat sampai didapatkan ph mendekati netral (+7). Menurut Keenan (1984), reaksi penetralan (netralisasi) didefinisikan sebagai reaksi

6 antara asam dan basa yang masing-masing dalam kuantitas yang ekuivalen secara kimiawi. Proses netralisasi terhadap MESA dilakukan dengan tujuan untuk mendorong terbentuknya MES murni. Hasil Uji IFT nilai IFT. Pada awalnya dengan semakin tinggi mol metanol yang ditambahkan nilai IFT semakin turun karena pada saat metanolisis kemungkinan akan semakin banyak MES yang terbentuk. Dengan semakin banyaknya MES yang terbentuk maka kemampuan MES dalam menurunkan tegangan antarmuka air-minyak menjadi lebih kuat. Hasil Uji Kestabilan Emulsi Gambar 6. Antara IFT dengan Waktu Gambar 8. Antara Kestabilan emulsi dengan Waktu Gambar 7. Antara IFT dengan Mol metanol Pada gambar 6, terlihat bahwa semakin lama waktu metanolisis menyebabkan nilai IFT semakin kecil. Pada kondisi ini memungkinkan semakin besarnya peluang untuk terjadinya tumbukan dan mempercepat terjadinya reaksi. Hal ini menyebabkan molekul surfaktan yang terbentuk menjadi semakin banyak. Semakin banyaknya molekul surfaktan yang terbentuk, maka semakin baik pula kemampuannya untuk menurunkan tegangan antar muka. Sedangkan dari gambar 7, terlihat bahwa kenaikan mol metanol mempengaruhi Gambar 9. Antara Kestabilan emulsi dengan Mol metanol Dari Gambar 8, dapat dilihat bahwa kestabilan emulsi dari masing-masing perlakuan memiliki tingkat kestabilan yang beragam dengan peningkatan mol metanol dikarenakan adanya padatan MES yang terlarut dalam metanol, kondisi ini membuat sistem emulsi tidak stabil. Dan dari Gambar 9 dapat dilihat bahwa kestabilan emulsi meningkat seiring dengan peningkatan waktu. Pada sistem

7 emulsi minyak dalam air, molekul MES akan menyelimuti partikel minyak dengan mengikatnya pada gugus hidrofobik sehingga terbentuk globula. Globula-globula tersebut akan terdispersi dalam air membentuk sistem emulsi. MES membuat globula terdispersi merata dengan ikatan hidrogen antara gugus polar pada MES dengan air. Kondisi ini membuat sistem emulsi menjadi stabil. Hasil Uji Daya Deterjensi lemak atau minyak yang menempel pada kain Dan dari Gambar 11, terlihat bahwa daya deterjensi produk MES yang ditunjukkan dengan tingkat kekeruhan cenderung meningkat dengan semakin meningkatnya waktu reaksi metanolisis dan rasio mol metanol. Perlakuan pada waktu metanolisis 90 menit dan rasio mol metanol 1:0,75 memberikan rata-rata tingkat kekeruhan terbesar yaitu 0,294 A. Hal ini berarti MES yang dihasilkan pada waktu dan rasio mol tersebut adalah yang paling baik, karena tingkat kekeruhan menyatakan banyaknya lemak dan minyak yang dapat dilepaskan oleh larutan surfaktan dari kain yang kotor. KESIMPULAN Gambar 10. Antara Daya deterjensi dengan Waktu Gambar 11. Antara Daya deterjensi dengan Mol metanol Dari gambar 10, dapat dilihat bahwa daya deterjensi dari masing-masing perlakuan memiliki tingkat kekeruhan yang beragam dengan peningkatan mol metanol. Hal ini padatan MES yang terbentuk larut kedalam metanol sehingga menurunkan kemampuan MES dalam membersihkan kotoran yang berupa 1. Rasio mol reaktan dan waktu reaksi pada proses metanolisis serta interaksi keduanya memberikan pengaruh nyata terhadap parameter tegangan antarmuka, kestabilan emulsi, dan daya deterjensi. 2. Karakteristik produk MES yang dihasilkan adalah sebagai berikut : penurunan tegangan antarmuka dengan kisaran 13,75 dyne/cm (45,18%) hingga 12,56 dyne/cm (49,92%), stabilitas emulsi yang bekisar antara 77,98% hingga 82,80%, daya deterjensi yang ditunjukkan dengan tingkat kekeruhan berkisar antara 0,073-0,294 A. 3. Metil ester sulfonat yang terbaik dihasilkan pada proses metanolisis dengan rasio mol reaktan 1:0,75 dan waktu reaksi 90 menit. Pada kondisi tersebut didapatkan karakteristik kinerja metil ester sulfonat sebagai berikut : nilai IFT 12,56 dyne/cm, prosentase kestabilan emulsi 82,80%, dan daya deterjensi dengan nilai kekeruhan 0,294 A

8 DAFTAR PUSTAKA Dova, Rudi dan Ranggi Atrya Produksi Metil Ester Sulfonat untuk Surfaktan Enhanched Oil Recovery. Bandung : Teknik Kimia ITB. Forcella, A., Guisti. L, dan R. W. David Chemistry of Methyl Ester Sulfonates. AOCS press, Biorenewable Resources No. 5. Goenadi, Didiek Hadjar Prospek dan Arah Pengembangan Agribisnis Kelapa Sawit di Indonesia. Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian, Departemen Pertanian Republik Indonesia. MacArthur, B. W, Brooks B, Sheats W. B, dan Foster N. C Meeting the Challenge of Methylester Sulfonation. Chemiton, USA. Mac Arthur, B.W. and Sheats W. B Methyl Ester Sulfonate Products. The Chemithon Corporation. Noureddini, H., dan Zhu, D. (1997). Kinetics of Transesterification of Soybean Oil. Journal of American Chemical Society, 74(11). Hidayati, S., Ilim dan Pudji Permadi Optimasi Proses Sulfonasi untuk Memproduksi Metil Ester Sulfonat dari Minyak Kelapa Sawit. Lampung : Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II Universitas Lampung. Sutanto, Ari Imam Sintesa Metil Ester Sulfonat Dari Metil Ester Berbahan Baku PKO Pada Skala Pilot Plant. Sekolah Pascasarjana. IPB, Bogor. Tano Process for Producing α-sulfo- Fatty Acid Alkyl Ester Salt. US.