3. METODOLOGI 3.1. Kerangka Pemikiran Proses produksi surfaktan metil ester sulfonat menggunakan single tube falling film reactor (STFR) memerlukan kondisi yang tepat, sehingga proses sulfonasi berjalan sempurna. Beberapa faktor yang perlu diperhatikan dalam proses sulfonasi metil ester adalah rasio mol reaktan, laju alir bahan, suhu proses dan waktu. Reaksi sulfonasi pada reaktor STFR terjadi secara bertahap, dimulai dari penyerapan gas SO 3 oleh senyawa metil ester, pembentukan senyawa antara dan pembentukan metil ester sufonat. Kondisi tersebut menyebabkan rasio mol SO 3 yang diperlukan lebih besar dari pada bahan baku, yaitu sekitar 1,2 (Mac Arthur et al. 1998). Penggunaan gas SO 3 sebagai agen pensulfonasi dikarenakan sifatnya yang reaktif, menghasilkan konversi yang sempurna dan menghasilkan reaksi sulfonasi yang zero waste (Sheats dan Mac Arthur 2008). Proses sulfonasi dengan reaktan gas SO 3 dilakukan pada reaktor falling-film. Berdasarkan hasil wawancara dengan produsen surfaktan anionik pengguna teknologi ini, proses sulfonasi untuk mendapatkan waktu start-up reaktor untuk menghasilkan produk yang konsisten dan homogen adalah selama 6 jam. Saat ini SBRC-LPPM-IPB telah mengembangkan proses sulfonasi dengan gas SO 3 dengan menggunakan singletube falling-film reactor (STFR) dengan tinggi reaktor 6 m. Kelebihan reaktor singletube dibandingkan dengan reaktor multitube antara lain kapasitas produksi yang lebih rendah (skala kecil), sehingga kebutuhan bahan baku ME lebih sedikit. Kajian penelitian ini dilakukan pada proses sulfonasi dari ME jarak pagar menggunakan reaktan gas SO 3 untuk menghasilkan MES. Penelitian sulfonasi ME jarak pagar didasarkan pada pertimbangan belum berkembangnya teknologi sulfonasi di Indonesia dan masih rendahnya nilai tambah pengembangan minyak jarak. Sutanto (2007) mensulfonasi ME dengan pereaksi Na 2 HSO 3 secara curah. Mujdalipah (2008) menggunakan gas SO 3 sebagai reaktan untuk mensulfonasi ME menggunakan falling film reaktor dengan tinggi reaktor satu meter sebagai reaktor sulfonasi.
16 Sifat fisikokimia dan kinerja surfaktan MES yang baik ditentukan pada kesempurnaan reaksi yang terjadi antara bahan baku ME dan gas SO 3 dalam tahapan proses sulfonasi. Produk yang dihasilkan pada proses sulfonasi ini berupa metil ester sulfonic acid (MESA) yang apabila dilanjutkan oleh proses netralisasi akan menghasilkan MES. Dengan diketahuinya lama proses sulfonasi untuk mencapai kondisi tunak, diduga dapat mengoptimalkan reaksi antara ME dan reaktan gas SO 3. Peningkatan suhu pada bahan baku ME akan menurunkan viskositas dari ME sehingga pembentukan lapisan film dalam reaktor akan semakin tipis. Hal ini diduga akan menyebabkan kontak antara ME dan gas SO 3 dapat berlangsung lebih optimal. Laju alir bahan yang diumpankan ke dalam reaktor akan menentukan ketebalan lapisan film. Lapisan film yang terlalu tipis akan menyebabkan terjadinya over sulfonated yang mengakibatkan terjadinya pembentukan kerak pada reaktor, sedangkan bila lapisan yang terlalu tebal menyebabkan reaksi sulfonasi tidak sempurna (bahan masih mentah). Penelitian produksi MES (SBRC) yang telah dilakukan antara lain dengan menggunakan reaktan NaHSO 3 dan H 2 SO 4. Kondisi proses sulfonasi yang diteliti dengan menggunakan reaktan metil ester dan NaHSO 3 adalah sebagai berikut : lama reaksi 3 6 jam, suhu reaksi 60 100 o C. Untuk memperoleh laju alir yang sesuai dapat dilakukan dengan melakukan trial and error pada penelitian pendahuluan. Laju alir bahan ME yang digunakan pada penelitian ini adalah 75 ml /menit. Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Gambar 8. 3.2. Tempat dan waktu Penelitian Penelitian dilakukan di Laboratorium SBRC LPPM IPB selama 6 bulan, yaitu dari Juli 2010 Desember 2010. 3.3. Bahan dan Alat Bahan baku yang digunakan adalah metil ester jarak pagar. Bahan kimia yang digunakan adalah gas SO 3, metanol, asam sulfat dan KOH. Adapun bahanbahan kimia untuk analisa yaitu : alkohol netral 95 %, metanol, KOH 0.1 N,
17 NaOH, kloroform, BF 3, KI, BaCl 2, akuades, indikator PP (phenolptalein), HCl serta bahan-bahan lain untuk analisis. Biji jarak pagar Pengepresan Minyak jarak pagar Analisis : Kadar air, bilangan asam, bilangan iod, bilangan penyabunan densitas, viskositas Esterifikasi /Transesterifikasi Metil ester jarak pagar Analisis : Kadar air, bilangan asam, bilangan iod, bilangan penyabunan densitas, viskositas, gliserol total Sulfonasi Metil ester jarak pagar menggunakan STFR - Kecepatan aliran 75 ml/menit - Suhu umpan 80, 90, 100 0 C - Waktu sampling per 60 menit MESA jarak pagar Analisa : Densitas. ph, Viskositas, Analisis Bahan Aktif, Bilangan Iod dan Bilangan Asam, Warna, Netralisasi MES Uji kinerja : Tegangan permukaan (IFT) Gambar 8 Diagram alir penelitian Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah: screw press kapasitas 300 kg/hari, reaktor esterifikasi/transesterifikasi, reaktor sulfonasi STFR, labu pemisah, labu erlenmeyer, gelas ukur, pipet tetes, pipet volumetrik, bulp, pengaduk, tangki penampung bahan dan produk. Peralatan analisa yang digunakan yaitu: spectrofotometer Genesys 20, magnetic stirer, densitometer (Antoon Paar), viscosimeter (Brookfield viscosimeter), ph meter schoot
18 instruments handylab ph/11, thermometer,neraca analitik, cawan alumunium, penangas air, desikator, buret, labu asah, kertas saring dan peralatan gelas lainnya. 3.4. Tahapan Penelitian Tahapan penelitian yang akan dilakukan meliputi esterifikasi/ transesterifikasi minyak jarak, sulfonasi metil ester dan analisis sifat fisik kimia methyl ester sulfonic acid (MESA). a. Persiapan bahan baku Persiapan bahan baku terdiri dari pengepresan biji jarak dan pemisaha sludge (pemurnian minyak jarak pagar). Pengepresan biji jarak dilakukan dengan menggunakan pengepres berulir kapasitas 300 kg perhari. Selanjutnya minyak jarak yang diperoleh didiamkan selama 3-4 hari untuk mengendapkan sludge. b. Esterifikasi/transesterifikasi minyak jarak. Menurut Hambali et al. (2006) proses esterifikasi dan transesterifikasi dilakukan untuk mengubah [tri, di, mono] gliserida yang mendominasi komposisi refined fatty oil menjadi metil ester (FAME). Bahan baku yang memiliki kadar asam lemak bebas (free fatty acid) rendah (maksimal 2%) dapat langsung diproses menjadi metil ester dengan metode transesterifikasi, sedangkan jika kadar asam lemak bebas minyak tersebut masih tinggi (> 2 %), maka perlu dilakukan proses esterifikasi terlebih dahulu (Gambar 9). Transesterifikasi dilakukan melalui 3 tahapan utama. Tahap pertama adalah pencampuran katalis KOH (1 % ) dengan metanol (10 %). Tahap kedua adalah pencampuran katalis dan alkohol dengan minyak pada temperatur 55 O C yang diaduk secara konstan selama 1 jam. Tahap ketiga adalah pemisahan metil ester dari gliserol dengan metode setling. Pada dasarnya esterifikasi dilakukan melalui 3 tahapan utama. Tahap pertama adalah pencampuran katalis asam (5 % dari FFA bahan baku) dengan metanol (225 % dari FFA bahan baku). Tahap kedua adalah
19 pencampuran katalis dan alkohol dengan minyak pada temperatur 55 O C yang diaduk secara konstan selama 1 jam. Tahap ketiga adalah pemisahan metil ester dari sisa alkohol, gum dan sabun dengan metode setling. Minyak jarak (ALB > 2 %) Pemanasan H 2 SO 4 + metanol Esterifikasi Pencampuran 55 o C ; 1 jam Sisa metanol Separasi (Setling) Minyak jarak (ALB < 2 %) Pemanasan KOH + methanol Transesterifikasi Pencampuran Separasi (Setling) Gliserol Biodiesel kasar Sisa metanol Purifikasi Biodiesel Gambar 9 Diagram alir produksi biodiesel (Hambali et al. 2006) c. Sulfonasi metil ester Sulfonasi metil ester minyak jarak dilakukan dengan menggunakan single tube falling film reactor (STFR). Metil ester diumpankan ke dalam reaktor sulfonasi pada suhu umpan 80, 90, 100 o C. Selanjutnya dilakukan sampling tiap 60 menit selama 6 jam. Sulfonasi gas SO 3 pada ME jarak
20 pagar menggunakan reaktor STFR dengan tinggi reaktor 6 m, diameter 25 mm, dan gas SO 3 sebagai agen pensulfonasi. Kontak antara gas SO 3 dan ME jarak pagar dilakukan pada kondisi proses sebagai berikut: laju alir ME 75 ml/menit dan gas SO 3 full valve. Skema proses sulfonasi ME menjadi MESA pada penelitian ini disajikan pada Gambar 10. ME Jarak pagar Gambar 10 Skema proses sulfonasi ME menjadi MESA. d. Karakterisasi methyl ester sulfonic acids (MESA). Karakterisasi MES Jarak Pagar meliputi : densitas, viskositas, warna, ph, bilangan asam, bilangan iod dan analisis bahan aktif. Prosedur analisis MESA dan MES dapat dilihat pada Lampiran 1 dan 2. e. Uji kinerja methyl ester sulfonat (MES) Uji kinerja MES dilakukan dengan mengukur nilai (IFT) dari MES pada berbagai salinitas.
21 3.5. Rancangan Percobaan Model rancangan percobaan dasar yang digunakan pada penelitian ini adalah rancangan acak lengkap yang melibatkan pengamatan berulang atau disebut RAL dalam waktu (RAL in time) (Mattjik dan Sumertajaya 2002). Untuk memperoleh informasi yang lebih luas, selain pengaruh perlakuan yang dicobakan, kajian terhadap waktu juga dilakukan untuk melihat perkembangan respon selama penelitian berlangsung. Secara umum model linier dari rancangan ini sama seperti model linier dari rancangan dasar yang digunakan ditambahkan pengaruh waktu dan interaksinya. Model yang digunakan mengikuti model linier rancangan blok terbagi (split blok) dengan variabel yang dikaji adalah suhu input ME jarak pagar dan lama proses sulfonasi. Suhu input ME jarak pagar terdiri dari 3 taraf, yaitu: S1 : 80 o C S2 : 90 o C S3 : 100 o C Lama proses sulfonasi terdiri dari 7 taraf, yaitu: W1 : 0 jam W2 : 1 jam W3 : 2 jam W4 : 3 jam W5 : 4 jam W6 : 5 jam W7 : 6 jam Analisis ragam dilakukan pada data yang diperoleh untuk mengetahui perbedaan antar perlakuan dilanjutkan dengan uji lanjut Beda Nyata Terkecil (BNT) pada taraf 5%. Model matematika dalam percobaan ini adalah sebagai berikut (Mattjik dan Sumertajaya 2002) : Yijk = μ+ K + αi + δik + ωj + γjk + αωij + ωijk
22 Keterangan: Yijk = Variabel respon/hasil pengamatan karena pengaruh besarnya faktor α taraf ke-i dan faktor ω taraf ke-j pada ulangan/blok ke-k; dengan i= 1, 2, 3; j=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7; dan k=1,2 Μ = Pengaruh rata-rata sebenarnya (rata-rata umum) K = Pengaruh dari blok/ulangan ke-k (k=1,2) αi = Pengaruh dari faktor suhu input (α ) taraf ke-i, ulangan ke-k (i=1, 2, 3; k=1, 2) δik = Galat faktor α ωj = Pengaruh faktor lama sulfonasi (ω ) taraf ke-j, ulangan ke-k (j= 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7; k = 1, 2) γjk = Galat faktor ω αωij = Pengaruh interaksi faktor α dengan faktor ω ωijk = Galat interaksi faktor α dengan faktor ω Parameter yang diamati meliputi densitas, viskositas, warna, ph, kadar bahan aktif, bilangan iod dan bilangan asam.