Kinetika Reaksi Transesterifikasi CPO terhadap Produk Metil Palmitat dalam Reaktor Tumpak Tania Surya Utami, Rita Arbianti, Doddy Nurhasman Departemen Teknik Kimia,Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus Baru UI Depok, Depok 16424 Email: nana@che.ui.edu; arbianti@che.ui.edu Abstrak Palm Oil Methyl Esters (POME) dihasilkan dari reaksi transesterifikasi antara CPO dengan metanol dengan NaOH sebagai katalisnya.. Sebelum dilakukan reaksi transesterifikasi maka CPO perlu dinetralkan dan dihilangkan kandungan airnya terlebih dahulu. Laju reaksi transesterifikasi naik seiring dengan kenaikan suhu. Kinetika reaksi disusun berdasarkan asumsi pseudo-first order dengan reaksi overall irreversible. Konstanta laju reaksi untuk suhu 55-70 o C adalah 0,0002785-0,000304/menit. Energi aktivasi yang diperoleh adalah 6,195x10 3 J/mol. Kata kunci: transesterifikasi; POME; kinetika reaksi 1. Pendahuluan Kebutuhan bahan bakar untuk mesin disel di Indonesia tiap tahunnya semakin meningkat seiring dengan pertambahan jumlah mesin industri dan jumlah kendaraan bermesin disel. Dengan semakin terbatasnya cadangan minyak bumi, maka perlu dicari alternatif sumber energi baru. Saat ini mulai dikembangkan penggunaan metil ester yang diperoleh dari minyak nabati (biodisel) sebagai sumber energi alternatif. Penggunaan biodisel pada mesin disel dapat mengurangi emisi hidrokarbon tak terbakar, karbon monooksida, sulfat, hidrokarbon polisiklis aromatik, nitrat hidrokarbon polisiklis aromatik dan partikel padatan. Minyak nabati yang sedang dikembangkan sekarang adalah CPO, tidak dapat digunakan langsung pada mesin karena viskositasnya yang tinggi. Reaksi transesterifikasi pada CPO dapat memecah rantai trigliserida menjadi lebih pendek dengan menggunakan katalis asam atau basa (Sidjabat,1995; Ma,1999; Aprianto,2003). Ada 3 tahapan reaksi transesterifikasi, yaitu pembentukan produk antara digliserida (DG) dan monogliserida (MG) yang akhirnya membentuk 3 mol metil ester (POME) dan 1 mol gliserol (GL) (Darnoko,2000). Reaksi overall transesterifikasi adalah sebagai berikut (Darnoko,2000): katalis TG + 3ROH 3POME + GL (1) Tahapan reaksi transesterifikasi adalah sebagai berikut: k 1 TG + ROH DG + POME (2) k 4 k 2 DG + ROH MG + POME (3) k 5 k 3 MG + ROH GL + POME (4) k 6 Katalis yang umum digunakan untuk reaksi transesterifikasi adalah katalis asam dan basa. Untuk katalis asam biasanya digunakan asam sulfonat dan asam sulfat sedangkan katalis basa digunakan NaOH, KOH dan NaOCH 3. Reaksi transesterifikasi dengan katalis basa lebih cepat 4000 kali dibandingkan katalis asam, dan juga katalis alkali tidak sekorosif katalis asam (Srivastava,1999). Logam alkali alkoksida (seperti CH 3 ONa untuk metanolisis) adalah katalis yang paling aktif dengan memberikan hasil yang sangat tinggi (>98%) pada waktu reaksi yang singkat yaitu selama 30 menit dan konsentrasi katalis yang rendah (0,5 %mol) (Srivastava,1999). KR2-1
Laju reaksi transesterifikasi juga sangat dipengaruhi oleh suhu reaksi. Reaksi transesterifikasi dapat berlangsung sempurna pada suhu kamar dengan waktu reaksi yang cukup lama. Umumnya suhu reaksi yang terjadi mengikuti suhu didih metanol (60-70 0 C) pada tekanan atmosferik (Srivastava,1999). Hasil reaksi yang maksimum didapatkan pada kisaran suhu reaksi antara 60-80 0 C dengan perbandingan mol alkohol dengan minyak (6:1) (Srivastava,1999). Apabila terjadi kenaikan suhu maka hal ini dapat mengurangi hasil reaksi. Kondisi reaksi diatas berlaku apabila menggunakan CPO sebagai bahan baku. Apabila menggunakan bahan minyak yang berbeda maka suhu reaksinya juga akan berbeda. Kinetika reaksi transesterifikasi untuk minyak nabati sudah dilaporkan oleh beberapa peneliti. Freedman dkk. mempelajari kinetika reaksi transesterifikasi minyak kedelai dengan metanol dan butanol, yang dikatalisis oleh asam dan basa (Diasakou,1998). Kusdiana dan Saka mempelajari kinetika reaksi transesterifikasi dari rapeseed oil dalam metanol superkritis, reaksi transesterifikasi tanpa katalis (Ksdiana,2000). 2. Metodologi Diagram alir dari penelitian ini ditunjukkan oleh Gambar 1. berikut ini: Preparasi sampel Reaksi transesterifikasi dalam reactor tumpak (variasi suhu) Analisis GC untuk metil palmitat Pengolahan data dan menetukan model kinetika laju reaksi Gambar 1 Diagram Alir Penelitian Menentukan konstanta laju reaksi dan energi aktivasi Preparasi Sampel CPO yang digunakan perlu ditentukan terlebih dahulu kadar air dan bilangan asam. Kadar air diuji dengan metoda gravimetri pada suhu 105 o C. Pengujian bilangan asam mengikuti prosedur dari JECFA-FAO. Jika bilangan asam tinggi perlu penetralan, dan jika kadar air tinggi dilakukan pengeringan untuk meningkatkan kualitas CPO. Peningkatan kualitas CPO dilakukan untuk mengurangi asam lemak bebas di dalamnya, yaitu dengan penambahan Na 2 CO 3 pada 90 o C. Reaksi Transesterifikasi dalam Reaktor Tumpak Reaksi transesterifikasi dilakukan dalam reaktor tumpak yang dilengkapi dengan pemanas, agitator, kondenser, dan termometer. Gambar 2. Reaktor Tumpak KR2-2
Pada reaktor tumpak dilakukan variasi suhu 55 o C, 60 o C, 65 o C, dan 70 o C. Kondisi standar yang digunakan adalah perbandingan reaktan (6 :1), jumlah katalis 1% dan kecepatan agitator 195 rpm. CPO high quality sebanyak 200 g dimasukkan ke dalam reaktor tumpak dan suhu dijaga tetap selama reaksi berlangsung. Katalis NaOH dicampurkan dengan metanol untuk membentuk NaOCH 3. sodium metoksida ini kemudian dimasukkan ke dalam reaktor tumpak dengan perlahan. Reaksi dilakukan selama 1,5 jam. Sampel produk diambil pada tiap selang waktu 5, 10, 15, 25, 35, 50, 70 dan 90 menit, untuk diuji konsentrasinya. Analisis Produk Produk POME yang diasumsikan sebagai metal palmitat, dianalisis dengan menggunakan Gas Chromatography (GC) jenis FID. Kolom yang digunakan jenis packed kolom dengan jenis packing GP 3% SP- 2310/2%SP-2300 on Chromosorb W AW produksi Supelco. Panjang kolom 1 m x ¼ stainless steel dengan suhu oven 190-220 o C dan suhu injektor 240 o C. 3. Hasil dan Diskusi Dari pengujian bilangan asam dan kadar air CPO didapatkan hasil seperti pada Tabel 1 berikut ini: Tabel 1. Sifat fisik-kimia CPO Malimping-CPO Parameter Nilai Kadar air (%) 0,16 % Bilangan asam (miligram KOH/gram sampel) Dari tabel terlihat bahwa bilangan asamnya cukup tinggi, oleh karena itu CPO harus dinetralkan terlebih dahulu sebelum dilakukan reaksi transesterifikasi sehingga didapatkan bilangan asam CPO 1,881 mg KOH/gr sampel. Menurut Cvengro dkk, bilangan asam dari minyak nabati untuk proses transesterifikasi tidak lebih dari 2 miligram KOH/gram sampel. Pengaruh Suhu pada Reaktor Tumpak CPO pada suhu ruang berbentuk semisolid, maka suhu minimum yang digunakan dalam penelitian ini adalah 55 o C. Apabila suhu dibawah 50 o C maka viskositas minyak yang tinggi (39,6 mm 2 /s) akan menimbulkan masalah pada saat pengadukan (Srivastava,1999). Variasi suhu yang dilakukan adalah 55, 60, 65 dan 70 o C. Hasil reaksi yang dinyatakan dengan konsentrasi metil palmitat dapat dilihat pada gambar berikut. 35,23 Gambar 3. Pengaruh suhu terhadap produk metil palmitat hasil analisis GC Dari Gambar 3. terlihat bahwa konsentrasi metil palmitat meningkat seiring dengan peningkatan suhu. Terlihat pada suhu 50 o C konsentrasi metil palmitat hanya 11,91%, dan kemudian meningkat menjadi 12,53% pada saat suhu 70 o C. KR2-3
Kinetika Reaksi Pada Reaktor Tumpak Kinetika reaksi pada reaktor tumpak dibuat dengan berdasarkan reaksi transesterifikasi overall, dengan asumsi bahwa reaktan yang digunakan sangat berlebih dan reaksi berlangsung irreversible. Model kinetika reaksi disusun mengikuti kinetika pseudo-first order. Reaksi overall transesterifikasi dapat dilihat pada persamaan reaksi. Berdasarkan reaksi total tersebut dapat dibuat persamaan laju reaksinya: 3 r = k[ TG][ ROH ] (5) 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 (Cang,1994). Maka Persamaan (5) dapat ditulis: d[ TG] r = = k[ TG] (6) dt Persamaan (6) merupakan persamaan kinetika orde satu. Persamaan ini diintegralkan dengan limit antara t = 0 sampai t = t dan konsentrasi dari [TG] 0 pada saat t = 0 dan [TG] pada waktu tertentu. Sehingga persamaan di atas menjadi: [ TG ] 0 ln = kt [ TG] Persamaan (7) dapat digunakan untuk mencari konstanta laju reaksi (k). Harus diingat bahwa konsentrasi awal [TG] 0 nilainya konstan. Dari Gambar 4 di bawah ini juga dapat dilihat bahwa suhu berpengaruh pada besarnya k. Kenaikan dari nilai k terlihat pada suhu 55-70 o C. Asumsi digunakannya orde satu terbukti dapat digunakan karena dari plot antara Ln [TG] versus waktu berupa garis lurus. (7) KR2-4
Gambar 4. Pengaruh suhu terhadap konstanta laju reaksi dengan konsentrasi trigliserida [TG] adalah jumlah mol TG sisa Nilai k yang telah diperoleh dapat digunakan untuk menghitung besarnya energi aktivasi, yaitu dengan persamaan Arhenius: k E a / RT = Ae (8) KR2-5
Persamaan (8) dapat dirubah bentuknya menjadi: Ea 1 ln k = + ln A (9) R T Maka plot antara ln k dan 1/T diberikan pada Gambar 5. di bawah ini. Gambar 5. Penentuan energi aktivasi. Dari gambar diatas maka didapat energi aktivasi sebesar 6,195x10 3 J/mol. 4. Kesimpulan Hasil reaksi terbesar didapatkan pada kondisi suhu reaksi 70 o C; 12,53 %, Besarnya kandungan FFA dan kandungan air dalam CPO sangat berpengaruh besar pada laju reaksi dan pada konsentrasi akhir metil ester. Adanya air di dalam metil ester akan membuat konsentrasi turun pada saat awal-awal reaksi yang semestinya laju reaksinya cepat, akibat terjadinya reaksi hidrolisis ester yang membentuk asam lemaknya kembali. Kenaikan suhu berpengaruh terhadap kenaikan konstanta laju reaksi. Konstanta laju reaksi untuk suhu 55-70 o C adalah 0,0002785-0,000304/menit. Energi aktivasi yang diperoleh adalah 6,195x10 3 J/mol. Daftar Pustaka 1. Aprianto, Galih, (2003), Pemanfaatan PalmOil Methyl Ester Sebagai Bahan Aditif Anti Aus pada Pelumas Sintesis PAO (Poly α - Olefin), Universitas Indonesia. 2. Cang, Raymond, (1994), Chemistry,Fifth Edition, McGraw-Hill Inc. 3. D., Darnoko, dan Munir Cheryan, (2000), Kinetics of Palm Oil Transesterification in a Batch Reactor, University of Illinois, Department of Food Science and Human Nutrition. 4. Diasakou, M., dan A. Louloudi, (1998), Kinetics of the non Catalytic Transesterification of Soybean Oil, ELSEVIER. 5. Ksdiana, D., dan S. Saka, (2000), Kinetics of Transesterification in Rapeseed Oil to Biodiesel Fuels as Treated in Supercritical Methanol, ELSEVIER. 6. Ma, Fangrui dan Milford A. Hanna, (1999), Biodiesel Production : A review, ELSEVIER. 7. Sidjabat, Oberlin dan Yunus Rahmat, (1995) Studi Proses Transesterifikasi Minyak Kelapa Sawit Menjadi Bahan Bakar Motor Setara Solar, Proceedings Diskusi Ilmiah VIII PPPTMGB Lemigas. 8. Srivastava, Anjana dan Prasad Ram, (1999), Triglycerides Based Diesel Fuels, PERGAMON. KR2-6