Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) PEMBUATAN BIODIESEL DARI MINYAK KELAPA MELALUI PROSES TRANS-ESTERIFIKASI Pardi Satriananda ABSTRACT Ethyl ester and gliserol produce by reacting coconut oil with ethanol. Ethyl ester also called biodiesel, because it has a close characteristic with diesel oil. The source of biodiesel come from natural plants that contain oil. This research used trans-esterification method to produce biodiesel from coconut oil. Reaction held by varying temperatur at 60 o C, 70 o C and 80 o C and mol ratio of coconut oil to ethanol varying from 1 : 3, 1 : 5 to 1 : 7. The result shows the range of kinematic viscosity laying between 1,498 1,650 cm 2 /s, density range 0,809 0,812 gr/cm 3 and flash point range 78 79 o C. Maximum yield 64 % ethyl ester reach at mol ratio coconut oil to ethanol 1: 7 and reaction temperature 70 o C. Key words : biodiesel, trans-esterification reaction, coconut oil and ethyl ester. PENDAHULUAN Ketersediaan bahan bakar minyak bumi saat ini semakin terbatas. Harga minyak mentah dunia sempat menembus US $ 147 per barrel pada pertengahan tahun 2008. Untuk mengatasi krisis energi ini, maka perlu dicarikan energi alternatif sebagai substitusi bahan bakar minyak bumi. Beberapa minyak nabati dapat digunakan sebagai bahan bakar alternatif. Indonesia berpeluang mengembangkan bahan bakar dari minyak nabati, karena memiliki persediaan berlimpah. Saat ini beberapa jenis minyak tanaman seperti minyak kelapa, kedelai, lobak dan sawit dapat digunakan sebagai sumber energi alternatif, karena mengandung fatty acid alkyl ester yang sifat-sifatnya mirip minyak solar. Bahan bakar dari tumbuhan ini sering disebut Biodiesel. Kelebihan biodiesel adalah memiliki sifat pelumas terhadap piston mesin, tidak beracun, bebas sulfur, mengeluarkan emisi yang rendah, ramah lingkungan dan selalu dapat diperbaharui. 31 Ethyl ester sebagai salah satu dari fatty acid alkyl ester dapat dibuat melalui reaksi trans-esterifikasi. Proses trans-esterifikasi merupakan proses pemotongan rantai-rantai panjang gliserida menjadi ester rantai pendek. Alkil ester ini dihasilkan dari hasil reaksi minyak nabati dengan sejumlah alkohol melalui bantuan katalis. Hasil reaksi selain menghasilkan alkil ester juga menghasilkan produk samping yang berupa gliserol (Guy Purcella, 2006). Gliserol merupakan bahan baku pembuatan sabun, deterjen, dan produk kimia lainnya, sehingga semua hasil reaksi ini memiliki nilai ekonomis. Biodiesel yang dihasilkan dari proses trans-esterifikasi hasilnya dapat diuji karakteristiknya dan dibandingkan dengan bahan bakar diesel sehingga dapat diketahui kelayakannya. Pembuatan biodiesel ini diharapkan dapat mengatasi masalah kelangkaan bahan bakar dimasa yang akan datang. Penelitian ini meninjau proses pembuatan biodiesel dari minyak kelapa dan etanol dengan melihat pengaruh temperatur
Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) dan perbandingan mol reaktan terhadap jumlah produk yang dihasilkan serta karakteristik fisik seperti densitas, viskositas dan flash point biodiesel yang dihasilkan. TINJAUAN PUSTAKA Di Indonesia, pemanfaatan minyak kelapa sebagai bahan baku pembuatan biodiesel masih sangat rendah, sebagian besar minyak kelapa di konsumsi sebagai minyak goreng, padahal kandungan asam lemak dalam minyak kelapa cukup tinggi, sehingga dapat diproses menjadi biodiesel. Besarnya kandungan asam lemak pada minyak kelapa diperlihatkan pada Tabel 1. Biodiesel (ethyl ester) dapat di produksi dari minyak kelapa melalui reaksi transesterifikasi. Alkohol Alkohol terbentuk dari ikatan gugus alkil dengan gugus hidroksil. Nama alkohol berbeda-beda tergantung pada banyaknya jumlah karbon pada rantai alkil, namun alkohol yang sering disebut dalam istilah sehari-hari adalah adalah ethanol (ethyl alkohol) dengan rumus kimia C 2 H 5 OH. Ethanol biasa digunakan untuk pembuatan minuman keras, pelarut minyak (parfum, dll), pelarut obat-obatan serta untuk keperluan industri lainnya. Proses pembuatan biodiesel pada penelitian ini menggunakan pelarut ethanol, karena ethanol mudah diperoleh dan dapat di sintesa dari sumber-sumber pati (starch) yang renewable seperti jagung, umbi-umbian (ubi kayu), biji-bijian (jagung), sagu dan lain-lain (Bernardini, 1985). Reaksi Trans-esterifikasi Senyawa asam lemak dalam biodiesel dibuat melalui reaksi trans-esterifikasi triglisirida dengan etanol. Tiap molekul triglisirida mengandung tiga gugus asam lemak. Reaksi pembentukan ethyl ester memperlihatkan bahwa setiap konversi 1 mol trigliserida membutuhkan 3 mol ethanol sehingga menghasilkan 3 mol ethyl ester dan 1 mol gliserol. Ethyl ester itulah yang bisa digunakan sebagai bahan bakar. Tabel 1. Kandungan Asam Lemak Pada Minyak Kelapa Nama Rantai Titik Cair ( o C) Asam Kaproat Asam Kaprilat Asam Koprat Asam Laurat Asam Miristat Asam Palmiat Asam Stearat Asam Oleat Asam Linneloat C 6 H 12 O 2 C 8 H 16 O 2 C 10 H 20 O 2 C 12 H 24 O 2 C 14 H 28 O 2 C 16 H 32 O 2 C 18 H 36 O 2 C 18 H 34 O 2 C 18 H 30 O 2 Sumber : Thieme, JG., 1968-3,4 16,7 31,6 44,2 54,4 62,9 69,6 16,3-5,0 Jumlah dalam minyak (%) 0,0-0,8 4,1-4,8 4,5-9,7 44,1-51,3 13,1-18,5 7,5-10,5 1,0-3,2 5,0-8,2 1,0-2,6 32
Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) Reaksi trans-esterifikasi: CH 2 OOR CH 2 OH CHOOR + 3C 2 H 5 OH 3C 2 H 5 OOR + CHOH CH 2 OOR CH 2 OH Trigliserida Alkohol Ethyl ester Glyserol Metode trans-esterifikasi mempunyai kelebihan dibandingkan dengan metode hidrolisis dan esterifikasi. Reaksi dapat berlangsung cukup cepat sekitar 10 15 menit pada temperatur 60ºC, tekanan ruang dalam ethanol berlebih serta katalis Natrium Hidroksida (Roger, 1997). Temperatur Reaksi Secara umum penerapan temperatur pada reaksi trans-esterifikasi tergantung pada stabilitas dari bahan baku (asam lemak, trigliserida dan larutan etanol) yang dipakai, temperatur reaksi biasanya dibatasi hingga 75 o C untuk menjaga agar etanol berada pada kondisi cair. Bila temperatur lebih tinggi melewati titik didih etanol (78 o C), maka akan terjadi penguapan etanol (www.biodiesel.com). Perbandingan Mol Reaktan Berdasarkan reaksi trans-esterifikasi pembentukan ethyl ester, maka secara teoritis perbandingan satu mol minyak kelapa akan bereaksi dengan tiga mol etanol dan dihasilkan tiga mol ethyl ester. Untuk mendapatkan konversi ethyl ester yang tinggi, maka etanol yang merupakan reaktan pembatas harus di kondisikan dalam keadaan berlebih (www.pacificbiodiesel.com, 2001). Densitas Densitas dari suatu zat adalah massa dari sejumlah volume suatu zat pada temperatur dan tekanan tertentu. Untuk fluida cair, densitas biasa dianggap tetap pada perubahan-perubahan tekanan praktis. Titik Nyala (Flash Point) Titik nyala (flash point) merupakan pengukuran temperatur dimana bahan bakar harus dipanaskan sehingga uap air dan udara diatas bahan bakar dapat terbakar. Bahan bakar diesel memiliki titik api relatif tinggi (min. 54 o C, umumnya 71 o C). Titik api yang rendah dapat disebabkan oleh sisa ethanol/methanol pada ester. Titik nyala ethyl ester yang dibuat dari bahan alam dapat sangat berbeda, hal ini disebabkan kemurnian bahan baku dari sumber alam yang beragam, sehingga sulit untuk membandingkan nilai titik api dari ester yang dihasilkan. METODE PENELITIAN Pembuatan Biodiesel melalui proses transesterifikasi ini dilakukan pada variasi temperatur reaksi sebesar 60 o C, 70 o C dan 80 o C, serta variasi perbandingan mol reaktan (minyak kelapa : etanol) sebesar 1:3, 1:5 dan 1:7. Dari kedua perlakuan, kemudian dilihat pengaruhnya terhadap yield, densitas, viskositas dan flash point dari biodiesel yang dihasilkan. Berat bahan baku minyak kelapa 500 gram dan konsentrasi katalis 0,2 %. HASIL DAN PEMBAHASAN Perolehan (Yield) Biodiesel Komposisi minyak kelapa umumnya terdiri dari berbagai jenis asam karboksilat. Senyawa-senyawa asam karboksilat ini jika direaksikan dengan etanol akan menghasilkan senyawa ethyl-ester yang 33
Yield (%) Yield biodiesel (%) Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) dapat dimanfaatkan sebagai biodiesel. Temperatur reaksi dan perbandingan mol minyak kelapa terhadap alkohol berpengaruh terhadap perolehan (yield) ethyl ester. Pengaruh temperatur reaksi dan rasio minyak kelapa : ethanol terhadap yield diperlihatkan pada Gambar 1. 70 60 50 40 30 20 10 0 Perbandingan mol minyak : etanol Gambar 1. Perolehan (yield) ethyl ester pada berbagai perbandingan mol minyak kelapa : etanol pada temperatur 60, 70 dan 80 o C. Dari gambar 1 dapat dilihat bahwa semakin besar perbandingan mol minyak kelapa : etanol, maka yield ethyl ester (biodiesel) yang diperoleh menjadi semakin besar. Hal ini dapat dijelaskan bahwa secara teoritis, reaksi trans-esterifikasi antara minyak dan ethanol memiliki perbandingan mol 1 : 3, dimana 1 mol minyak akan bereaksi dengan 3 mol etanol membentuk 3 mol ethyl ester dan 1 mol gliserol. Dalam kondisi nyata, tidak mungkin 3 mol alkohol dapat bereaksi sempurna dengan 1 mol minyak. Agar reaksi di atas dapat berlangsung, di butuhkan katalis Natrium (Na) untuk memotong ikatan C pada trigliserida agar dapat dibentuk ester. Reaksi pembentukan ethyl ester terdiri dari 2 tahap. Tahap pertama katalis Na akan memotong gugus alkil pada trigliserida, sedangkan tahap kedua, alkohol yang terkandung dalam senyawa ethoksi akan mendesak unsur Na sehingga membentuk senyawa ethyl ester (Purcela, 2006). Besarnya yield ethyl ester yang akan diperoleh sangat tergantung kepada jumlah gugus alkohol yang dapat mendesak gugus R-COO-Na. Oleh karena itu, semakin besar perbandingan mol minyak : alkohol maka senyawa ethyl ester yang akan diperoleh akan semakin besar. Hasil penelitian ini dapat dilihat bahwa yield ethyl ester terbesar diperoleh pada perbandingan minyak : alkohol 1 : 7, yield yang didapatkan sekitar 64 %. Temperatur reaksi juga mempengaruhi besarnya yield ethyl ester yang akan diperoleh. Pengaruh temperatur terhadap yield ethyl ester pada berbagai perbandingan mol minyak : ethanol diperlihatkan pada Gambar 2. Dari gambar 2 dapat dilihat bahwa semakin tinggi temperatur, maka yield ethyl ester yang diperoleh semakin besar. Hal ini disebabkan kenaikan temperatur akan mempengaruhi konstanta kecepatan reaksi sesuai persamaan Arhenius : 250 200 150 100 50 0 k Ae Ea/ RT. 60 70 80 Temperatur 1 : 3 1 : 5 1 : 7 Gambar 2. Pengaruh temperatur terhadap yield ethyl ester pada berbagai perbandingan mol minyak : ethanol. Dari persamaan Arhenius dapat dilihat bahwa semakin besar temperatur, konstanta kecepatan reaksi akan semakin besar pula. Semakin besar konstanta kecepatan reaksi, reaksi akan berlangsung lebih cepat. Jika waktu reaksi tetap pada berbagai rentang temperatur, maka reaksi yang berlangsung 34
density (gr/cm 3 ) viskositas kinematik (cm 2 /s) Density (gr/cm 3 ) Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) pada temperatur lebih tinggi tentu saja akan memberikan yield yang lebih besar. Meskipun demikian, peningkatan temperatur reaksi pada penelitian pembuatan biodiesel dari minyak kelapa ini tidak meningkatkan yield secara signifikan, artinya proses pembuatan biodiesel itu sendiri sudah dapat berlangsung cukup baik pada temperatur 60 o C. Peningkatan temperatur menjadi 70 o C dan 80 o C hanya sedikit meningkatkan perolehan (yield) biodiesel yang dihasilkan. Densitas Biodiesel Pengaruh peningkatan temperatur reaksi terhadap densitas pada berbagai perbandingan mol minyak kelapa : etanol diperlihatkan pada Gambar 3, sedangkan pengaruh perbandingan mol minyak kelapa : etanol pada berbagai variasi temperatur diperlihatkan pada Gambar 4. 0,820 0,818 0,816 0,814 0,812 0,810 0,808 0,806 0,804 0,802 0,800 Gambar 3. Pengaruh temperatur terhadap densitas ethyl ester pada berbagai perbandingan mol minyak kelapa : ethanol. 0,820 0,818 0,816 0,814 0,812 0,810 0,808 0,806 0,804 0,802 0,800 60 70 80 Temperatur Reaksi ( o C) 1:3 C 1:5 C 1:7 C perbandingan mol minyak : etanol Gambar 4. Pengaruh perbandingan mol minyak kelapa : ethanol terhadap densitas ethyl ester pada berbagai temperatur Dari Gambar 3 dan Gambar 4 dapat dilihat bahwa peningkatan temperatur dan peningkatan perbandingan mol minyak kelapa : etanol tidak memberikan pengaruh yang signifikan terhadap perubahan densitas ethyl ester yang dihasilkan. Hal ini kemungkinan disebabkan karena temperatur optimum yang dibutuhkan untuk berlangsungnya reaksi telah tercapai pada 60 o C. Pada temperatur 60 o C ini, telah diperoleh produk ethyl ester. Meskipun ada perbedaan densitas pada masing-masing perlakuan, namun perbedaan densitas yang diperoleh antar perlakuan tidak terlalu signifikan. Jangkauan densitas pada berbagai perbedaan temperatur reaksi dan berbagai perbandingan mol minyak kelapa : etanol berkisar 0,809 0,812 gr/cm 3. Viskositas Biodiesel Pengaruh peningkatan temperatur reaksi terhadap viskositas biodiesel pada berbagai perbandingan mol minyak kelapa : etanol diperlihatkan pada Gambar 5. 2,0000 1,8000 1,6000 1,4000 1,2000 1,0000 0,8000 0,6000 0,4000 0,2000 0,0000 perbandingan mol minyak : etanol Gambar 5. Pengaruh perbandingan mol minyak kelapa : ethanol terhadap viskositas ethyl ester pada berbagai temperatur Dari Gambar 5 dapat dilihat bahwa peningkatan perbandingan mol minyak kelapa : Etanol tidak memberikan pengaruh signifikan terhadap viskositas kinematik ethyl ester yang dihasilkan. Hal ini disebabkan ethyl ester yang dihasilkan pada 35
flash point ( o C) Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) berbagai perbandingan mol tersebut memiliki karakteristik yang hampir sama. Jangkauan viskositas kinematik dari biodiesel (ethyl ester) yang diperoleh pada berbagai perlakuan berkisar antara 1,498 1,650 cm 2 /s. Titik Nyala (Flash Point) Biodiesel Pengaruh peningkatan temperatur reaksi terhadap flash point (titik nyala) biodiesel pada berbagai perbandingan mol minyak kelapa : etanol diperlihatkan pada Gambar 6. 80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 perbandingan mol minyak : etanol Gambar 6. Pengaruh perbandingan mol minyak kelapa : ethanol terhadap flash point ethyl ester pada berbagai temperatur Dari Gambar 6 dapat dilihat bahwa hasil pengukuran flash point biodiesel (ethyl ester) yang diperoleh sangat beragam, meskipun demikian secara umum temperatur flash point berkisar antara 78 o C sampai 79 o C. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu : - Peningkatan perbandingan mol minyak kelapa : mol etanol akan meningkatkan perolehan (yield) biodiesel, namun peningkatan temperatur reaksi tidak memberikan peningkatan yang cukup signifikan terhadap perolehan (yield) biodiesel. - Peningkatan perbandingan mol minyak kelapa : mol etanol dan peningkatan temperatur reaksi tidak memberikan perubahan yang cukup signifikan terhadap densitas, viskositas kinematik dan flash point biodiesel yang dihasilkan. - Perolehan (yield) maksimum dicapai pada perbandingan mol minyak kelapa : mol etanol 1 : 7, temperatur reaksi 70 o C dan 80 o C sebesar 160 % dari bahan baku minyak kelapa yang digunakan. - Biodiesel yang dihasilkan memiliki viskositas kinematik 1,498 1,650 cm 2 /s, densitas 0,809 0,812 gr/cm 3 dan flash point 78 79 o C. Ucapan Terima Kasih Peneliti mengucapkan terima kasih kepada Dirjen Dikti untuk pembiayaan penelitian ini dari program penelitian dosen muda. DAFTAR PUSTAKA Purcela, G., 2006, Biodiesel, What it is and how to make it at home, Summit Enterprise LLC. Bernardini, E, 1985, Oil Seed and Fats, Publishing house, Italy Roger, et.al, 1997, Transesterification Process To Manufacture Ethly Ester of Rape Oil, Departement of Chemical Engineering, University of Idaho, Moscow www.biodiesel.com. 2005. www.pacific biodiesel.com, Desember 2001, Specification for Biodiesel 36