Jurnal Rekayasa Produk dan Proses Kimia JRPPK 2015,1/ISSN (dalam pengurusan) - Astriana, p.6-10. Berkas: 07-05-2015 Ditelaah: 19-05-2015 DITERIMA: 27-05-2015 Yulia Astriana 1 dan Rizka Afrilia 2 1 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas teknik, Universitas Lampung, yuliaastriana@yahoo.com 2 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas teknik, Universitas Lampung, rizkaafrilia90@gmail.com METANOLISIS MINYAK KOPRA (COPRA OIL) PADA PEMBUATAN BIODIESEL SECARA KONTINYU MENGGUNAKAN TRICKLE BED REACTOR Abstrak. Biodiesel adalah salah satu energi terbarukan yang dapat mengatasi krisis energi di masa depan. Biodiesel dibuat melalui reaksi esterifikasi asam lemak dan transesterifikasi trigliserida. Penelitian ini mereaksikan metanol dan minyak kopra dengan menggunakan katalis asam heterogen yaitu silika alumina yang awalnya berbentuk powder kemudian dipeletkan. Proses dijalankan secara kontinyu dengan menggunakan Trickle Bed Reactor. Minyak dalam fase liquid dan metanol dalam fase uap mengalir secara counter-current dalam tumpukan bed katalis. Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui unjuk kerja reaktor dalam menghasilkan biodiesel dengan variabel-variabel operasi yang mempengaruhinya. Variabel-variabel operasi yang dilakukan adalah kadar FFA dalam minyak kopra terhadap rasio mol metanol dan minyak kopra dan kadar trigliserida dalam minyak kopra terhadap diameter reaktor. Penelitian dilakukan dengan menggunakan dua puluh empat (24) variasi. Kadar FFA dalam minyak kopra sebesar 0%-b, 5%-b, dan 10%-b. Rasio mol metanol dan minyak kopra yaitu 4:1, 6:1, 8:1, 10:1, dan 12:1. Kadar trigliserida dalam minyak kopra sebesar 90%-b, 95%-b, dan 100%-b. Diameter reaktor yang digunakan yaitu 1,5 inch, 1,25 inch, dan 1 inch. Hasil penelitian menunjukkan yield biodiesel tertinggi sebesar 107,8% diperoleh pada rasio mol metanol dan minyak kopra sebesar 12:1 dengan kadar FFA 10%. Kadar FAME tertinggi dalam biodiesel yaitu 99,08% dihasilkan oleh reaksi minyak kopra yang memiliki kandungan trigliserida sebsesar 100%-b dan metanol yang dilakukan di reaktor yang berdiameter 1,5 inch. Kata kunci : Biodiesel, Kontinyu, Minyak Kopra; Trickle Bed Reactor. I. PENDAHULUAN Konsumsi energi dalam negeri terus meroket sementara kapasitas produksi minyak mentah justru menurun dan cadangan minyak nasional makin menipis. Bahan bakar nabati dapat menjadi alternatif pengganti bahan bakar minyak. Salah satu sumber bahan bakar nabati adalah minyak kelapa. Indonesia merupakan produsen kelapa terbesar di dunia, dengan areal tanaman sekitar 3,88 juta ha dengan produksi tahun 2005 sekitar 3,2 juta ton setara kopra dan kelapa yang dapat tumbuh hampir diseluruh wilayah Indonesia karena tidak membutuhkan persyaratan khusus untuk tumbuhnya [1]. Minyak kelapa memiliki karakteristik yang paling baik sebagai bahan bakar bila dibandingkan dengan minyak nabati lainnya. Ester dari minyak kelapa merupakan bahan bakar terbaik untuk mesin diesel, bahkan lebih baik dari minyak diesel sendiri. Secara kimiawi, biodiesel dari minyak kelapa lebih stabil dibandingkan minyak lainnya dan memiliki sifat pembakaran yang lebih baik [2]. Minyak kelapa merupakan minyak yang diperoleh dari kopra (daging buah kelapa yang dikeringkan) dengan kandungan minyak mencapai 63-65% dan asam lemak bebas (FFA) sekitar 5% [3]. Minyak kelapa kaya akan asam lemak berantai sedang (C8-C14), khususnya asam laurat dan asam meristat. Minyak kelapa mengandung 84% trigliserida dengan tiga molekul asam lemak jenuh, 12% trigliserida dengan dua asam lemak jenuh dan 4% trigliserida dengan satu asam lemak jenuh [4]. Salah satu tantangan pada proses produksi biodiesel adalah ketidaklarutan antara minyak dan alkohol yang dapat menghambat proses perpindahan massa dan membatasi laju reaksi. Untuk mengatasi hal ini dapat digunakan pengadukan pada sistem proses, namun hal ini meningkatkan biaya energi dalam proses produksi. Kelemahan lainnya adalah pengaduk tidak dapat digunakan pada reaktor packed bed. Metode lain yang dapat dilakukan adalah dengan menggunakan pelarut tambahan yang dapat melarutkan minyak dan alkohol seperti tetrahidrofuran (THF). Namun hal ini akan meningkatkan biaya bahan baku dan biaya pada proses pemisahan produk dan pelarut [5]. Kehadiran asam lemak bebas dapat 6
Astriana - Metanolisis Minyak Kopra (Copra Oil) pada 7 membantu proses produksi biodiesel dimana turunan dari asam karboksilat ini dapat larut dalam pelarut yang kurang polar seperti eter, alkohol, dan benzena. Kelarutan di dalam pelarut kurang polar ini makin tinggi dengan bertambahnya rantai karbon [6]. Penggunaan Trickle Bed Reactor sebagai reaktor heterogen (cair-padat-gas) dalam proses pembuatan biodiesel secara kontinyu telah dilakukan dimana direaksikan minyak biji jarak dengan metanol dan katalis Silika Alumina yang dipeletkan. Hasil penelitian menunjukkan konversi paling tinggi sebesar 94,5% pada temperatur 363 K dan perbandingan mol reaktan sebesar 24 : 1. Namun, waktu tinggal yang dibutuhkan untuk menghasilkan biodiesel dengan konversi tersebut adalah 60 menit [7]. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja Trickle Bed Reactor dalam menghasilkan biodiesel dengan variabel-variabel operasi yang mempengaruhinya yaitu kadar trigliserida yang terkandung dalam minyak kopra dan tingkat turbulensi di katalis oleh aliran gas metanol di dalam reaktor. Bahan II. METODE PENELITIAN Bahan-bahan yang dipergunakan pada penelitian adalah : Minyak Kopra, Metanol, dan Katalis Silika Alumina. Minyak kopra diperoleh dari kelapa yang berada di Natar, Lampung Selatan dengan kandungan 95%-b trigliserida dan 5%-b asam lemak bebas, metanol teknis dengan kemurnian 96%, dan katalis silika alumina merupakan bubuk silika alumina, diperoleh dari PT Pertamina UP III Plaju, Sumatera Selatan, yang dipeletkan dengan campuran tanah liat (1:3) dan dibakar di dalam furnace selama 5 jam. Alat Trickle bed reactor, electric heater, pompa peristaltik, labu erlenmenyer, gelas ukur, timbangan elektrik, valve, botol sampel. Variabel Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah rasio mol minyak kopra banding metanol yaitu 1:4, 1:6, 1:8, 1:10, 1:12, kadar FFA sebesar 0%, 5%, dan 10%, kadar trigliserida dalam minyak kopra yaitu 90%-b, 95%-b, dan 100%-b, dan diameter reaktor yaitu 1,5 inch, 1,25 inch, dan 1 inch. Pelaksanaan Penelitian Alat dirangkai seperti Gambar 1. Minyak kopra dan metanol yang merupakan umpan dalam penelitian ini dialirkan ke dalam reaktor untuk terlebih dahulu dilakukan kalibrasi laju alir umpan. Selanjutnya, metanol di uapkan dalam electric heater pada suhu berkisar 72 C. Uap metanol dialirkan ke dalam reaktor selama 30 menit. Minyak kopra dipanaskan sampai suhu 90 C. Kemudian, minyak kopra dialirkan kedalam reaktor selama 15 menit. Setelah waktu 45 menit tersebut, sampel produk diambil dan dilakukan pengulangan 2x untuk setiap run. Sample produk biodiesel yang dihasilkan dari keluaran reaktor didiamkan selama ± 24 jam untuk pemisahan secara sempurna antara lapisan metil ester, gliserol, dan reaktan yang tidak habis bereaksi yaitu metanol. Pemisahan dilakukan dengan menggunakan labu pemisah. Cairan yang memiliki densitas paling besar akan membentuk lapisan paling bawah dan cairan yang memiliki densitas paling kecil akan membentuk lapisan paling atas. Pada penelitian ini analisis hanya dilakukan pada bagian lapisan cairan yang banyak mengandung metil ester (Biodiesel) dan bagian lapisan cairan paling bawah (gliserol) tidak dilakukan analisis hasil. Lapisan bawah yang berupa gliserol dipisahkan dan dialirkan keluar dari bagian bawah labu pemisah. Produk yang dihasilkan akan membentuk 2 lapisan dimana lapisan paling bawah adalah lapisan cairan yang banyak mengandung metil ester dan lapisan paling atas adalah lapisan metanol. Selanjutnya, dilakukan pemanasan untuk menghilangkan kandungan metanol pada suhu 80 0 C selama 8 jam. Selain itu, reaksi yang terjadi dalam penelitian ini adalah reaksi esterifikasi yang menghasilkan air sehingga dilakukan pemanasan pada suhu 110 o C selama 4 jam untuk menghilangkan kandungan air. Gambar 1. Rangkaian alat penelitian Analisis Sampel a. Menghitung angka penyabunan (As) As = Keterangan: B = Volume HCl blangko (ml) C = Volume HCl sampel (ml) N = Normalitas HCl (N)
Astriana - Metanolisis Minyak Kopra (Copra Oil) pada 8 M = Berat sampel biodiesel (gram) b. Menghitung angka asam(aa) Aa = Keterangan: V = volume KOH yang dibutuhkan (ml) N = Normalitas KOH (N) M = Berat sampel biodiesel (gram) c. Menghitung Gliserol Total (Gttl) Gttl = Keterangan: B = Volume Natrium Tiosulfat blangko (ml) C = Volume Natrium Tiosulfat sampel (ml) N = Normalitas Natrium Tiosulfat (N) W = d. Menghitung kadar metil ester Berdasarkan data yang telah diperoleh dari hasil penelitian, pengaruh rasio mol minyak kopra - metanol dan kadar FFA dalam minyak kopra terhadap yield biodiesel dapat dilihat pada tabel 1 dan gambar 2. Tabel 1. Data Pengaruh Rasio Mol Minyak Kopra Berbanding Metanol dan Kadar FFA dalam Minyak Kopra Terhadap Yield Biodiesel Rasio Mol Minyak Kopra - Metanol %FFA Yield Biodiesel Run 1 1:4 0,2% 89,3% 2 1:6 0,2% 87,7% 3 1:8 0,2% 89,7% 4 1:10 0,2% 88,3% 5 1:12 0,2% 88,3% 6 1:4 5% 99,6% 7 1:6 5% 98,2% 8 1:8 5% 98,9% 9 1:10 5% 97,8% 10 1:12 5% 95,6% 11 1:4 10% 107,4% 12 1:6 10% 107,3% 13 1:8 10% 107,3% 14 1:10 10% 107,2% 15 1:12 10% 107,8% Rasio mol minyak kopra - metanol dan kadar FFA dalam minyak kopra memberikan pengaruh terhadap yield biodiesel yang dihasilkan dalam penelitian ini. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2. Gambar tersebut menunjukkan pengaruh Rasio mol minyak kopra - metanol dan kadar FFA dalam minyak kopra memberikan pengaruh terhadap yield biodiesel yang dihasilkan % Metil Ester = e. Menghitung yield Yield = III. HASIL PENELITIAN & PEMBAHASAN Pengaruh Rasio Mol Minyak Kopra - Metanol dan Kadar FFA dalam Minyak Kopra Terhadap Yield Biodiesel Gambar 2. Profil pengaruh rasio mol minyak kopra - metanol dan kadar FFA dalam minyak kopra memberikan pengaruh terhadap yield biodiesel yang dihasilkan
Astriana - Metanolisis Minyak Kopra (Copra Oil) pada 9 Pengaruh Rasio Mol Minyak Kopra-Metanol dan Kadar FFA dalam minyak kopra terhadap Yield Biodiesel Reaksi metanolisis merupakan reaksi reversibel yang berjalan lambat sehingga kesetimbangan reaksi terjadi pada jangka waktu yang cukup lama. Tetapi hal itu bisa dihindari dengan memberikan metanol yang berlebih. Pengaruh rasio mol merupakan salah satu faktor yang dapat mempengaruhi konversi dan produk dari biodiesel (yield). Perbandingan rasio digunakan untuk memperoleh rasio mol yang optimum dalam menghasilkan yield biodiesel. Dalam penelitian ini variabel yang digunakan adalah rasio mol dan kadar FFA. Adanya variasi FFA ini digunakan karena kehadiran asam lemak bebas ini dapat meningkatkan kelarutan antar sesama reaktan sehingga mempermudah kontak reaksi dan membantu proses produksi sehingga dapat menghasilkan yield yang tinggi. Pada Trickle Bed Reactor reaksi yang terjadi tidak hanya reaksi transesterifikasi, tetapi juga melibatkan reaksi esterifikasi. Reaktan pada reaksi transesterifikasi adalah trigliserida yang terdapat pada minyak sedangkan pada reaksi esterifikasi reaktannya adalah free fatty acid (FFA). Reaksi esterifikasi dan transesterifikasi itu sendiri bertujuan untuk menurunkan kadar asam lemak bebas (FFA) yang terdapat pada bahan baku minyak kopra. FFA dapat larut di dalam metanol dan dengan bantuan katalis akan bereaksi menjadi FAME sedangkan Trigliserida tidak larut, Tetapi, kelarutan Trigliserida dalam metanol meningkat seiring dengan ketersediaan FFA. Semakin tinggi kandungan FFA dalam minyak maka kelarutan trigiserida terhadap metanol semakin meningkat. Dari Gambar 2 menunjukkan pengaruh rasio mol dan FFA terhadap yield. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa Rasio Mol dan FFA memengaruhi nilai yield. Dari grafik didapatkan semakin besar rasio mol dan kadar FFA yang diberikan semakin besar nilai yield yang dihasilkan. Dari hasil yang ditampilkan di grafik terlihat bahwa terjadi peningkatan yield dengan bertambahnya kadar FFA yang diberikan. Peningkatan nilai yield ini tidak berarti peningkatan pada nilai konversi, karena konversi yang dihasilkan menurun seiring dengan bertambahnya kadar FFA. Besarnya rasio mol juga sangat menentukan terhadap peningkatan nilai yield dimana semakin besar rasio yang diberikan menghasilkan nilai yield yang semakin tinggi. Dari Gambar 2 terlihat bahwa rasio mol optimum diberikan oleh rasio mol 12:1 dan diperoleh bahwa kehadiran FFA memberikan pengaruh yang cukup positif terhadap yield biodiesel. dapat membentuk sabun apabila direaksikan dengan katalis basa pada reaksi lanjutannya (transesterifikasi) dan hanya menghasilkan yield sebesar 75%. Melalui penelitian dengan menggunakan Reaktor Trickle Bed ini, yield yang dihasilkan lebih besar yaitu sebesar 97% dikarenakan adanya peranan FFA yang membantu proses reaksi. Pengaruh kandungan trigliserida dalam minyak kopra dan tingkat turbulensi di katalis terhadap kadar FAME dalam biodiesel yang dihasilkan. Berdasarkan data yang telah diperoleh dari hasil penelitian, pengaruh kandungan trigliserida dalam minyak kopra dan tingkat turbulensi di katalis terhadap kadar FAME dalam biodiesel dapat dilihat pada tabel 2 dan gambar 3. Tabel 2. Data Pengaruh Kandungan Trigliserida dalam Minyak Kopra Terhadap Kadar FAME dalam Biodiesel Run TG (%-b) Diameter Reaktor (inch) Nre Jenis Aliran Metil Ester (%-b) 1 1,5 3.762,20 Laminar 98,65% 2 90% 1,25 4.514,64 Turbulen 98,80% 3 1 5.643,30 Turbulen 98,49% 4 1,5 3.762,20 Laminar 98,83% 5 95% 1,25 4.514,64 Turbulen 98,92% 6 1 5.643,30 Turbulen 98,65% 7 1,5 3.762,20 Laminar 98,94% 8 100% 1,25 4.514,64 Turbulen 99,08% 9 1 5.643,30 Turbulen 98,87% Kandungan trigliserida dalam minyak kopra dan tingkat turbulensi di katalis memberikan pengaruh terhadap kadar FAME dalam biodiesel yang dihasilkan dalam penelitian ini. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2. Gambar tersebut menunjukkan pengaruh kandungan trigliserida dalam minyak kopra dan tingkat turbulensi di katalis terhadap kadar FAME dalam biodiesel yang dihasilkan. Jika pada penelitian sebelumnya kandungan FFA yang terdapat di minyak jelantah harus dihilangkan terlebih dahulu dengan bantuan katalis asam melalui reaksi esterifikasi. Kandungan FFA dalam minyak
Astriana - Metanolisis Minyak Kopra (Copra Oil) pada 10 (a) ( b) Gambar 3. Profil pengaruh kandungan trigliserida dalam minyak kopra (a) dan tingkat turbulensi di katalis (b) terhadap kadar FAME dalam biodiesel yang dihasilkan Pengaruh Kandungan Trigliserida dalam Minyak Kopra Terhadap Kadar FAME dalam Biodiesel yang dihasilkan Trigliserida adalah triester dari gliserol dan FFA adalah asam lemak yang tidak terikat pada rantai trigliseridanya. FFA dapat terbentuk karena reaksi hidrolisis pada trigliserida. Dari Gambar 3.a., terlihat bahwa terjadi kenaikan kadar FAME dalam biodiesel seiring dengan semakin banyaknya kandungan trigliserida dalam minyak kopra. Kadar FAME tertinggi dihasilkan oleh reaksi yang dilakukan di reaktor berdiameter 1,25 inch (3,18 cm) dengan kandungan trigliserida dalam minyak kopra sebesar 100%. Kadar FAME sebesar 99,08% diperoleh setelah kedua reaktan dialirkan secara bersamaan dan dianggap konstan setelah 15 menit. Keberadaan air bersama trigliserida dalam kandungan minyak nabati akan selalu ada jika tidak ditangani dengan benar, baik dalam proses penyimpanannya maupun pengolahannya yang akan menimbulkan adanya asam lemak bebas atau FFA. Tidak dilakukannya pemisahan awal antara trigliserida dan FFA untuk menghemat biaya produksi dan waktu. FFA direaksikan dengan metanol, reaksi esterifikasi, menghasilkan FAME dan air. Kadar FAME dalam biodiesel yang rendah pada saat minyak kopra mengandung trigliserida dan air dikarenakan pada saat air bertemu dengan trigliserida, FFA akan kembali terbentuk sehingga mengurangi trigliserida yang seharusnya terkonversi menjadi FAME. Hal ini terlihat dari hasil analisis angka asam dimana terjadi peningkatan angka asam seiring semakin tinggi kandungan FFA dalam minyak kopra dan berkurangnya kandungan trigliserida. Pengaruh tingkat turbulensi di katalis terhadap kadar FAME dalam biodiesel yang dihasilkan Untuk mengetahui pengaruh tingkat turbulensi di katalis, divariasikan diameter reaktor yang akan mempengaruhi aliran gas metanol di dalam reaktor. Jenis aliran diketahui melalui Bilangan Reynold atau Nre. Dari Gambar 3.b., kadar FAME dalam biodiesel tertinggi diperoleh dari reaksi yang dilakukan di reaktor berdiameter 1,25 inch (3,18 cm) dengan kandungan trigliserida dalam minyak kopra sebesar 100%. Bilangan Reynold atau Nre menunjukan jenis aliran yang terjadi dalam aliran fluida. Dalam penelitian ini, aliran fluida yang diamati adalah aliran gas metanol di dalam Trickle Bed Reactor saat direaksikan dengan minyak kopra. Aliran Laminar gas metanol terjadi pada reaktor berdiameter 1,5 inch. Sedangkan, Aliran Turbulen gas metanol terjadi pada reaktor berdiameter 1,25 dan 1 inch. Nre tertinggi terjadi pada aliran gas metanol di reaktor berdiameter 1 inch. Namun, kadar FAME dalam biodiesel tertinggi diperoleh dari reaksi di reaktor berdiameter 1,25 inch. Aliran laminar pada reaktor berdiameter 1,5 inch (3,81 cm) menjelaskan bahwa aliran gas metanol di dalam reaktor berlangsung lambat. Hal ini menyebabkan pori-pori katalis tertutupi oleh aliran minyak kopra. Sehingga kesempatan minyak kopra dan gas metanol beraksi di pori-pori katalis sangat kecil. Waktu untuk mengkonversikan minyak kopra menjadi biodiesel lebih lama. Sementara itu, aliran yang terlalu turbulen pada reaktor berdiameter 1 inch menyebabkan gas metanol lebih cepat keluar reaktor. Sehingga gas metanol hanya sedikit yang bertemu dengan minyak kopra. Dari grafik terlihat kadar FAME terkecil terjadi pada reaktor berdiameter 1 inch (2,54 cm). IV. KESIMPULAN Trickle Bed Reactor dapat digunakan sebagai reaktor continue untuk menghasilkan biodiesel dari minyak kopra. Yield terbaik sebesar 1,078 dengan rasio mol metanol minyak kopra sebesar 12:1, dan FFA 10%. Kadar FAME tertinggi yaitu 99,08%
Astriana - Metanolisis Minyak Kopra (Copra Oil) pada 11 dihasilkan oleh reaksi gas metanol dan minyak kopra dengan kandungan Trigliserida dalam minyak kopra sebesar 100% pada reaktor berdiameter 1,25 inch atau 3,18 cm. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Taharuddin, S.T., M. Sc., sebagai Dosen Pembimbing Penelitian dan Bapak Ir. Azhar, M.T., sebagai Dosen Penguji Penelitian. DAFTAR PUSTAKA [1] Direktorat Jenderal Industri Agro dan Kimia Departemen Perindustrian Jakarta, 2009. Roadmap Industri Pengolahan Kelapa. Jakarta; [2] Tim Sekretariat MAPI, 2006,Teknologi Proses Pengolahan Minyak Kelapa. Jakarta; [3] Ketaren, S. 1986. Pengantar Teknologi Minyak dan Lemak Pangan. Universitas Indonesia-Press.Jakarta; [4] Ketaren, S. 2008. Pengantar Teknologi Minyak dan Lemak Pangan. Universitas Indonesia Press. Jakarta; [5] Wenten, I Gede. 2010. Review Proses Produksi Biodiesel Dengan Menggunakan Membran Reaktor. Seminar Rekayasa Kimia dan Proses, Universitas Diponegoro: Semarang; [6] Budiyanto. Gugus Fungsi Asam Karboksilat. Dikutip dari budiyanto.web.id pada 2 April 2013 pukul 15.25; dan [7] Taharuddin. 2010. Reaktor Unggun Fase pada Methanolisis Minyak Jarak secara Kontinyu. Prosiding : Seminar Nasional Sains dan Teknologi-III : Peran Strategis Sains dan Teknologi dalam Mencapai kemandirian Bangsa. Lembaga Penelitian Universitas Lampung. Bandar Lampung.