III. METODE PENELITIAN 3.1 WAKTU DAN TEMPAT PENELITIAN Penelitian ini dimulai pada bulan Mei hingga Desember 2010. Penelitian dilakukan di laboratorium di Pusat Penelitian Surfaktan dan Bioenergi (Surfactant and Bioenergy Research Center-IPB), Bogor. 3.2 ALAT DAN BAHAN Pada penelitian ini terdapat tiga pengelompokan alat yang digunakan yaitu peralatan produksi biodiesel, peralatan untuk fraksinasi, dan peralatan untuk analisis. Pada tahapan produksi biodiesel digunakan plant biodiesel kapasistas 140-150 liter, ember, jirigen 30 liter, jirigen 18 liter, corong, pengaduk, wadah stainless steel, gelas ukur. Pada proses fraksinasi digunakan alat fraksinasi (fractional distillation system) kapasitas 82,6 liter yang tersusun dari beberapa komponen yaitu boiling vessel, column, packing, condensor, receiver vessel, burner, tabung gas 50 kg, regulator, selang gas, pompa vakum, pompa air, tangki air, dan selang. Sementara itu, untuk peralatan analisis digunakan satu unit gas kromatografi, syring, botol sampel 10 ml, botol sampel 300 ml, timbangan analitik, sudip, gelas kimia 100 ml, gelas kimia 300 ml, gelas arloji, aluminium foil, gelas kimia 1000 ml, erlenmeyer 100 ml, erlenmeyer 300 ml, erlenmeyer 500 ml, pipet 1 ml, pipet 5 ml, pipet 10 ml, pipet 25 ml, pipet mikro, gelas pengaduk, hot plate, stirrer, termometer, oven, kertas saring, pompa vakum kecil, corong buchner, piknometer, wadah gelas, buret 25 ml, buret 50 ml, dan kondensor pendingin balik. Bahan yang digunakan pada penelitian terdiri dari olein sawit sebanyak 1000 liter dari PT. Miki Oleo Nabati, satu drum metanol (200 liter), KOH, heksan, gliserol untuk fluida pemanas alat fraksinasi, minyak pelumas pompa vakum, dan bahan kimia untuk analisis sifat fisiko kimia olein, biodiesel olein, biodiesel hasil fraksinasi, dan biodiesel sisa fraksinasi. 3.3 TAHAPAN PENELITIAN Penelitian ini dilaksanakan dalam dua tahap yaitu tahap produksi metil ester skala pilot plant dan tahap proses fraksinasi metil ester. Setiap tahapan yang dilakukan memiliki parameter khusus dan dilakukan sebaik mungkin agar diperoleh hasil yang terbaik. 3.3.1 Produksi Biodiesel Olein Skala Pilot Plant Pada tahapan produksi biodiesel ini, dilakukan karakterisasi bahan baku olein, produksi biodiesel, dan karakterisasi biodiesel yang dihasilkan. Karakterisasi bahan sebelum dan sesudah proses produksi biodiesel menjadi parameter pembanding untuk mengetahui perubahan selama proses. 3.3.1.1 Analisis Olein Analisis olein bertujuan untuk penentuan pemilihan proses produksi biodiesel yang akan dilakukan. Parameter analisis yaitu kandungan asam lemak olein menggunakan gas kromatografi, analisis densitas, bilangan iod, bilangan penyabunan, bilangan asam, dan kadar 19
FFA. Parameter yang menjadi penentu pemilihan proses adalah kadar FFA. Jika kandungan FFA sangat kecil (< 2%) maka proses pembuatan biodiesel yang dilakukan adalah proses transesterifikasi langsung. Sebaliknya jika FFA dalam minyak sangat tinggi, proses produksi biodiesel dilakukan dengan esterifikasi-transesterifikasi. Prosedur analisis olein terlampir pada Lampiran 1 dan Lampiran 2. 3.3.1.2 Proses Produksi Biodiesel Proses transesterifikasi bertujuan untuk mengubah trigliserida minyak menjadi biodiesel dan gliserol. Penelitian ini menggunakan 12 satuan percobaan fraksinasi yang masingmasing satuan percobaan membutuhkan biodiesel sebanyak 50 liter. Oleh karenanya, minimal jumlah biodiesel yang diproduksi adalah 600 liter. Proses transesterifikasi ini dilakukan melalui beberapa bacth produksi menyesuaikan dengan kapasitas alat produksi. Kapasitas alat yang dimiliki adalah sekitar 140 liter bahan baku. Tahapan produksi biodiesel adalah sebagai berikut: 1. Persiapan Bahan Baku Persiapan bahan baku dilakukan untuk menyiapkan bahan sebelum proses transesterifikasi dilakukan. Persiapan yang dilakukan adalah pemanasan olein dan pembuatan larutan metoksida (KOH dalam metanol). Pemanasan dilakukan dalam tangki pemanas menggunakan pemanas listrik. Suhu yang diharapkan tercapai adalah 60-70 o C. Proporsi larutan metoksida yag dibuat adalah 15% metanol dan 1% KOH basis bahan baku. Setiap bacth produksi biodiesel dibutuhkan olein 120 liter, metanol 18-19 liter, dan KOH 1,2 kg. 2. Proses Transesterifikasi Proses transesterifikasi dilakukan di reaktor transesterifikasi. Pada reaktor, minyak dicampurkan dengan larutan metoksida. Suhu proses dijaga sekitar 60 o C selama 1 jam dan diaduk untuk mempercepat laju reaksi pembentukan biodiesel. 3. Proses Settling (Pendiaman) Proses pendiaman merupakan proses pengendapan untuk memisahkan gliserol dari biodiesel. Pemisahan gliserol dan metil ester kasar dilakukan di tangki settling. Posisi tangki ini lebih tinggi dari tangki lainnya agar pemisahan komponen lebih cepat. Pemisahan dilakukan dengan prinsip separasi karena perbedaan berat jenis gliserol dan metil ester. Gliserol memiliki berat jenis lebih besar dibandingkan dengan metil ester sehingga gliserol akan berada dilapisan bawah yang kemudian ditampung dalam wadah jirigen. Proses pendiaman biasanya dilakukan sekitar 4-6 jam. 4. Proses Washing (Pencucian) Proses pencucian bertujuan untuk menghilangan sabun dalam metil ester kasar. Selama proses transesterifikasi, dimungkinkan terjadi reaksi antara KOH dan trigliserida atau asam lemak bebas sehingga membentuk sabun. Proses pencucian dilakukan dengan melewatkan air dengan pengandukan secara berkala. Sabun dalam metil ester memiliki sifat larut dalam air dan dibuang untuk memurnikan metil ester. 5. Proses Drying (Pengeringan) Proses pengeringan merupakan tahapan terakhir dari proses pembuatan biodiesel. Proses ini bertujuan menghilangkan air dalam metil ester melalui pemanasan. Pengeringan dilakukan pada tangki drying dengan pemanasan menggunakan bahan bakar gas selama kurang lebih 2,5 jam. Proses ini dinyatakan selesai jika tidak terdapat gelembung air dalam metil ester. 20
Secara sederhana, proses produksi biodiesel skala pilot plant dapat dilihat Gambar 15 berikut ini. Metanol 15% Pembuatan larutan metoksida Olein (FFA < 2%) Proses Transesterifikasi (t = 1 jam, T = 60 o C) Analisis FFA KOH 1% Proses Settling (t = 1 jam) Crude Metil Ester Gliserol Air hangat (30%, 3 kali) Proses Washing Proses Drying Bahan pengotor Refined Metil Ester Gambar 15. Diagram alir proses produksi biodiesel 3.3.1.3 Analisis Biodiesel Olein Analisis biodiesel olein bermanfaat untuk mengetahui perubahan sifat selama proses transesterifikasi dan merupakan perameter kondisi awal sebelum biodiesel tersebut difraksinasi. Biodiesel olein yang dihasilkan pada beberapa bacth perlu dilakukan pencampuran agar diperoleh keseragaman sifat. Selanjutnya, diambil contoh biodiesel untuk dilakukan analisis kandungan FAME menggunakan gas kromatografi dan sifat fisiko kimia. Prosedur analisis metil ester dapat dilihat pada Lampiran 1 dan Lampiran 3. 3.3.2 Proses Fraksinasi Biodiesel Proses fraksinasi biodiesel sangat ditentukan berdasarkan kinerja fractional distillation system. Pada proses fraksinasi ini terdapat tahapan kegiatan yang dilakukan meliputi pengoperasian alat, penentuan kondisi proses fraksinasi yang sekaligus dilanjutkan dengan proses fraksinasi dan analisis biodiesel hasil dan sisa fraksinasi. 3.3.2.1 Prosedur Pengoperasian Alat Fraksinasi Pengoperasian alat fraksinasi sangat penting untuk memproses biodiesel yang akan difraksinasi. Fractional distillation system merupakan sistem pendistilasi fraksi yang tersusun dari berbagai unit yang saling mendukung. Guna mendukung proses fraksinasi yang baik, maka perlu diketahui komponen penyusunnya. Gambar 16 merupakan gambar komponen utama alat fraksinasi yang digunakan dalam format software Autocad 2006. 21
c b a d e f Gambar 16. Fractional distillation system a. Boiling vessel b. Column with packing c. Condensor d. Reciever vessel e. Buffer vacuum f. Vacuum pump Pengoperasian alat fraksinasi mengikuti beberapa tahapan agar proses fraksinasi berjalan dengan baik. Prosedur pengoperasian fractional distillation system adalah sebagi berikut: 1. Sampel biodiesel dimasukan dalam boiling vessel melalui kran masukan. Selanjutnya semua kran ditutup baik pada boiling vessel maupun pada saluran tangki menuju produk. 2. Pompa vakum dijalankan agar mengurangi tekanan udara dalam sistem. 3. Panaskan boiling vessel menggunakan burner yang dihubungkan dengan tabung gas sampai suhu yang diinginkan tercapai. Bersamaan dengan ini juga, pompa air sirkulasi dijalankan untuk mendinginkan kondensor. 4. Setelah suhu tercapai, kran refluk dibuka beberapa saat untuk meningkatkan kemurnian produk. 5. Tahapan selanjutnya kran refluk ditutup dan kran menuju tangki penampung dibuka. 3.3.2.2 Desain Kondisi Proses Fraksinasi Penentuan suhu proses fraksinasi terkait dengan tekanan yang mampu dihasilkan oleh pompa vakum sehingga mampu menurunkan titik didih metil ester. Di bawah tekanan udara normal, titik didih metil ester akan cenderung turun. Suhu proses fraksinasi yang tidak terlalu tinggi bermanfaat menjaga biodiesel tidak rusak karena over heating selama proses. Pemilihan kondisi proses fraksinasi dilakukan melalui pendekatan beberapa literature. Knothe (2002) menyebutkan bahwa pada tekanan 747,04 mmhg (996 milibar) titik didih metil ester palmitat adalah 416,5 o C. Pendekatan lain yang digunakan adalah menentukan titik didih metil ester palmitat dari asam lemak palmitat yang disajikan dalam Tabel 8. 22
Tabel 8. Titik didih asam lemak pada berbagai tekanan Tekanan Titik Didih Asam Lemak (mmhg) C6:0 C8:0 C10:0 C12:0 C14:0 C116:0 C18:0 1 61,7 87,8 120,3 130,2 149,2 167,4 183,6 2 71,9 97,9 121,1 141,8 161,1 179,0 195,9 4 82,8 109,1 132,7 154,1 173,9 192,2 209,2 8 94,6 121,3 145,5 167,4 187,6 206,1 224,1 16 107,3 134,6 159,4 181,8 202,4 221,5 240,0 32 120,8 149,2 174,6 197,4 218,3 238,4 257,1 64 136,0 165,3 191,3 214,6 236,3 257,1 276,8 128 152,5 183,3 209,8 234,3 257,3 278,7 299,7 256 171,5 203,0 230,6 256,6 281,5 303,6 324,8 512 192,5 225,6 254,9 282,5 309,0 332,6 355,2 760 205,8 239,7 270,0 298,9 326,2 351,5 376,1 Sumber : Gunstone et al. (1994) Pompa vakum yang digunakan pada penelitian ini mampu membuat kondisi tekanan udara menurun menjadi 20 31 mmhg. Apabila dihubungkan dengan Tabel 8, titik didih asam lemak palmitat dengan tekanan 16-32 mmhg berkisar antara 221,5-238,4 o C. Oleh karena itu dipilih rentang suhu percobaan 225-235 o C. Desain rancangan proses fraksinasi ini selanjutnya ditambahkan faktor lama waktu proses agar diperoleh perlakuan terbaik. Penelitian fraksinasi ini menggunakan rancangan percobaan acak lengkap (RAL) faktorial dua faktor dengan dua kali pengulangan. Faktor yang menjadi kajian penelitian ini adalah suhu proses fraksinasi (A) dan lama waktu proses (B). Suhu proses fraksinasi yang digunakan terdiri dari tiga taraf yaitu 225 o C, 230 o C, dan 235 o C. Sementara itu waktu proses fraksinasi yang digunakan yaitu 10 jam dan 12 jam. Persamaan matematik rancangan percobaan acak lengkap faktorial adalah sebagai berikut (Walpole 1995): Yijk = µ + A i + B j + (AB) ij + Yijk : Variabel respon percobaan karena pengaruh suhu fraksinasi taraf ke-i dan waktu proses taraf ke-j µ : Pengaruh rata-rata yang sebenarnya A i : Pengaruh suhu fraksinasi pada taraf ke-i (i=1, 2, 3) B j : Pengaruh waktu proses pada taraf ke-j (j=1, 2) (AB) i : Pengaruh interaksi dari suhu fraksinasi taraf ke-i dengan waktu proses taraf ke-j k(ij) j : k(ij) Galat karena kombinasi perlakuan (ij) pada ulangan ke-k 3.3.2.3 Analisis Biodiesel Hasil Fraksinasi dan Sisa Fraksinasi Karakterisasi biodiesel hasil dan sisa fraksinasi merupakan tahapan terakhir penelitian untuk mengetahui perubahan yang terjadi akibat perlakuan. Analisis yang dilakukan meliputi kadar FAME menggunakan gas kromatografi. Data FAME yang dihasilkan diolah menggunakan uji pembeda Tukey. Selain itu parameter fisiko kimia yang dianalisis adalah densitas, bilangan iod, bilangan penyabunan, bilangan asam dan FFA. Untuk mengetahui pengaruh antar taraf dalam rancangan percobaan dilakukan analisis varian terhadap volume produksi dan parameter sifat fisiko kimia biodiesel dengan tingkat kepercayaan 95% (α = 0,05). 23
Jika hasilnya berbeda nyata, analisis dilanjutkan dengan uji lanjut Duncan. Prosedur analisis biodiesel dapat dilihat pada Lampiran 1 dan Lampiran 3. 24