PRODUKSI BIODIESEL DARI CRUDE PALM OIL MELALUI REAKSI DUA TAHAP Eka Kurniasih Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Jl. Banda Aceh-Medan km. 280 Buketrata Lhokseumawe Email: echakurniasih@yahoo.com Abstrak Biodiesel adalah senyawa mono alkil ester dari asam lemak rantai panjang yang berasal dari minyak nabati dan hewani. Salah satu sumber minyak nabati yang dapat dimanfaatan sebagai bahan baku biodiesel adalah Crude Palm Oil (CPO). Crude Palm Oil (CPO) mengandung 40%-46% asam palmitat dan 39%-45% asam oleat. Sintesa biodiesel dari Crude Palm Oil dilakukan melalui dua tahap reaksi, yaitu esterifikasi dan transesterifikasi. Tahap esterifikasi dilakukan pada temperatur 60 o C menggunakan katalis H 2 SO 4. Setelah tahap esterifikasi, dilanjutkan dengan tahap transesterikasi menggunakan katalis basa NaOH sebesar 0,5% (b/b). Setelah dua jam reaksi diperoleh dua lapisan. Biodiesel berada pada lapisan atas, sedangkan hasil samping berupa gliserol pada lapisan bawah. Rancangan penelitian dilakukan mengikuti metode respon permukaan dengan melibatkan tiga variabel bebas, yaitu temperatur, rasio mol CPO:metanol, dan rasio katalis H 2 SO 4. Dari hasil penelitian diketahui proses produksi optimum berada pada rasio katalis H 2 SO 4 15% (b/b), rasio mol CPO:Metanol 1:10 dan temperatur 68 o C dengan kandungan ester 97,90%. Kata kunci: biodiesel, crude palm oil, esterifikasi, respon permukaan, transesterifikasi Pendahuluan Cadangan sumber minyak bumi nasional semakin menipis, sementara konsumsi energi semakin meningkat, bila tidak diwaspadai, dalam jangka waktu yang tidak terlalu lama Indonesia akan menjadi pengimpor minyak. Diketahui bahwa kontribusi energi yang dapat diperbaharui (renewable energy) dari total kebutuhan energi nasional saat ini kurang dari satu persen. Hal ini menunjukkan bahwa penggunaan energi dari fosil harus dilakukan secara bijaksana dan efisien. Dengan ketersediaan minyak bumi yang semakin terbatas, menyebabkan perhatian terhadap penggunaan minyak nabati sebagai bahan bakar bangkit kembali. Hasil-hasil penelitian menunjukkan bahwa berbagai minyak nabati memiliki potensi cukup besar sebagai bahan bakar alternatif (biodiesel) karena memiliki karakteristik yang mendekati bahan bakar diesel dari minyak bumi (petroleum diesel). Produksi biodiesel yang dikembangkan saat ini, umumnya dibuat dari minyak tumbuhan seperti minyak kedelai, canola oil, rapeseed oil, dan crude palm oil [1] Biodiesel dari minyak sawit mentah (crude palm oil) merupakan harapan baru untuk menjawab sebagian kebutuhan energi di tanah air. Mengingat bahwa Indonesia tercatat sebagai negara produsen kelapa sawit terbesar kedua di dunia setelah Malaysia. Produksi minyak kelapa sawit Indonesia saat ini mencapai 6,5 juta ton per tahun dan diperkirakan pada tahun 2012 akan meningkat hingga 15 juta ton per tahun karena pengembangan lahan. Tingginya biaya produksi biodiesel dari minyak 70
nabati lainnya justru menjadi keunggulan bagi pengembangan crude palm oil (CPO) sebagai bahan bakar alternatif. Karena bila dibandingkan dengan jenis minyak nabati lain sebagai penghasil bahan bakar alternatif, penggunaan CPO sebagai bahan baku akan jauh lebih murah [2] Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh satu kondisi operasi produksi biodiesel terbaik dan dapat menjadi opsional dalam pengembangan biodiesel skala industri. Produksi biodiesel dari crude palm oil ini melibatkan dua tahap reaksi, yaitu esterifikasi dan transesterifikasi. Tahap esterifikasi dilakukan menggunakan katalis H 2 SO 4 pada temperatur 60 o C, sedangkan tahap transesterifikasi dilakukan menggunakan katalis basa NaOH. Penelitian dirancang ini mengikuti metode respon permukaan (response surface methodology) melibatkan tiga variabel bebas, yaitu temperatur, rasio mol trigliserida:metanol, dan rasio katalis H 2 SO 4. Crude Palm Oil (CPO) adalah minyak yang berasal dari daging buah sawit yang telah melewati tahap perebusan di sterilizing station dan dilanjutkan dengan pengepresan di pressing station. Dalam daging buah sawit terdapat 43% crude palm oil yang tersusun atas berbagai jenis asam lemak, yaitu asam palmitat (C 16 ) 40%- 46%, asam Oleat (C 18-1 ) 39%-45%, asam linoleat (C 18-2 ) 7%-11%, asam stearat (C 18 ) 3,6%-4,7% dan asam miristat (C 14 ) 1,1%-2,5% [3]. Crude palm oil (CPO) mengandung asam lemak bebas yang relatif tinggi berkisar 3%-5%, sedangkan untuk memproduksi biodiesel asam lemak bebas harus 2%. Untuk itu, dalam penelitian ini dibutuhkan perlakuan untuk menurunkan kandungan asam lemak bebas sebelum crude palm oil (CPO) digunakan sebagai bahan baku biodiesel melalui reaksi esterifikasi. Kadar asam lemak bebas dalam crude palm oil (CPO) dipengaruhi oleh tingkat kematangan (ripe) dari buah kelapa sawit. Semakin lewat matang buah kelapa sawit yang digunakan sebagai bahan baku, semakin tinggi pula kadar asam lemak bebas. Kenaikan kadar ALB juga turut dipercepat oleh faktor panas, H 2 O, keasaman dan biokatalis. Gambar 1. Crude Palm Oil (CPO) Beberapa penelitian telah dilakukan untuk mengkonversi crude palm oil (CPO) menjadi biodiesel, tetapi keseluruhannya menggunakan satu tahap reaksi saja. Penelitian sebelumnya telah dilakukan untuk mengubah crude palm oil (CPO) menjadi biodiesel melalui reaksi transesterifikasi menggunakan katalis basa KOH. Produk crude palm oil methyl ester (CPOME) kemudian di blending dengan petroleum diesel. Dari hasil penelitian diketahui, bahwa blending CPOME30 memberikan hasil dapat bercampur dengan baik tanpa terjadi separasi dan memiliki karakteristik yang mendekati petroleum diesel [2]. Sementara pada penelitian lain dilakukan optimasi biodiesel dari CPO menggunakan reaksi transesterifikasi dengan variasi temperatur reaksi, waktu reaksi, kecepatan putaran pengaduk, rasio molar dan rasio katalis KOH. Dari hasil penelitian, diperoleh kandungan ester tertinggi sebesar 93,573% [4]. Biodiesel adalah nama yang diberikan pada mono alkil ester dari asam lemak rantai panjang yang berasal dari minyak nabati atau hewani [4]. Biodiesel dibuat melalui reaksi esterifikasi atau transesterifikasi yang bertujuan untuk mengubah asam lemak bebas dan trigliserida dalam minyak menjadi biodiesel dan gliserol [5]. Pada 71
penelitian ini dilakukan pembuatan biodiesel dengan menggunakan reaksi esterifikasi dan transesterifikasi secara bertahap. Metode Penelitian Penelitian ini dirancang mengikuti metode respon permukaan (response surface methodology), seperti diperlihatkan tabel 1. Tabel 1. Rancangan Respon Permukaan Run Rasio Katalis H 2 SO 4 (% b/b) Temperatur ( o C) Rasio CPO : Metanol (Mol) Aktual Kode Aktual Kode Aktual Kode 1 14-1 55-1 8-1 2 16 1 55-1 8-1 3 14-1 65 1 8-1 4 16 1 65 1 8-1 5 14-1 55-1 12 1 6 16 1 55-1 12 1 7 14-1 65 1 12 1 8 16 1 65 1 12 1 9 13,318-1,682 60 0 10 0 10 16,682 1,682 60 0 10 0 11 15 0 52-1,682 10 0 12 15 0 68 1,682 10 0 13 15 0 60 0 6,636-1,682 14 15 0 60 0 13,364 1,682 15 15 0 60 0 10 0 16 15 0 60 0 10 0 17 15 0 60 0 10 0 18 15 0 60 0 10 0 19 15 0 60 0 10 0 20 15 0 60 0 10 0 Penelitian ini dilakukan melalui dua tahap reaksi yaitu esterifikasi dan transesterifikasi. 1.Tahap Esterifikasi Reaksi esterifikasi diawali dengan melakukan analisa asam lemak bebas untuk mengetahui kandungan ALB crude palm oil. Bahan baku CPO yang digunakan memiliki kandungan asam lemak bebas yang tinggi, yaitu 4,46%. Sementara syarat ALB yang harus dipenuhi oleh bahan baku untuk dapat digunakan sebagai bahan baku biodiesel adalah 2%. Reaksi esterfifikasi dilakukan menggunakan katalis asam H 2 SO 4 sesuai level yang telah ditentukan pada temperatur 60 o C. Saat waktu reaksi telah tercapai, produk akan terdiri dari dua lapisan. Crude ester berada pada lapisan atas, dan air pada lapisan bawah mengikuti reaksi berikut ini : HCOOR + CH 3 OH CH 3 COOR + H 2 O Asam lemak Alkohol Biodiesel Air 72
Crude ester H 2 O Gambar 2. Hasil Esterifikasi Pada tahap esterifikasi, terjadi konversi asam lemak bebas menjadi ester sehingga kandungan asam lemak bebas CPO awal turun. Bila asam lemak bebas CPO yang tinggi tidak diturunkan melalui tahap esterifikasi, maka pada tahap transesterifikasi akan terbentuk banyak sabun sebagai hasil samping reaksi. Kondisi ini akan mempersulit tahap purifikasi dan mempengaruhi kualitas produk biodiesel yang dihasilkan. 2.Tahap Transesterifikasi Setelah tahap esterifikasi, dilanjutkan dengan tahap transesterifikasi. Tahap transesterifikasi bertujuan untuk mengoptimalkan pembentukan ester dari rantai asam lemak pada CPO. Crude ester yang telah dipisahkan dari air, di transesterifikasi menggunakan katalis basa NaOH pada level temperatur yang telah ditetapkan. Reaksi berlangsung selama dua jam, dan di akhir reaksi diperoleh dua lapisan produk. Biodiesel berada pada lapisan atas, sedangkan gliserol berada pada lapisan bawah. Biodiesel diseparasi dari campuran produk menggunakan teknik dekantasi. Reaksi Transesterifikasi H O O H C O C R 1 R 2 C O C H O + 3CH 3 OH 3CH 3 COOR + C 3 H 6 O 3 H C O C R 2 H CPO (Trigliserida) Alkohol Biodiesel Gliserol Hasil Penelitian Purifikasi Produk. Crude product biodiesel yang telah diseparasi dari campuran, dicuci menggunakan aquadest untuk menghilangkan metanol, sisa sabun dan garam Na 2 SO 4 yang terbentuk sepanjang reaksi berlansung. Setelah itu dianalisa kandungan asam lemak bebas untuk mengetahui penurunan kandungan ALB produk (Gambar 3). 73
Biodiesel Gambar 3. Purifikasi Biodiesel Pengaruh Rasio Katalis H 2 SO 4, Temperatur Dan Rasio Mol CPO:Metanol Terhadap Konversi Biodiesel. Interaksi antara ketiga variabel penelitian terhadap konversi ALB dapat dilihat melalui grafik respon permukaan dan grafik kontur. Respon permukaan dan grafik kontur tiga dimensi di plot dengan menggunakan rasio katalis H 2 SO 4 sebagai sumbu x, temperatur sebagai sumbu y dan konversi ALB sebagai sumbu z pada rasio mol CPO:Metanol tetap (kode 0). Dari respon tersebut akan diketahui level variabel untuk mendapatkan kondisi optimum produk biodiesel. 90 %Konversi (%) 80 70 60 0-2 -1-1 0 1-2 Rasio Katalis H2SO4 (% b/b) 1 Temperatur (Celcius) Gambar 4. Grafik Respon Permukaan Respon permukaan menunjukkan bahwa konversi ALB meningkat seiring dengan meningkatnya temperatur reaksi dan konsentrasi katalis H 2 SO 4 hingga pada batas tertentu. Plot permukaan ini mengekspresikan bahwa peningkatan konversi ALB sangat dipengaruhi oleh kenaikan temperatur reaksi transesterifikasi. Hal disebabkan oleh kenaikan temperatur menyebabkan pemutusan rantai alkil asam lemak pada CPO berlangsung lebih cepat sehingga mempercepat terbentuknya ikatan ester antara asam lemak dengan metanol. Sedangkan kenaikan konsentrasi katalis H 2 SO 4, memberikan pengaruh kenaikan konversi ALB hanya pada batas tertentu saja yaitu 15% (b/b). Sehingga ketika konsentrasi H 2 SO 4 dinaikkan, tidak akan memberikan 74
pengaruh yang signifikan, karena H 2 SO 4 telah tepat bereaksi mengkonversi asam lemak menjadi ester (Gambar 4). Dari hasil penelitian, diketahui bahwa penurunan asam lemak bebas terbesar berada pada run 12, yaitu rasio katalis H 2 SO 4 15% (b/b), rasio mol CPO terhadap metanol 1:10 pada temperatur 68 o C. Konversi asam lemak bebas sebesar 95,73%. Hal ini menunjukkan bahwa asam lemak dalam trigliserida hampir seluruhnya telah terputus dan berikatan dengan metanol membentuk biodiesel (metil ester). Semakin rendah asam lemak bebas akan linear dengan tingginya konversi asam-asam lemak dalam trigliserida menjadi biodiesel. Dari hasil analisa kromatografi gas, diperoleh kandungan ester dalam produk biodiesel sebesar 97,70%. Hasil ini telah memenuhi standar syarat mutu biodiesel SNI 04-7182-2006 (kandungan ester min 96,5%). Gambar 3. Hasil Analisa Kromatografi Gas Gambar 5 Hasil Analisa Kromatografi Gas Produk Biodiesel Kesimpulan Produksi biodiesel dari crude palm oil menggunakan dua tahap, yaitu esterifikasi dan transesterifikasi memberikan perolehan konversi ALB sebesar 95,73%. Dari hasil analisa kromatografi gas, diketahui bahwa produk biodiesel yang dihasilkan memiliki kandungan ester 97,90% (sesuai SNI 04-7182-2006). Kondisi optimum produksi biodiesel berada pada rasio katalis H 2 SO 4 15% (b/b), temperatur 68 o C dan rasio mol CPO:Metanol 1:10. 75
Referensi [1] Rachmaniah, O., A. Baidawi dan I. Latif. 2012. Produksi Biodiesel Berkemurnian Tinggi Dari Crude Palm Oil (CPO) Dengan Tetrahidrofuran-Fast Single-Phase Process. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya [2] MF Zuhdi, Aguk dan Bibit S Rahayu. 2005. Proses Pembuatan dan Karakteristik Biodiesel Dari Crude Palm Oil (CPO) Serta Teknik Blending Dengan Minyak Solar. Fakultas Teknologi Kelautan. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya [3] Ketaren, S. 1986. Pengantar Teknologi Minyak Dan Lemak Pangan. Universitas Indonesia Press. Jakarta [4] Alkabbashi, A.N., Md Z. Alam., M.E.S Mirghani dan A.M.A Al Fusaiel. 2009. Biodiesel Production From Crude Palm Oil by Transesterification Process. Journal of Applied Sciences, Volume 9, Nomor 17, ISSN 1812-5654. Malaysia [5] Hikmah, Maharani Nurul dan Zuliyana. 2012. Pembuatan Metil Ester (Biodiesel) Dari Minyak Dedak Dan Metanol Dengan Proses Esterifikasi dan Transesterifikasi. Jurusan Teknik Kimia. Universitas Diponegoro. [6] Montgomery, Douglas C. 1997. Design And Analysis Of Experiments. Edition-5. John wiley And Son Inc. 76