PENGARUH KONSENTRASI Li YANG DI-DOPING KE DALAM KATALIS CaO TERHADAP REAKSI TRANSESTERIFIKASI MINYAK SAWIT SKRIPSI Oleh MUHAMMAD TARMIDZI 070405012 DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA SEPTEMBER 2013 i
PENGARUH KONSENTRASI Li YANG DI-DOPING KE DALAM KATALIS CaO TERHADAP REAKSI TRANSESTERIFIKASI MINYAK SAWIT SKRIPSI Oleh MUHAMMAD TARMIDZI 070405012 SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA SEPTEMBER 2013 ii
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul: PENGARUH KONSENTRASI Li YANG DI-DOPING KE DALAM KATALIS CaO TERHADAP REAKSI TRANSESTERIFIKASI MINYAK SAWIT dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya. Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila dikemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku. Medan, 12 September 2013 Muhammad Tarmidzi 070405012 i
PENGESAHAN Skripsi dengan judul: PENGARUH KONSENTRASI Li YANG DI-DOPING KE DALAM KATALIS CaO TERHADAP REAKSI TRANSESTERIFIKASI MINYAK SAWIT dibuat untuk melengkapi persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini telah diujikan pada sidang ujian skripsi pada 22 Agustus 2013 dan dinyatakan memenuhi syarat/ sah sebagai skripsi pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Mengetahui, Koordinator Skripsi Medan, 12 September 2013 Dosen Pembimbing Dr. Eng. Ir. Irvan, MSi NIP. 19680820 199501 1 001 Ir. Renita Manurung, MT. NIP. 19681214 199702 2 002 Dosen Penguji I Dosen Penguji II Dr. Ir. Taslim, MSi. NIP. 19650115 199003 1 002 Ir. Bambang Trisakti, MT. NIP. 19660925 199103 1 003 ii
PRAKATA Puji dan syukur kehadirat Allah SWT karena atas rahmad-nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan skripsi dengan judul Pengaruh Konsentrasi Li yang Di-Doping ke dalam Katalis CaO terhadap Reaksi Transesterifikasi Minyak Sawit, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS) Medan, Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik. Melalui penelitian ini diperoleh konsentrasi katalis heterogen Li/CaO paling baik terhadap reaksi transesterifikasi CPO dengan kualitas rendah menjadi metil ester. Sehingga hasil yang diperoleh dapat dimanfaatkan, khususnya dalam rekayasa teknologi pembuatan metil ester yang menggunakan katalis heterogen. Selama melakukan penelitian hingga penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada: 1. Ibu Ir. Renita Manurung, MT. selaku Pembimbing 2. Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS) selaku Fasilitator 3. Ibu Frisda Panjaitan, ST., MT. selaku Pembimbing di PPKS 4. Bapak Dr. Ir. Tjahjono Herawan selaku Pembimbing di PPKS Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan. Medan, 12 September 2013 Penulis, Muhammad Tarmidzi iii
DEDIKASI Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada : 1. Kedua orang tua penulis, H. Usman Effendy dan Hj. Parni. 2. Andre Yanda Putra, ST. atas kerjasamanya yang sangat baik selama melakukan penelitian dan penulisan skripsi ini. 3. Keluarga penulis. 4. Bapak dan Ibu dosen Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik,. 5. Para pegawai administrasi Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik,. 6. Para pegawai dan teknisi Laboratorium Pangan Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS) Medan yang telah memberikan dorongan dan bantuan dalam pelaksanaan penelitian guna menyelesaikan penulisan skripsi ini. 7. Sahabat-sahabat terbaik di Teknik Kimia, khususnya semua stambuk 2007 yang memberikan banyak dukungan dan semangat kepada penulis, khususnya Bambang Wahyu Pramono, ST. yang telah memberi masukan dalam penulisan abstrak penelitian dalam Bahasa Inggris. 8. Seluruh teman-teman, adik-adik dan abang kakak yang turut memberikan bantuan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini, khususnya Reviana Revitasari (Teknik Kimia 2009) dan Dewi Putriani (Sastra Inggris 2007) yang telah memberi masukan dalam penulisan abstrak penelitian dalam Bahasa Inggris. iv
RIWAYAT HIDUP PENULIS Nama : Muhammad Tarmidzi NIM : 070405012 Tempat, tanggal lahir : Medan, 18 Agustus 1989 Nama orang tua : H. Usman Effendy Alamat orang tua : Jl. Gaperta No. 215, Helvetia Tengah, Medan- Helvetia, Sumatera Utara Asal Sekolah: SD Swasta Kartika I-1 Medan tahun 1995 2001 SMP Negeri 18 Medan tahun 2001 2004 SMA Negeri 12 Medan tahun 2004 2007 Beasiswa yang diperoleh: - Pengalaman Organisasi: 1. Wadah Mahasiswa Muslim Departemen Teknik Kimia FT USU, Covalen Study Group (CSG) periode 2009/2010 sebagai Sekretaris Umum 2. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2010/2011 sebagai Ketua Bidang Kaderisasi dan Sekretaris Umum 3. Pengurus Komisariat Kesatuan Aksi Mahasiswa Muslim Indonesia (KAMMI) periode 2010/2011 sebagai Ketua Departemen Humas 4. Pengurus Komisariat Kesatuan Aksi Mahasiswa Muslim Indonesia (KAMMI) periode 2011/2012 sebagai Ketua Departemen Kaderisasi 5. Asisten Laboratorium Kimia Organik Departemen Teknik Kimia FT USU tahun 2008 2010 modul Hidrokarbon/ Aldehid-Keton, Isolasi Zat Warna, dan Flavonoid Artikel yang telah dipublikasikan dalam jurnal: Muhammad Tarmidzi, Pengaruh Konsentrasi Li yang Di-Doping ke dalam Katalis CaO terhadap Reaksi Transesterifikasi Minyak Sawit, Jurnal Teknik Kimia (2013). v
ABSTRAK Pengembangan biodiesel dari Crude Palm Oil (CPO) semakin diminati karena ketersediaan bahan bakar berbasis minyak bumi yang semakin sedikit. Kelapa sawit merupakan tanaman perkebunan di Indonesia yang terbesar sehingga memiliki potensi untuk dapat digunakan sebagai bahan baku biodiesel. Reaksi transesterifikasi merupakan tahap reaksi untuk menghasilkan biodiesel (metil ester). Namun, CPO mudah mengalami degradasi akibat hidrolisis, sehingga dapat meningkatkan nilai Asam Lemak Bebas (ALB) yang dapat menganggu reaksi transesterifikasi. Konsekuensinya, akan ada sabun sebagai produk samping. Untuk memaksimalkan produksi biodiesel dari minyak sawit yang memiliki kadar ALB tinggi (CPO low grade ), salah satunya dengan menggunakan katalis hasil pen-doping-an. Penelitian ini dilakukan untuk memberikan informasi mengenai pengaruh konsentrasi ion Li + (dalam bentuk LiNO 3 ) yang di-doping ke dalam kalsium oksida (CaO) terhadap reaksi transesterifikasi minyak sawit dengan kadar ALB yang tinggi menjadi metil ester, pada temperatur 120 o C, rasio metanol:cpo = 12:1 (mol/mol), jumlah katalis 2,5 % (w/w) CPO, selama 3,5 jam dan menggunakan reaktor bertekanan. Variabel penelitian adalah konsentrasi Li yang di-doping ke dalam CaO, yaitu 0%, 1% dan 4% (w/w) CaO. Adapun parameter uji yang dilakukan adalah kandungan metil ester yang diperoleh dari hasil reaksi transesterifikasi dengan analisa Kromatografi Gas. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ion Li + yang di-doping ke dalam katalis CaO dapat meningkatkan reaksi pembentukan metil ester dari minyak sawit mentah (CPO low grade) dengan kadar ALB > 3,5 %, dimana konsentrasi Li yang di-doping pada CaO paling baik adalah 1%, dengan hasil 90,88% metil ester. Kata Kunci: transesterifikasi, CPO, katalis heterogen, litium, kalsium oksida, metil ester. vi
ABSTRACT The development of biodiesel which is derived from CPO shows a rising trend for petroleum-based energy reserves are running low. Oil palm is the largest plantation commodity in Indonesia, so, it has high potential as raw material of biodiesel. Transesterification is a reaction of producing biodiesel (methyl ester). Nevertheless, CPO is easy to be degraded by hydrolysis, so, it could increase the amount of Free Fatty Acid (FFA) content which hampers transesterification process. As a consequence, there is formation of soaps as side product. To maximize the production of biodiesel which is derived from palm oil that contains of large amount of FFA (CPO low grade ) one of the ways is by applying catalyst through dopedprocess. This research is held to give information about the effect of Li + ion concentration (in LiNO 3 form) which is doped to calcium oxide (CaO) to palm oil transesterification with the large amount of FFA to produce methyl ester, at temperature of 120 o C, the ratio of methanol:cpo = 12:1 (mol/mol), catalyst amount 2,5% (w/w) CPO, for 3,5 hours and uses pressured reactor. The variable of research is Li concentration that is doped to CaO with concentration: 0%, 1% and 4% (w/w) CaO. The parameter test is methyl ester content that is derived from the result of transesterification with Gas Chromatography (GC) analysis. The research shows that Li + ion that is doped to CaO catalyst could increase the reaction of methyl ester production which is derived from CPO low grade with FFA> 3,5 %, in which the finest of Li concentration that is doped to CaO is 1%, with result of 90,88% methyl ester. Keywords: transesterification, CPO, heterogeneous catalyst, lithium, calcium oxide, methyl ester. vii
DAFTAR ISI Hal PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i PENGESAHAN ii PRAKATA iii DEDIKASI iv RIWAYAT HIDUP v ABSTRAK vi ABSTRACT vii DAFTAR ISI viii DAFTAR GAMBAR x DAFTAR TABEL xii DAFTAR LAMPIRAN xiii DAFTAR SINGKATAN xiv BAB I PENDAHULUAN 1 1.1 LATAR BELAKANG 1 1.2 RUMUSAN MASALAH 2 1.3 TUJUAN PENELITIAN 2 1.4 MANFAAT PENELITIAN 3 1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 5 2.1 CPO 5 2.1.1 Kandungan ALB 5 2.1.2 Kelembapan 6 2.2 TRANSESTERIFIKASI 6 2.3 KATALIS 7 2.3.1 CaO 9 2.3.2 Li/CaO 11 2.3.3 Teknik Pen-doping-an dengan Metode Impregnasi Basah 13 2.4 POTENSI EKONOMI METIL ESTER DARI CPO LOW GRADE 17 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 22 viii
3.1 TEMPAT DAN WAKTU 22 3.2 BAHAN DAN ALAT 22 3.2.1 Bahan Penelitian 22 3.2.2 Alat Penelitian 22 3.2.3 Gambar dan Spesifikasi Reaktor 22 3.3 PROSEDUR PENELITIAN 24 3.3.1 Analisa Bahan Baku 24 3.3.1.1 Analisa Kandungan Asam Lemak 24 3.3.1.2 Analisa Kadar ALB 24 3.3.2 Preparasi Katalis (Li/CaO) 24 3.3.3 Transesterifikasi 25 3.3.4 Analisa Hasil 25 3.4 FLOWCHART PENELITIAN 27 3.4.1 Analisa Kadar ALB 27 3.4.2 Preparasi Katalis (Li/CaO) 28 3.4.3 Transesterifikasi 29 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 30 4.1 HASIL 30 4.1.1 Analisa Bahan Baku CPO low grade 30 4.1.2 Hasil Transesterifikasi CPO low grade 31 4.2 PEMBAHASAN 32 4.2.1 Pengaruh Konsentrasi Ion Li yang di-doping ke Dalam CaO terhadap Kandungan ME 33 4.2.2 Penentuan Penggunaan Doping Katalis yang Paling Baik 35 BAB V KESIMPULAN 38 5.1 KESIMPULAN 38 5.2 SARAN 38 DAFTAR PUSTAKA 39 ix
DAFTAR GAMBAR Hal Gambar 2.1 Reaksi transesterifikasi 6 Gambar 2.2 Mekanisme reaksi heterogen 8 Gambar 2.3 Mekanisme reaksi transesterifikasi basa heterogen dengan katalis 11 Gambar 2.4 Li teori versus Li aktual dari LiNO 3 di-doping ke CaO 12 Gambar 2.5 Mekanisme impregnasi katalis 15 Gambar 2.6 Teknik pen-doping-an sol-gel katalis 16 Gambar 2.7 Simulasi bahan baku CPO low grade terhadap nilai keuntungan 21 Gambar 3.1 Reaktor transesterifikasi bertekanan: (a) reaktor; (b) stirrer; (c) rangkaian reaktor + strrier; dan (d) rangkaian lengkap reaktor 23 Gambar 3.2 Flowchart analisa kadar ALB 27 Gambar 3.3 Flowchart preparasi katalis (Li/CaO) 28 Gambar 3.4 Flowchart transesterifikasi 29 Gambar 4.1 Chromatogram analisis GC dari hasil transesterifikasi CPO low grade dengan katalis Li/CaO dengan doping Li 1 % 32 Gambar 4.2 Pengaruh % doping Li tehadap pembentukan ME 33 Gambar 4.3 Komposisi gliserida pada berbagai konsentrasi doping Li 35 Gambar 4.4 Perbandingan komposisi gliserida pada berbagai konsentrasi doping Li 36 Gambar L.1 Data chromatogram analisis GC dari hasil transesterifikasi CPO low grade dengan katalis Li/CaO dengan doping Li 1 % 43 Gambar L.2 Simulasi bahan baku CPO low grade terhadap nilai keuntungan 51 Gambar L.3 Impregnasi basah untuk berbagai variasi pen-doping-an Li: (a) 1% dan (b) 4% 52 Gambar L.4 Katalis pra-kalsinasi untuk berbagai variasi pen-doping-an Li: (a) 1% dan (b) 4% 52 Gambar L.5 Katalis pasca kalsinasi untuk berbagai variasi pen-doping-an Li: (a) 1% dan (b) 4% 53 Gambar L.6 Penghalusan dan pengayakan: (a) penghalusan; dan (b) pengayakan 60 mesh 53 x
Gambar L.7 Reaktor transesterifikasi bertekanan: (a) reaktor; (b) stirrer; (c) rangkaian reaktor + strrier; dan (d) rangkaian lengkap reaktor 54 Gambar L.8 Sentrifugasi ME + katalis Li/CaO 1%: (a) sebelum; dan (b) sesudah 55 Gambar L.9 Sentrifugasi ME + katalis Li/CaO 4%: (a) sebelum; dan (b) sesudah 55 xi
DAFTAR TABEL Hal Tabel 2.1 Komposisi asam lemak CPO 5 Tabel 2.2 Data produksi CPO domestik 17 Tabel 2.3 Data produksi, ekspor, dan konsumsi biodiesel (10 3 kiloliter) 17 Tabel 2.4 Perhitungan biaya listrik alat proses penelitian 19 Tabel 2.5 Perhitungan biaya bahan baku pada simulasi 20 Tabel 2.6 Perhitungan biaya listrik alat proses pada simulasi 20 Tabel 2.7 Perhitungan kajian ekonomi pada simulasi 20 Tabel 3.1 Variasi impregnasi pembuatan katalis Li/CaO 25 Tabel 4.1 Hasil analisa bahan baku CPO low grade 30 Tabel 4.2 Komposisi asam lemak dari CPO low grade 30 Tabel 4.3 Komposisi CPO low grade 30 Tabel 4.4 Hasil pembentukan metil ester dan analisanya 31 Tabel 4.5 Tabel peak area 32 Tabel L.1 Bahan baku CPO low grade 42 Tabel L.2 Komposisi asam lemak dari CPO low grade 42 Tabel L.3 Komposisi CPO low grade 42 Tabel L.4 Hasil pembentukan ME dengan analisa GC 42 Tabel L.5 Perhitungan biaya listrik alat proses penelitian 48 Tabel L.6 Perhitungan biaya bahan baku pada simulasi 49 Tabel L.7 Perhitungan biaya listrik alat proses pada simulasi 50 Tabel L.8 Perhitungan kajian ekonomi pada simulasi 50 Tabel L.9 Perhitungan hubungan antara jumlah bahan baku dan nilai keuntungan 51 xii
DAFTAR LAMPIRAN Hal LAMPIRAN 1. DATA PERCOBAAN 42 L.1.1 Data Bahan Baku CPO low grade 42 L.1.2 Data Hasil Transesterifikasi 42 L.1.3 Data Chromatogram Analisis GC dari Hasil Transesterifikasi CPO low grade dengan Katalis Li/CaO Dengan Doping Li 1 % 43 L.1.4 Data Peak Area 44 LAMPIRAN 2. CONTOH PERHITUNGAN 45 L.2.1 Perhitungan Mol CH 3 OH 45 L.2.2 Perhitungan Massa CH 3 OH 45 L.2.3 Perhitungan Volume CH 3 OH 45 L.2.4 Perhitungan Jumlah Katalis yang Digunakan 45 L.2.5 Perhitungan Massa Li (dalam bentuk LiNO 3 ) yang di-doping ke dalam CaO 45 L.2.6 Perhitungan Konsentrasi Ion Li + (dalam bentuk LiNO 3 ) yang didoping ke dalam CaO 46 L.2.7 Perhitungan Potensi Ekonomi Produk 46 LAMPIRAN 3. FOTO PERCOBAAN 52 L.3.1 Impregnasi Basah 52 L.3.2 Pra-Kalsinasi 52 L.3.3 Pasca Kalsinasi 53 L.3.4 Penghalusan & Pengayakan 53 L.3.5 Reaktor 54 L.3.6 Sentrifugasi ME + Katalis Li/CaO 1% 55 L.3.7 Sentrifugasi ME + Katalis Li/CaO 4% 55 xiii
DAFTAR SINGKATAN ALB CPO FAME FFA GC ID OD Asam Lemak Bebas Crude Palm Oil Fatty Acid Methyl Ester Free Fatty Acid Gas Chromatography Inside Diameter Outside Diameter xiv