II. TINJAUAN PUSTAKA A. JARAK PAGAR Tanaman jarak pagar mempunyai nama latin Jatropha curcas L. (Linnaeus). Tanaman ini berasal dari Amerika Tengah yang kemudian menyebar ke daerah tropis. Tanaman ini diperkenalkan di Indonesia sejak tahun 1942-an pada masa penjajahan Jepang. Di Indonesia, tanaman ini banyak ditemukan di daerah Jawa dan Kawasan Indonesia Timur seperti Nusa Tenggara, Sulawesi dan sebagainya. Menurut Nurchalis dan Sumarsih (2007), tanaman jarak pagar mempunyai nama-nama lokal sesuai dengan daerahnya seperti nawaih nawas (Aceh), jarak kosta (Sunda), jarak budge, jarak pager (Jawa), kaleke paghar (Madura), jarak pageh (Bali), bintalo, tondo ntomene (Sulawesi) dan sebagainya. Klasifikasi tanaman jarak pagar menurut Heyne (1987) adalah sebagai berikut: Kingdom : Plantae Divisi : Spermatophyta Subdivisi : Angiospermae Kelas : Dicotyledones Subkelas : Archichlamydeae Ordo : Euphorbiales Famili : Euphorbiaceae Genus : Jatropha Spesies : Jatropha curcas L. Tanaman jarak pagar ini dapat tumbuh cepat apabila kondisi lingkungannya sesuai dan termasuk tanaman yang tahan terhadap kekeringan. Tanaman ini dapat tumbuh pada curah hujan sekitar 300-700 mm per tahun. Selain itu, tanaman jarak pagar ini dapat tumbuh di daerah bercurah hujan tinggi sekitar 1500 mm per tahun dengan syarat drainase yang baik. Daerah penyebaran tanaman jarak pagar terletak antara ketinggian 0-800 meter di atas permukaan air laut dengan suhu rata-rata 20-35 C (Nurcholis dan Sumarsih, 2007). Gambar 1. Tanaman dan buah jarak pagar 3
Tanaman jarak pagar seperti yang terlihat pada Gambar 1 sering dimanfaatkan bijinya (Gambar 2) untuk menghasilkan minyak jarak pagar yang dapat digunakan sebagai bahan baku biodiesel. Buah jarak terbagi menjadi 3 ruang yang masing-masing ruang biasanya diisi oleh 3 biji. Biji berbentuk bulat lonjong dengan warna coklat kehitaman. Inti biji merupakan sumber bagian yang menghasilkan minyak nabati. Ketaren (2008) menyatakan bahwa biji jarak pagar terdiri dari 75% daging biji dan 25% kulit biji. Sementara komposisi kimia biji jarak pagar varietas IP3 terdiri atas 43.11% minyak, 18.71% karbohidrat, 12.31% serat, 3.14% abu, 17.09% protein dan 5.64% air (Wina, 2008). Gambar 2. Biji jarak pagar Minyak jarak pagar biasanya dapat diekstraksi dengan dua cara, yaitu dengan metode pengepresan dan ekstraksi dengan menggunakan pelarut. Minyak jarak pagar ini mengandung banyak asam lemak dan didominasi oleh asam palmitat, asam oleat dan asam linoleat, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Asam oleat dan linoleat termasuk asam lemak tidak jenuh. Kedua asam lemak ini akan berpengaruh pada bilangan asam dan viskositas dari minyak jarak pagar maupun biodiesel yang dihasilkan. Sementara sifat fisikokimia dari minyak jarak pagar ditunjukkan pada Tabel 2. Selain itu, minyak jarak pagar juga mengandung senyawa beracun berupa ester forbol dan curcin (Hambali et al., 2007b). Adanya senyawa tersebut menjadikan minyak jarak pagar termasuk dalam minyak non-pangan, sehingga tidak layak untuk dikonsumsi oleh manusia maupun hewan. Tabel 1. Kandungan asam lemak minyak jarak pagar Jenis Asam Lemak Komposisi (%) Asam palmitat Asam palmitoleat Asam stearat Asam oleat Asam linoleat Asam linolenat Asam arasidat Asam gadoleat Sumber: Jain dan Sharma (2010) 14.1 0.5 6.8 38.6 36.0 0.2 0.2 3.6 4
Tabel 2. Sifat fisikokimia minyak jarak pagar Sifat Minyak Jarak Pagar Densitas (g/cm 3 ) Viskositas pada 30 C (cst) Nilai kalor (MJ/kg) Titik tuang ( C) Titik awan ( C) Titik nyala ( C) Asam lemak bebas (%) Angka setana Bilangan penyabunan Bilangan tak tersabunkan (%) Bilangan iod (mg iodine/g) Bilangan asam (mg KOH/g) Monogliserida Digliserida Trigliserida Residu karbon Kadar sulfur (%) Sumber: Achten et al. (2008) Nilai 0.860-0.933 37.00-54.80 37.83-42.05-3 2 210-240 0.18-3.40 38.0-51.0 102.9-209.0 0.79-3.80 92-112 0.92-6.16 Maks 1.7 2.50-2.70 88.20-97.30 0.07-0.64 0-0.13 B. BIODIESEL Biodiesel merupakan bahan bakar nabati pengganti bahan bakar fosil untuk motor diesel yang bersumber dari minyak nabati. Biodiesel merupakan hasil transeterifikasi dari trigliserida yang ada dalam minyak nabati. Biodiesel ini menyerupai bahan bakar solar sehingga prospektif untuk dikembangkan. Keunggulan dari biodiesel adalah sebagai berikut (Hambali et al., 2007a): 1. Bahan bakar yang ramah lingkungan karena menghasilkan emisi yang jauh lebih sedikit. 2. Angka setananya lebih tinggi (>57) sehingga efisiensi pembakaran lebih baik. 3. Memiliki sifat pelumasan terhadap piston mesin dan dapat terurai. 4. Merupakan sumber bahan bakar yang dapat diperbaharui karena terbuat dari bahan nabati yang dapat diperbaharui. 5. Meningkatkan suplai bahan bakar. Biodiesel termasuk turunan lipid dari golongan monoalkil ester asam lemak (Darnoko et al., 2001). Biodiesel yang banyak diproduksi adalah biodiesel metil ester yang menggunakan pereaksi metanol dan etil ester yang menggunakan pereaksi etanol. Menurut Legowo (2001), karakteristik biodiesel secara umum meliputi densitas, viskositas, bilangan setana, kalor pembakaran, titik tuang, titik pijar dan titik awan. Karakteristik biodiesel dapat dilihat pada Tabel 3. Bobot jenis adalah perbandingan berat contoh pada suhu 40 C dengan berat air pada volume dan suhu yang sama. Menurut Syah (2006), densitas biodiesel pada suhu 15 C tidak boleh melebihi 0.900 kg/m 3. Jika densitasnya lebih dari itu, kemungkinan reaksi transesterifikasi berjalan tidak sempurna. Menurut Mittelbach dan Remschmidt (2006), densitas dapat juga menentukan mutu biodiesel dan berhubungan dengan kadar air, kadar sedimen dan kadar abu yang erat kaitannya dengan proses pemurnian biodiesel itu sendiri. 5
Tabel 3. Karakteristik biodiesel Parameter Satuan Nilai (a) Nilai (b) Densitas (40 C) kg/m 3 864-880 850-890 Viskositas (40 C) cst - 2.3-6.0 Titik nyala C 170-192 Min. 100 Titik kabut (awan) C - Maks. 18 Angka setana - 50.0-56.1 Min. 51 Bilangan penyabunan mg/g 202.6 - Bilangan asam mg KOH/g 0.06-0.5 Maks. 0.8 Bilangan iod mg iod/g 93-106 Maks. 115 Abu tersulfatkan % massa 0.005-0.010 Maks. 0.02 Gliserol bebas % massa 0.015-0.030 Min. 0.02 Gliserol total % massa 0.088-0.100 Min. 0.24 Kadar ester alkil % massa Min 99.6 Min 96.5 Uji Hulpher - - negatif Sumber: (a) Achten et al. (2008) dan (b) SNI 04-7182-2006 (2006) Viskositas menunjukkan jenis bahan baku yang digunakan. Biodiesel yang terbuat dari minyak dengan rantai karbon yang lebih pendek dapat menghasilkan viskositas yang lebih rendah. Sifat fisik ini pula yang dapat digunakan secara cepat dalam menentukan konversi reaksi karena proses transesterifikasi berguna untuk menurunkan viskositas trigiliserida (Mittelbach dan Remschmidt, 2006). Viskositas kinematik dapat diartikan sebagai ukuran bahan bakar dalam kemudahan mengalir. Sistem pembakaran memerlukan bahan bakar yang dapat membentuk partikulat halus ketika diinjeksi. Jika viskositas tidak memenuhi standar yang telah ditetapkan, dapat mengakibatkan penurunan daya pembakaran. Jika terlalu rendah akan menyebabkan kebocoran dan jika terlalu tinggi akan menyebabkan bahan bakar sulit disuplai ke ruang pembakaran (Van Gerpen, 2005). Bilangan asam merupakan salah satu parameter dalam menentukan standar biodiesel. Menurut Ketaren (2008), bilangan asam didefinisikan sebagai jumlah milligram KOH yang digunakan untuk menetralkan asam lemak bebas yang terkandung dalam satu gram minyak atau lemak. Hal ini berarti semakin kecil bilangan asam dari biodiesel semakin sedikit kandungan asam lemak bebasnya. Bilangan asam pada biodiesel diharapkan sekecil mungkin. Hal ini dikarenakan asam lemak bebas dalam biodiesel dapat menyebabkan korosif pada komponen mesin. Bilangan penyabunan dinyatakan dalam jumlah milligram KOH yang dibutuhkan untuk menyabunkan 1 gram minyak atau lemak (Ketaren, 2008). Bilangan penyabunan ini dipengaruhi oleh senyawa-senyawa seperti trigliserida, digliserida dan monogliserida yang masih terdapat setelah proses transesterifikasi. Bilangan penyabunan juga menunjukkan berat molekul yang terkandung dalam biodiesel. Jika bilangan penyabunan tinggi maka bobot molekulnya rendah atau senyawa-senyawa yang ada telah terkonversi menjadi metil ester. Sementara, bilangan ester merupakan selisih antara bilangan penyabunan dan bilangan asam sehingga bilangan ester menunjukkan tingkat kemurnian dari biodiesel yang telah dihasilkan. Bilangan setana menunjukkan kemampuan bahan bakar menyala atau kemudahan bahan bakar untuk terbakar jika diinjeksikan dalam ruang bakar motor tersebut (Knothe, 2005a). Menurut Tambun (2009), titik nyala adalah suhu terendah dimana bahan dapat terbakar. Semakin tinggi titik nyalanya, maka penyimpanan biodiesel lebih aman. Titik tuang merupakan suhu 6
terendah dimana bahan bakar masih dapat dialirkan sehingga pada daerah yang bersuhu rendah diharapkan biodiesel tidak membeku. Kadar air dan sedimen adalah jumlah kandungan air dan sedimen yang ada dalam bahan bakar. Adanya kandungan air dan sedimen dalam bahan bakar dapat menyebabkan terjadinya kristal-kristal beku pada suhu rendah sehingga mengganggu proses pengaliran bahan bakar. Sisa karbon yang tinggi dapat menyebabkan terbentuknya endapan sehingga dapat menjadikan mesin kendaraan menjadi aus. Sementara nilai kalor bahan bakar adalah jumlah konsumsi bahan bakar yang digunakan mesin kendaraan setiap satuan waktu. Semakin tinggi nilai kalornya, semakin rendah bahan bakar yang dibutuhkan. Menurut Winarno (1992), kadar abu adalah mineral anorganik sisa pembakaran bahan organik. Jika kadar abu tinggi, maka kerak yang menempel pada mesin kendaraan semakin banyak sehingga tingkat keausan mesin juga semakin tinggi. C. TRANSESTERIFIKASI IN SITU Transesterifikasi merupakan reaksi kimia antara trigliserida dan alkohol rantai pendek seperti metanol atau etanol untuk menghasilkan monoalkil ester dan gliserol dengan menggunakan katalisator asam atau basa (Hambali et al., 2007b). Reaksi ini merupakan reaksi alkoholis dan bersifat reversible (Khan, 2002). Berikut ini adalah mekanisme reaksi transesterifikasi trigliserida dengan menggunakan pereaksi metanol: CH 2 -OOC-R 1 R 1 -COO-CH 3 CH 2 -OH CH-OOC-R 2 + 3CH 3 OH R 2 -COO-CH 3 + CH-OH CH 2 -OOC-R 3 R 3 -COO-CH 3 CH 2 -OH Trigliserida Metanol Metil ester Gliserol Keterangan: R 1, R 2, dan R 3 adalah asam lemak jenuh dan tak jenuh dari rantai karbon. Pada pembuatan biodiesel, biasanya proses transesterifikasi dilakukan setelah proses ekstraksi dan pemurnian minyak. Tahapan-tahapan proses tersebut menyebabkan proses pembuatan biodiesel lebih panjang, efisiensi rendah dan konsumsi energi yang tinggi sehingga secara keseluruhan dapat meningkatkan biaya produksi biodiesel. Oleh karena itu diperlukan proses pembuatan biodiesel yang sederhana, efisien, hemat energi, biaya produksi yang rendah dan dapat menghasilkan rendemen dan mutu biodiesel yang bagus. Proses pembuatan biodiesel tersebut, dewasa ini lebih dikenal dengan proses transesterifikasi in situ. Menurut Haas et al. (2004), transesterifikasi in situ merupakan langkah yang lebih sederhana dalam memproduksi monoalkil ester dengan mengeleminasi proses ekstraksi dan pemurnian minyak sehingga dapat menurunkan biaya produksi biodiesel. Menurut Qian et al. (2008), trigliserida yang digunakan dalam proses transesterifikasi in situ berasal dari bahan baku sumber minyak dan bukan berasal dari minyak yang sudah diekstrak dan dimurnikan terlebih dahulu. 7
Mekanisme proses transesterifikasi in situ adalah kontak langsung antara bahan baku sumber minyak dengan pereaksi alkohol dengan menggunakan katalis asam atau basa (Georgogianni et al., 2008). Menurut Haas et al. (2004), fungsi alkohol adalah untuk menghancurkan sel-sel yang mengandung minyak dan melarutkan minyak tersebut. Selain itu, alkohol juga berfungsi sebagai pereaksi selama proses transesterifikasi. Beberapa penelitian yang terkait dengan transesterifikasi in situ diantaranya telah dilakukan pada bahan baku sumber minyak seperti biji bunga matahari, biji kedelai, rice bran dan biji kapas. Pada transesterifikasi in situ biji bunga matahari, Siler-Marinkovic dan Tomasevic (1998) mendapatkan rendemen metil ester sebanyak 98% pada kondisi suhu 64.5 o C, waktu reaksi 1 jam, dengan perbandingan molar metanol/bahan/h 2 SO 4 adalah 300:1:9. Georgogianni et al. (2008) juga melakukan penelitian mengenai transesterifikasi in situ biji bunga matahari dengan menggunakan katalis NaOH 2% pada suhu 60 o C dan kecepatan pengadukan 600 rpm sehingga menghasilkan rendemen metil ester sebesar 95%. Pada penelitian transesterifikasi in situ rice bran oleh (Ozgul-Yucel dan Turkay, 2003) didapatkan hasil bahwa metanol menghasilkan rendemen metil ester yang lebih tinggi dibandingkan alkohol jenis lainnya dengan rasio metanol terhadap rice bran adalah 4 ml/g. Haas dan Karen (2007) meneliti tentang pengaruh katalis NaOH dan kebutuhan alkohol pada transesterifikasi in situ biji kedelai. Kondisi optimal yang menghasilkan rendemen sebesar 100% diperoleh pada waktu reaksi selama 10 jam, kadar air bahan 0.8% dan konsentrasi NaOH 0.1 N dalam metanol sebanyak 2.4 ml/g. Penelitian yang dilakukan Qian et al. (2008) pada transeterifiaksi in situ biji kapas menghasilkan rendemen sebesar 98% pada kondisi proses seperti kadar air biji kurang dari 2%, ukuran partikel bahan 0.300-0.335 mm, konsentrasi NaOH 0.1 mol/liter metanol, perbandingan molar metanol/minyak sebesar 135:1, dengan suhu 40 o C, serta waktu reaksi selama 3 jam. Penelitian yang terkait dengan transesterifikasi in situ biji jarak pagar telah dilakukan oleh Utami (2010) dan Shuit et al. (2009). Biodiesel tertinggi (82.51%) yang dihasilkan oleh Utami (2010) menggunakan biji dengan kadar air 1%, ukuran biji 35 mesh, rasio metanol/heksan/bahan (v/v/b) sebesar 6:1:1 dan katalis KOH 0.075 mol/liter metanol (7%) pada suhu 50 C, kecepatan pengadukan 800 rpm dan waktu reaksi 5 jam. Hasil sidik ragam pada penelitian Utami (2010) didapatkan bahwa suhu, kecepatan pengadukan dan waktu reaksi tidak berpengaruh nyata terhadap rendemen dan viskositas biodiesel. Suhu, waktu reaksi serta interaksi antara faktor suhu, kecepatan pengadukan dan waktu reaksi berpengaruh nyata terhadap bilangan asam biodiesel. Sementara pada bilangan penyabunan dan bilangan ester biodiesel, suhu serta interaksi faktor suhu dan kecepatan pengadukan memberikan pengaruh yang nyata. Penelitian yang dilakukan oleh Shuit et al. (2009), proses transesterifikasi in situ biji jarak pagar pada kondisi operasi suhu 60 C, waktu reaksi 24 jam dan rasio metanol/bahan sebesar 7.5 ml/g dengan menggunakan katalis asam (H 2 SO 4 15%) dan heksan sebesar 10% dari volume pelarut sehingga menghasilkan rendemen biodiesel sebesar 99.8%. Ukuran partikel biji jarak pagar yang digunakan adalah 0.355 mm. Berdasarkan penelitian ini dapat disimpulkan bahwa semakin kecil ukuran partikel bahan dan semakin lama waktu reaksinya, maka efisiensi ekstraksi dan transesterifikasi semakin tinggi sehingga rendemen biodiesel yang dihasilkan pun akan semakin tinggi. 8