Bab IV Hasil dan Pembahasan Penelitian ini dilakukan dalam dua tahap. Penelitian penelitian pendahuluan dilakukan untuk mendapatkan jenis penstabil katalis (K 3 PO 4, Na 3 PO 4, KOOCCH 3, NaOOCCH 3 ) yang memberikan performa terbaik yang akan digunakan dalam penelitian utama. Sebelum penelitian tersebut dilaksanakan, terlebih dahulu dilakukan preparasi terhadap bahan baku penelitian (ampas kelapa). 4.1. Preparasi Bahan Baku (Ampas Kelapa) Ampas kelapa yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari pembuatan minyak kelapa murni yang menggunakan proses kering, sebelum digunakan ampas kelapa tersebut terlebih dahulu dikeringkan pada temperatur 65 o C selama 10 jam. Setelah itu suatu contoh ampas kelapa tersebut diekstraksi dengan pelarut heksan dalam ekstraktor Soxhlet selama 16 jam. Ekstraksi ini dilakukan untuk mengetahui jumlah dan karakteristik minyak yang terkandung di dalam ampas kelapa. Hasil-hasilnya disajikan pada Tabel IV.1. Gambar IV.1. Ampas kelapa yang telah dikeringkan Tabel IV.1. Hasil analisis ampas kelapa yang digunakan dalam penelitian dibandingkan dengan data literatur Karakteristik Kadar Data literatur Minyak (%) 38 12,2 15.9 a) Air (%) 4,01 4,65 6,20 a) Angka asam minyak (mg KOH/g) 0,9 0,6 maks b) Angka penyabunan minyak (mg KOH/g) 240,36 248 265 b) a) Banzon dan Velasco (1982), Rindengan., dkk. (1997) b) Salunkhe., dkk. (1992)
Kadar minyak yang terkandung dalam ampas kelapa masih sangat tinggi (38%) dibandingkan dengan data literatur (12,2-15,9%). Ini dikarenakan tekanan yang diberikan pada saat pemerahan parutan daging kelapa kering tidak cukup kuat untuk mengeluarkan minyak secara maksimum. Proses pembuatan minyak kelapa murni dengan sistem kering membutuhkan tekanan yang lebih besar untuk mengempa parutan daging kelapa dibandingkan dengan sistem basah (santan), sehingga alat pengepres yang digunakan sebaiknya tipe screw. Angka asam merupakan ukuran banyaknya asam lemak bebas yang terdapat di dalam minyak. Agar reaksi transesterifikasi dapat berjalan dengan baik, maka syarat angka asam minyak adalah < 1. Angka asam lebih besar dari satu, secara langsung akan mengurangi perolehan ester metil karena sebagian katalis kalium metoksida bereaksi dengan asam lemak bebas membentuk sabun dengan terlebih dahulu membentuk emulsi dengan metanol dan minyak, sehingga reaksi transesterifikasi tidak dapat terjadi. Angka asam minyak dari ampas kelapa (0,9) memenuhi syarat sebagai bahan baku untuk digunakan dalam transesterifikasi in situ. Angka penyabunan menunjukkan berat molekul dari minyak, sehingga dapat digunakan untuk menentukan komponen penyusun terbesar dalam minyak kelapa. Berdasarkan angka penyabunan minyak ampas kelapa (240,36) yang lebih kecil dari angka penyabunan minyak kelapa (248-265). Hal ini dikarenakan asam lemak berantai C pendek (kaprilat dan kaprat) yang memiliki viskositas rendah telah terekstrak pada saat pemerahan daging kelapa untuk pembuatan minyak kelapa murni sehingga minyak dari ampas kelapa memiliki rantai C yang lebih besar (C-13) tetapi masih berada dalam rentang medium chain yang merupakan karakteristik dari minyak kelapa. 4.2. Penelitian Pendahuluan Penelitian pendahuluan dilakukan untuk memilih jenis penstabil katalis yang akan digunakan dalam penelitian lanjutan (tahap kedua). Penstabil katalis ini digunakan untuk menarik air maupun asam lemak bebas yang terdapat dalam bahan baku sehingga katalis 25
kalium metoksida yang digunakan dapat bekerja secara maksimal untuk menghasilkan ester metil. Penstabil yang digunakan adalah K 3 PO 4, Na 3 PO 4, KOOCCH 3, NaOOCCH 3. Penstabil katalis sebanyak 20 gram terlebih dahulu diletakkan pada bagian bawah dari tempat bahan baku yang ada dalam reaktor selanjutnya dimasukkan ampas kelapa kering 140 gram, ditambahkan metanol sampai merendam keseluruhan ampas kelapa (800 ml) dan kalium metoksida 4%-b. Agar reaksi transesterifikasi in situ dapat terjadi dengan baik maka pada penyangga bahan baku dibuat lobang-lobang dan pada dasar reaktor dipasang stirrer yang putarannya akan menghasilkan gaya sentrifugal untuk mengalirkan metanol ke atas melalui saluran samping selanjutnya turun ke bawah menembus tumpukan ampas kelapa selanjutnya beredar ke atas lagi (Gambar III.3). Aliran metanol ini terjadi secara terus menerus selama 6 jam dan pada temperatur 60 o C. Setelah direaksikan selama 6 jam, percobaan dihentikan. Diperoleh hasil berupa larutan ester metil + gliserol di dalam metanol. Selanjutnya larutan tersebut diberi asam fosfat sampai phnya netral (deaktivasi katalis). Deaktivasi katalis kalium metoksida dengan asam fosfat akan membentuk endapan garam fosfat (dapat dimanfaatkan untuk pupuk). Garam fosfat dipisahkan dari larutan ester metil + gliserol dengan penyaringan sebelum larutan tersebut didestilasi untuk menjumput (recovery) metanol. Destilasi dihentikan setelah terbentuk dua fasa, ester metil dan gliserol. Gliserol berada pada fasa bawah karena densitasnya lebih besar dari ester metil. Pemisahan gliserol dari ester metil dilakukan dengan dekantasi menggunakan corong pisah (Gambar IV.2.), gliserol dikeluarkan dari bagian bawah corong. Gliserol merupakan produk samping proses pembuatan biodiesel yang bernilai ekonomis tinggi yang dapat dijual dalam keadaan mentah (crude glycerol) atau gliserol yang telah dimurnikan. Gliserol merupakan salah satu bahan kimia penting, namun keberadaannya dalam biodiesel harus dihindari karena pembakaran gliserol dapat menghasilkan acrolein sehingga berbahaya jika terhirup oleh makhluk hidup. 26
ester metil gliserol Gambar IV.2. Pemisahan ester metil dan gliserol menggunakan corong pisah Ester metil sebagai hasil akhir (produk) dari reaksi transesterifikasi in situ masih mengandung pengotor berupa sisa-sisa garam, metanol dan gliserol. Pemisahan pengotor tersebut dilakukan dengan mencuci ester metil dengan air hangat (Gambar IV.3) beberapa kali sampai ph air hasil cucian bernilai 7 (netral). Setelah dicuci, ester metil berwarna keruh sebab masih mengandung air sehingga dikeringkan dalam oven pada temperatur 60 o C sampai tampak bening (Gambar IV.4). Ester metil yang telah kering dianalisis mutunya, meliputi angka asam (FBI-A01-03); kadar gliserol total (FBI-A02-03); kadar ester alkil (FBI-A03-03). Karakteristik ester metil hasil transesterifikasi in situ ampas kelapa disajikan pada Tabel IV.2. ester metil air cucian Gambar IV.3. Pencucian ester metil Gambar IV.4. Ester metil ampas kelapa hasil percobaan 27
Tabel IV.2. Karakteristik ester metil ampas kelapa dengan penambahan katalis 4%-b menggunakan berbagai penstabil katalis pada temperatur 60 o C K a r a k t e r i s t i k katalis AA (mg KOH/g) AP (mg KOH/g) KGT (%) KE (%) K 3 PO 4 0,45 230,511 0,218 99,368 Na 3 PO 4 0,6 236,409 0.117 99,51 KOOCCH 3 0,31 235,914 0.09 99,665 NaOOCCH 3 0,45 236,695 0.07 99,674 keterangan: AA : angka asam KGT : kadar gliserol total AP : angka penyabunan KE : kadar ester alkil Hasil analisis pada Tabel IV.2 di atas, memperlihatkan bahwa semua jenis penstabil katalis yang digunakan dalam transesterifikasi in situ ampas kelapa memberikan hasil ester metil yang memenuhi persyaratan kualitas biodiesel menurut SNI-04-7182-2006 (Tabel II.2). Akan tetapi jenis penstabil katalis yang dipilih untuk digunakan dalam penelitian lanjutan dari transesterifikasi in situ ampas kelapa adalah K 3 PO 4 dan Na 3 PO 4. Alasan pemilihan K 3 PO 4 dan Na 3 PO 4 ini didasarkan atas beberapa hal yaitu : kemudahan untuk memperoleh dan membuatnya. dapat digunakan kembali (K 3 PO 4 dan Na 3 PO 4 tidak larut dalam metanol). penanganannya setelah reaksi lebih mudah dibandingkan KOOCCH 3 dan NaOOCCH 3. tingkat harga yang lebih murah (KOOCCH 3 dan NaOOCCH 3 tidak tersedia dalam bentuk teknis). 4.3. Penelitian Utama Berdasarkan hasil yang diperoleh dari penelitian pendahuluan, maka jenis penstabil yang digunakan adalah K 3 PO 4 dan Na 3 PO 4. Selain menggunakan kedua jenis penstabil katalis tersebut, pada penelitian utama dilakukan juga reaksi transesterifikasi in situ dengan tanpa menggunakan penstabil katalis. Variasi percobaan meliputi jumlah katalis kalium metoksida yang ditambahkan (2%-b, 3%-b, 4%-b) dan temperatur reaksi (27 o C dan 60 o C). Pelaksanaan tiap tempuhan penelitian utama sama dengan yang dilakukan pada penelitian pendahuluan. 28
Parameter kualitas biodiesel yang diuji meliputi angka asam (FBI-A01-03); kadar gliserol total dan gliserol bebas (FBI-A02-03); kadar ester alkil (FBI-A03-03); angka iodium (FBI-A4-03) dan kadar fosfor (FBI-A05-03). Angka asam, gliserol bebas, gliserol total, kadar ester alkil dan fosfor mewakili tingkat kesempurnaan pengolahan/pemrosesan yang dilaksanakan dalam pembuatan biodiesel sedangkan angka iodium merupakan parameter yang nilainya lebih ditentukan oleh komposisi asam-asam lemak bahan mentah yang digunakan [Soerawidjaja (2006a)]. 4.3.1. Perolehan (yield) Ester Metil Ampas Kelapa Salah satu indikasi keberhasilan suatu reaksi adalah perolehan (yield) yang tinggi. Perolehan ester metil dari transesterifikasi in situ ampas kelapa disajikan pada Tabel IV.3 Tabel IV.3. Perolehan (%-b) ester metil pada transesterifikasi in situ ampas kelapa T = 27 o C T = 60 o C katalis 2% 3% 4% 2% 3% 4% tanpa penstabil 11,457 35,919 33,218 6,678 11,511 30,757 K 3 PO 4 12,929 33,897 33,149 7,068 16,482 29,472 Na 3 PO 4 14,341 29,696 32,563 8,879 22,180 31,951 Perolehan ester metil yang disajikan pada Tabel IV.3, memperlihatkan bahwa reaksi transesterifikasi in situ yang dilakukan pada temperatur 27 o C memberikan hasil yang lebih tinggi dibandingkan dengan temperatur 60 o C. Yield tertinggi (35,919%) diperoleh pada temperatur 27 o C, penambahan katalis 3% dengan tanpa menggunakan penstabil katalis. Perolehan ini didasarkan pada berat ampas kelapa yang digunakan dalam transesterifikasi in situ. Perolehan ester metil dari transesterifikasi in situ ampas kelapa berkisar 30,15 94,52% untuk temperatur 27 o C dan 17,57 84,08% untuk temperatur 60 o C. Berdasarkan persentase minyak yang terkandung dalam ampas kelapa (38%) maka perolehan ester metil ini masih dapat ditingkatkan lagi dengan membilas ampas kelapa hasil reaksi transesterifikasi in situ dengan metanol hingga metanol hasil bilasan tidak mengandung minyak lagi. Selanjutnya metanol hasil bilasan tersebut digunakan pada percobaan berikutnya. 29
Pada temperatur yang tinggi (60 o C) akan meningkatkan penyabunan minyak, sabun mempunyai karakteristik unik yaitu dapat mengikat air dan minyak sekaligus sehingga mengurangi perolehan ester metil. Ketika dilakukan pencucian ester metil terbentuk emulsi (Gambar IV.5) yang menyulitkan untuk mendapatkan ester metil, yang secara langsung akan mengurangi peroleh ester metil karena sebagian besar terperangkap dalam emulsi. Diperlukan pemanasan hingga 75 o C untuk memecah emulsi yang terbentuk (Gambar IV.6). Gambar IV.5. Emulsi yang terbentuk pada saat pencucian ester metil ester metil emulsi a i r Gambar IV.6. Hasil pemanasan untuk memecah emulsi yang terbentuk pada saat pencucian ester metil 30
4.3.2. Pengujian Karakteristik Ester Metil Ampas Kelapa Angka Asam Angka asam adalah banyaknya miligram KOH yang dibutuhkan untuk menetralkan asam-asam lemak bebas di dalam satu gram sampel biodiesel. Angka asam menunjukkan tingkat kesempurnaan terkonversinya asam lemak menjadi ester metil. Angka asam yang tinggi mengindikasikan kandungan asam lemak bebas yang tinggi pula di dalam ester metil, asam lemak bebas tersebut bersifat korosif sehingga akan merusak berbagai komponen dari mesin diesel. Hasil analisis terhadap angka asam ester metil selengkapnya disajikan pada Tabel IV.4. Tabel IV.4. Angka asam (mg KOH/g) ester metil hasil transesterifikasi in situ ampas kelapa T = 27 o C T = 60 o C katalis 2% 3% 4% 2% 3% 4% tanpa penstabil 0,876 0,388 0,359 6,687 1,448 1,112 K 3 PO 4 0,493 0,455 0,230 5,662 0,579 0,476 Na 3 PO 4 2,224 0,607 0,233 2,654 1,258 0,873 Perlakuan pada temperatur 27 o C, penambahan katalis 3 dan 4% dengan tanpa maupun menggunakan penstabil katalis memberikan hasil ester metil yang memenuhi kualitas biodiesel (maks. 0,8) sedangkan perlakuan pada temperatur 60 o C yang memenuhi kualitas biodiesel adalah penambahan katalis 4% dengan menggunakan penstabil katalis K 3 PO 4 dan Na 3 PO 4. Kadar Gliserol Total, Bebas dan Kadar Ester Alkil Kadar alkil ester, gliserol total dan gliserol bebas yang tinggi menunjukkan banyaknya sisa-sisa tri-, di-, dan monogliserida tidak terkonversi menjadi ester metil, di mana operasi untuk memisahkannya dari ester metil sangat sulit dan mahal. Oleh karena itu transesterifikasi harus dilakukan sampai konversi gliserida-gliserida ke ester metil praktis sempurna. Parameter yang menunjukkan keberhasilan pembuatan biodiesel dapat dilihat dari kandungan gliserol total (maksimal 0,24%-b) dan gliserol bebas (maksimal 0,02%-b). 31
Minyak-lemak yang dikonversi sempurna menjadi ester metil memiliki angka penyabunan mendekati angka penyabunan bahan bakunya, hal ini juga menunjukkan bahwa bahan baku yang hilang (loss) selama proses pembuatan ester metil sangat sedikit. Angka penyabunan ester metil yang dihasilkan berada pada rentang 236,903-241,269. Angka penyabunan tersebut berhubungan dengan jumlah perolehan (yield) dan kadar ester alkil di dalam biodiesel. Kadar gliserol total ester metil ampas kelapa disajikan pada Tabel IV.5. Tabel IV.5. Kadar gliserol total (%-b) ester metil hasil transesterifikasi in situ ampas kelapa T = 27 o C T = 60 o C katalis 2% 3% 4% 2% 3% 4% tanpa penstabil - 0,197 0,174-0,314 0,294 K 3 PO 4-0,195 0,144-0,297 0,281 Na 3 PO 4-0,281 0,183-0,300 0,281 Hasil analisis kadar gliserol total ester metil hasil transesterifikasi in situ ampas kelapa diatas memperlihatkan bahwa perlakuan pada temperatur 27 o C, penambahan katalis 3 dan 4% dengan tanpa maupun dengan penstabil katalis memberikan hasil yang memenuhi syarat biodiesel untuk gliserol total (maks. 0,24%). Sedangkan perlakuan pada temperatur 60 o C memberikan hasil yang tidak memenuhi persyaratan untuk kadar gliserol total dalam biodiesel. Penambahan katalis kalium metoksida sebanyak 2%-b pada temperatur 27 o C dan 60 o C tidak dapat dilakukan analisis gliserol total karena ester metil yang diperoleh tidak mencukupi 32
Tabel IV.6. Kadar gliserol bebas (%-b) ester metil hasil transesterifikasi in situ ampas kelapa T = 27 o C T = 60 o C katalis 2% 3% 4% 2% 3% 4% tanpa penstabil - 0,0049 0,0028 - - 0,0056 K 3 PO 4-0,0056 0,0056 - - 0,0049 Na 3 PO 4-0,0049 0,0028-0,0049 0,0042 Kadar gliserol bebas hasil analisis ester metil yang disajikan pada Tabel IV.6, memperlihatkan bahwa perlakuan pada temperatur 27 o C dan 60 o C, penambahan katalis 3 dan 4% dengan tanpa maupun dengan penstabil katalis memberikan hasil yang memenuhi persyaratan biodiesel untuk kadar gliserol bebas (maks. 0,02%). Ester metil yang diperoleh dari perlakuan pada temperatur 27 o C dengan penambahan katalis 2% dan temperatur 60 o C dengan penambahan katalis 2% dan 3% (tanpa penstabil, K 3 PO 4 ) tidak dapat dilakukan analisis kadar gliserol total dan kadar gliserol bebas karena yieldnya sedikit (tidak mencukupi untuk melakukan analisis). Tabel IV.7. Kadar ester (%-b) biodiesel hasil transesterifikasi in situ ampas kelapa T = 27 o C T = 60 o C katalis 2% 3% 4% 2% 3% 4% tanpa penstabil - 99,46 99,52-98,77 98,97 K 3 PO 4-99,44 99,62-99,18 99,25 Na 3 PO 4-99,21 99,55-98,91 99,10 Kadar ester alkil ester metil yang dihasilkan dari transesterifikasi in situ ampas kelapa pada perlakuan 27 o C dan 60 o C, penambahan katalis 3 dan 4%, tanpa maupun dengan menggunakan penstabil katalis memenuhi persyaratan kualitas biodiesel (min. 96,5%), di mana kadar ester alkil yang disajikan pada Tabel IV.7 berkisar pada 98,77-99,62%. Tingginya kadar ester alkil yang diperoleh mengindikasikan bahwa konversi gliseridagliserida ke ester metil praktis sempurna. Kadar ester alkil tertinggi (99,62%) diperoleh pada temperatur rendah (27 o C), hasil yang diperoleh ini sejalan dengan paten-paten 33
tentang proses transesterifikasi dari Bradshaw dan Meuly (1942, 1944), Wright dkk. (1944) dan Freedman dkk. (1984), yang menyatakan bahwa pada temperatur rendah (32 o C) derajat metanolisis sudah mencapai 99% dalam waktu sekitar 4 jam. Angka Iodium Angka iodium dinyatakan sebagai jumlah gram iod yang diserap oleh 100 gram minyak, besarnya jumlah iod yang diserap menunjukkan banyaknya ikatan rangkap atau ikatan tidak jenuh di dalam minyak. Apabila proses pembuatan ester metil melalui reaksi transesterifikasi, maka angka iodium ester metil yang dihasilkan praktis sama dengan angka iodium minyak-lemak bahan mentahnya. Angka iodium ester metil yang diperoleh dari reaksi transesterifikasi in situ pada ampas kelapa adalah 9,2%-b dan berada dalam rentang angka iodium minyak kelapa (6-11%-b) serta memenuhi spesifikasi angka iodium untuk biodiesel (maks. 115). Biodiesel yang memiliki angka iodium lebih dari 115 biasanya relatif banyak mengandung gugus asam lemak dengan 2 atau lebih ikatan tak jenuh yang biasanya membentuk getah, apalagi jika terpanaskan sehingga akan menyumbat nosel injektor mesin diesel (Soerawidjaja, 2006a). Sebuah penelitian yang dilakukan di Mercedez-Benz (Environment Canada, 2006) menunjukkan bahwa biodiesel dengan angka iodine lebih dari 115 tidak bisa digunakan pada kendaraan diesel karena menyebabkan deposit karbon yang berlebihan. Kadar Fosfor Minyak lemak mentah selalu mengandung sejumlah kecil fosfor, terutama dalam bentuk fosfolipid. Pembakaran dalam mesin diesel akan mengubah fosfor ini menjadi garam atau asam fosfat, yang kemudian mengendap sebagai kerak di dalam kamar pembakaran atau terbawa keluar oleh gas buang sebagai pencemar udara. Kadar fosfor ester metil ampas kelapa hasil transesterifikasi in situ adalah 2,64 ppm, kadar ini memenuhi standar kualitas biodiesel (maksimum 10 ppm). 34