BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Ketertarikan dunia industri terhadap bahan baku proses yang bersifat biobased mengalami perkembangan pesat. Perkembangan pesat ini merujuk kepada karakteristik bahan bersifat bio-based yang tidak merusak dan tidak mencemari lingkungan. Dua karakter tersebut dapat dimiliki karena pada umumnya bahan bahan tersebut bersifat renewable, bersih, dan jumlahnya dapat tidak terhitung sehingga tidak mengurangi keberadaannya di alam. Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) adalah produk samping dari pemurnian minyak kelapa sawit atau CPO (Crude Palm Oil). Untuk setiap 100 ton CPO yang dihasilkan, terdapat 3,66 ton PFAD (Chu, et.al., 2003). Produksi domestic CPO di Indonesia sendiri saat ini adalah sebesar 31,5 juta ton di tahun 2014. (sumber : http://www.mediaindonesia.com) CPO dan PFAD memiliki potensi yang sama untuk diolah menjadi monogliserida. Dengan transesterifikasi (gliserolisis), CPO dapat dikonversi menjadi monogliserida. Untuk reaksi transesterifikasi ini, biasanya katalis yang digunakan adalah basa. Aplikasi katalis basa ini menuntut komposisi CPO harus minimal 99% trigliserida atau maksimal 1% FFA (Free Fatty Acid). Padahal realitanya, CPO masih mengandung 3 7 % FFA. Ketika FFA berinteraksi dengan katalis basa, dapat terjadi proses penyabunan atau saponifikasi sehingga akan membuat reaksi menjadi tidak efisien dan proses pemisahan menjadi lebih kompleks. Ide untuk mengonversi FFA dalam CPO melalui esterifikasi menggunakan katalis asam hingga kadar FFA turun menyentuh angka di bawah 1% lalu dilanjutkan dengan reaksi transesterifikasi menggunakan katalis basa untuk mengonversi trigliserida menjadi monogliserida, dipandang rumit untuk kasus sintesis monogliserida sebagai bahan baku produksi alkyd resin. Konversi PFAD menjadi monogliserida dapat diwujudkan melalui reaksi esterifikasi. Khusus untuk reaksi esterifikasi ini, katalis yang biasa digunakan adalah asam. PFAD pada umumnya tersusun atas sekitar 80% FFA, 15% gliserida, 1% squalene, 0,5% vitamin E, 0,5% sterol, dan bahan bahan lainnya. 1
FFA di dalam PFAD didominasi oleh asam palmitat dan asam oleat. FFA ini akan menyerang salah satu gugus hidroksil dari gliserol untuk membentuk monogliserida. Karena pada suhu kamar bahan ini berwujud padat, maka reaksi harus dijalankan pada suhu di atas suhu solidifikasinya. Gliserol sebagai senyawa trihidrat alkohol (polyol) memiliki sifat yang sama dengan alkohol yang lainnya yaitu dapat membentuk ester, eter, aldehid, dan amine. Yang membedakan adalah karena gliserol memiliki lebih dari 1 gugus hidroksil. Gugus hidroksil yang banyak ini dapat direaksikan untuk membentuk banyak senyawa turunan. Satu, dua, atau tiga gugus hidroksil ini dapat digantikan oleh gugus yang lain untuk membentuk senyawa baru dengan karakteristik tertentu yang diinginkan, menyesuaikan dengan aplikasi yang ditargetkan. Jadi, penggunaan gliserol sebagai reaktan, memberikan kesempatan untuk memodifikasi karakteristik produk turunan hasil reaksi. Dari aspek lingkungan, gliserol merupakan produk samping dari produksi biodiesel yang melibatkan trigliserida dan methanol. Produk utama reaksi ini adalah biodiesel (FAME atau Fatty Acid Methyl Ester) dan produk samping yaitu gliserol. Gliserol juga bisa didapatkan dari proses saponifikasi minyak pada pembuatan sabun, atau pemisahan secara langsung dari lemak pada pemroduksian asam lemak. Oleh karena itu, kedudukan gliserol sebagai bahan baku dapat digolongkan sebagai bahan baku terbarukan. Monogliserida banyak digunakan dalam bidang industri farmasi, kosmetik, maupun dalam bidang pangan. Di dalam industri farmasi, monogliserida digunakan sebagai zat emollient untuk transdermal. Dalam industri pangan, monogliserida biasanya digunakan sebagai emulsifier dalam pembuatan produk produk pangan berlemak seperti margarin, kacang mentega, shortening, roti, biscuit, es krim, dan lain lain. Untuk industri kosmetik, monogliserida digunakan sebagai zat pembentuk tekstur dan berfungsi untuk meningkatkan konsistensi krim dan lotion, misalnya monopentadekanoilgliserol digunakan sebagai zat aditif untuk perawatan rambut. Selain itu, karena monogliserida bersifat lubrisitas dan plastis, maka monoglierida juga dapat digunakan di dlam proses pembuatan tekstil, pembuatan plastic, dan juga digunakan di dalam formulasi minyak untuk berbagai jenis mesin (Kaewthong, 2004). 2
Terbentuknya monogliserida ini menghasilkan sebuah kesimpulan bahwa masih terdapat dua tangan yang dapat direaksikan lebih lanjut baik posisi primer atau sekunder. Dua tangan ini akan berguna di dalam sintesis alkyd resin. Proses sintesis alkyd resin yang digunakan adalah proses dua tahap (two step process). Dengan digunakannya proses dua tahap ini, maka idealnya jenis monogliserida yang dihasilkan dari tahap pertama adalah monogliserida sekunder. Oleh karena itu, dalam penelitian ini, akan dikaji lebih jauh jenis monogliserida seperti apa yang dapat dihasilkan dari suatu kondisi reaksi. Jadi, jenis monogliserida yang terbentuk akan teridentifikasi dan akan menjadi dasar dalam penentuan reaksi berikutnya yaitu sintesis alkyd resin. I.2 Keaslian Penelitian Keaslian penelitian ini dapat dilihat pada berbagai studi yang sudah pernah dilakukan terhadap pemanfaatan PFAD. Sejauh ini, pemanfaatan PFAD masih banyak berfokus kepada konversi PFAD menjadi biodiesel sebagai sumber energi terbarukan. Namun, PFAD sendiri ternyata dapat digunakan sebagai bahan baku utama untuk pembuatan cat yang berfungsi sebagai pelapis permukaan (surface coating). Esterifikasi PFAD menggunakan gliserol yang memiliki tiga gugus hidroksil di dalam strukturnya, mendukung produk hasil esterifikasi ini untuk digunakan sebagai bahan baku dalam sintesis alkyd resin ataupun reaksi polimerisasi. Di dalam penelitian ini, PFAD akan dimanfaatkan dengan melibatkannya di dalam reaksi esterifikasi dengan gliserol menggunakan pelarut xylene untuk mengeluarkan air dari dalam campuran reaksi. Studi oleh Kotwal, et.al. (2011) mengenai esterifikasi asam lemak yaitu asam miristat, asam stearate, dan asam oleat, adalah selalu menggunakan tekanan vakum untuk membuang air dari campuran reaksi. Perlu diketahui bahwa air merupakan produk samping dari esterifikasi yang dapat mempengaruhi kesetimbangan dan konversi PFAD menjadi ester. Karakterisasi untuk mengetahui jenis monogliserida yang terbentuk dan mengetahui selektivitas pembentukan monogliserida juga sudah banyak dilakukan oleh studi terdahulu. Dari hasil kajian terhadap penelitian yang dilakukan oleh 3
Rodriguez, et.al. (2012), diketahui bahwa sejauh ini sintesis 2-monogliserida umumnya menggunakan katalis enzim lipase yang diketahui memiliki sifat 1,3- positional specific. Penggunaan katalis enzim untuk sintesis 2-monogliserida ini pun ternyata tidak dalam kondisi reaksi esterifikasi melainkan alkoholisis menggunakan trigliserida (seperti vegetable oil) dan etanol (bukan polialkohol karena gugus hidroksilnya cuma satu). Studi yang dilakukan oleh Ratanaphtra (2010) mempelajari reaksi esterifikasi methanol dengan asam miristat dengan bantuan katalis zirconia tersulfatasi (SO 2-4 / ZrO 2 ). Katalis padat yang digunakan merupakan hasil impregnasi ion sulfat ke dalam catalyst support yaitu ZrO 2. Dengan demikian, mayoritas studi yang sudah dilakukan terkait reaksi esterifikasi menggunakan katalisator padat adalah reaksi esterifikasi yang melibatkan asam karboksilat yang pada suhu kamar berfase cair. Alkohol yang digunakan juga biasanya merupakan senyawa dengan satu gugus hidroksil seperti metanol, etanol, dan isopropanol. Katalis yang digunakan juga hasil dari impregnasi. Untuk reaksi esterifikasi antara PFAD dan gliserol dengan bantuan katalis padat resin kation masih sangat jarang dilakukan terutama pada penekanan studi mekanisme reaksi yang tepat untuk pembentukan monogliserida jenis tertentu (dalam hal ini 2-monogliserida). Oleh karena itu, penelitian ini akan fokus kepada studi mekanisme reaksi esterifikasi antara PFAD dan gliserol menggunakan katalisator padat resin kation. I.3 Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat mendukung upaya pemanfaatan hasil samping produksi CPO yang melimpah yaitu PFAD sehingga memiliki eco-green added value. Pemahaman mekanisme reaksi yang tepat untuk pemanfaatan PFAD sebagai material surface coating menjadi pengetahuan dasar yang akan bermanfaat. Mekanisme reaksi yang tepat akan mampu menghasilkan monogliserida jenis tertentu. Dengan bisa diprediksinya jenis monogliserida tertentu yang dapat terbentuk dari suatu mekanisme reaksi yang tertentu, maka sintesis alkyd resin dan reaksi polimerisasi pada tahap berikutnya pun bisa segera dibakukan jika bahan baku monogliserida-nya bisa diprediksi. Dengan demikian, 4
akan bisa diperoeh proses yang pasti dari hulu ke hilir dalam proses produksi surface coating berbasis PFAD. I.4 Tujuan Penelitian Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk mempelajari reaksi esterifikasi PFAD gliserol dengan katalisator padat. Tujuan khususnya adalah sebagai berikut : 1. Mempelajari pengaruh katalis padat, temperatur reaksi, dan rasio molar PFAD : gliserol terhadap hasil reaksi. 2. Menentukan model dan mekanisme reaksi yang sesuai untuk esterifikasi PFAD menggunakan gliserol. 3. Mengetahui komposisi monogliserida, digliserida, dan trigliserida serta monogliserida primer dan sekunder yang terbentuk. 5