METDE PENELITIAN Kerangka Pemikiran Sebagian besar sumber bahan bakar yang digunakan saat ini adalah bahan bakar fosil. Persediaan sumber bahan bakar fosil semakin menurun dari waktu ke waktu. Hal ini karena sifatnya yang non-renewable. Untuk tetap dapat memenuhi kebutuhan energi maka perlu sumber bahan bakar alternatif lain yang memiliki sifat hampir sama dengan bahan bakar fosil. Sampai saat ini, banyak sumber bahan bakar alternatif yang telah ditemukan salah satunya biodiesel. Keunggulan penggunaan biodiesel sebagai bahan bakar alternatif adalah ramah lingkungan, sifat bahan bakunya yang renewable, dan banyaknya sumber bahan baku potensial yang tersedia. Biodiesel berasal dari minyak nabati atau lemak hewani melalui proses transesterifikasi. Dari beberapa bahan baku yang ada di Indonesia, minyak biji karet dan minyak biji jarak pagar merupakan bahan baku potensial untuk pembuatan biodiesel karena sifatnya non-edible oil. Namun, biodiesel biji karet maupun biodiesel jarak pagar yang dihasilkan masih memiliki masalah dalam hal mutu. Bilangan setana biodiesel biji karet dan viskositas biodiesel jarak pagar belum memenuhi standar yang ditetapkan SNI ataupun ASTM. Nilai bilangan setana biodiesel biji karet masih rendah dari standar yang ditetapkan SNI 51 dan ASTM 47. Nilai viskositas biodiesel jarak pagar sangat tinggi berada di atas standar SNI dan ASTM. SNI menetapkan standar viskositas 2,3-6,0 cst dan ASTM menetapkan 1,9-6,0 cst. Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk mengatasi masalah ini adalah pencampuran minyak biji karet dan minyak jarak pagar sebelum proses esterifikasi ataupun pencampuran biodiesel biji karet dan biodiesel jarak pagar. Melalui proses pencampuran ini bilangan setana biodiesel biji karet akan meningkat dan viskositas biodiesel jarak pagar menurun sehingga memenuhi SNI ataupun ASTM. Penjelasan mengenai kerangka pemikiran ini terdapat pada Gambar 4.
17 Gambar 4 Kerangka pemikiran penelitian Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dilaksanakan pada bulan Maret 2010 - Januari 2011. Tempat penelitian di Pusat Penelitian Kehutanan Gunung Batu Bogor, Laboratorium DIT Fakultas Teknologi Pertanian IPB, dan PT. Petrolab Services Jakarta. Bahan dan Alat Bahan-bahan yang digunakan adalah biji karet klon GT1 dari Balai Penelitian Karet Sembawa, biji jarak pagar dari Cibedug - Bogor, metanol, NaH, asam sulfat, asam fosfat, dan aquadest. Bahan-bahan kimia lainnya yang digunakan untuk analisis minyak dan analisis biodiesel. Alat-alat yang digunakan antara lain alat press mekanis tipe hidrolik dilengkapi pemanas, hot plate, reaktor berupa labu leher empat, magnetic stirer, corong pemisah, thermometer, buret, kertas saring, erlenmeyer, dan gelas piala. Beberapa alat kimia lain dan alat-alat untuk analisis.
18 Tahapan Penelitian Penelitian dimulai dari analisis bahan baku untuk mengetahui kandungan air, minyak, protein, serat, dan abu. Kemudian dilanjutkan dengan pengepressan biji karet dan biji jarak pagar, pemurnian minyak dengan proses degumming, dan proses esterifikasi-transesterifikasi untuk menghasilkan biodiesel. Tahap-tahap penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 5. Gambar 5 Tahap-tahap proses penelitian
19 Analisis Bahan Baku, Pengepressan Biji Karet dan Biji Jarak Pagar, dan Pemurnian Minyak 1. Analisis proksimat Analisis proksimat dilakukan untuk mengetahui komposisi makronutrient di dalam biji karet dan biji jarak pagar. Komponen makronutrient tersebut yaitu kadar air, kadar lemak, protein, serat, abu, dan karbohidrat. Penentuan kadar air dan kadar abu dilakukan dengan metode gravimetrik (metode oven) dimana sampel dikeringkan pada suhu 105 o C hingga dicapai bobot konstan. Kadar lemak total diukur dengan menggunakan metode soxlet. Sedangkan kadar protein dengan metode Kjehdahl, dan kandungan karbohidrat diukur menggunakan metode by different yaitu selisih seratus persen dengan total komposisi bahan lain (air, lemak, protein, serat, dan abu). Metode analisis proksimat terdapat pada Lampiran 1. 2. Pengepressan biji karet dan biji jarak pagar Biji karet dan biji jarak pagar dipress secara mekanis menggunakan alat tipe hidrolik pada tekanan kerja 20 ton/196,15cm 2 pada suhu ±75 o C (Aliem 2008). Sebelum dipress baik biji karet maupun biji jarak pagar dihancurkan terlebih dahulu (proses pengecilan ukuran) untuk mempermudah proses pengepressan dan menghasilkan rendemen minyak yang tinggi. Minyak yang diperoleh dari hasil pengepressan selanjutnya dimurnikan. Proses pemurnian minyak yang dilakukan adalah dengan degumming. 3. Degumming Proses degumming dilakukan dengan memanaskan minyak sampai ±80 o C lalu ditambah asam fosfat 20% sebanyak 0,3% (v/b) dan diaduk selama 15 menit. Selanjutnya dilakukan pemisahan minyak dan gum menggunakan corong pisah. Minyak kemudian dicuci dengan air panas. Pencucian dan pemisahan minyak dengan air dilakukan berulang hingga air cucian terlihat jernih atau mencapai ph 6,5 7. Minyak hasil degumming dianalisis untuk mengetahui densitas, viskositas, bilangan asam, kadar FFA, dan bilangan penyabunan. Pembuatan Biodiesel Minyak yang digunakan dalam pembuatan biodiesel ini adalah minyak biji karet, minyak biji jarak pagar, dan campuran dari keduanya. Pembuatan biodiesel
20 dilakukan melalui proses 2 tahap. Minyak biji karet melalui proses esterifikasitransesterifikasi sedangkan minyak biji jarak pagar melalui proses transesterifikasi. Pemilihan proses ini berdasarkan kadar FFA minyak. Minyak dengan kadar FFA > 5% melalui proses esterifikasi terlebih dahulu untuk menurunkan kadar FFA. Diagram alir proses pembuatan biodiesel dapat dilihat pada Gambar 6. Gambar 6 Proses pembuatan biodiesel 2 tahap (Hambali et al. 2008) 1. Esterifikasi Minyak dengan kadar FFA > 5% diesterifikasi terlebih dahulu sebelum ditransesterifikasi. Proses esterifikasi dilakukan dengan memanaskan minyak di dalam labu leher empat menggunakan hot plate dilengkapi magnetic stirer. Campuran metanol 225% FFA dan asam sulfat 5% FFA ditambahkan ke dalam minyak. Proses esterifikasi dilakukan selama ±1 jam pada suhu 55 65 o C dengan kecepatan pengadukan 300 500 rpm. Minyak hasil esterifikasi dipisahkan menggunakan corong pemisah. Pemisahan dilakukan hingga terbentuk lapisan dimana pada lapisan atas
21 merupakan sisa metanol dan gum sedangkan pada lapisan bawah merupakan campuran trigliserida dan fatty acid metil ester (FAME). Campuran trigliserida dan FAME kemudian digunakan untuk proses transesterifikasi. 2. Transesterifikasi Campuran trigliserida dan FAME hasil esterifikasi dipanaskan di dalam labu leher empat menggunakan hot plate sambil diaduk. Kemudian ditambahkan larutan metoksida (campuran metanol 15% v/b minyak dan NaH 1% b/b minyak). Proses ini berlangsung selama ± 1 jam pada suhu 55 65 o C dan kecepatan pengadukan 300 500 rpm (Chitra et al. 2005; Ramos et al. 2009). Hasil transesterifikasi berupa gliserol dan biodiesel dipisahkan. Pada lapisan atas terbentuk biodiesel dan lapisan bawah gliserol. Biodiesel yang dihasilkan merupakan biodiesel kasar dan perlu dimurnikan dengan proses pencucian. Pencucian biodiesel dilakukan dengan metode water washing. Air hangat ditambahkan ke dalam biodiesel lalu dilakukan pengandukan dan pemisahan. Pencucian dilakukan berulang-ulang hingga air cucian jernih. Selanjutnya dilakukan pengeringan untuk membuang sisa metanol dan air dalam biodiesel. Karakterisasi Biodiesel Biodiesel hasil proses transesterifikasi dianalisis untuk mengetahui sifatsifat fisika dan kimianya. Analisis biodiesel meliputi bilangan asam, bilangan penyabunan, bilangan Iod, densitas, viskositas kinematik, bilangan setana, kadar sulfur, kadar gliserol total, gliserol bebas, gliserol terikat, flash point, kadar air dan sedimen, kadar ester, dan kadar abu sulfat. Biodiesel yang dianalisis adalah biodiesel dari minyak biji karet, biodiesel dari minyak jarak pagar, biodiesel dari campuran minyak biji karet dan minyak biji jarak pagar, serta campuran biodiesel dari biji karet dan biodiesel jarak pagar. Hasil analisis akan dibandingkan dengan SNI ataupun standar ASTM (American Society for Testing Material). Stoikiometri Proses Transesterifikasi Reaksi yang terjadi pada proses transesterifikasi secara teori dari 1 mol minyak dan 3 mol metanol akan dihasilkan 3 mol metil ester dan 1 mol gliserol. Gambar 7 memperlihatkan reaksi transesterifikasi minyak dengan alkohol.
22 Gambar 7 Reaksi transesterifikasi Asam lemak dominan dalam minyak biji karet adalah oleat, linoleat, dan linolenat. Sedangkan asam lemak dominan minyak jarak pagar adalah oleat dan linoleat. Sebagai asumsi, reaksi transesterifikasi pembuatan biodiesel dari minyak biji karet merupakan reaksi 1 mol minyak biji karet dan 3 mol metanol sehingga menghasilkan 3 mol metil ester dan 1 mol gliserol. Reaksi transesterifikasi ini terlihat pada Gambar 8. CH 2 C (CH 2 ) 4 CH CH CH 2 CH CH CH 2 CH CH(CH 2 ) 4 CH 3 CH C (CH 2 ) 4 CH CH CH 2 CH CH(CH 2 ) 7 CH 3 + 3 CH 3 H KH CH 2 C (CH 2 ) 7 CH CH(CH 2 ) 7 CH 3 Asam lemak α linolenat, β linoleat, γ oleat Metanol CH 3 C (CH 2 ) 4 CH CH CH 2 CH CH CH 2 CH CH(CH 2 ) 4 CH 3 CH 3 C (CH 2 ) 4 CH CH CH 2 CH CH(CH 2 ) 7 CH 3 CH 3 C (CH 2 ) 7 CH CH(CH 2 ) 7 CH 3 + CH 2 CH CH 2 H H H Metil ester α linolenat, β linoleat, γ oleat Gliserol Gambar 8 Reaksi transesterifikasi minyak biji karet dan metanol Berdasarkan Gambar 8, secara teoritis dapat diperkirakan banyaknya metil ester biji karet yang terbentuk jika reaksi berlangsung secara sempurna. Metil ester biji karet dan gliserol yang dihasilkan dari reaksi transesterifikasi minyak biji karet dengan metanol dihitung berdasarkan prinsip kesetimbangan massa seperti yang terlihat pada Tabel 8.
23 Tabel 8 Kesetimbangan massa reaksi transesterifikasi minyak biji karet Reaktan Massa Molar Hasil reaksi Massa molar Trigliserida - leat - Linoleat -Linolenat 291,4494 g 292,4574 g 295,4812 g 3 mol metil ester 883,4198 g metanol 3 x 32,04 = 96,1274 g 1 mol gliserol 1 x 92,11 = 92,0956 g = 975,5154 g = 975,5154 g Rancangan Penelitian Rancangan penelitian ini adalah rancangan acak lengkap satu faktor. Rancangan percobaan untuk bahan yang menggunakan minyak terdiri dari faktor ratio minyak biji karet dan minyak jarak pagar (α) dengan 6 taraf. Taraf tersebut sebagai berikut : α 1 = minyak biji karet : minyak jarak pagar = 0 : 100 α 2 = minyak biji karet : minyak jarak pagar = 10 : 90 α 3 = minyak biji karet : minyak jarak pagar = 20 : 80 α 4 = minyak biji karet : minyak jarak pagar = 30 : 70 α 5 = minyak biji karet : minyak jarak pagar = 40 : 60 α 6 = minyak biji karet : minyak jarak pagar = 100 : 0 Model rancangan percobaan : Yij Keterangan : Y ij : nilai pengamatan rasio minyak biji karet dan minyak jarak pagar pada perlakuan ke-i dan ulangan ke-j. µ : rata-rata α i : pengaruh rasio minyak biji karet dan minyak jarak pagar : galat perlakuan ε ijk i ij Rancangan percobaan untuk bahan yang menggunakan campuran biodiesel sebagai bahan percobaan juga menggunakan RAL satu faktor dengan 6 taraf. Taraf tersebut sebagai berikut : β 1 = biodiesel biji karet : biodiesel jarak pagar = 0 : 100 β 2 = biodiesel biji karet : biodiesel jarak pagar = 10 : 90 β 3 = biodiesel biji karet : biodiesel jarak pagar = 20 : 80 β 4 = biodiesel biji karet : biodiesel jarak pagar = 30 : 70
24 β 5 = biodiesel biji karet : biodiesel jarak pagar = 40 : 60 β 6 = biodiesel biji karet : biodiesel jarak pagar = 100 : 0 Model rancangan percobaan : Yij dimana : Y ij : nilai pengamatan ratio biodiesel biji karet dan biodiesel jarak pagar pada perlakuan ke-i dan ulangan ke-j. µ : rata-rata βi : pengaruh rasio biodiesel biji karet dan biodiesel jarak pagar : galat perlakuan ε ij i ij