1.1 Latar Belakang dan Permasalahan BAB I PENDAHULUAN Lahan tanaman kelapa di Indonesia merupakan yang terluas di dunia dengan luas 31,2% dari total luas areal kelapa dunia, disusul Filipina (25,8%), India (16,0%), Sri Langka (3,7%) dan Thailand (3,1%). Namun demikian, dari segi produksi ternyata Indonesia hanya menduduki posisi ke dua setelah Filipina. Ragam produk dan devisa yang dihasilkan Indonesia juga di bawah India dan Sri Lanka. Perolehan devisa dari produk kelapa mencapai 229 juta US$ atau 11% dari ekspor produk kelapa dunia pada tahun 2003 (APCC 2004 dalam BALITBANG DEPTAN,2005). Produksi buah kelapa rata-rata 15,5 milyar butir per tahun dengan total bahan ikutan yang dapat diperoleh 3,75 juta ton air; 0,75 juta ton arang tempurung; 1,8 juta ton serat sabut; dan 3,3 juta ton debu sabut. Bagi masyarakat Indonesia, kelapa merupakan bagian dari kehidupan mereka karena semua bagian tanaman dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan ekonomi, sosial dan budaya. Di samping itu, arti penting kelapa bagi masyarakat juga tercermin dari luasnya areal perkebunan rakyat yang mencapai 98% dari 3,74 juta ha dan melibatkan lebih dari tiga juta rumah tangga petani. Pengusahaan kelapa juga membuka tambahan kesempatan kerja dari kegiatan pengolahan produk turunan dan hasil samping yang sangat beragam (BALITBANG DEPTAN, 2005). Daya saing produk kelapa pada saat ini terletak pada industri hilirnya, bukan lagi pada produk hulu (misalnya, sabut, tempurung dan kopra) karena nilai tambah yang dapat tercipta pada produk hilir jauh lebih tinggi dan dapat berlipat ganda dibanding produk hulu. Contoh produk hilir misalnya arang aktif, berbagai produk kosmetik dan farmasi berbahan baku minyak kelapa murni (virgin coconut oil) dan lain sebagainya. Usaha produk hilir harus terus dikembangkan, 1
2 baik untuk usaha kecil, menengah, maupun besar sehingga pada gilirannya industri hilir akan menjadi lokomotif industri hulu. Tempurung kelapa merupakan salah satu bagian yang sangat potensial ditingkatkan kemanfaatan dan nilai ekonominya. Salah satunya adalah melalui proses pirolisis karena dapat menghasilkan berbagai produk turunan dengan nilai ekonomi tinggi dalam satu proses produksi. Pirolisis merupakan perlakuan termal tanpa penambahan oksigen. Tempurung kelapa dengan kandungan hemisellulosa 35% berat, selulosa 15% berat dan lignin 50 % berat (Cagnon, et al. 2009) jika dipirolisis akan terjadi peruraian ketiga komponen utama tersebut. Pirolisis tempurung kelapa secara tradisional telah lama dilakukan oleh masyarakat pedesaan untuk menghasilkan arang sebagai bahan bakar. Kini teknologi pirolisis tersebut telah dikembangkan dengan menggunakan reaktor yang dilengkapi kondensor sehingga diperoleh hasil bukan hanya arang, tapi juga cairan pirolisat dan gas. Dari arang dan cairan pirolisat dapat dikembangkan untuk menghasilkan berbagai produk turunan, sedangkan gas hasil pirolisis mengandung CO, CO 2, CH 4, C 2 H 4, dan H 2 (Wild, et al., 2011) dapat didaur ulang sebagai bahan bakar tungku sehingga mengurangi konsumsi bahan bakar untuk proses pirolisis. Dalam rangkaian proses pirolisis tempurung kelapa skala industri, hasil cairan pirolisat didistilasi untuk menghasilkan produk turunan berupa asap cair dengan tar sebagai hasil samping. Pirolisis tempurung kelapa ini telah banyak dilakukan masyarakat pedesaan dan menghasilkan berbagai produk turunan, namun publikasi dan kajian ilmiah terkait produk cair dari pirolisis tempurung kelapa masih terbatas pada pemanfatan asap cair sebagai bahan pengawet makanan, disinfektan dan lainnya. Tempurung kelapa merupakan salah satu jenis biomassa. Proses pirolisis biomassa, menurut Yaman (2004) melibatkan serangkaian reaksi dekomposisi termal yang sangat rumit meliputi pembentukan radikal-radikal. Proses peruraian termal tersebut terjadi secara irreversibel, serentak dan berkelanjutan, menghasilkan spesi-spesi kimia dalam bentuk uap, aerosol dan residu
3 padatan/arang. Jika uap dan aerosol hasil pirolisis biomassa dikondensasi menghasilkan cairan, serta uap tak terkondensasi berupa gas (Demirbas, 2009; Patwardhan, 2010). Proporsi dan komposisi produk hasil pirolisis biomassa tersebut bergantung pada kondisi operasi pirolisis seperti temperatur, laju kenaikan temperatur, waktu tinggal uap dalam reaktor, tekanan serta jenis dan kondisi umpan atau bahan baku yang digunakan (Diebold, 2000; Adam, 2005). Hasil pengamatan Kamulyan (2006) pada proses pirolisis tempurung kelapa menghasilkan produk berupa asap cair 45 %; arang 31 %; gas 17 %; dan tar 7 %. Dari hasil tersebut yang belum termanfaatkan adalah tar. Tar tempurung kelapa berwarna coklat kehitaman merupakan campuran sangat komplek yang diperkirakan terdiri dari berbagai senyawa organik hasil dekomposisi termal penyusun utama tempurung kelapa yaitu sellulosa, hemisellulosa dan lignin. Tar tempurung kelapa terbagi dalam 2 jenis yaitu tar ringan dan tar berat. Tar ringan adalah kumpulan senyawa-senyawa organik yang teruapkan bersama asap cair pada distilat pada rentang temperatur uap 50 120 o C, sedangkan tar berat adalah residu distilasi yang merupakan campuran komplek terdiri dari kumpulan senyawa-senyawa organik berat molekul relatif tinggi. Secara skematis rangkaian proses pirolisis tempurung kelapa dengan berbagai produk turunan digambarkan dalam Gambar 1.1. Hasil survey pada Industri Pengolahan Kelapa Terpadu PT Tropica Nucivera Industry di Yogyakarta pada tahun 2009 didapatkan gambaran hasil pirolisis tempurung kelapa dengan kapasitas terpasang 150 kg adalah sebagai berikut : arang 30-40 %; gas 12-20 %; asap cair 35-45 %; tar ringan 0,3-0,6 %; dan tar berat 4-8 %. Tar ringan tempurung kelapa memiliki potensi untuk dimanfaatkan sebagai bahan bakar karena diduga mengandung senyawa-senyawa organik berat molekul rendah yang mudah terbakar seperti golongan alkohol, keton, ester dan lain-lain di samping senyawa-senyawa berat molekul relatif tinggi. Penggunaan tar tempurung kelapa sebagai bahan bakar secara langsung menghasilkan nyala dengan asap hitam atau jelaga, yang kurang baik bagi
Distilasi Distilasi 4 lingkungan. Jelaga ini merupakan hasil pembakaran tidak sempurna senyawasenyawa berat molekul relatif tinggi terutama fenolat yang berasal dari pecahan lignin (Demirbas, 2009; Frenklach, 2002). Lignin merupakan salah satu komponen utama yang relatif tinggi ( 50 %) di dalam tempurung kelapa selain sellulose dan hemisellulose. Jelaga sangat tidak dikehendaki pada penyalaan bahan bakar karena diduga mengandung hidrokarbon aromatik polisiklik yang bersifat karsinogenik (Chhiti et al., 2013). Tempurung kelapa Gas Pirolisis Arang Asap Cair! Asap Cair II Cairan Pirolisat Asap Cair III Tar Ringan Belum Termanfaatkan Residu/Tar berat Gambar 1.1. Proses pirolisis tempurung kelapa skala industri kecil Secara fisik tar tempurung kelapa berwarna hitam pekat dan kental. Tar ini, seperti halnya tar biomassa mengandung senyawa-senyawa organik berat molekul tinggi yang tak larut air memiliki sifat kurang baik terhadap lingkungan sehingga perlu dipisah dari asap cair (Chang Sub Ku dan Sung Phil Mun, 2006; Demirbas, 2009). Pemanfaatan tar tempurung kelapa menjadi produk yang bermanfaat sangat diperlukan untuk mengatasi dampak buruk terhadap lingkungan karena jumlahnya akan melimpah dengan berjalannya waktu.
5 Publikasi tentang tar tempurung kelapa sebagai bahan bakar belum ditemukan, namun konversi biomassa menjadi bahan bakar cair melalui proses pirolisis telah banyak diteliti karena pirolisat biomassa memiliki potensi untuk digunakan sebagai bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar minyak bumi yang akan habis (Yaman, 2004). Biomassa dapat menjadi sumber energi terbarukan, namun masih banyak tantangan terkait sifat cairan pirolisat biomassa yang sangat berbeda dengan minyak fosil. Sebagai contoh adalah penggunaan cairan hasil pirolisis cepat biomassa sebagai bahan bakar dalam sistem turbin, mesin diesel dan turbin gas, masih banyak kelemahan karena volatilitasnya rendah, sangat kental, terjadi pengarangan dan korosif (Czernik dan Brigdwater, 2004). Pengembangan pirolisat biomassa menjadi bahan bakar hidrokarbon juga sudah diteliti (Baker dan Elliott, 1998; Chen et al.; Diebolt et al., 1992). Masalah utama dalam pengembangan ini dilaporkan adalah stabilitas termal cairan pirolisat yang rendah dan cepat mendeaktivasi katalis (Sharma & Bakhshi, 1993) dan juga dilaporkan bahwa senyawa-senyawa fenolat merupakan prekursor kerak aktif yang dapat menghalangi konversi pada permukaan katalis HZSM-5 tanpa hidrogen (Diebold et al.,1992). Teknologi pengembangan cairan pirolisat biomassa menjadi bahan bakar telah banyak dilakukan untuk menghasilkan bahan bakar yang lebih baik dan penggunaan yang lebih luas, misalnya dengan hidrorengkah atau hidrodeoksigenasi (Adjaye dan Bakhshi, 1995; Bridgwater, 1996; Maggi dan Delmon,1997), namun kebutuhan hidrogen dipandang tidak ekonomis dan aplikasinya secara nyata masih banyak kendala yang dihadapi karena biaya operasional yang sangat mahal (Czernik dan Bridgwater, 2004). Mengingat pirolisis tempurung kelapa di Indonesia masih merupakan industri berbasis pedesaan, maka sangat penting pengembangan tar tempurung kelapa menjadi bahan bakar diarahkan menggunakan teknologi yang sederhana. Jadi permasalahan terkait dengan pemanfaatan tar tempurung kelapa sebagai bahan bakar adalah pertama, terbentuknya jelaga pada pembakaran.
6 Kedua, warna tar tempurung kelapa yang hitam pekat. Dalam pengolahan bahan bakar minyak, warna menjadi petunjuk keberhasilan suatu peroses pengolahan (Harjono, 2006) sehingga perlu proses lanjutan untuk menghasilkan minyak yang lebih baik. Ketiga adalah pemilihan proses yang dapat diaplikasikan. Oleh karena itu untuk mengatasi permasalahan di atas maka penelitian ini akan mempelajari kelayakan tar tempurung kelapa sebagai bahan bakar dan peningkatan kualitas tar tempurung kelapa sebagai bahan bakar melalui proses distilasi. Distilasi merupakan proses pemisahan berdasarkan perbedaan laju penguapan yang pengoperasiannya mudah, murah, tanpa menggunakan bahan kimia tambahan sehingga mudah diaplikasikan. Dengan proses distilasi, komponen-komponen berat molekul rendah yang mudah terbakar dipisah dari komponen berat molekul tinggi yang berkontribusi pada pembentukan jelaga, warna, densitas dan viskositas serta titik nyala sehingga diperoleh fraksi bahan bakar cair dengan kualitas penyalaan spontan, tanpa jelaga, viskositas dan densitas lebih rendah dan nilai kalor lebih tinggi serta warna jernih. Namun demikian dapat muncul permasalahan baru dalam proses distilasi tar tempurung kelapa karena adanya air. Air merupakan komponen terbanyak dan menjadi karakteristik cairan pirolisat biomassa (Mohan et al., 2006). Adanya air berpeluang terjadinya pemisahan fasa pada distilat karena perbedaan hidrofilitas senyawa-senyawa organik oksigenat ringan yang dapat terpisah melalui distilasi dalam rentang temperatur pada sekitar titik didih air (100 o C). Karena itu pada penelitian ini dipelaja ri pula kesetimbangan fasa air-minyak untuk mengetahui pola pemisahan komponen minyak ke dalam air. Dalam penelitian ini kesetimbangan fasa dipelajari dengan membuat model sistem air- minyak (fraksi bahan bakar). Fraksi bahan bakar yang dipilih adalah fraksi dengan sifat fisik terbaik seperti warna, bentukan jelaga dan nilai kalor. Sifat-sifat bahan bakar meliputi pembentukan jelaga ditentukan secara gravimetri, viskositas dengan metode standar ASTM D 445, densitas dengan metode ASTM D 4052, nilai kalor dengan bomb kalorimeter, warna ditentukan
7 dengan skala ASTM 1500, Titik nyala dengan metode ASTM D 93, kadar air dengan metode ASTM D 95. Di samping itu komposisi fraksi-fraksi ditentukan dengan kromatografi gas spektrometer massa (GCMS). 1.2 Kebaruan Penelitian Selama ini kebanyakan penelitian terkait konversi biomassa menjadi bahan bakar cair melalui proses pirolisis dilakukan dengan teknologi pirolisis cepat. Biomassa yang digunakan sebagai bahan baku adalah berbagai jenis kayu dan limbah pertanian dalam bentuk serbuk halus dan kering. Teknologi pirolisis cepat diarahkan untuk memaksimalkan hasil cairan pirolisat yang disebut bio-oil (Mohan et al. 2006). Pengembangan bio-oil menjadi bahan bakar cair alternatif pengganti bahan bakar fosil yang pada suatu saat akan habis, telah banyak diteliti dengan menggunakan berbagai jenis katalis seperti telah diuraikan pada latar belakang di atas. Salah satu jenis biomassa adalah tempurung kelapa. Di Indonesia, pirolisis tempurung kelapa yang dilakukan di pedesaan merupakan pirolisis lambat tanpa perlakuan khusus pada bahan baku. Hasil utama pirolisis tempurung kelapa adalah arang dan asap cair dengan tar sebagai hasil samping. Penelitian tentang pengembangan tar tempurung kelapa menjadi bahan bakar cair tanpa menggunakan bahan tambahan sangat penting dan belum pernah dilakukan sehingga kebaruan penelitian ini adalah: 1. Bahan baku tar hasil pirolisis lambat tempurung kelapa sebagai sumber energi terbarukan untuk menghasilkan bahan bakar alternatif 2. Proses pengembangan tar tempurung kelapa menjadi bahan bakar alternatif yang bermanfaat melalui proses distilasi tanpa menggunakan bahan tambahan lain.
8 1.3 Tujuan Penelitian Berdasarkan latar belakang dan permasalahan di atas, maka penelitian ini bertujuan: 1. Mengetahui kelayakan tar tempurung kelapa sebagai bahan bakar dengan menentukan sifat fisik dan komposisinya. 2. Mengetahui karakteristik fraksi-fraksi hasil distilasi tar tempurung kelapa sebagai bahan bakar. 3. Mempelajari kesetimbangan fasa sistem air- fraksi bahan bakar dari tar ringan tempurung kelapa. 4. Menentukan fraksi terbaik sebagai bahan bakar cair. 1.4 Manfaat Penelitian Manfaat yang diperoleh dari hasil penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Dengan mengetahui komposisi dan sifat fisik tar tempurung kelapa serta karakteristik fraksi-fraksi yang dihasilkan, dapat mempermudah pengembangan lebih lanjut ke arah optimalisasi produksi, peningkatan kualitas maupun mendapatkan produk turunan baru yang lebih berdaya guna, baik sebagai bahan bakar maupun bahan kimia. 2. Informasi Kesetimbangan fasa sistem air-fraksi minyak dari tar ringan bermanfaat untuk menentukan kondisi dan cara pemisahan yang tepat dan optimal pada pemisahan dengan distilasi. 3. Membantu mengatasi dampak buruk tar terhadap lingkungan dengan memanfaatkannya menjadi produk yang berguna.