1 PE DAHULUA 1.1 Latar Belakang Manusia membutuhkan bahan bakar sebagai sumber energi, baik untuk transportasi, industri maupun kebutuhan rumah tangga. Kebutuhan akan bahan bakar tersebut terus meningkat seiring dengan meningkatnya jumlah penduduk dan industri. Dipihak lain, peningkatan terhadap kebutuhan bahan bakar tersebut tidak diimbangi dengan peningkatan jumlah produksi bahan bakar yang selama ini berasal dari fosil yang cadangannya terus menurun. Dengan asumsi cadangan minyak bumi sebesar 9,1 miliar barel dan tingkat produksi sebesar 387 juta barel per tahun, diperkirakan cadangan bahan bakar fosil akan habis dalam 23 tahun ke depan (Menteri ESDM, 2006). Sementara itu, konsumsi minyak solar secara nasional mencapai 23 juta kiloliter pada tahun 2003, dengan kenaikan rata-rata sebesar 7% per tahun, sehingga diperkirakan pada tahun 2010 konsumsi akan naik menjadi 34 juta kiloliter. Sekitar 40% dari diesel yang dikonsumsi tersebut didatangkan dari berbagai negara. Besarnya jumlah impor BBM ini menyebabkan Indonesia sejak awal 2004 telah menjadi net-importir bahan bakar minyak diesel (Nasikin 2004). Mengingat kemampuan produksi minyak nasional yang terus berkurang, dari 580 juta barel pada tahun 1999 menjadi 360 juta barel per tahun pada tahun 2003, diiringi dengan meningkatnya konsumsi minyak nasional, maka pemanfaatan energi alternatif dari sumber yang terbarukan merupakan kebutuhan yang mendesak. Salah satu potensi sumber daya terbarukan adalah pemanfaatan minyak nabati sebagai energi pengganti minyak diesel. Pemakaian minyak nabati secara langsung dapat menghasilkan luaran tenaga dan performa mesin yang baik pada uji jangka pendek. Namun demikian, dalam uji jangka panjang pemakaian minyak nabati secara langsung menimbulkan masalah pada mesin (Knothe et al. 2005); minyak yang berasal dari tanaman umumnya menunjukkan viskositas 10 sampai 20 kali lebih tinggi daripada viskositas diesel (Knothe et al. 2005; Mittelbach and Remschmidts 2004; Demirbas 2009; Jain and Sharma 2010). Hal ini mengakibatkan atomisasi bahan
2 bakar yang rendah dan menghasilkan pembakaran yang tidak sempurna. Tingginya titik nyala (flash point) dari minyak nabati dan kecenderungan terbentuknya polimerisasi termal dan oksidatif menyebabkan terbentuknya deposit pada nozel injektor dan melekat pada cincin piston (Mittelbach and Remschmidts 2004). Akibatnya, pengoperasian jangka panjang minyak nabati secara langsung atau pencampuran dengan solar diduga dapat merusak mesin. Masalah penggunaan minyak nabati secara langsung ini dapat dipecahkan baik dengan mengadaptasi mesin terhadap bahan bakar atau mengadaptasi sifat bahan bakar terhadap mesin. Adaptasi bahan bakar terhadap mesin dilakukan antara lain melalui reaksi transesterifikasi minyak yang berasal dari bahan baku terbarukan, seperti minyak nabati atau lemak hewan, dengan metanol sehingga dihasilkan metil ester asam lemak atau dikenal dengan biodiesel yang memiliki viskositas yang rendah karena adanya pemisahan dengan gliserol (Mittelbach and Remschmidts 2004). Biodiesel merupakan bahan bakar dengan pembakaran yang bersih, dapat diurai secara biologis, tidak beracun dan memiliki emisi rendah. Kondisi seperti ini memberikan keuntungan terhadap lingkungan; penggunaan biodiesel memiliki potensi mengurangi tingkat polusi dan kemungkinan karsinogen (Al-Widyan and Al-Shyoukh 2002; Ramadhas et al. 200; Bajpay and Tyagi 2006; Cvengros et al. 2006; Demirbas 2002; Zhang et al. 2003a; Vasudevan et al. 2008). Tanaman dimana biodiesel itu berasal banyak menyerap karbon dari atmosfir selama fotosintesisnya sehingga secara esensial mengurangi karbondioksida dari atmosfir. Dengan kata lain, biodiesel tidak memberikan sumbangan negatif terhadap pemanasan global (Lotero et al. 2004; Ramadhas et al. 2005; Kazancef et al. 2006). Disamping hal tersebut di atas, secara praktis biodiesel tidak mengandung sulfur dan memiliki sifat pelumasan yang baik. Salah satu sumber minyak nabati yang prospektif untuk dikembangkan sebagai bahan baku biodiesel adalah minyak jarak pagar (Jatropha curcas L). Minyak yang dihasilkan dari jarak pagar ini sangat potensial sebagai bahan bakar alternatif karena ia bukan berasal dari tanaman pangan seperti jagung, sawit, kedele, sehingga tidak ada persaingan dengan konsumsi untuk pangan. Disamping itu, dari hasil ekstraksi minyak jarak pagar diperoleh bungkil yang kaya protein
3 dan potensial untuk dijadikan pakan ternak seandainya komponen racun yang ada di dalamnya dapat dihilangkan. Biaya produksi biodiesel yang tinggi merupakan salah satu pertimbangan utama untuk komersialisasi skala besar. Metode-metode untuk mengurangi biaya produksi biodiesel mesti dieksplorasi dalam penelitian produksi biodiesel dari minyak J. curcas L. agar ia dapat bersaing dengan minyak diesel. Berdasarkan hal tersebut maka perlu dilakukan penelitian mengenai pengembangan proses produksi biodiesel jarak pagar untuk mendapatkan proses yang lebih baik, murah, bersahabat dengan lingkungan sekaligus menghasilkan nilai tambah dari bungkil jarak pagar kaya protein dan tidak beracun untuk dijadikan pakan, disamping gliserol dengan kualitas yang lebih baik sebagai hasil samping. Pengembangan proses pembuatan biodiesel akan terkait sangat erat dengan produksi jangka panjang dan dengan beban lingkungan dari produk yang dihasilkan. Satu alat yang dapat dikembangkan untuk menjawab pertanyaan mengenai isu lingkungan ini adalah life cycle assessment (LCA). LCA merupakan kajian lingkungan yang mengevaluasi dampak dari suatu produk (atau jasa) selama periode hidupnya- dari produksi bahan baku, panen, pascapanen, sampai kepada proses produksi, pengemasan dan proses pemasaran, penggunaan, penggunaan ulang, perawatan - sampai kepada akhir hidupnya yang bermanfaat (Kiwjaroun et al. 2009). Kajian LCA dilakukan pada penelitian ini dilakukan pada proses pembuatan biodiesel yang dikembangkan dibandingkan dengan proses pembuatan yang konvensional. 1.2 Perumusan Masalah Pemerintah mendorong pertumbuhan energi alternatif di Indonesia dengan mengeluarkan Peraturan Pemerintah omor 5 tahun 2006 tentang kebijakan energi nasional dan Instruksi Presiden omor 1 tahun 2006 tentang penyediaan dan pemanfaatan bahan bakar nabati (biofuel) sebagai sumber energi terbarukan disamping panas bumi, biomassa, biogas, angin, aliran sungai, dan lain-lainnya. Semenjak dikeluarkannya kebijakan pemerintah mengenai energi terbarukan tersebut, program nasional pengembangan tanaman jarak pagar sebagai sumber minyak nabati untuk pembuatan biodiesel dikembangkan secara besar-besaran.
4 Namun demikian, program pengembangan tanaman jarak pagar tidak berjalan sesuai dengan yang diharapkan karena petani tidak tertarik untuk mengusahakannya dan investor merasa bahwa investasi pada komoditas ini tidak layak secara ekonomis. Ketidakberhasilan ini disebabkan beberapa masalah, baik masalah teknis maupun ekonomis. Salah satu masalah yang dihadapi oleh petani adalah rendahnya nilai jual biji jarak pagar yang mereka hasilkan. Masalah rendahnya nilai jual ini dapat diatasi apabila biji jarak dilihat tidak saja sebagai penghasil minyak, tapi juga sebagai sumber pakan apabila kandungan racun bungkilnya dihilangkan. Dengan demikian, harga biji jarak pagar per kilogram dapat dinaikkan sehingga komoditas ini menjadi menarik untuk diusahakan. Untuk mendukung hal ini diperlukan pengembangan proses produksi biodiesel yang terintegrasi dengan proses detoksifikasi yang menghasilkan bungkil kaya protein yang tidak beracun yang berpotensi sebagai sumber pakan. Diharapkan dari proses ini diperoleh sekaligus dua produk, yaitu biodiesel dan bungkil jarak kaya protein yang dapat dimanfaatkan untuk pakan ternak. Bungkil biji jarak sebagai hasil samping ekstraksi minyak mengandung protein kasar yang sebanding dengan kedele (Makkar et al. 1998; Martı nez- Herrera et al. 2006). Namun demikian, penggunaan bungkil jarak sebagai pakan ternak tidak memungkinkan karena ia mengandung zat antigizi dan senyawa beracun yang dinamakan phorbol esters (Makkar et al. 1998; Haas et al. 2002). Bungkil jarak dapat dimanfaatkan sebagai pakan apabila kandungan zat antigizi dan senyawa racun tersebut dapat dihilangkan dengan menggunakan metanol dan zat antigizi dengan perlakuan panas (Makkar and Becker 1997; Goel et al. 2007). Pada minyak jarak yang memiliki kandungan asam lemak bebas (ALB) rendah, proses pengambilan racun dapat dilakukan sekaligus dengan melakukan transesterifikasi secara in-situ. Sementara untuk minyak dengan ALB yang tinggi, proses pengambilan racun dilakukan melalui proses detoksifikasi. Reaksi esterifikasi/transesterifikasi minyak dalam pembuatan biodiesel jarak pagar katalis homogen menghasilkan gliserol bermutu rendah dan mengandung banyak kontaminan. Salah satu upaya yang dapat dilakukan adalah melakukan transesterifikasi menggunakan katalis heterogen kalsium oksida (CaO)
5 yang berasal dari pembakaran baru kapur (CaCO 3 ). sebagai pengganti katalis homogen. Proses transesterifikasi menggunakan katalis heterogen yang murah ini sekaligus dapat menurunkan biaya produksi disamping proses ini lebih ramah lingkungan. Sementara itu untuk mempelajari dampak lingkungan proses pembuatan biodiesel digunakan analisis LCA (Life Cycle Assessment). Metode ini dipilih karena metode ini relatif baru, analisis dampak lingkungan pada LCA bersifat konprehensif dan sedang dikembangkan secara luas di dunia saat ini. LCA merupakan kerangka metodologis untuk memperkirakan dan menilai dampak lingkungan dikaitkan dengan siklus hidup suatu produk, seperti perubahan iklim, penipisan lapisan ozon, penciptaan troposfir ozon, eutrofikasi, asidifikasi, keracunan pada manusia dan ekosistem, penipisan sumberdaya, penggunaan air, penggunaan lahan, kebisingan dan lain-lainnya (Rebitzer et al. 2004). Meskipun telah digunakan pada beberapa sektor industri selama sekitar 20 tahun terakhir, LCA baru mendapatkan perhatian yang lebih luas dan pengembangan metodologi sejak awal tahun 1990-an ketika relevansinya sebagai sebuah bantuan manajemen lingkungan di perusahaan dan pengambilan keputusan publik menjadi lebih jelas (Azapagic 1999). Secara spesifik permasalahan yang akan diteliti adalah sebagai berikut: 1. Mencari kondisi proses esterifikasi dan transesterifikasi biodiesel yang optimal menggunakan katalis heterogen. 2. Mencari metode alternatif untuk pemurnian biodiesel sebagai pengganti metode konvensional yang menggunakan air panas di dalam pencucian biodiesel yang menyebabkan tingginya limbah cair yang dihasilkan. 3. Mencari kondisi proses ekstraksi dan transesterifikasi biodiesel secara in-situ yang optimal yang dapat menghasilkan bungkil biji jarak pagar kaya protein yang tidak beracun dan dapat digunakan sebagai pakan ternak. 4. Mencari metode detoksifikasi untuk menghasilkan bungkil jarak pagar kaya protein yang tidak beracun sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku pakan.
6 5. Membandingkan kelayakan ekonomi dan biaya perkiraan produksi biodiesel/l dari proses konvensional dengan proses produksi menggunakan katalis heterogen CaO yang dikembangkan pada penelitian ini. 6. Melakukan analisis dampak lingkungan berdasarkan kajian LCA dari proses konvensional dibandingkan dengan dampak lingkungan yang ditimbulkan oleh proses pembuatan biodiesel yang dikembangkan dalam penelitian ini. 1.3 Tujuan Penelitian Penelitian dalam disertasi ini bersifat konprehensif yang bermula dari upaya mengurangi biaya masukan dengan menggunakan katalis yang lebih murah, memperbaiki proses menggunakan katalis heterogen dan pemurnian biodiesel menggunakan adsorben bentonit, meningkatkan nilai tambah produk samping melalui detoksifikasi bungkil jarak dan mempelajari dampak lingkungan dari proses produksi biodiesel. Tujuan penelitian ini secara umum adalah pengembangan proses untuk meningkatkan nilai tambah dari pengolahan biji jarak pagar. Secara khusus, tujuannya adalah untuk : 1) Mendapatkan metode dan kondisi proses pembuatan biodiesel yang optimum untuk memberikan hasil dan kualitas yang terbaik dari dua jenis jarak pagar yang berbeda berdasarkan kandungan ALB minyaknya (ALB rendah dan ALB tinggi). 2) Mendapatkan metode pemurnian biodiesel pengganti metode konvensional yang menggunakan air panas di dalam pencucian biodiesel. 3) Mendapatkan kondisi proses ekstraksi dan transesterifikasi biodiesel secara in-situ yang optimal yang dapat menghasilkan bungkil biji jarak pagar kaya protein yang tidak beracun dan dapat digunakan sebagai pakan ternak. 4) Mendapatkan metode detoksifikasi untuk menghasilkan bungkil jarak pagar kaya protein yang tidak beracun sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku pakan melalui detoksifikasi. 5) Mendapatkan rancangan proses pembuatan biodiesel untuk mengolah dua jenis jarak pagar yang berbeda berdasarkan kandungan ALB minyaknya dan melakukan kajian tekno-ekonomisnya.
7 6) Mendapatkan data dampak lingkungan berdasarkan kajian LCA dari proses konvensional dibandingkan dengan dampak lingkungan yang ditimbulkan oleh proses pembuatan biodiesel yang dikembangkan dalam penelitian ini. 1.4 Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini diharapkan dapat berguna dalam pengembangan proses pembuatan biodiesel dari jarak pagar, peningkatan nilai tambah pengolahan jarak pagar melalui pemanfaatan bungkil jarak pagar hasil ekstraksi minyak dan menekan biaya produksi biodiesel. 1.5 Ruang Lingkup Penelitian Ruang lingkup penelitian ini adalah sebagai berikut: 1) Analisis sifat fisikokimia minyak jarak pagar, kandungan gizi dan kandungan racun bungkil dari dua jenis minyak jarak yang berbeda berdasarkan kandungan asam lemak bebas minyaknya. 2) Pembuatan biodiesel jarak pagar menggunakan katalis homogen NaOH, heterogen CaO, dan transesterifikasi secara in-situ. 3) Pemurnian biodiesel menggunakan adsorben bentonit yang diaktivasi dengan asam sulfat dan asam klorida dan menguji kualitas biodiesel yang dihasilkan. 4) Detoksifikasi terhadap bungkil jarak hasil ekstraksi minyak jarak dan uji toksisitas bungkil hasil detoksifikasi dan bungkil jarak pagar hasil trasesterifikasi secara in-situ pada tikus percobaan. 5) Perancangan proses pembuatan biodiesel, analisis kelayakan tekno-ekonomi dan kajian mengenai dampak lingkungan menggunakan metode LCA. Kerangka logis penelitian ini ditampilkan pada Lampiran 1. 1.6 Kebaruan Kebaruan dari penelitian ini adalah perancangan proses produksi biodiesel jarak pagar menggunakan kalsium oksida (CaO) dari hasil pembakaran batu kapur sebagai katalis, mengaplikasikan bentonit yang diaktivasi dengan asam sulfat
8 sebagai adsorben di dalam pemurnian biodiesel, dan mengintegrasikan proses pembuatan biodiesel ini dengan proses ekstraksi minyak dan detoksifikasi bungkil.