AKTIVITAS “KATALIS GULA (SUGAR CATALYST)”, KATALIS GULAH2SO4, DAN KATALIS ASAM SULFAT DALAM REAKSI TRANSESTERIFIKASI MINYAK SAWIT (Elaeis guineensis) DAN ETANOL SEBAGAI UPAYA PEMBUATAN BIODIESEL
Restu Adinda Putri, Sutrisno, dan Laurent Octaviana Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Negeri Malang E-mail
[email protected];
[email protected],
[email protected]
ABSTRAK: Telah berhasil dilakukan uji aktivitas “katalis gula”, katalis gulaH2SO4, dan katalis asam sulfat pada reaksi trans-esterifikasi minyak sawit dan etanol dalam rangka pembuatan biodiesel. Hasil penelitian menunjukkan bahwa (1) “katalis gula” tidak menunjukkan aktivitas katalitik pada reaksi transesterifikasi minyak sawit dan etanol, sedangkan katalis gula-H2SO4 dan katalis asam sulfat menunjukkan aktivitas katalis pada reaksi trans-esterifikasi minyak sawit dan etanol (2) Katalis gula-H2SO4 menghasilkan etil ester dengan massa jenis 0,8650 g/mL, viskositas 15,8 cSt, dan indeks bias 1,4587, sedangkan dengan katalis asam sulfat menghasilkan etil ester dengan karakter yaitu massa jenis 0,8756 g/mL, viskositas 19,9 cSt dan indeks bias 1,4595, dan (3) katalis gulaH2SO4 menghasilkan etil miristat, etil palmitat, etil linoleat, dan etil stearat, sedangkan katalis asam sulfat menghasilkan etil palmitat, etil linoleat, etil oleat, dan etil stearat.. Kata kunci: katalis gula, katalis gula-H2SO4, etil ester dari minyak sawit. ABSTRACT: Activity test of “sugar catalyst”, sugar-H2SO4 catalyst, and sulfuric acid catalyst in trans-estification of palm oil with ethanol have been done in order to produce biodiesel. Results of the research are (1) “sugar catalyst” doesn’t show catalytic activity in trans-esterification of palm oil and ethanol, but sugar-H2SO4 catalyst and sulfuric acid catalyst show catalytic activity in transesterification of palm oil and ethanol, (2) ethyl ester synthesis from palm oil and ethanol with sugar-H2SO4 catalyst has density 0.8650 g/m, viscosity 15.8 cSt, and refraction index 1.458, the result of ethyl ester synthesis from palm oil and ethanol with sulfuric acid catalyst has density 0.8756 g/mL, viscosity 19.9 cSt, and refraction index 1.4595, and (3) ethyl ester synthesis from palm oil and ethanol with sugar-H2SO4 catalyst are ethyl miristate, ethyl palmitate, ethyl linoleate, and ethyl stearate, whereas with sulfuric acid catalyst are ethyl palmitate, ethyl linoleate, ethyl oleate, and ethyl stearate. Key Words: sugar catalyst, sugar-H2SO4 catalyst, ethyl ester from palm oil.
PENDAHULUAN Kebutuhan energi bahan bakar di dunia khususnya di Indonesia mengalami peningkatan dari tahun ke tahun seiring dengan pertumbuhan penduduk. Sementara itu, sumber energi bahan bakar fosil makin menipis karena sifatnya yang tidak dapat diperbaharui. Karena alasan tersebut, para peneliti mencoba mencari sumber energi alternatif yang terbarukan. Salah satu sumber energi alternatif yang banyak diteliti adalah biodiesel. Katalis yang digunakan untuk sintesis biodiesel dapat 1
2
dikelompokkan menjadi katalis homogen dan heterogen. Katalis homogen dalam sintesis biodiesel memiliki kelemahan yaitu sulit dipisahkan, tidak dapat digunakan kembali, dan katalis homogen yang bersifat basa dapat menghasilkan produk samping berupa sabun (Zong, dkk., 2007: 434). Untuk menghindari dapat digunakan katalis heterogen karena katalis heterogen mudah dipisahkan dan dapat digunakan kembali. “Katalis gula” tergolong dalam katalis heterogen yang sedang dikembangkan dalam sintesis biodiesel. Menurut Toda, dkk. (2005: 175) “katalis gula” diperoleh dari pirolisis gula pada suhu >300ᵒC yang kemudian ditambah dengan asam sulfat. Zong, dkk. (2006: 434-437) telah berhasil mengembangkan “katalis gula” ini untuk beberapa reaksi esterifikasi asam oleat dengan metanol, asam palmitat dengan metanol, dan produksi biodiesel dari minyak goreng bekas dengan metanol. Vasudevan dan Briggs (2008: 421-430) juga menggunakan “katalis gula” untuk mereaksikan metanol dan triolein dengan perbandingan molar 8:1 dengan “katalis gula” yang digunakan adalah 5% dari berat minyak dan direaksikan pada suhu 85°C. Namun, dalam penelitian Vasudevan dan Briggs (2008), Zong, dkk. (2006) dan Toda, dkk. (2006) tidak disebutkan secara jelas rendemen hasil reaksi, analisis hasil sintesis dengan menggunakan instrumen, dan tidak ada mekanisme reaksi trans-esterifikasi yang terjadi. Karena beberapa faktor itulah peneliti melakukan uji aktivitas “katalis gula” pada reaksi trans-esterifikasi menggunakan minyak sawit dan etanol. Minyak sawit digunakan karena sebagai minyak edible, minyak sawit lebih mudah didapatkan. Pada penelitian ini, selain menggunakan “katalis gula”, juga menggunakan katalis gula-H2SO4 dan katalis H2SO4 pada trans-esterifikasi minyak sawit dan etanol. Tujuan penggunaan katalis tersebut adalah untuk membandingkan bagaimana karakter hasil sintesis dan etil ester yang terkandung dalam hasil sintesis. METODOLOGI PENELITIAN Alat dan Bahan Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah seperangkat alat refluks, pemanas dan pengaduk magnetik merk Cimarec, piknometer 10 mL, beaker glass, gelas ukur 100 mL, corong kaca, bejana Kromatografi Lapis Tipis (KLT), lampu UV 254 nm, neraca analitik merk Ohaus ketelitian 0,1 g, labu leher tiga 250 mL, termometer 100°C, corong pisah 100 mL, viskosimeter Ostwald, refraktometer Abbe, sentrifugator merk Kokusan tipe H-103n, furnace, dan GC-MS merk Shimadzu QP 5000. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah minyak sawit yang dijual bebas dipasaran, etanol (teknis yang didestilasi), gula pasir, asam sulfat pekat (p.a), kloroform (p.a), indikator universal, larutan barium klorida 0,1 M, pelat KLT Silica Gel 60 F254, dan kertas lakmus. Eksperimen Preparasi Katalis Gula Sebanyak 10 gram gula dalam krusibel dipanaskan di dalam furnace pada suhu ± 400 °C hingga diperoleh berat konstan. Setelah dingin, hasil pemanasan dimasukkan ke dalam beaker glass dan ditambah 7 mL asam sulfat pekat 96% sedikit demi sedikit. Campuran kemudian dipanaskan pada suhu 150ᵒC selama 6 jam. Hasil pemanasan dengan asam sulfat kemudian ditambah air 100 mL kemudian
3
disaring. Residu hasil penyaringan kemudian dicuci dengan air sampai dengan air cucian tidak menimbulkan endapan saat penambahan dengan barium klorida. Setelah itu, residu dikeringkan dengan cara dioven pada suhu ± 60 °C, kemudian dihaluskan. Sintesis Etil Ester Minyak Sawit dengan “Katalis Gula” Ke dalam labu leher tiga dimasukkan 30 gram (≈ 34 L) minyak sawit, 3 gram “katalis gula”, dan 33 gram (≈ 42 L) etanol, kemudian direfluks sambil diaduk dengan pengaduk magnetik dan dipanaskan pada suhu 80ᵒC. Jalannya reaksi dimonitor dengan KLT menggunakan eluen kloroform dan diamati di bawah lampu UV 254 nm. KLT dilakukan setiap 2 jam dan dihentikan setelah tidak terjadi perubahan Retardation Factor (Rf) noda pada KLT tersebut. Karena sampai jam ke8 tidak terjadi perubahan, maka reaksi dihentikan. Hasil sintesis kemudian disentrifuge pada kecepatan 3000 rpm selama 30 menit untuk mengetahui lapisan yang terbentuk. Sintesis Etil Ester Minyak Sawit dengan Katalis Gula-H2SO4 Ke dalam labu leher tiga, dimasukkan 30 gram (≈ 34 L) minyak sawit, 3 gram katalis gula, 2 mL asam sulfat pekat, dan 33 gram (≈ 42 L) etanol, kemudian direfluks sambil diaduk dengan pengaduk magnetik dan dipanaskan pada suhu 80ᵒC. Jalannya reaksi dimonitor dengan KLT menggunakan eluen kloroform dan diamati di bawah lampu UV 254 nm. KLT dilakukan setiap 2 jam, kemudian dihentikan setelah tidak terjadi perubahan Rf noda pada KLT tersebut. Hasil sintesis kemudian dipisahkan dengan cara disentrifuge. Terbentuk 3 lapisan, lapisan katalis (bawah), lapisan tengah, dan lapisan atas. Lapisan atas dipisahkan kemudian dimurnikan dengan cara dimasukkan ke dalam corong pisah dan dicuci dengan akuades hangat. Pencucian dilakukan hingga pH air cucian sama dengan pH akuades awal. Selanjutnya ditambah magnesium sulfat anhidrat untuk menghilangkan sisa air yang masih berada dalam hasil sintesis. Sintesis Etil Ester Minyak Sawit dengan Katalis Asam Sulfat Ke dalam labu leher tiga, dimasukkan 30 gram (≈ 34 L) minyak sawit, 2 mL asam sulfat pekat, dan 33 gram (≈ 42 L) etanol, kemudian direfluks sambil diaduk dengan pengaduk magnetik dan dipanaskan pada suhu 80ᵒC. Jalannya reaksi dimonitor dengan KLT menggunakan eluen kloroform dan diamati di bawah lampu UV 254 nm. KLT dilakukan setiap 2 jam, kemudian dihentikan setelah tidak terjadi perubahan Rf noda pada KLT tersebut. Hasil sintesis kemudian dipisahkan dengan cara disentrifuge. Terbentuk 2 lapisan, lapisan bawah dan lapisan atas. Lapisan atas dipisahkan kemudian dimurnikan dengan cara dimasukkan ke dalam corong pisah dan dicuci dengan akuades hangat. Pencucian dilakukan hingga pH air cucian sama dengan pH akuades awal. Selanjutnya ditambah magnesium sulfat anhidrat untuk menghilangkan sisa air yang masih berada dalam hasil sintesis. Karakterisasi Hasil Sintesis Kromatografi Lapis Tipis. Untuk mengetahui terbentuknya etil ester minyak sawit maka dilakukan analisis kromatografi lapis tipis dengan cara menotolkan sampel hasil sintesis dan sampel minyak sawit pada pelat KLT kemudian dielusi dengan eluen kloroform, selanjutnya mengidentifikasi noda dengan lampu UV 254 nm.
4
Massa Jenis. Pengukuran massa jenis dilakukan dengan piknometer 10 mL. Piknometer dibersihkan dan dikeringkan setelah itu ditimbang. Kemudian sampel dimasukkan ke dalam piknometer dan ditimbang. Pengukuran massa jenis dilakukan pada minyak sawit, hasil sintesis dengan katalis gula-H2SO4, dan hasil sintesis dengan katalis asam sulfat yang telah dimurnikan. Viskositas. Viskositas minyak sawit dan etil ester diukur menggunakan viskosimeter Ostwald. Pertama dilakukan pengukuran terhadap viskositas akuades yang dijadikan sebagai pembanding. Kemudian dilakukan pengukuran viskositas minyak sawit dan hasil sintesis. Sampel dimasukkan dalam tabung viskosimeter Ostwald dan dicatat waktu yang diperlukan sampel untuk mengalir dari tanda batas atas sampai tanda batas bawah. Indeks Bias. Pengukuran indeks bias dilakukan dengan menggunakan alat refraktometer Abbe. Penentuan indeks bias dilakukan dengan cara meneteskan sampel hasil sintesis pada prisma refraktometer. Pembacaan indeks bias dilakukan pada saat garis pisah terang gelap berada tepat pada posisi silang dari lensa pengamatan. Kemudian suhu saat pengukuran yang ditampilkan oleh refraktometer dan hasil pengukuran ditulis. Pengukuran indeks bias juga dilakukan pada minyak sawit sebagai pembanding. Hasil pengukuran kemudian dikonversi ke dalam suhu 25°C Identifikasi GC-MS Identifikasi dengan GC-MS dilakukan dengan menganalisis kromatogram yang didapatkan dari GC dan spektrum massa yang didapatkan dari MS. Analisis kromatogram yang didapatkan dari GC didasarkan pada luas area, waktu retensi, dan banyaknya puncak. Analisis spektrum massa yang didapatkan dari MS dilakukan dengan cara menginterpretasi fragmen-fragmen yang ada pada spektrum. Spektrum massa yang didapatkan dari MS dibandingkan dengan spektrum massa pada library WILEY7.LIB dengan ketentuan sekurang-kurangnya ada 6 puncak dan 1 base peak yang sama. HASIL DAN PEMBAHASAN Preparasi Katalis Gula Pemanasan dilakukan hingga berat konstan yaitu 16 jam. Untuk memperoleh massa katalis yang dibutuhkan, dilakukan preparasi sebanyak 50 kali. Dari pemanasan tersebut diperoleh padatan berwarna hitam kecoklatan. Perubahan warna dari putih (warna gula awal) menjadi hitam kecoklatan mengindikasikan bahwa gula mengalami penguraian oleh pemanasan. Hasil pemanasan tersebut kemudian ditambah asam sulfat pekat 7 mL sedikit demi sedikit, kemudian dipanaskan pada suhu ±150ᵒC selama 6 jam. Pada waktu penambahan asam sulfat pekat, dinding beaker menjadi hangat. Hal tersebut mengindikasikan adanya reaksi antara asam sulfat pekat dengan gula hasil pemanasan. Setelah dipanaskan, warna larutan asam sulfat yang semula tidak berwarna menjadi semakin coklat pekat dan warna gula hasil pemanasan menjadi semakin hitam. Setelah dipanaskan, campuran kemudian ditambah air dan didiamkan hingga dingin. Penambahan air bertujuan untuk menghentikan reaksi dan mengurangi kepekatan asam sulfat sehingga memudahkan pada proses penyaringan. Setelah dingin, campuran kemudian disaring dan residu dicuci dengan air untuk menghilangkan ion sulfat yang tersisa.
5
Residu hasil penyaringan yang sudah bebas ion sulfat kemudian dikeringkan di oven pada suhu 60ᵒC dan dihaluskan. Hasilnya, diperoleh serbuk hitam agak mengkilap. Sintesis Etil Ester Minyak Sawit dengan Katalis Gula Reaksi trans-esterifikasi minyak sawit dengan katalis gula tidak diperoleh hasil yang mengindikasikan etil ester yang terbentuk. Hasil uji KLT menunjukkan tidak ada perbedaan Rf antara minyak sawit dan hasil sintesis hingga jam ke-8. Hal ini diperkuat dengan sifat fisik ketika proses refluks yakni tidak ada perubahan sebelum dan sesudah refluks. Sintesis Etil Ester Minyak Sawit dengan Katalis Gula-H2SO4 Sintesis etil ester minyak sawit dengan katalis gula-H2SO4 dilakukan dengan cara menambahkan asam sulfat dalam refluks yang berisi etanol, minyak sawit, dan “katalis gula” yang dipanaskan pada suhu 80oC. Hasil uji KLT menunjukkan terjadinya perbedaan noda hasil sintesis yaitu lebih tinggi Rf-nya dibandingkan dengan noda minyak sawit mulai jam ke-6. Hal tersebut menunjukkan terjadinya reaksi dan menghasilkan senyawa yang memiliki Rf yang berbeda dengan minyak sawitnya. Reaksi yang terjadi pada minyak sawit dan etanol dengan katalis gula-H2SO4 adalah sebagai berikut:
Hasil sintesis kemudian disentrifuge selama 30 menit. Hasil sentrifugasi terbentuk 3 lapisan, yaitu lapisan atas, lapisan tengah, dan lapisan bawah yang berupa katalis. Lapisan atas yang diduga etil ester kemudian dimurnikan. Untuk meyakinkan bahwa hasil reaksi dengan katalis gula-H2SO4 adalah etil ester, maka dilakukan karakterisasi dan identifikasi. Sintesis Etil Ester Minyak Sawit dengan Katalis Asam Sulfat Katalis asam sulfat merupakan katalis yang umum digunakan dalam sintesis biodiesel. Hasil KLT menunjukkan adanya perbedaan Rf minyak sawit dan hasil sintesis. Perbedaan Rf ini mengindikasikan adanya senyawa yang berbeda dari minyak sawit. Persamaan reaksi yang terjadi pada minyak sawit dan etanol dengan katalis asam sulfat adalah:
6
Hasil sintesis kemudian disentrifuge selama 30 menit dan terbentuk dua lapisan yaitu lapisan atas berwarna oranye yang diduga etil ester dan lapisan bawah diduga gliserol. Lapisan atas yang diduga etil ester kemudian dimurnikan. Untuk meyakinkan bahwa hasil reaksi dengan katalis asam sulfat adalah etil ester, maka dilakukan karakterisasi dan identifikasi. Karakterisasi Hasil Sintesis Karakterisasi hasil sintesis dengan katalis gula-H2SO4 dan katalis asam sulfat meliputi massa jenis, viskositas, dan indeks bias. Data karakterisasi minyak sawit dan hasil sintesis tercantum pada Tabel 1. Tabel 1 Data Karakterisasi Minyak Sawit, Hasil Sintesis dengan Katalis Gula-H2SO4 dan Hasil Sintesis dengan Katalis Asam Sulfat Sampel Minyak sawit Hasil sintesis dengan katalis gula-H2SO4 Hasil sintesis dengan katalis asam sulfat
Massa jenis (g/mL) 0,8903 0,8650 0,8756
Viskositas (cSt) 55,3 15,8 19,9
Indeks bias pada suhu 25°C 1,4680 1,4603 1,4595
Dari hasil karakterisasi massa jenis, viskositas dan indeks bias dapat diketahui bahwa hasil sintesis baik dengan katalis gula-H2SO4 maupun dengan katalis asam sulfat memiliki karakter yang berbeda dengan minyak sawit. Hasil ini menguatkan dugaan bahwa hasil sintesis merupakan etil ester. Hasil tersebut diperkuat dengan hasil identifikasi GC-MS, yaitu diperoleh etil ester seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3 dan Tabel 4. Tabel 4 Kandungan Etil Ester Minyak Sawit Hasil Sintesis dengan Katalis Gula-H2SO4 Waktu Retensi (tR) 17,156 19,498 21,092 21,368
Etil Ester Nama Etil Miristat Etil Palmitat Etil Linoleat Etil Stearat
Struktur
Kadar (%) 15,42 16,49 15,85 7,85
7 Tabel 4.7 Kandungan Etil Ester Minyak Sawit Hasil Sintesis dengan Katalis H2SO4 Waktu Retensi (tR) 19,438 21,110 21,218 21,327
Etil Ester Nama Etil Palmitat Etil Linoleat Etil Oleat Etil Stearat
Struktur
Kadar (%) 14,29 32,26 6,35 7,62
Penelitian yang dilakukan membuktikan bahwa katalis gula tidak mempunyai aktivitas katalitik pada reaksi trans-esterifikasi minyak sawit dan etanol. Hal ini dibuktikan dengan tidak adanya perubahan setelah reaksi, baik dari kenampakan fisik, maupun hasil dari KLT. Hal ini bertentangan dengan penelitian yang dilakukan oleh Zong, dkk. (2006) yang menyatakan bahwa katalis gula dapat mengkatalisis reaksi trans-esterifikasi. Ketidakmampuan katalis gula dalam mengkatalisis reaksi trans-esterifikasi ini dimungkinkan karena dalam pemanasan gula yaitu ketika preparasi katalis gula, tidak dilakukan pada kondisi anaerob dan tidak disertai dengan aliran gas nitrogen, sehingga tidak diperoleh hasil pirolisis berupa karbon amorf, tetapi hanya terjadi pemanasan biasa menghasilkan unsur karbon. Katalis gula-H2SO4 mampu mengkatalisis reaksi trans-esterifikasi minyak sawit dan etanol. Hal tersebut dibuktikan dengan adanya perubahan fisik, perubahan noda pada KLT, dan hasil karakterisasi yang menunjukkan perbedaan antara hasil sintesis dengan minyak sawit. Hal tersebut juga diperkuat dengan identifikasi dengan GC-MS yang menunjukkan komponen etil ester yang terbentuk. Hal serupa juga terjadi pada penggunaan katalis asam sulfat pekat. Tampak terjadi perubahan pada penampakan fisik, hasil uji KLT setelah reaksi, dan didukung dengan hasil karakterisasi dan identifikasi meliputi uji massa jenis, viskositas, indeks bias dan GC-MS. Maka dapat disimpulkan bahwa adanya reaksi katalisasi, bukan berasal dari katalis gula, melainkan karena adanya asam sulfat pekat. PENUTUP Hasil penelitian menunjukkan bahwa (1) “katalis gula” tidak menunjukkan aktivitas katalitik pada reaksi trans-esterifikasi minyak sawit dan etanol, sedangkan katalis gula-H2SO4 dan katalis asam sulfat menunjukkan aktivitas katalis pada reaksi trans-esterifikasi minyak sawit dan etanol (2) katalis gula-H2SO4 menghasilkan etil ester dengan karakter yaitu massa jenis 0,8650 g/mL, viskositas 15,8 cSt, dan indeks bias 1,4587, sedangkan katalis asam sulfat menghasilkan etil ester dengan karakter yaitu massa jenis 0,8756 g/mL, viskositas 19,9 cSt dan indeks bias 1,4595, dan (3) katalis gula-H2SO4 menghasilkan etil miristat, etil palmitat, etil linoleat, dan etil stearat, sedangkan katalis asam sulfat menghasilkan etil palmitat, etil linoleat, etil oleat, dan etil stearat. DAFTAR PUSTAKA Toda, M., Takagaki, A., Okamura, M., Kondo, J. N., Hayashi, S., Domen, K. & Hara, M. 2005. Biodiesel Made with Sugar Catalyst. Nature. 438: 175.
8
Vasudevan, P. T & Briggs, M. 2008. Biodiesel Production Current State of the Art and Challenges. J. Ind. Microbiol Biotechnol, 35: 421-430. Zong Min-Hua, Duan Zhang-Qun, Lou Wen-You, Smith, T. J. & Wu, H. 2006. Preparation of a Sugar Catalyst and Its Use For Highly Efficient Production of Biodiesel. Green Chem. 9: 434-437.
