Pengaruh waktu proses dan jenis alkohol pada transesterifikasi in situ biji jarak pagar menggunakan kavitasi hidrodinamik Muhammad Dani Supardan1, Satriana2, Ryan Moulana2, Fahrizal2 1
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas Pertanian, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh
2
ABSTRAK Upaya pengembangan teknologi proses produksi biodiesel alternatif yang murah, efisien dan hemat energi perlu terus dilakukan. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh waktu dan jenis alkohol pada proses produksi biodiesel dari biji jarak pagar melalui proses transesterifikasi in situ menggunakan kavitasi hidrodinamik. Transesterifikasi in situ dilakukan pada kondisi: volum alkohol 800 mL, temperatur proses 50oC, katalis kalium hidroksida 2 g, kandungan air biji jarak 3% dan ukuran partikel biji jarak 0,355-1,18 mm. Alkohol yang digunakan adalah metanol dan etanol serta campuran metanol dan etanol dengan perbandingan volum 1:1. Transesterifikasi in situ dilakukan dalam kisaran waktu 30, 60, 90, 120 dan 150 menit. Hasil penelitian menunjukkan bahwa waktu proses dan jenis alkohol mempengaruhi perolehan biodiesel yang didapatkan. Perolehan biodiesel cenderung meningkat dengan bertambahnya waktu proses hingga tercapai kesetimbangan reaksi. Sementara itu, penggunaan metanol menghasilkan perolehan biodiesel yang lebih tinggi dibandingkan etanol dan campuran metanol dan etanol. Hasil analisis kromatografi gas-spektrofotometri massa menunjukkan jenis alkohol mempengaruhi jenis komponen dalam biodiesel. Komponen terbesar dalam produk biodiesel adalah alkil oleat. Kata Kunci: Transesterifikasi in situ, kavitasi hidrodinamik, biodiesel, biji jarak pagar ABSTRACT The objective of this study was to study in situ transesterification using hydrodynamic cavitation to allow direct production of biodiesel from jatropha seeds. Experiments were conducted using milled jatropha seeds. The influence of processing time (30, 60, 90, 120 and 150 minutes) and type of alcohol (methanol and ethanol) was estudied. Experiments were carried out under the following conditions: 800 mL of alcohol volume, 50oC of reaction temperature, 2 g of potassium hidroxide catalyst, less than 3% of moisture content in jatropha seed and 0,355-1,18 mm of particle size. The experimental results showed that bidiesel yield increased with increasing processing time. The experimental results also showed that use of methanol provided a higher yield compared thanethanol. The biodiesel produced in the experiment was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry, which showed that alkyl oleate was the highest compound in biodiesel. Keywords: biodiesel, hydrodynamic cavitation, jatropha seed, transesterification in situ PENDAHULUAN Jarak pagar dipandang menarik sebagai sumber biodiesel karena kandungan minyaknya yang tinggi dan memiliki karakteristik agronomi yang sangat menarik. Penanganan tanah tandus di negara kita melalui penanaman jarak pagar ternyata akan memberikan keuntungan lain yang juga sangat signifikan kontribusinya bagi penyediaan
energi di negara kita, energi bahan bakar nabati khususnya. Tanah tandus bisa menyelamatkan kesulitan negeri ini dalam menyediakan bahan bakar minyak (BBM) untuk rakyat. Selain itu, jarak pagar merupakan tanaman non-pangan karena mengandung racun phorbol ester dan cursin (Gubitz dkk., 1999), sehingga penggunaannya tidak berkompetisi untuk pemanfaatan lain (misalnya jika dibandingkan dengan kelapa sawit atau tebu). Proses produksi biodiesel konvensional menggunakan bahan baku biji-bijian yang mengandung minyak terdiri dari beberapa tahap, yaitu ekstraksi minyak, pemurnian minyak (degumming, dewaxing, deacidification, dephosphorization, dehidrasi dan lainlain), dan transesterifikasi. Proses ini memiliki tahapan proses yang panjang, membutuhkan biaya yang tinggi dan waktu proses yang lama. Beberapa studi terbaru telah melaporkan aplikasi proses transesterifikasi in situ. Pada proses transesterifikasi in situ, ekstraktor (sebagai tempat terjadinya proses ekstraksi) dan reaktor (sebagai tempat terjadinya reaksi) berada dalam satu peralatan sehingga mengurangi waktu proses, biaya, dan jumlah pelarut yang diperlukan (Shuit dkk., 2010; Kaul dkk., 2010, Kartika dkk., 2011). Alkohol berfungsi sebagai pelarut dalam proses ekstraksi sekaligus sebagai pereaksi pada proses transesterifikasi selama proses transesterifikasi in situ berlangsung. Sementara itu, upaya peningkatan laju transfer massa pada proses produksi biodiesel perlu dilakukan mengingat alkohol dan minyak (nabati maupun hewani) sebagai bahan baku utama, bersifat tidak saling bercampur. Beberapa peneliti melaporkan penggunaan kavitasi hidrodinamik yang terbukti dapat mempercepat reaksi dan memiliki konsumsi energi yang lebih kecil dibandingkan proses menggunakan pengaduk mekanik (Ji dkk., 2006; Kelkar dkk., 2008; Pal dkk., 2010). Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh waktu reaksi dan jenis alkohol pada proses proses transesterifikasi in situ biji jarak pagar menggunakan kavitasi hidrodinamik. Kondisi operasi divariasikan pada waktu reaksi 30, 60, 90, 120 dan 150 menit, dengan metanol dan etanol sebagai sumber alkohol. METODE PENELITIAN Bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini adalah buah jarak pagar yang diperoleh dari kebun masyarakat sekitar Banda Aceh. Bahan kimia yang digunakan adalah metanol dan etanol teknis, kalium hidroksida dan heksana. Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah rangkaian reaktor kavitasi hidrodinamik, stopwatch, motor pengaduk, statif, corong pemisah, termometer, timbangan analitik, rotary evaporator Buchii R-124, water bath, oven listrik dan peralatan gelas. Bahan baku dipersiapkan dengan mengupas buah jarak kering untuk memisahkan kulit buah dari biji. Selanjutnya biji jarak pagar dikeringkan menggunakan oven hingga kadar air kurang dari 3% dan diseragamkan ukurannya dengan menggunakan crusher. Tahapan penelitian dilakukan dengan menggunakan rangkaian peralatan kavitasi hidrodinamik. Katalis kalium hidroksida sebanyak 2 g dan 800 mL alkohol dicampurkan dan dipanaskan hingga 50oC. Selanjutnya, sebanyak 42 g biji jarak juga dimasukkan ke tempat yang sama untuk terjadinya reaksi transesterifikasi. Reaksi transesterifikasi dimulai saat pompa pada rangkaian peralatan kavitasi hidrodinamik mulai dihidupkan dimana campuran reaksi akan bersirkulasi selama proses berlangsung. Suhu operasi dijaga tetap dengan mensirkulasikan air di dalam bath. Reaksi transesterifikasi in situ dilakukan sesuai waktu yang ditetapkan. Setelah reaksi selesai, pemisahan ampas biji jarak dan filtrat dilakukan dengan menggunakan kertas saring. Ampas biji jarak pagar dibilas beberapa kali dengan metanol untuk mengambil hasil reaksi yang kemungkinan masih terikut pada solid residu. Alkohol yang terdapat dalam filtrat hasil reaksi yang berupa campuran alkohol,
biodiesel dan gliserol dipisahkan dari campuran reaksi dengan menggunakan rotary evaporator. Akhirnya, campuran reaksi yang sudah tidak mengandung alkohol dimasukkan ke dalam corong pemisah sehingga akan diperoleh 2 lapisan yaitu lapisan atas (biodiesel) serta lapisan bawah (gliserol). HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh Waktu Proses Hubungan perolehan biodiesel terhadap waktu proses pada proses transesterifikasi in situ biji jarak pagar menggunakan kavitasi hidrodinamik ditunjukkan pada Gambar 1. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1, semakin lama waktu proses maka semakin banyak pula jumlah biodiesel yang dihasilkan. Hal ini disebabkan semakin lama waktu proses maka semakin lama pula proses ekstraksi dan transesterifikasi berlangsung secara simultan. Semakin lama waktu ekstraksi menyebabkan semakin banyak jumlah minyak yang dapat diekstrak dari biji jarak. Sementara itu, semakin lama waktu transesterifikasi menyebabkan molekul-molekul antar reaktan untuk semakin lama bertumbukan.
Gambar 1. Pengaruh waktu proses terhadap jumlah biodiesel yang diperoleh (jenis alkohol yang digunakan: metanol) Gambar 1 juga menunjukkan waktu proses yang optimum adalah 120 menit. Penambahan waktu proses yang lebih lama dapat menyebabkan berkurangnya jumlah biodiesel yang diperoleh. Hal ini disebabkan terjadinya reaksi balik pada saat proses transesterifikasi berlangsung. Reaksi transesterifikasi yang terjadi merupakan reaksi antara minyak (trigliserida) dan alkohol menjadi fatty acid methyl ester atau biodiesel dan gliserol menggunakan katalis basa kalium hidroksida. Reaksi transesterifikasi ini merupakan reaksi bolak-balik (reversible) dimana apabila sudah terjadi kesetimbangan, reaksi akan bergeser ke kiri sehingga akan memperkecil jumlah produk yang diperoleh. Leung dkk. (2010) telah melaporkan kecenderungan hasil yang sama.
Pengaruh Jenis Alkohol Pengaruh jenis alkohol terhadap jumlah biodiesel yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar 2. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2, penggunaan metanol menghasilkan perolehan biodiesel yang lebih tinggi dibandingkan dengan penggunaan etanol. Hal ini disebabkan reaktivitas metanol yang lebih tinggi dibandingkan dengan etanol karena metanol memiliki rantai yang lebih pendek. Selain itu, perolehan biodiesel yang lebih tinggi pada penggunaan metanol juga disebabkan oleh proses pemisahan yang lebih mudah dilakukan. Gambar 2 juga menunjukkan pengunaan campuran metanol dan etanol dengan perbandingan volum 1:1 menghasilkan perolehan biodiesel yang sedikit lebih rendah dibandingkan penggunaan metanol, namun, lebih tinggi dari penggunaan etanol. Hal ini memberikan peluang penggunaan campuran metanol dan etanol sebagai sumber alkohol pada proses transesterifikasi karena akan memberikan kelebihan dibandingkan proses yang hanya menggunakan metanol ataupun etanol. Kelebihan penggunaan campuran metanol dan etanol adalah mendapatkan solvent property dari etanol dan konversi kesetimbangan yang tinggi dari metanol (Issariyakul dkk., 2007). Selain itu, pemakaian etanol dapat mengurangi pemakaian bahan sintetis untuk metanol karena etanol dapat dihasilkan dari biomassa yang ketersediannya sangat melimpah.
Gambar 2. Pengaruh jenis alkohol terhadap jumlah biodiesel yang diperoleh Analisis Komposisi Biodiesel Komposisi biodiesel yang diperoleh dari transesterifikasi insitu biji jarak pagar menggunakan kavitasi hidrodinamik dianalisis dengan menggunakan gas kromatografispektrofotometri massa (GC-MS). Hasil analisis rmenunjukkan bahwa produk biodiesel yang diperoleh mengandung 4 (empat) komponen utama dengan alkil oleat sebagai komponen terbesar. Adapun komponen-komponen utama tersebut berturut-turut adalah alkil oleat, alkil linoleat, alkil palmitat dan alkil stearat. Sementara itu, komposisi biodiesel yang dihasilkan pada penggunaan campuran metanol dan etanol sebagai sumber alkohol
menunjukkan komposisi metil ester lebih besar dibandingkan etil ester. Hal ini disebabkan radikal methoxide lebih reaktif dibandingkan radikal ethoxide (Sridharan dan Mathai, 1974). Hasil analisis GC-MS ini juga menunjukkan kesesuaian komposisi produk biodiesel dengan komposisi minyak jarak yang telah dilaporkan oleh beberapa peneliti (Husin dkk., 2011; Liu dkk., 2012). Hak ini membuktikan bahwa biodiesel yang dihasilkan merupakan hasil transesterifikasi minyak jarak. KESIMPULAN Proses transesterifikasi in situ menggunakan kavitasi hidrodinamik untuk produksi biodiesel dari jarak pagar telah dilakukan dalam penelitian ini. Hasil penelitian menunjukkan bahwa waktu proses dan jenis alkohol memberikan pengaruh terhadap jumlah biodiesel yang dihasilkan pada proses transesterifikasi in situ menggunakan kavitasi hidrodinamik. UCAPAN TERIMAKASIH Penelitian ini dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi dan Universitas Syiah Kuala melalui Hibah Bersaing Tahun Anggaran 2013. DAFTAR PUSTAKA Gubitz, G.M., Mittelbach, M.and Trabi, M. 1999. Exploitation of tropical oil seed plant Jatropha curcas L., Bioresource Technology, 67:73-82 Husin, H., Mahidin dan Marwan. 2011. Studi penggunaan katalis abu sabut kelapa sawit, abu tandan sawit dan K2CO3 untuk konversi minyak jarak menjadi biodiesel. Reaktor, 13:254-261 Issariyakul, T., Kulkarni, M.G., Dalai, A.K. and Bakhshi, N.N. 2007. Production of biodiesel from waste fryer grease using mixed methanol/ethanol system, Fuel Processing Technology, 88:429–436 Ji, J., J. Wang, J., Li, Y., Yu, Y. and Xu, Z. 2006. Preparation of biodiesel with the help of ultrasonic and hydrodynamic cavitation. Ultrasonics, 44:e411-e414 Kartika, I.A., Yuliani, S., Ariono, D. dan Sugiarto, 2011. Transesterifikasi in situ biji jarak: Pengaruh kadar air dan ukuran partikel bahan terhadap rendemen dan kualitas biodiesel. Agritech, 31:242-249 Kaul, S., Porwal, J. and Garg, M.O. 2010. Parametric study of Jatropha seeds for biodiesel production by reactive extraction. Journal of the American Oil Chemists' Society, 87:903-908 Kelkar, M.A., Gogate, P.R. and Pandit, A.B. 2008. Intensification of esterification of acids for synthesis of biodiesel using acoustic and hydrodynamic cavitation. Ultrasonics Sonochemistry, 15:188-194 Leung, Y.C., Wu, X. and Leung, H.K. 2010. A Review On Biodiesel Production Using Catalyzed Transesterification. Applied Energy, 87:1083-1095 Liu, Y., Lu, H., Jiang, W., LI, D., Liu, S. and Liang, B. 2012. Biodiesel production from crude Jatropha curcas L. oil with trace acid catalyst. Chinese Journal of Chemical Engineering, 20:740-746
Pal, A., Verma, A., Kachhwaha, S.S. and Maji, S. 2010. Biodiesel production through hydrodynamic cavitation and performance testing. Renewable Energy, 35:619–624 Shuit, S.H., Lee, K.T., Kamaruddin, A.H. and Yusup, S. 2010. Reactive extraction of Jatropha curcas L. seed for production of biodiesel: Process optimization study. Environmental Science and Technology, 44:4361–4367 Sridharan, R., Mathai, I.M. 1974. Transesterification Reactions, Journal of Scientific and Industrial Research, 33:178–187
