III. METODOLOGI PENELITIAN
A. BAHAN DAN ALAT Bahan-bahan dasar yang digunakan dalam penelitian ini adalah biji karet, dan bahan pembantu berupa metanol, HCl dan NaOH teknis. Selain bahan-bahan di atas, bahan-bahan kimia lain juga diperlukan untuk analisis minyak dan biodiesel minyak biji karet, diantaranya toluen, etanol 95 %, larutan KOH 0,1 N, indikator fenoftalein, larutan KOH beralkohol 0,5 N, lautan HCl 0,1 N, indikator pati, kloroform, larutan Wijs, asam asetat glasial, larutan KI, Na2S2O3 0,1 N, dan aquades. Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini diantaranya adalah ekstraktor minyak (pompa hidraulik), neraca analitik, labu leher tiga, termometer, kondensor, sumbat karet, labu pemisah, gelas piala, gelas ukur, Erlenmeyer, kertas saring, corong gelas, pipet Mohr, hot plate stirrer, magnetic stirrer, pendingin tegak, piknometer, cawan porselin, oven, desikator, viskometer Ostwald, perangkat titrasi, dan perangkat gelas lainnya.
B. METODE PENELITIAN Sistematika penelitian ini terdiri atas tiga tahap, yakni (1) Persiapan bahan baku yang meliputi penentuan persentase bagian-bagian biji karet, analisis komposisi kimia daging biji karet, ekstraksi minyak biji karet, dan degumming minyak biji karet; (2) Karakterisasi (analisis) minyak biji karet hasil proses degumming; dan (3) Penelitian utama yang meliputi proses estrans (esterifikasi-transesterifikasi) minyak biji karet menjadi biodiesel, analisis biodiesel hasil proses estrans terpilih, serta perbandingannya dengan standar. Skema tahapan penelitian dapat dilihat pada Gambar 4.
18
BIJI KARET
PENENTUAN PERSENTASE BAGIAN-BAGIAN BIJI KARET
ANALISIS KOMPOSISI KIMIA DAGING BJI KARET TAHAP PERSIAPAN BAHAN BAKU EKSTRAKSI MINYAK BIJI KARET
DEGUMMING MINYAK BIJI KARET HASIL EKSTRAKSI
ANALISIS SIFAT FISIKO-KIMIA MINYAK HASIL PROSES DEGUMNMING
TAHAP KARAKTERISASI MINYAK
PROSES ESTERIFIKASI
PROSES TRANSESTERIFIKASI TAHAP PENELITIAN UTAMA ANALISIS BIODIESEL HASIL PROSES ESTRANS
PERBANDINGAN DENGAN STANDAR BIODIESEL
Gambar 4. Sistematika tahapan penelitian
19 Tahapan Penelitian 1. Persiapan Bahan baku Persiapan
bahan
baku
bertujuan
untuk
mempersiapkan
dan
mengkarakterisasi bahan sebelum digunakan dalam penelitian, yang meliputi penentuan persentase bagian–bagian biji karet, analisis proksimat daging biji karet, ekstraksi minyak biji karet, dan proses degumming minyak biji karet. ¾ Penentuan persentase bagian-bagian biji karet dilakukan dengan memisahkan antara bagian kulit biji dan daging biji karet. Kemudian dilakukan perhitungan persentase antara kedua bagian tersebut (%). ¾ Analisis proksimat daging biji karet yang dilakukan meliputi kadar air, kadar lemak, kadar protein, kadar serat kasar, dan kadar abu. Prosedur analisisnya dapat dilihat pada Lampiran 1. ¾ Ekstraksi minyak biji karet dilakukan dengan mengekstrak biji karet secara mekanis dengan hydraulic press dan dengan bantuan pemanasan. Besarnya tekanan kempa adalah maksimum 20 ton (2,5 Kpa) dan suhu 60 - 70 oC selama pemanasan. Bungkil biji sisa pengempaan diulang kembali pengempaannya sebanyak 1 kali. ¾ Degumming minyak biji karet bertujuan untuk menghilangkan gumgum dan senyawa fosfor yang terdapat di dalam minyak. Caranya adalah mula-mula 400 g minyak biji karet hasil ekstraksi dipanaskan di atas hot plate stirrer hingga mencapai suhu 80 oC sambil terus diaduk dengan magnetic stirrer. Selanjutnya ke dalam minyak tersebut ditambahkan larutan asam fosfat 20 % sebanyak 0,2-0,3 % (v/b) dan diaduk selama 15 menit. Minyak dimasukkan ke dalam labu pemisah dan dicuci dengan air hangat. Pencucian dilakukan secara berulangulang sampai air buangan mencapai pH netral (6-7). Air yang masih tersisa di dalam minyak dihilangkan dengan cara pemanasan sampai suhu minyak 120 oC, lalu minyak dibiarkan hingga dingin pada suhu ruang. Setelah itu, minyak dianalisis sifat fisikokimianya yang akan dilakukan pada tahap berikutnya, yakni pada tahap karakterisasi minyak yang telah di-degumming.
20 2. Karakterisasi Minyak Karakterisasi minyak dalam penelitian ini dilakukan dengan menganalisis minyak biji karet yang telah melalui perlakukan pada tahapan persiapan bahan baku sebelumnya. Sifat-sifat yang dianalisis diantaranya adalah bilangan asam, FFA, viskositas kinematik, densitas, kadar air, bilangan iod, bilangan penyabunan, bilangan ester teoritis, dan bilangan peroksida. Analisis ini dimaksudkan untuk mengetahui sifat awal minyak biji karet sebelum diproses lebih lanjut menjadi biodiesel. Data sekunder mengenai komposisi asam lemak hasil penelitian sebelumnya juga digunakan sebagai rujukan dalam penelitian ini. Prosedur analisisnya dapat dilihat pada Lampiran 2.
3. Penelitian Utama Penelitian utama meliputi proses esterifikasi dan transesterifikasi minyak biji karet untuk membuat biodiesel, analisis biodiesel minyak biji karet hasil proses estrans terpilih, serta perbandingan hasil analisis biodiesel yang terpilih dengan standar. Esterifikasi Reaksi esterifikasi diawali dengan mengisi labu leher tiga dengan 100 gram minyak biji karet, kemudian dipanaskan di atas hot plate stirrer hingga suhu minyak berkisar 55-60 oC. Katalis HCl (perlakuan taraf : 1% dan 2% dari bobot minyak) dilarutkan dalam metanol (perlakuan taraf rasio mol metanol : minyak = 10:1; 15:1; dan 20:1). Penentuan taraf pada rasio molar metanol : minyak didasarkan pada pernyataan oleh Gerpen et al. (2004), bahwa reaksi esterifikasi dengan katalis asam terhadap minyak dengan FFA yang tinggi pada suhu 60 oC memerlukan perbandingan jumlah alkohol : minyak sebesar 20:1. Oleh karena itu, dalam penelitian ini digunakan 3 taraf rasio mol metanol : minyak, yakni 10:1; 15:1; dan 20:1, dimana taraf tertinggi disesuaikan dengan dasar pemikiran yang telah dijelaskan sebelumnya. Penggunaan taraf di bawah rasio mol metanol : minyak (20:1), yakni 10:1 dan 15:1 dimaksudkan untuk mengetahui apakah dengan perbandingan tersebut sudah mampu memperoleh kondisi
21 perlakuan yang terbaik. Setelah metanol dan katalis HCl dicampurkan, kemudian campuran tersebut dimasukkan ke dalam labu leher tiga berisi minyak biji karet, kemudian proses esterifikasi dilakukan selama waktu yang telah ditentukan (perlakuan waktu : 60 menit dan 120 menit). Setelah melalui proses esterifikasi, dilakukan penyaringan produk yang didapat dengan menggunakan kapas untuk menyaring kotoran-kotoran padat yang mungkin terbentuk selama reaksi. Perlakuan yang menghasilkan bilangan asam yang rendah dan memenuhi standar dijadikan sebagai kondisi perlakuan terpilih dan akan dilanjutkan pada reaksi transesterifikasi. Transesterifikasi Perlakuan
terbaik
dari reaksi
esterifikasi
sebelumnya, kemudian
dilanjutkan proses transesterifikasi selama (perlakuan waktu : 30 menit dan 60 menit) dalam kisaran suhu yang sama dengan proses esterifikasi, hanya saja dalam proses transesterifikasi digunakan katalis basa berupa NaOH (0,5 % dari bobot minyak) dan rasio mol metanol dengan minyak (taraf perlakuan 4:1; 6:1; dan 8:1). Seperti halnya pada reaksi esterifikasi, penentuan taraf rasio mol metanol : minyak pada penelitian ini, juga ditentukan berdasarkan pernyataan Gerpen et al, (2004), dimana reaksi transesterifikasi
dapat
berjalan
sempurna
dengan
penggunaan
perbandingan metanol terhadap minyak, yakni 6:1. Penggunaan taraf rasio mol metanol : minyak yang lebih kecil (4:1) dan lebih besar (8:1) dari 6:1, dimaksudkan untuk mengetahui pengaruhnya terhadap parameter yang diukur. Setelah proses transesterifikasi selesai, maka selanjutnya dilakukan proses pencucian biodiesel dengan cara mengendapkannya selama ±12 jam, kemudian dilakukan pemisahan antara gliserol dan metil ester. Selanjutnya metil ester (biodiesel) yang diperoleh dibersihkan dari sisa katalis dengan air yang mengandung asam lemah (CH3COOH), lalu dibilas dengan air hangat sampai air buangan mencapai pH netral (6-7). Diagram alir proses pembuatan biodiesel melalui proses estrans dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 5. Perhitungan jumlah metanol dan katalis yang digunakan untuk proses estrans dapat dilihat pada Lampiran 3.
22 Karakterisasi Biodiesel dan Perbandingannya dengan Standar Biodiesel hasil proses estrans terpilih, selanjutnya dilakukan analisis (karakterisasi). Analisis yang dilakukan diantaranya adalah bilangan asam, FFA, viskositas kinematik pada suhu 40 o C, densitas pada suhu 15 o C, bilangan penyabunan, bilangan ester teoritis, dan titik nyala Kemudian hasil analisis yang diperoleh dibandingkan dengan standar biodiesel. Prosedur analisis biodiesel (metil ester) yang dilakukan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Lampiran 4. Minyak Biji Karet Rasio mol methanol: minyak 10:1; 15:1; 20:1.
Waktu reaksi 60 menit; 120 menit
Pemanasan 55-60 oC
Metanol Esterifikasi 55-60 oC HCl Konsentrasi HCl 1%; 2%
Sisa metanol Pemisahan Air Produk Esterifikasi
Rasio mol methanol: minyak 4:1; 6:1; 8:1.
Pemanasan 55-60 oC
Metanol
Waktu reaksi 30 menit; 60 menit
Transesterifikasi 55-60 oC NaOH 0,5 % minyak
Pemisahan
Gliserol
Biodiesel Kasar Pencucian
Biodiesel Gambar 5. Diagram alir proses pembuatan biodiesel minyak biji karet melalui proses estrans
23 C. RANCANGAN PERCOBAAN Penelitian ini menggunakan beberapa variabel dalam proses pengolahan minyak biji karet menjadi biodiesel melalui proses estrans yang dilakukan. Variabel tersebut dibagi dalam dua tahap reaksi, yakni sebagai berikut : 1. Reaksi Esterifikasi Variabel perlakuan yang digunakan adalah konsentrasi HCl (A) dalam dua taraf, yaitu 1 % (A1) dan 2 % (A2); waktu reaksi (B) dalam dua taraf, yaitu 60 menit (B1) dan 120 menit (B2); dan rasio mol metanol : minyak dalam tiga taraf, yaitu 10 : 1 (C1), 15 : 1 (C2), dan 20 : 1 (C3). Setiap kombinasi perlakuan dilakukan ulangan sebanyak 2 kali. Parameter yang diamati adalah bilangan asam minyak hasil reaksi esterifikasi setelah dicuci dengan air hangat yang mengandung NaHCO3 0,01 %. Tujuan proses esterifikasi yang dilakukan dalam penelitian ini adalah untuk mengetahui kondisi reaksi terpilih yang menghasilkan minyak dengan kandungan asam lemak bebas yang memenuhi standar (maksimal 0,8 mg KOH/ g minyak). Minyak yang dihasilkan dari kondisi terbaik reaksi esterifikasi tersebut, selanjutnya akan digunakan untuk proses transesterifikasi. Analisis lain yang diperlukan adalah densitas dan viskositas kinematik, serta bilangan penyabunan untuk menentukan bilangan ester teoritis. Analisis ini dilakukan pada perlakuan penelitian terpilih. Rancangan penelitian yang digunakan adalah Rancangan Acak Lengkap (RAL) berpola Faktorial. Parameter yang diukur hanya bilangan asam karena tujuan reaksi ini hanya untuk mengetahui bilangan asam yang memenuhi standar yang dihasilkan oleh variabel perlakuan pada penelitian ini. Metode linear aditifnya dapat dilihat sebagai berikut : Yijkl = µ + Ai + Bj + Ck + (AB)ij + (AC)ik + (BC)jk + (ABC)ijk + eijkl Keterangan : Yijkl
: nilai pengamatan (bilangan asam)
µ
: nilai tengah umum
Ai
: pengaruh konsentrasi HCl ke-i
Bj
: pengaruh waktu ke-j
Ck
: pengaruh rasio mol metanol : minyak ke-k
24 (AB)ij
: pengaruh interaksi faktor Ai dan Bj
(AC)ik
: pengaruh interaksi faktor Ai dan Ck
(BC)kl
: pengaruh interaksi faktor Bj dan Ck
(ABC)ijk : pengaruh interaksi faktor Ai , Bj dan Ck eijkl
: galat (kesalahan percobaan)
Berdasarkan model rancangan percobaan yang digunakan, maka jumlah satuan percobaan pada tahap reaksi esterifikasi adalah A x B x C x jumlah ulangan = 2 x 2 x 3 x 2 = 24 satuan percobaan. Hasil analisis sidik ragam dilanjutkan dengan uji jarak beda nyata (Duncan) untuk mengetahui kombinasi perlakuan yang menyebabkan perbedaan nyata dari bilangan asam minyak yang dihasilkan.
2. Reaksi Transesterifikasi Pada proses transesterifikasi digunakan kondisi proses esterifikasi terpilih yang menghasilkan bilangan asam yang memenuhi standar. Variabel yang digunakan adalah waktu reaksi (A) dalam dua taraf, yaitu 30 menit (A1) dan 60 menit (A2); dan rasio mol metanol : minyak (B) dalam dua taraf, yaitu 4 : 1 (B1), 6 : 1 (B2), dan 8 : 1 (C3). Setiap kombinasi perlakuan dilakukan ulangan sebanyak 2 kali. Parameter yang diamati adalah viskositas kinematik, rendemen, dan bilangan asam. Pengukuran viskositas kinematik, rendemen, dan bilangan asam dilakukan pada minyak hasil reaksi transesterifikasi setelah dicuci dengan air hangat yang mengandung CH3COOH 0,01 %. Tujuan proses transesterifikasi dalam penelitian ini adalah untuk mengetahui kondisi terbaik yang menghasilkan metil ester dengan viskositas kinematik dan bilangan asam yang memenuhi standar, serta rendemen yang tinggi. Analisis lain yang diperlukan adalah bilangan penyabunan untuk mengetahui bilangan ester teoritis. Analisis ini dilakukan pada perlakuan penelitian terpilih. Rancangan penelitian yang digunakan adalah Rancangan Acak Lengkap (RAL) berpola Faktorial. Parameter yang diukur adalah viskositas kinematik, rendemen, dan bilangan asam metil ester. Tujuan reaksi ini
25 adalah untuk mengetahui viskositas kinematik, rendemen, dan bilangan asam metil ester yang dihasilkan oleh variabel perlakuan pada penelitian ini. Model linear aditifnya adalah sebagai berikut : Yijkl = µ + Ai + Bj + (AB)ij + eijk Keterangan : Yijkl
: pengamatan (viskositas, rendemen, dan bilangan asam)
µ
: nilai tengah umum
Ai
: pengaruh waktu ke-i
Bj
: pengaruh rasio mol metanol : minyak ke-j
(AB)ij
: pengaruh interaksi faktor Ai dan Bj
eijkl
: galat (kesalahan percobaan)
Berdasarkan model rancangan percobaan yang digunakan, maka jumlah satuan percobaan pada tahap reaksi esterifikasi adalah A x B x jumlah ulangan = 2 x 3 x 2 = 12 satuan percobaan. Hasil analisis sidik ragam dilanjutkan dengan uji jarak beda nyata (Duncan) untuk mengetahui kombinasi perlakuan yang menyebabkan perbedaan nyata dari viskositas kinematik, rendemen, dan bilangan asam metil ester yang dihasilkan.
