Hidrolisis Kondisi Subkritis Air pada Produksi Biodiesel (Argo dan Swastomo)
ANALISIS PENGARUH HIDROLISIS KONDISI SUB KRITIS AIR TERHADAP KANDUNGAN ASAM LEMAK BEBAS PADA PRODUKSI BIODIESEL DENGAN METODE METANOL SUPERKRITIS
The Analysis of Water Sub Critical Hydrolysis Conditions on Content in Fatty Methyl Ester Biodiesel Production by Supercritical Methanol Method 1
2
Bambang Dwi Argo dan Budi Swastomo 1 Jurusan Teknik Pertanian - Fakultas Teknologi Pertanian - Universitas Brawijaya 2 Program Doktor dan Magister Teknik - Fakultas Teknik - Universitas Brawijaya ABSTRACT Biodiesel is an alternative fuel with a fatty acid ester composition made from raw vegetable oils/animal that has characteristics similar to diesel oil. High quality biodiesel fuel from oil/fat had been processed by two-stage supercritical metanol method which consisted of the hydrolysis process by mixing oil and water in sub-critical conditions that generated free fatty acids and glycerol, followed by esterification process that mixed free fatty acids with methanol in supercritical methanol conditions. In this research, hydrolysis of frying oil at sub-critical conditions had been conducted in various conditions. The conditions were the ration of oil to water and hydrolysis time in the reactor chamber at sub-critical condition. Materials used in this research were commercial frying cooking oil and bottled water. The purpose of this study was to find out the effect of hydrolysis at sub-critical condition on free fatty acids content generated in the production of biodiesel using super critical methanol. The results showed that there was an increasing percentage of ALB in the hydrolysis reaction with sub-critical water conditions. The highest and significant ALB was 67.10% that obtained in ratio of water to oil 25:75 and holding time of 20 minutes. Fatty acid produced in super-critical reactor was solid at room temperature and the behavior of this product still required a thermal analysis for designing exhausting pipe from the reactor in order to prevent blockage. Keywords: Biodiesel, hydrolysis, sub-critical, free fatty acids PENDAHULUAN
mengatasi permasalahan penyabunan perlu dilakukan proses esterifikasi lebih dahulu untuk mengkonversi/mengurangi kadar asam lemak bebas (ALB) dan selanjutnya baru dilakukan proses transesterifikasi dengan katalis basa guna mengkonversi trigliserid yang ada menjadi metil ester (biodiesel). Produksi biodiesel menggunakan katalis juga memerlukan waktu yang relatif lama. Penelitian-penelitian untuk mendapatkan proses produksi biodiesel terus dikembangkan seperti penggunaan teknologi ultrasonik, gelombang mikro (microwave), pemanfaatan jenis mikroorganisma, dan teknologi superkritis. Metode superkritis adalah salah satu metode pembuatan biodiesel tanpa
Banyak penelitian telah dilakukan untuk mendapatkan biodiesel dengan menggunakan teknologi konvensional. Teknologi ini dapat memproduksi biodiesel dengan menerapkan reaksi esterifikasi dan transesterifikasi secara simultan. Reaksi kimia ini menggunakan minyak nabati/hewan dan metanol (alkohol), dengan bantuan katalis asam atau basa kuat pada temperatur tertentu serta dilakukan pengadukan. Kelemahan dari penggunaan katalis basa (transesterifikasi) adalah kemungkinan terbentuknya sabun (saponifikasi) yang menghambat proses pemisahan (pemurnian) metil ester (biodiesel) dengan gliserol. Untuk
202
Jurnal Teknologi Pertanian Vol. 11 No. 3 (Desember 2010) 202-209
menggunakan bahan katalis kimia. Metanol superkritis adalah salah satu metode untuk memproduksi biodiesel dengan kualitas yang tinggi, dilakukan pada suhu dan tekanan yang sangat tinggi (superkritis). Metode metanol superkritis memiliki beberapa kelebihan, yaitu a) tidak dipengaruhi oleh kondisi bahan baku, seperti adanya asam lemak bebas yang terkandung dalam bahan yang akan teresterifikasi secara langsung menjadi metil ester, b) tingkat konversi trigliserid menjadi metil ester yang tinggi, c) waktu proses yang lebih singkat, d) tidak dipengaruhi oleh keberadaan air, dan e) biaya pengolahan limbah yang relatif rendah karena tidak ada sabun yang terbentuk. Saka dan Kusdiana (2001) melakukan transesterifikasi minyak lobak (rapeseed oil) dengan metanol subkritis dan superkritis mulai temperatur 200–500C dan diperoleh hasil maksimum metil ester pada temperatur superkritis 350C. Lebih lanjut Saka dan Kusdiana (2004) meneliti pengaruh air terhadap produksi biodiesel (metil ester) dalam proses transesterifikasi trigliserid dan esterifikasi asam lemak dalam metanol superkritis. Pada metode dengan menggunakan katalis, air akan memberikan efek negatif pada biodiesel yang dihasilkan karena akan menghasilkan sabun. Akan tetapi keberadaan air memberikan efek positif jika menggunakan metanol superkritis karena akan mempermudah pemisahan produk yang dihasilkan (biodiesel dan gliserol). Saka dkk (2006) mempelajari produksi bahan bakar biodiesel non katalis dengan teknologi metanol superkritis. Untuk mewujudkan kondisi reaksi yang lebih toleran terhadap tekanan dan temperatur yang tinggi maka dikembangkan dua tahapan proses yang meliputi hidrolisis minyak/lemak dalam air subkritis dan selanjutnya esterifikasi metil asam lemak superkritis metanol. Tahapan pertama (hidrolisis), minyak dan air dicampur direaksikan pada kondisi subkritis air (270C dan 7-20 MPa) menghasilkan asam lemak bebas
(ALB). Setelah hidrolisis, reaksi campuran dipisahkan menjadi fase minyak dan fase air. Fase minyak (bagian atas) adalah asam lemak, sedangkan fase air (bagian bawah) mengandung gliserol. Tahapan kedua fase minyak dicampur dengan metanol dan direaksikan pada kondisi superkritis metanol untuk menghasilkan biodiesel. Berdasarkan hal tersebut, maka perlu dilakukan penelitian pengaruh hidrolisis pada produksi biodiesel dengan metode super kritis metanol. Tahapan pertama pada produksi biodiesel menggunakan metode super kritis metanol adalah hidrolisis yang menghasilkan asam lemak bebas (ALB) dan gliserol, Perumusan masalah dalam penelitian ini menyangkut dua hal yaitu: a) bagaimana pengaruh komposisi air dan minyak goreng terhadap kandungan asam lemak bebas (ALB) pada proses hidrolisis air dan minyak, b) bagaimana pengaruh lama waktu penahanan terhadap kandungan asam lemak bebas (ALB) pada proses hidrolisis air dan minyak. Tujuan penelitian ini adalah mengetahui kandungan asam lemak bebas (ALB) akibat pengaruh hidrolisis pada produksi biodiesel dengan metode superkritis metanol dimana proses hidrolisis berlangsung pada kondisi sub kritis air. METODE PENELITIAN Alat dan Bahan Alat yang digunakan dalam penelitian berupa seperangkat reaktor untuk proses hidrolisis, gelas ukur untuk mengukur volume campuran minyak dan air, serta seperangkat toolkit. Bahan yang digunakan dalam penelitian berupa minyak goreng kemasan dengan merek Bimoli dan air dalam kemasan dengan merek Aqua. Karakteristik fisik dan kimia dari kedua bahan mengacu pada karakteristik bahan yang dieluarkan oleh masing-masing pabrik yang memproduksi
203
Hidrolisis Kondisi Subkritis Air pada Produksi Biodiesel (Argo dan Swastomo)
komposisi antara minyak dan air adalah berdasarkan volume. Komposisi air dan minyak dibagi dua bagian yang pertama komposisi minyak lebih banyak yang kedua air yang lebih banyak. Komposisi campuran meliputi a. Minyak lebih dominan: 5% air : 95% minyak ; 15% air : 8 % minyak ; dan 25% air : 75% minyak. b. Air lebih dominan: 50% air : 50 minyak : 60% air : 40% minyak ; 70%air : 30% minyak. Variabel yang diukur adalah jumlah asam lemak bebas yang dihasilkan dari hasil hidrolisis dengan berbagai konfigurasi.
Gambar 1 Reaktor proses hidrolisis pada kondisi sub-kritis 4 5
6 7
3
HASIL DAN PEMBAHASAN
8 2
9
Kadar Asam Lemak Bebas Dalam penelitian ini, minyak goreng telah dihidrolisis dengan menggunakan air pada tekanan 15–20 MPa dan temperatur 270C. Berdasarkan hasil reaksi hidrolisis minyak goreng dan air pada tekanan 15-20 MPa dan suhu 270C dengan waktu penahanan 10, 20, dan 30 menit maka telah didapatkan data seperti yang ada pada Tabel 1.
1 10
11
12
Keterangan: 1. Heater 2. 3. 4. 5.
Tabung reaktor
8. Tabung penurun
tekanan
Safety valve Pressure gauge
9. Tangki pendingin 10. Stop kran saluran
Stop kran saluran keluar hasil reaksi
11. Stop kran saluran
6. Water mur 7. Sprayer
Pemilihan Perlakuan Terbaik Pemilihan perlakuan terbaik dari hasil proses hidrolisis minyak goreng pada kondisi subkritis dilakukan dengan membandingkan nilai ALB yang didapatkan pada setiap perlakuan. Hasil analisis statistik menunjukkan bahwa proporsi campuran menghasilkan ALB dengan perbedaan yang cukup signifikan sedangkan lama penahanan tidak menghasilkan perbedaan yang signifikan. Pengelompokan pemilihan perlakuan terbaik berdasarkan bahan yang dominan dalam campuran telah dilakukan dalam penelitian ini. Secara keseluruhan kisaran jumlah ALB yang diperoleh berkisar antara 12,75-68,11%.
air hasil reaksi 12. Tangki penampung
hasil reaksi
Gambar 2. Bagian reaktor hidrolisis Metode Penelitian Kondisi sub kritis telah ditetapkan pada temperatur 270C dan tekanan proses 15–20 MPa. Rancangan yang digunakan adalah Rancangan Acak Lengkap dengan dua faktor. Faktor pertama adalah komposisi air dan minyak (6 perlakuan). Faktor kedua adalah waktu penahanan (3 perlakuan), sehingga terdapat 18 kombinasi perlakuan. Perbandingan
204
Jurnal Teknologi Pertanian Vol. 11 No. 3 (Desember 2010) 202-209
Tabel 1. Kadar asam lemak bebas hasil hidrolisis Komposisi Hasil Asam Penahanan No. Minyak Reaksi Lemak Air (menit) (ml) (ml) 10 650 640 1 95 5 20 650 620 30 650 600 10 600 550 2 85 15 20 540 490 30 400 350 10 580 430 3 75 25 20 580 430 30 500 430 10 520 235 4 50 50 20 460 210 30 420 210 10 510 150 5 40 60 20 460 110 30 500 140 10 580 80 6 30 70 20 510 90 30 490 60
Komposisi Campuran Dominan Minyak Komposisi air 5%, 10% dan 15% menunjukan perbedaan hasil yang signifikan (nyata) pada taraf keberartian 5%. Hal ini tampak dari nilai P (probabilitas) sebesar 0,003 lebih kecil dari nilai alfaa (level of significance/taraf keberartian) sebesar 5%. Begitu pula nilai F hitung sebesar 32,03 yang lebih besar dari F tabel sebesar 6,94. Hasil menunjukkan bahwa H0 ditolak untuk faktor proporsi atau komposisi. Ini berarti bahwa faktor komposisi berpengaruh nyata pada nilai ALB (%). Sedangkan pada faktor waktu penahanan terlihat bahwa nilai P sebesar 0,631 yang lebih besar dari nilai alfa sebesar 5% dan nilai F hitung lebih kecil dari F tabel sebesar 6,94. Hasil menunjukkan bahwa H0 diterima untuk faktor waktu penahanan. Ini berarti bahwa Faktor waktu penahanan tidak berpengaruh signifikan terhadap ALB (%). Nilai R-square menunjukkan koefisien determinasi sebesar 94,21% yang berarti bahwa besarnya pengaruh variasi komposisi terhadap variasi ALB
Air (ml) 10 30 50 50 80 100 150 150 70 285 250 240 260 350 360 500 420 430
Cairan Keluar (ml) 90 100 100 100 100 200 120 130 200 150 190 160 170 170 150 120 140 160
Waktu (menit, detik) 57,25 63,30 72,45 58,49 65,25 77,10 70,25 76,30 84,25 77,10 92,01 104,29 74,02 90,08 103,07 68,01 85,40 99,20
ALB (%) 25,36 16,13 20,52 36,63 42,35 43,62 52,49 67,10 65,44 40,10 62,81 40,54 22,68 32,22 48,62 12,75 46,89 68,11
sebesar 94,21%. Adapun sisanya, 5,79% disebabkan oleh faktor lain. Nilai Rsquare (adj) yaitu koefisien determinasi yang distandarkan adalah 88,42%, menunjukkan besarnya nilai koefisien determinasi yang dibakukan. Dari nilai tersebut juga menunjukkan bahwa pengaruh komposisi adalah signifikan terhadap ALB (%). Hasil analisis rata-rata ALB pada masing-masing level dari faktor komposisi ditunjukan pada Tabel 3. Tabel 3. Kadar asam lemak bebas (%) pada perbandingan rerata komposisi air:minyak Komposisi air :minyak Kadar ALB (%) 5:95 20,67a 15:85 40,87b 25:75 61,68c Pada Tabel 3 tampak bahwa ketiga level perlakukan pada faktor komposisi menunjukkan perbedaan yang nyata. Hal ini terlihat dari rata-rata ALB terletak pada interval yang berbeda.
205
Hidrolisis Kondisi Subkritis Air pada Produksi Biodiesel (Argo dan Swastomo)
Tabel 4. Kadar asam lemak bebas (%) pada perbandingan rerata waktu penahanan Waktu Penahanan Kadar ALB (%) (Menit) 10 38,16a 20 41,86a 30 43,19a
Pada Tabel 5 tampak bahwa perbandingan rata-rata perlakuan dari ketiga perlakukan pada komposisi menunjukkan perbedaan yang tidak nyata, hal ini terlihat dari rata-rata ALB pada interval yang hampir sama. Pada Tabel 6 tampak bahwa perbandingan rata-rata perlakuan dari ketiga perlakuan pada waktu penahanan, terlihat adanya interval dengan jarak yang hampir berimpit dan berdekatan. Hal ini menunjukkan bahwa tidak terjadi pengaruh yang signifikan pada perubahan waktu penahanan dengan komposisi yang berbeda.
Hasil analisis rata-rata ALB pada masing-masing level dari faktor waktu menunjukan bahwa perbandingan ratarata ALB pada ketiga level perlakukan untuk faktor waktu penahanan, dan terlihat adanya interval dengan jarak yang hampir berimpit dan berdekatan. Hal ini menunjukkan bahwa tidak terjadi pengaruh yang cukup signifikan pada perubahan waktu penahanan terhadap ALB yang dihasilkan.
Tabel 4. Pengaruh waktu penahanan terhadap kadar asam lemak bebas (%) Waktu Penahanan Kadar ALB (%) (Menit) 10 25,17a 20 47,31a 30 52,42a
Komposisi Campuran Dominan Air. Hasil analisis pada Tabel 5 untuk data komposisi air diatas 50% menunjukkan bahwa baik faktor komposisi dan waktu penahan tidak memberikan pengaruh atau efek yang siginifikan. Hal ini tampak dari nilai P (Probabilitas) sebesar 0,616 dan 0,192 yang lebih besar dari nilai alfa (level of significance) sebesar 0,05. Ini juga diperkuat oleh nilai F hitung dari tabel sebesar 0,55 dan 2,56 yang lebih kecil dari nilai F tabel, serta nilai R square hanya 60,84% dan R square adj sebesar 21,68%. Ini artinya pengaruh baik komposisi dan waktu penahan terhadap ALB tidak signifikan. Hasil ini didukung juga oleh perbandingan rata-rata dari kedua faktor tersebut. Rata-rata tiap komposisi maupun waktu penahan hampir berimpit dan tidak menunjukkan perbedaan.
Analisis Pengaruh Komposisi Air dan Waktu Penahanan terhadap Kadar Asam Lemak Bebas (ALB). Grafik utama (main effect) Gambar 3 menunjukkan pengaruh main effect (efek utama) dari eksperimen, dan terlihat bahwa pengaruh faktor komposisi air sangat signifikan sedangkan faktor waktu tidak menunjukkan pengaruh yang signifikan. Hal ini tampak dari gradien garis efek waktu penahanan yang hampir horisontal. Ini artinya tidak ada perbedaan yang signifikan antara waktu penahanan 10 menit dan 30 menit. Grafik surface plot Pengaruh komposisi campuran air dan minyak pada proses hidrolisis minyakgoreng dan air terhadap kadar asam bebas (ALB) pada Gambar 4, tampak bahwa pengaruh terbesar pada komposisi air sebesar 25% dan minyak 75% dengan nilai rata-rata ALB diatas 60%.
Tabel 5. Kadar asam lemak bebas (%) pada perbandingan rerata komposisi air:minyak Komposisi air :minyak Kadar ALB (%) 50:50 47,82a 60:40 34,51a 70:30 52,42a
206
Jurnal Teknologi Pertanian Vol. 11 No. 3 (Desember 2010) 202-209
PENGARUH KOMPOSISI AIR DAN WAKTU PENAHANAN TERHADAP FFA KOMPOSISI AIR (%)
70
warna hijau tua berangsur berubah ke hijau muda. Warna yang cenderung gelap menunjukkan persen asam lemak bebas (ALB) yang lebih tinggi menandai bahwa komposisi mempunyai pengaruh yang dominan terhadap kadar asam lemak bebas, terutama terjadi pada komposisi air dan minyak sebesar 20% sampai dengan 50%. Pada grafik contour plot waktu penahanan terlihat contour warna tidak banyak mengalami perubahan warna yang dominan baik itu warna terang (hijau muda) mapun warna gelap (hijau tua) hal ini menandakan bahwa waktu penahanan kurang memberikan pengaruh pada perubahan kadar asam lemak bebas (ALB). Dua kondisi di atas menandakan bahwa komposisi sangat berpengaruh terhadap kadar asam lemak bebas (ALB) jika dibandingkan dengan waktu penahanan.
WAKTU PENAHANAN (menit)
Mean of FFA (%)
60 50 40 30 20 10 0
5
15
25
50
60
70
10
20
30
Gambar 3. Efek utama pada komposisi air dan waktu penahanan terhadap ALB Dari data yang ada terlihat bahwa pengaruh terbesar terdapat pada komposisi air 25% dengan waktu penahanan 20 menit. Jadi perlakuan yang paling ideal dalam memberikan efek maksimal pada proses hidrolisis minyak goreng dan air terhadap kadar asam lemak bebas (ALB) adalah pada komposisi 25% air dan waktu penahanan 20 menit. Kesimpulan ini didukung oleh grafik surface plot diatas yang menunjukkan visualisasi tiga dimensi dari pengaruh efek komposisi dan waktu penahanan terhadap ALB PENGARUH KOMPOSISI AIR (%) DAN WAKTU PENAHANAN (menit) (ditunjuk oleh anak TERHADAPpanah). FFA(%)
Contour Plot of FFA (%) vs WAKTU PENAHANAN (menit); KOMPOSISI AIR (%)
WA KTU PENA HA NA N (menit)
30
25
20
15
5
60
10
5 FFA (%)
FFA (%) < 20 20 - 30 30 - 40 40 - 50 50 - 60 > 60
405 20
10
20
30 40 50 KOMPOSISI AIR (%)
60
70
Gambar 5. Grafik contour plot 30
0 0 5
15 25
KOMPOSISI A IR (%)
50 60 70
10
20 WA KT U PENA HA NA N (menit)
SIMPULAN Terdapat pengaruh yang signifikan komposisi air dan minyak goreng terhadap kandungan asam lemak bebas (ALB) pada proses hidrolisis air dan minyak kondisi air sub kritis, pengaruh yang paling signifikan terdapat pada komposisi 25% air dan 75% minyak dengan waktu penahanan 20 menit. Tidak terdapat pengaruh yang signifikan lama waktu penahanan terhadap kandungan asam lemak bebas (ALB) pada proses hidrolisis air dan minyak.
Gambar 4. Surface plot pengaruh komposisi air (%) dan waktu penahanan (menit) terhadap ALB (%) Grafik contour plot Pada Gambar 5 tampak bahwa komposisi air menunjukkan warna contour yang bergerak dari warna hijau muda ke hijau tua disaat komposisi 20 sampai dengan 50% warna paling dominan hijau tua, setelah melewati 50%
207
Hidrolisis Kondisi Subkritis Air pada Produksi Biodiesel (Argo dan Swastomo)
DAFTAR PUSTAKA Saka, S. and D. Kusdiana. 2001. Biodiesel fuel from rapeseed oil as prepared in supercritical methanol. Fuel 80: 225-231 Saka, S. dan D. Kusdiana. 2004. Effects of water on biodiesel fuel production by supercritical metanol treatment. Bioresource Technology 91:289–295 Saka, S. D. Kusdiana, and E. Minami. 2006. Non catalytic biodiesel fuel production with supercritical methanol technologies. Journal of Scientific and Industrial Research 65: 420-425
208
