Program Studi Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung (ITB) TK 40Z2 Penelitian
www.che.itb.ac.id
Pembuatan Asam Sebasat dari Minyak Castor Moch. Dwi Subiyantoro 13004018, Sutrisno 13004069 Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung (ITB), Jl. Ganesha 10, Bandung, Indonesia 2 Juni 2008 Abstrak
Tanaman jarak castor (ricinus communis) merupakan salah satu tanaman yang mudah tumbuh di Indonesia dan memiliki potensi yang cukup besar untuk dikembangkan sebagai bahan baku perindustrian di masa depan. Biji tanaman ini dapat diproses menjadi minyak castor dan dapat diproses lebih lanjut menjadi berbagai macam produk, diantaranya adalah sebagai bahan baku pelumas, cat, tinta cetak, industri plastik, foam, obat-obatan, dan lain-lain. Salah satu pemanfaatan dari tanaman castor adalah minyaknya yang dikenal dengan minyak castor. Salah satu produk turunan minyak castor adalah asam sebasat. Dewasa ini, produksi asam sebasat dari minyak castor memberikan perolehan yang kurang memuaskan yaitu antara 16-43% pada operasi tanpa penggunaan katalis. Padahal asam sebasat banyak dibutuhkan dalam berbagai industri kimia, seperti pembuatan plastik, pelumas, resin alkid, deterjen, wetting agents, insektisida, lilin, plasticizers, fungicidal sprays, flavoring agent, bahan baku untuk sintesis muscone dan nilon-12. Untuk itu diperlukan suatu usaha untuk meningkatkan perolehan asam sebasat diantaranya dengan merekayasa kondisi operasi. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan kondisi operasi optimal pada reaksi sintesis asam sebasat dari minyak castor secara partaian melalui pengujian eksperimental dan mengetahui kesulitan-kesulitan yang timbul pada pemrosesannya. Hasil penelitian ini diharapkan dapat menjadi basis untuk optimasi dan pengembangan lebih lanjut produksi asam sebasat secara komersial. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan temperatur dan waktu reaksi dengan perbandingan komposisi berat minyak castor terhadap natrium hidroksida sebesar 2,63. Kata Kunci: Asam sebasat, minyak castor, fusi alkali
1. Pendahuluan Asam sebasat merupakan salah satu bahan kimia yang diperlukan dalam reaksi sintesis industri kimia. Aplikasi industri dengan menggunakan bahan baku asam sebasat antara lain pembuatan plastik, pelumas, resin alkid, deterjen, wetting agents, insektisida, lilin, plasticizers, fungicidal sprays, flavouring agent, bahan baku untuk sintesis muscone dan nilon-12.
Produksi asam sebasat belum diusahakan secara komersial di Indonesia. Sedangkan kebutuhan akan asam sebasat begitu banyak, sehingga diperlukan suatu usaha untuk memproduksi asam sebasat pada skala industri. Bahan baku yang digunakan untuk produksi asam ini adalah dari minyak castor. Minyak castor tersebut diproduksi dari biji Jarak Kaliki (ricinus communis) yang banyak tumbuh di
daerah subtropis dan tropis seperti Indonesia. Pemanfaatan biji jarak ini sebagai bahan baku industri belum banyak dilakukan di Indonesia, melainkan langsung digunakan sebagai komoditi ekspor. Tabel 1 menunjukkan data perkembangan ekspor dan impor minyak castor dan bijinya. Akan tetapi sekarang ini, minyak castor sudah mulai diproduksi dalam skala komersial. Namun pemanfaatannya langsung diekspor berupa minyak kasar dan belum ada usaha untuk meningkatkan nilai tambah dari minyak castor tersebut. Padahal minyak ini apabila diproses lebih lanjut dapat
menghasilkan berbagai macam produk, diantaranya adalah sebagai bahan baku pelumas, minyak cat, tinta cetak, industri plastik, foam, obat-obatan, dan lain-lain. selain biji dari buah jarak, bagian lain yang bermanfaat adalah tangkainya (diambil getahnya), daunnya, dan buahnya yang saat ini umumnya dimanfaatkan sebagai obat-obatan. Oleh karena itu, dalam penelitian ini diupayakan peningkatan nilai tambah minyak castor tersebut dengan mensintesisnya menjadi asam sebasat pada kondisi operasi yang optimum agar hasil yang diperoleh maksimum.
Tabel 1 Perkembangan Ekspor dan Impor Castor Oil dan Bijinya Tahun 1994 1995 1996 1997 1998
Biji castor 256.860 0 5.000 7.500 0
Ekspor (Kg) Castor oil mentah 0 0 0 0 0
Castor oil murni 0 0 0 0 0
Biji castor 0 0 0 0 0
Impor (Kg) Castor oil mentah 0 0 860.223 959.863 571.615
Biji castor 995.280 904.790 0 0 0
Sumber : Statistik Perdagangan Ekspor/Impor Indonesia, BPS
Reaksi sintesis asam sebasat dari minyak castor tersebut menghasilkan produk samping 2-oktanol dan 2oktanon. Untuk itu diperlukan komposisi umpan dan kondisi operasi yang tepat agar diperoleh asam sebasat dengan jumlah maksimum. Permasalahan yang ditemui dalam reaksi tersebut adalah seiring dengan berlangsungnya reaksi terjadi perubahan viskositas pada sistem, sehingga diperlukan pengendalian pengadukan agar reaksi berlangsung optimal. Selain itu, dengan terbentuknya 2-oktanon pemisahannya dengan 2oktanol sukar karena titik didihnya cukup dekat dan tidak tersedia data kesetimbangan uap-cair antara 2-oktanol dan 2-oktanon sehingga tidak bisa dipisahkan dengan distilasi sederhana.
Pemisahan ini harus dilakukan karena 2oktanol juga merupakan bahan kimia yang penting dalam industri kimia. 2. Percobaan Ruang lingkup penelitian ini adalah mencari perolehan asam sebasat maksimum dengan memvariasikan kondisi operasi reaksi alkyl fusion. Perbandingan komposisi berat minyak castor terhadap natrium hidroksida sebesar 2,63. Kondisi operasi yang divariasikan adalah temperatur dan waktu reaksi. Variasi temperatur adalah 300 dan 320oC, sedangkan variasi waktu adalah 2, 3, 4, 5, dan 6 jam. Dalam reaksi tersebut diasumsikan viskositas tidak dipengaruhi temperatur sehingga proses pengadukannya sama pada setiap variasi.
Langkah-langkah percobaan yang akan dilakukan dalam penelitian ini adalah: a. Minyak castor dan NaOH 85% disiapkan masing-masing sebanyak 100 g dan 38g. b. Alat dirangkai seperti pada Gambar 1. c. Bahan tersebut dimasukkan ke dalam reaktor kemudian dipanaskan sampai temperatur 300oC sambil diaduk selama 2 jam. d. Campuran kemudian didistilasi dengan kukus selama 2 jam, dengan produk distilat berupa 2-oktanol dan bottom berupa natrium sebasat. e. H2SO4 50% ditambahkan pada bottom sampai mencapai pH 6.
f.
Air sebanyak 50 ml ditambahkan kemudian dipanaskan sampai temperatur 100oC. g. H2SO4 50% ditambahkan pada campuran tersebut sampai mencapai pH 2 kemudian dikristalisasi untuk mendapatkan asam sebasat. h. Produk asam sebasat ditimbang dan dilakukan pengujian angka asam. Prosedur analisis hasil reaksi dengan angka asam dilakukan dengan mengikuti prosedur standar standar FBI-A01-03 (Metode Analisis Standar Angka Asam Biodiesel Ester Alkil). Metode ini disajikan pada lampiran A.
Gambar 1 Skema Alat Percobaan Percobaan dilakukan dengan beberapa variasi. Variabel operasi yang divatiasikan adalah temperatur dan waktu reaksi. Temperatur divariasikan pada harga 300 dan 320oC, sedangkan waktu reaksi selama 2, 3, 4, 5, dan 6 jam. Kemudian dari data-data tersebut dihitung perolehan asam sebasat dan
dianalisis angka asam untuk menentukan kemurniaannya. 3. Hasil Percobaan Percobaan produksi asam sebasat dari minyak castor telah dilakukan dengan beberapa tempuhan. Pada masing-masing tempuhan percobaan dilakukan
variasi terhadap temperatur dan waktu reaksi. Namun secara keseluruhan dari tempuhan tersebut terjadi beberapa kendala yang dapat menyebabkan reaksi tidak dapat dilangsungkan atau produk yang dihasilkan memiliki perolehan yang rendah. Kendala-kendala tersebut antara lain: a. Terjadinya perubahan viskositas campuran reaksi. b. Tidak terkendalilnya temperatur selama reaksi. c. Pada suhu yang rendah campuran hasil reaksi memadat. d. Pemisahan antara Na2SO4 dengan asam sebasat. Dengan teridentifikasinya kendalakendala tersebut, maka dapat dilakukan upaya-upaya untuk mengatasi dampak yang mempengaruhi reaksi. Hal itu dilakukan dengan mengamati dan menganalisis sifat-sifat fisik dari cairancairan kerja yang digunakan selama proses reaksi berlangsung. Dengan demikian diperoleh solusi-solusi dalam mengatasi permasalahan tersebut antara lain sebagai berikut: a. Menggunakan larutan NaOH yang lebih encer, yaitu sebesar 50%-b. b. Menambahkan senyawa hidrokarbon rantai panjang, seperti pelumas yang inert terhadap reaksi. c. Melakukan kontrol reaksi secara manual dengan melihat kecenderungan perubahan terhadap waktu reaksi. d. Mengolah campuran hasil reaksi dengan air panas terlebih dahulu sebelum di-treatment lebih lanjut. e. Proses pengkristalan asam sebasat dilakukan pada suhu 10oC. Dengan diterapkannya langkahlangkah tersebut terhadap percobaan ternyata dapat mengurangi hambatanhambatan yang ada selama percobaan
berlangsung. Selain itu diperoleh produk yang memiliki kemurnian yang tinggi. Tempuhan percobaan yang berhasil dilakukan untuk memproduksi asam sebasat sebanyak lima kali. Massa minyak castor dan NaOH yang digunakan tiap percobaan masingmasing sebanyak 100 gram dan 38 gram. Data-data perolehan produk sesuai dengan variasinya disajika pada Tabel 4.1. 4. Pembahasan Berdasarkan Tabel 4.1 secara umum dapat diamati bahwa perolehan asam sebasat sebanding dengan lamanya waktu reaksi. Semakin lama waktu reaksi maka massa asam sebasat yang diperoleh semakin besar, begitu juga sebaliknya. Angka perolehan maksimum diperoleh pada run ke-5, yaitu sebesar 12,78%. Angka perolehan ini masih relatif kecil jika dibandingkan dengan perolehan asam sebasat dari literatur, yaitu lebih besar dari 40% (seperti yang tertera di Bab II). Uraian lebih rinci mengenai hasil percobaan di atas berikut kendala yang dihadapi akan dijelaskan melalui pemaparan berikut ini. Dengan hasil percobaan tersebut terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan terkait dengan kendalakendala yang dihadapi selama reaksi diatas. Kendala-kendala tersebut perlu dieliminasi dampaknya terhadap proses agar reaksi dapat berlangsung sesuai dengan kondisi operasi yang diinginkan, kontak antar reaktan dapat berlangsung, dan diperoleh produk asam sebasat yang memiliki perolehan dan kemurnian yang tinggi. Berikut ini akan diuraikan tentang kendala-kendala tersebut.
Tabel 4.1 Data-Data Perolehan Asam Sebasat Run 1 2 3 4 5
Waktu Reaksi (jam) 2 2 1 2 3
Temperatur (oC) 300 250 300 300 300
Pelumas tanpa ya ya ya ya
a. Terjadinya perubahan viskositas campuran reaksi. Pada awal percobaan digunakan larutan NaOH 85% namun kontak yang terjadi antara NaOH dengan minyak castor tidak dapat berlangsung dengan sempurna. Sehingga pada akhirnya konversi reaksinya rendah dan perolehan asam sebasatnya pun rendah juga. Oleh karena itu digunakan larutan NaOH 50% sehingga diharapkan dapat meningkatkan intensitas kontak antara kedua reaktan tersebut. Namun penggunaan larutan tersebut tetap tidak dapat mengurangi efek pembentukan busa yang terjadi bahkan meningkat sehingga viskositas campuran meningkat. Viskositas campuran reaksi berubah selama beberapa saat reaksi berlangsung. Pada awal reaksi viskositas campuran akan naik dan selama beberapa saat akan kembali turun. Viskositas campuran tersebut naik disebabkan terjadinya reaksi penyabunan antara minyak castor dengan larutan NaOH. Selama proses tersebut terbentuk busa sebagai akibat dari kontak antara air dengan sabun hasil reaksi. Untuk mengatasi hal tersebut, maka ditambahkan pelumas yang inert terhadap NaOH. Dengan penambahan pelumas tersebut ternyata efektif mengurangi kenaikan viskositas campuran reaksi.
Massa Asam sebasat (gram) 0,62 1 1,78 2,82 12,78
Angka Asam 161 152 220 112 220
Perolehan (%) 0,62 1 1,78 2,82 12,78
b. Tidak terkendalinya temperatur selama reaksi. Temperatur operasi merupakan variabel yang sangat berpengaruh terhadap keberhasilan reaksi, yaitu mempengaruhi besarnya konversi dan perolehan produk. Untuk itu pengendalian temperatur yang baik sangat mempengaruhi keberhasilan operasi. Namun pada percobaan ini temperatur reaksi sulit untuk dikendalikan. Peningkatan temperatur reaksi secara drastis terjadi pada saat awal-awal reaksi, yaitu pada interval temperatur 100-250oC. Sedangkan penurunan temperatur reaksi terjadi setelah beberapa saat temperatur reaksi mencapai temperatur 300 oC. Sehingga dari fenomena tersebut, disimpulkan hipotesis mengenai kondisi reaksi pembuatan asam sebasat tersebut sebagai berikut: i. Mekanisme reaksi yang berlangsung terdiri dari dua tahapan reaksi, yaitu reaksi penyabunan dan reaksi pembentukan natrium sebasat. ii. Reaksi penyabunan berlangsung secara eksotermik sedangkan reaksi pembentukan natrium sebasat berlangsung secara endotermik. Jadi untuk mengendalikan temperatur reaksi tersebut diperlukan kecermatan dalam menentukan
tahapan reaksi, yaitu apakah masih berlangsung di tahap yang pertama atau tahap kedua. Untuk itu dalam pengendalian temperatur perlu dikorelasikan antara waktu dan temperatur. c. Pada suhu yang rendah campuran hasil reaksi memadat. Setelah dicapai waktu reaksi yang diinginkan, maka reaksi dihentikan dengan cara mendinginkan reaksi sampai temperatur 200oC dan dilakukan distilasi untuk memisahkan produk atas berupa 2-oktanol dan produk bawah yang mengandung natrium sebasat. Setelah distilasi selesai dilakukan, maka produk bawah pun didinginkan kembali agar dapat direaksikan dengan asam sulfat. Namun pada temperatur yang rendah (dalam hal ini temperatur kamar) produk bawah tersebut mengalami pembekuan. Proses pembekuan tersebut diperkirakan disebabkan oleh banyaknya kandungan senyawa hidrokarbon jenuh dalam produk bawah. Senyawa hidrokarbon jenuh tersebut berasal dari kandungan minyak castor yang tidak bereaksi karena yang bereaksi merupakan komponen asam risinoleat (oleum ricini) yang memiliki kandungan terbesar pada minyak castor. Selain itu senyawa tersebut juga diperkirakan berasal dari reaksi samping pemutusan ikatan (cracking) natrium sebasat. Sehingga untuk mendapatkan natrium sebasat terlebih dahulu dilakukan ekstraksi padatan natrium sebasat dengan air panas pada temperatur didihnya (100oC). Setelah terbentuk dua fasa, maka fasa air yang kaya dengan natrium sebasat dipisahkan dari fasa minyaknya. Selanjutnya
natrium sebasat tersebut direaksikan dengan asam sulfat untuk menghasilkan asam sebasat. d. Pemisahan antara Na2SO4 dengan asam sebasat. Kemurnian merupakan salah satu persyaratan yang harus ada dalam spesifikasi produk dan juga harus dipenuhi pada batas tertentu agar produk tersebut dapat dijual di pasaran. Oleh karena itu kemurnian asam sebasat sebagai produk utama mendapat prioritas utama. Pengotorpengotor yang mungkin terdapat dalam asam sebasat adalah natrium sulfat (Na2SO4). Zat tersebut merupakan produk samping reaksi natrium sebasat dengan asam sulfat untuk menghasilkan asam sebasat. Baik asam sebasat maupun natrium sulfat sama-sama memiliki kelarutan yang tinggi dalam air pada temperatur kamar sehingga tidak bisa dipisahkan melalui dekantasi. Berdasarkan studi literatur terhadap sifat-sifat fisik dan kimia asam sebasat dengan natrium sulfat, diperoleh hasil bahwa terdapat perbedaan kelarutan yang sangat signifikan pada kedua zat tersebut pada temperatur rendah. Asam sebasat dapat mengkristal dan mengendap pada temperatur di bawah 10oC sedangkan natrium sulfat masih larut dalam air. Jadi pemisahan antara kedua zat tersebut dapat dilakukan dengan cara kristalisasi asam sebasat yang dilanjutkan dengan proses filtrasi. Jadi dalam percobaan ini didapatkan prosedur percobaan secara rinci sebagai berikut: a. Disiapkan NaOH, minyak castor, dan pelumas inert masing-masing
sebanyak 38 g, 100 g, dan 10 mL. b. NaOH dilarutkan dalam air sampai konsentrasi 50%-b. c. Peralatan yang terdiri dari reaktor yang dilengkapi dengan pengaduk dan termometer, kondensor, dan pemanas dirangkai.
d. Minyak castor, NaOH 50%, dan pelumas inert dimasukkan ke dalam reaktor, lalu dipanaskan sampai temperatur 300oC. e. Setelah temperatur mencapai 300oC, campuran direaksikan selama 2 jam.
Gambar 2 Diagram alir prosedur pembuatan asam sebasat yang lebih rinci
f. Dilakukan pemisahan campuran sehingga diperoleh 2-oktanol sebagai produk atas distilasi dan residu (cake). g. Cake dimasukkan ke dalam gelas kimia yang berisi air sebanyak 200 mL, lalu dipanaskan sambil diaduk sampai larut. h. Larutan dinetralkan dengan asam sulfat sampai pH-nya mencapai 6. i. Residu yang terdiri dari dua fasa, lapisan atas berupa minyak dan lapisan bawah berupa larutan, dipisahkan dengan menggunakan corong pisah. j. Minyak tersebut dicampur dengan air dan dipanaskan sampai temperatur 100oC untuk menjumput (recovery) asam sebasat yang terkandung dalam minyak tersebut. k. Larutan hasil recovery tersebut dicampur dengan fasa bawah residu kemudian diasamkan dengan asam sulfat hingga pHnya mencapai 2. l. Larutan dikristalisasi untuk mendapatkan padatan asam sebasat pada temperatur 10oC. m. Kristal padatan yang terbentuk dikeringkan dengan oven sampai tidak ada kandungan air yang tersisa. Prosedur di atas dapat disajikan dalam diagram alir seperti yang tertera pada Gambar 2. 5. Kesimpulan Asam sebasat dapat diproduksi dari minyak castor melalui reaksi alkali fusi. Selama proses diidentifikasi beberapa kendala yang dapat menghambat reaksi sehingga mengurangi perolehan produk. Kendala-kendala tersebut antara lain terjadinya perubahan viskositas
campuran reaksi, tidak terkendalinya temperatur selama reaksi, pada suhu yang rendah campuran hasil reaksi memadat, dan pemisahan produk samping Na2SO4 dari asam sebasat. Kemudian dari kendala-kendala tersebut dianalisis penyebab-penyebabnya tersebut dan diformulasikan solusi-solusi yang dapat mengatasinya. Ucapan Terima Kasih Ungkapan terima kasih penyusun sampaikan kepada Dr. Tirto Prakoso yang telah membimbing Kami dalam menyelesaikan penelitian ini serta semua pihak yang telah membantu kelancaran penelitian ini. Daftar Pustaka Anonim, “Material Safety Data Sheet”, www.ptcl.chem.ox.ac.uk/MSDS/to xicity_abbreviations, 2004. Anonim, “Sebasic Acid”,www.EnviromentallyChemis try.com, 2007. Anonim, “The Price of Castor Oil”, www.ebargainhunt.com/Merchant2/ merchant, 2007. Encyclopedia of Chemical Technology Volume 4, Raymond E., 1964, 524533. Firdaus, Ihwan, “Analisis Investasi Jarak”, PT.Nawapanca Adhi Cipta, Jurnal Ilmiah, www.migas.com, 2004. Gilman, H., dkk, “Organic Syntheses”, John Wiley and Sons, New York, 1946, 366-370. Kudchadker, A., dkk., “Castor Oil Cracking Products”. Laura,; Wulandari, W., Penulisan Laporan dan Seminar S1 Teknik Kimia, ITB, 2005. Logan, R.;Udeshl, S., “Method for Preparing Sebasic Acid and 2-
Octanol”, US Patent 6 392 074 B1, 2002. PPE, Deperindag.,”Laporan Akhir Pembuatan Master Plan Industri Derivat Castor Oil”, Lembaga Penelitian ITB, Bandung, 2001. SBP Board of Consultans and Engineers, “SBP Handbook of Oil Seeds, Oils, Fats, and Derivatives”,SBP Publication Division, Delhi, 1998, 40-45 dan 361-362.
