PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216
Reaksi Transesterifikasi Multitahap-Temperatur tak Seragam untuk Pengurangan Kadar Gliserol Terikat Tirto Prakoso, Tatang H Soerawidjaja dan Dwi Sukarsih Departemen Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesha 10, Bandung 40132 Telp. (022) 2500989 Ext.405 E–mail :
[email protected]
Abstrak Transesterifikasi minyak nabati dengan alkohol berantai pendek untuk menghasilkan biodiesel sebagai ester metil kerap kali diteliti untuk mendapatkan kondisi optimum, yaitu yield besar, konversi tinggi, dan hasil ester metil yang memiliki sifat stabil. Kendala yang biasa dihadapi dalam transterifikasi adalah kadar gliserol terikat diakhir reaksi, meskipun reaksi transesterifikasi minyak nabati dengan methanol memiliki konstanta kesetimbangan yang cukup besar, kendala spesifikasi yang harus dipenuhi sebagai bahan bakar diberbagai standar didunia tidak begitu saja mudah dipenuhi.Transesterifikasi fraksi olein dilakukan dalam dua tahap, yaitu tahap panas (50-60oC) dan tahap dingin menghasilkan ester metil dengan konversi mencapai 99,93%. Jumlah metanol yang direaksikan pada masing-masing tahap divariasikan dengan jumlah metanol total sebesar 1,5 stoikiometri. Katalis yang digunakan adalah KOH sebesar 1,7 %-b minyak. Konversi terbesar diperoleh jika methanol pada tahap pertama 1,1 stoikiometri dan tahap kedua 0,4 stoikiometri. Hasil akhir terbaik diperoleh saat methanol tahap 1 1,2 stoikiometri dan methanol tahap 2 0,3 stoikiometri
Kata kunci :olein; transesterifikasi; biodiesel;gliserol total;gliserol bebas Pendahuluan Transesterifikasi minyak nabati dengan alkohol berantai pendek untuk menghasilkan biodiesel sebagai ester metil kerap kali diteliti untuk mendapatkan kondisi optimum, yaitu yield besar, konversi tinggi, dan hasil ester metil yang memiliki sifat stabil. Kendala yang biasa dihadapi dalam transterifikasi adalah kadar gliserol terikat diakhir reaksi, meskipun reaksi transesterifikasi minyak nabati dengan methanol memiliki konstanta kesetimbangan yang cukup besar, kendala spesifikasi yang harus dipenuhi sebagai bahan bakar diberbagai standar didunia tidak begitu saja mudah dipenuhi. Salah satu spesifikasi yang berkaitan dengan hasil proses reaksi transesterifikasi adalah kadar gliserol terikat pada produk ester metilnya. Pada penelitian sebelumnya (Tirto Prakoso dkk, 2002) telah melakukan reaksi transesterifikasi dua tahap tanpa perbedaan temperatur dan menghasilkan kualitas ester metil yang belum memenuhi standar sebagai bahan bakar. Pemakaian metanol dengan rasio molar metanolminyak yang besar yaitu lebih dari atau sama dengan 6 dan maksimum 30 telah banyak dikenal para peneliti (Fangrui Ma dkk, 1999) untuk menggeser kesetimbangan reaksi kearah produk, tetapi usaha ini sudah tentu menambah beban proses untuk mendaur-ulang metanol berlebih setelah reaksi. Salah satu usaha yang paling mudah adalah menggeser kesetimbangan reaksi lebih kearah produk dengan methanol berlebih, semakin berlebih semakin rendah sisa gliserol terikat. Tindakan ini pada akhirnya biaya memperbesar biaya produksi. Ada cara lain untuk menggeser kesetimbangan selain menambah jumlah methanol, yaitu memisahkan produk samping gliserol dari campuran reaksi. Selain itu, konversi maksimum pada reaksi kesetimbangan dipengaruhi oleh suhu, sehingga untuk transesterifikasi yang merupakan reaksi eksoterm, konversi maksimum pada suhu rendah akan lebih tinggi dibandingkan konversi maksimal pada suhu yang lebih tinggi. Berdasarkan hal-hal tersebut, pada penelitian ini transesterifikasi dilakukan pada dua tahap, dengan pemisahan gliserol diakhir masing-masing tahap sehingga jumlah methanol berlebih yang ditambahkan tidak terlalu banyak, kemudian dilanjutkan dengan melakukan penurunan temperatur
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
B-6-1
pada reaksi tahap kedua. Reaksi tahap pertama dilaksanakan pada suhu (55-600C) agar reaksi berlangsung cepat, sedangkan reaksi tahap kedua dilaksanakan pada suhu kamar (28-300C) agar diperoleh konversi yang tinggi. Percobaan Trigliserida sebagai fraksi olein minyak sawit didapatkan dari pabrik minyak goreng lokal dengan kualitas minyak goreng curah. Minyak ini memiliki bilangan asam 0,49 – 0,59 mg KOH/gr minyak, bilangan penyabunan 199 – 217 mg KOH/gr sampel. Kandungan air didalam minyak dikurangi dengan cara pemanasan biasa pada 500C selama satu jam. Reaksi transesterifikasi trigliserida dan metanol dilakukan pada erlenmeyer yang dilengkapi dengan kondensor refluks dan dipanas oleh pemanas elektrik. Pengadukan dilakukan dengan pengaduk magnet. Peralatan percobaan reaksi transesterifikasi ditunjukan pada gambar 1 dibawah ini.
Refluks Kondensor
Erlenm eyer
Pengaduk m agnetik
Heating plate
Gambar 1. Peralatan untuk percobaan Syarat dari penggunaan metoda ini adalah bilangan asam minyak/lemak kurang dari 1 mg KOH/ gr sampel, dan kandungan air dalam minyak kurang dari 0,3%-b. Minyak yang telah kering di reaksikan dengan metanol menggunakan katalis KOH selama 2 jam. Gliserol yang terbentuk diendapkan lalu dipisahkan. Ester metil dan sisa gliserida direaksikan lebih lanjut dengan sisa methanol pada suhu 28- 30 oC selama 3 jam. Kemudian air ditambahkan untuk membantu mengendapkan gliserol hasil transesterifikasi tahap 2. Jumlah air yang ditambahkan adalah 4%-b minyak. Ester metil kemudian dikeringkan. Ester metil dianalisis kandungan gliserol baik bebas maupun total, bilangan saponifikasi, dan bilangan asam untuk mengetahui kandungan ester (derajat konversi) ester metil. Metoda analisis yang digunakan adalah FBI-A02-03, FBI-A01-03, dan FBIJURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
B-6-2
A03-03 berturut-turut adalah standar analisa gliserol total dan gliserol bebas, angka asam dan bilangan penyabunan. Diagram alir metoda pereaksian ditampilkan pada gambar 2 berikut ini.
Olein Transesterifikasi I T = 55-60 oC t = 2 jam
Pemisahan fasa gliserol
Transesterifikasi II T = 28-30 oC t = 3 jam
Pemisahan fasa gliserol
Pengeringan
KOH + Metanol (I)
Gliserol
KOH + Metanol (II)
Gliserol
Air
Ester metil Gambar 2. Diagram Alir Pembuatan Ester metil
Hasil-hasil percobaan dan pembahasan Percobaan laboratorium Hasil percobaan disajikan pada tabel 1. Konversi yang dihasilkan pada semua tempuhan percobaan sudah melebihi 99,4%, yaitu konversi yang diperoleh jika kandungan gliserol terikat dalam ester metil 0,216%-b. Angka kandungan gliserol terikat ini adalah batas maksimal yang diperbolehkan sebagai bahan baker sesuai dengan standar-standar biodiesel diberbagai negara di dunia. Hal ini menunjukkan bahwa metoda ini bisa diterapkan untuk membuat biodiesel yang memenuhi standar bahan bakar. Hasil percobaan menunjukkan kecenderungan menurunnya konversi seiring dengan menurunnya jumlah metanol yang diumpankan pada tahap 1. Hal ini karena semakin besar methanol berlebih pada tahap 1, kesetimbangan reaksi tahap 1 akan bergeser ke arah pembentukan produk. Pergeseran kesetimbangan ini hanya sampai pada batas konversi maksimal karena reaksi ini bersifat eksoterm. Semakin mendekati konversi maksimal, methanol berlebih kurang berpengaruh dalam mendorong kesetimbangan reaksi. Hal ini menjelaskan penambahan 0,03 stoikiometri metanol dari tempuhan 3 ke tempuhan 2 mampu meningkatkan konversi sebesar 0,04% sedangkan penambahan methanol sebesar 0,1 stoikiometri dari tempuhan 2 ke tempuhan 1 hanya meningkatkan konversi sebesar 0,02%. Karena reaksi transesterifikasi bersifat eksotermal, maka konversi maksimal pada suhu rendah lebih besar dibandingkan pada suhu tinggi. Karena itulah reaksi pada tahap 2 dilaksanakan pada suhu kamar. Jumlah methanol pada tahap 2 yg berlebih akan mendorong reaksi ke kanan. Hal ini menjelaskan konversi pada tempuhan 4 jauh lebih besar daripada tempuhan 1.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
B-6-3
Tabel 1 Kandungan Gliserol Terikat dan Konversi Masing-Masing Tempuhan Tempuhan
1 2 3 4
metanol (stoikiometri) Tahap 1 Tahap 2 1,30 0,20 1,20 0,30 1,17 0,33 1,10 0,40
Gliserol bebas (%-b)
Gliserol total (%-b)
Gliserol terikat (%-b)
Konversi (%-mol)
0.02310 0.01530 0.01020 0.01031
0.0106 0.0531 0.0723 0.0205
0.0175 0.0378 0.0621 0.0102
99.87 99.85 99.81 99.93
Tabel 2 Sifat Fisik dan Kimia Ester metil Tempuhan
1 2 3 4
metanol (stoikiometri) Tahap 1 Tahap 2 1,30 0,20 1,20 0,30 1,17 0,33 1,10 0,40
Spgr (28oC)
Viskositas Kinematik 400C (Cst) 0.0106 0.0531 0.0723 0.0205
0,868 0,868 0,867 0,868
Gliserol total (%-b)
Perubahan setelah diendapkan 2 hari
4,81 4,50 5,27 5,20
Tetap Tetap Tetap Timbul endapan gel
Meskipun tempuhan 1 dan 4 memiliki konversi yang lebih besar dari tempuhan 2, tetapi kedua tempuhan ini memiliki kelemahan, yaitu berubah sifat pada saat penyimpanan (tempuhan 4, tabel 2) dan pemisahan tahap 2 lebih sulit (tempuhan 1) sehingga membutuhkan waktu yang lebih lama dan mengurangi yield. Percobaan skala pilot Percobaan ini dilakukan untuk mensimulasi reaksi transesterifikasi skala laboratorium yang telah didapat pada skala pilot, sehingga pengaruh perubahan hidrodinamika pencampuran terhadap reaksi karena perubahan skala dapat diketahui. Diagram skematik dari reaktor skala pilot ditunjukan oleh gambar 3 berikut ini. M otor listrik Pulipengaduk
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
Sam pling port
Im peler pengaduk
Gambar 3. Diagram skematik reaktor transesterifikasi JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
B-6-4
Reaktor ini berdiameter 40 cm dengan tinggi 70 cm dilengkapi dengan pemanas listrik 1500 watt dan pengaduk berimpeler turbin dengan putaran 300 rpm. Kedua tahap reaksi diselenggarakan pada satu reaktor ini sesuai dengan diagram alir pada gambar 2.Reaksi transesterifikasi yang telah dilaksanakan pada reaktor ini dengan parameter kimia yang sesuai dengan skala laboratorium dan telah dapat menghasilkan kualitas ester metil dengan total gliserol 0,147 %-b dan gliserol bebas 0,009 %-b, sehingga didapat gliserol terikat 0,138 %-b. Hal ini mengindikasikan bahwa angka gliserol terikat kurang dari standar maksimum yang diperbolehkan sebagai bahan bakar yaitu 0,24%-b. Kesimpulan Berdasarkan beberapa tempuhan percobaan yang telah dilakukan pada penelitian dapat diketahui bahwa: 1. Komposisi gliserol terikat dapat ditekan sampai dengan dibawah komposisi maksimum yang diperbolehkan sebagai bahan bakar. 2. Metoda pereaksi dua tahap dengan temperatur tak seragam dapat digunakan untuk menekan jumlah metanol yang diperlukan untuk menghasilkan ester metil yang berkualitas tinggi dan sesuai standar biodiesel/ester metil.
Daftar Pustaka Ma, Fangrui; Hanna, Milford A., (1999), “Biodiesel Production : A Review”, Elsevier Science B.V Tirto Prakoso, and Dwi Sukarsih, (2002) “Esterification and Transesterification of Crude Palm Oil in 50L Circulated Batch Reactor”, Proceeding of Regional Symposium of Chemical Engineer, 2830 October 2002, Kuala Lumpur, Malaysia Tirto Prakoso, (2003) “Utilization of circulated batch reactor for esterification and transesterification of Crude palm oil”, Proceeding of ITSF (Indonesia Toray Science Foundation) Seminar on Science and Technology, 3-4 February 2003, Jakarta, Indonesia FBI-A02-03, (2004), “Analisa Total Gliserol dan Gliserol Bebas”, standar analisa biodiesel Forum Biodiesel Indonesia. FBI-A01-03, (2004), “Analisa Bilangan Asam”, standar analisa biodiesel Forum Biodiesel Indonesia. FBI-A03-03, (2004), “Analisa Bilangan Penyabunan”, standar analisa biodiesel Forum Biodiesel Indonesia.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
B-6-5
