Perancangan proses pembuatan pelumas dasar sintesis dari minyak jarak pagar (Jatropha curcas L.) melalui modifikasi kimiawi

PERANCANGAN PROSES PEMBUATAN

PELUMAS DASAR SINTETIS DARI MINYAK JARAK

PAGAR (Jatropha curcas L.) MELALUI MODIFIKASI

KIMIAWI

Ratri Ariatmi Nugrahani

SEKOLAH PASCA SARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2008

PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN

SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Perancangan Proses Pembuatan Pelumas Dasar Sintetis dari Minyak Jarak Pagar (Jatropha curcas L.) melalui Modifikasi Kimiawi adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.

Bogor, Juni 2008

Ratri Ariatmi Nugrahani

ABSTRACT

RATRI ARIATMI NUGRAHANI. Process Design for the Production of Synthetic Lubricant Base Fluid from Chemically Modified Jatropha curcas L. Oil. Under direction of DJUMALI MANGUNWIDJAJA, ANI SURYANI, MACHFUD, and R. SUDRADJAT.

At present, the demand of the mineral oil has increased, but the supply has decreased. This condition has pushed the production of synthetic lubricant from vegetable oil as base fluid. Although the price of vegetable oil – lubricant base fluid are more expensive than mineral oil but vegetable oil are renewable raw materials that possess certain excellent frictional properties e.g. good lubricity, low volatility, high viscosity index, solvency for lubricant additives, and easy miscibility with other fluids, etc. Some uses of vegetable oil in the lubricant application are as synthetic additive, transmission fluid, two-stroke engine oil, hydraulic fluid and grease. The consumption of vegetable oil for lubricant are 8 million kilograms per year. The large markets are engine oil, gear oil, hydraulic fluid and industrial fluid.

Synthetic lubricant base fluid was prepared by chemical modification of Jatropha curcas oil. The result of the research were parameters for process design of modification Jatropha curcas oil as base fluid, so it could be used for selected equipment in the commercial scale, modeling, simulation, and financial analysis. The objective of this research gained design process, reaction kinetic parameters and thermodynamic parameters, product with characteristics that were desired, product with good oxidation stability, the good performance of synthetic lubricant for automotive machine, so proved that the process to be technically feasible and gained the optimum production capacity for minimum total cost and analyze the financial of production base fluid at optimum capacity, so proved that the process to be financially feasible.

The result of physical-chemical properties analysis described that Jatropha curcas oil was compatible for lubricant base fluid, but it must be modified to increase their performances. Lubricant base fluid from Jatropha curcas oil would be applied for automotive.

The selection of process route by heuristic rule was based on some consideration. In this research, the route of process was carried out by in situ epoxydation, hydroxylation of epoxidized curcas oil with alcohol (methyl alcohol) and heterogenous catalyst, acetylation of polyol used acetic acid anhydride and heterogenous catalyst.

The result of canonical analysis used Response Surface Method showed that the optimum oxyrane number (maximum) was 5.1%, at temperature of 70° C, sulfuric acid catalyst concentration 1%(w/w), and mol ratio of reactants of 1:5.9. The rate constant and reaction rate model for epoxydation of curcas oil was found i.e.k =4.32.107e(−23.45/RT)l/mol.second and rE =4.32.107e(−23.45/RT)(C_B0 −C_E). Activation energy (E) for epoxydation was found i.e 23.44 kcal/mol. Thermodynamic parameters such as entalphy (ΔHR) for epoxydation was 23.44 kcal / mol.

The result of canonic analysis used Response Surface Method showed that the optimum oxyrane number (minimum) was 0.77%, at temperature of 60° C, bentonite (catalyst) concentration of 1.5% (w/w), dan mol ratio of reactants of 1:13. The rate constant and reaction rate model for hydroxylation of epoxidised curcas oil was found i.e

) / 10.69 ( 0.93 ' RT e

k = − l/mol second and RT _E

C e

rE =0.93 (−10.69/ ) , respectively. Activation energy (E) for hydroxylation of epoxy was found i.e 10.69 kcal/gmol. Thermodynamic parameters such as entalphy (ΔHR) for hydroxylation was found i.e 10.01 kcal / mol

The acetylation to polyol curcas oil used acetic acid anhydride was carried out with ratio of reactants of 10 : 1 (v/v), bentonite (catalyst) concentration of 2 % (w/w), and temperature of 90° C. Activation energy (E) for acetylation of polyol was found i.e -1.4122 kcal/mol. The rate constant and reaction rate model for esterification of polyol curcas oil was found i.e ' 0.54 (1412.20/RT)

e

k = l/molsecond and RT _P

P e C

r =0.54 (1412.203/ ) , respectively. Thermodynamic parameters such as entalphy (ΔHR) was found i.e 0.6909

kcal/gmol.

The result of physical-chemical characterization to acetylated polyol showed that modified jatropha curcas oil, improved physical and chemical properties as lubricant base fluid, so subtituted mineral base fluid. Performance test to the oxydation stability of based fluid showed that the change of viscosity and acid number acetylated polyol was less than curcas oil, epoxy, and polyol. The result of modified jatropha curcas oil lubricant based fluid and commersial lubricant formula show that the change of metal content at ratio acetylated polyol : commersial lubricant = 1 : 4 and used time 100 hour was at least.

The optimization of production capacity to minimum production cost was carried out by numerical method, and the result of optimimum production was 167.281 ton/year. The result of financial analysis for the production of lubricant based fluid at optimum capacity was NPV of Rp 1 518 271 684.81,-, IRR of 25.09%, PBP of 3.62 year, and Net B/C of 1.36. On the basis of financial calculation, sensitivity analysis was carried out. Prices of product and material were found to be the most significant factors affecting the financial viability.

Process design for the production of synthetic lubricant base fluid through chemically modified Jatropha curcas L. Oil i.e. epoxydation, hydroxylation, and esterification and used the suitable equipment at optimum capacity proved to be technically feasible and had financial feasibility.

Keywords: design process, lubricant base fluid, jatropha curcas oil, epoxy, polyol, and acetylation.

RINGKASAN

RATRI ARIATMI NUGRAHANI. Perancangan Proses Pembuatan Pelumas Dasar Sintetis dari Minyak Jarak Pagar (Jatropha Curcas L.) melalui Modifikasi Kimiawi. Dibimbing oleh DJUMALI MANGUNWIDJAJA, ANI SURYANI, MACHFUD, dan R. SUDRADJAT.

Saat ini kebutuhan minyak bumi meningkat, sedangkan persediaannya makin menipis. Keadaan ini memacu produksi pelumas sintetis dari minyak nabati sebagai bahan dasar alternatif dalam pembuatan pelumas. Meskipun harga pelumas dasar nabati ini lebih mahal daripada minyak mineral, namun minyak ini merupakan bahan terbarukan yang mempunyai sifat friksi yang unggul, sebagai contoh, pelumasan baik, volatilitas rendah, indek viskositas tinggi, kelarutan untuk aditif pelumas tinggi, dan mudah larut dalam fluida lain. Beberapa kegunaan minyak nabati di dalam aplikasi pelumas yaitu sebagai aditif minyak sintetis, fluida transmisi, minyak motor 2 tak, minyak hidraulik, dan gemuk. Konsumsi minyak nabati untuk pelumas adalah sebesar 8 juta kilogram per tahun. Pasar terbesar adalah pelumas mesin, pelumas roda otomotif, mesin hidraulik dan mesin industri.

Pelumas dasar sintetis dibuat dengan memodifikasi minyak jarak pagar secara kimiawi. Hasil dari penelitian ini adalah parameter-parameter untuk perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar, sehingga dapat digunakan untuk memilih peralatan pada skala komersial, pemodelan dan simulasi, serta analisis finansial. Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan rancangan proses, parameter kinetika reaksi dan termodinamika pada proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar, produk dengan karakterisasi yang diinginkan dan evaluasi kinerja ketahanan terhadap oksidasi pelumas dasar & formula pelumassintetis pada mesin otomotif, sehingga didapatkan kelayakan rancangan proses secara teknis, selanjutnya dilakukan optimasi kapasitas produksi untuk mendapatkan total biaya minimum, dan analisis kelayakan finansial produksi pelumas dasar pada skala optimum tersebut untuk mendapatkan kelayakan rancangan proses secara finansial.

Hasil analisis sifat fisik dan kimia menyatakan bahwa minyak jarak pagar memenuhi persyaratan sebagai pelumas dasar, tetapi masih perlu modifikasi untuk memperbaiki kemampuannya. Pelumas dasar minyak jarak pagar ini akan diaplikasikan pada kendaraan bermotor.

Pemilihan jalur proses dengan aturan heuristik didasarkan pada beberapa pertimbangan. Pada penelitian ini dilakukan sintesis dengan jalur prosespembuatan epoksi secara in situ, hidroksilasi terhadap epoksi menggunakan alkohol (metanol) dengan katalis padat, asetilasi terhadap poliol, menggunakan asam asetat anhidrat dengan katalis padat.

Hasil analisis dengan menggunakan metoda respon permukaan menunjukkan nilai oksiran optimum (maksimum) adalah 5.1 % yang terjadi pada suhu reaksi 70° C, konsentrasi katalis asam sulfat pekat 1% w/w, dan nisbah mol pereaksi 1 : 5.9. Tetapan dan model laju reaksi epoksidasi adalah: _k = 4.32.107_e(−23.45/RT) _{l/mol detik dan}

) ( 10 . 32 .

4 7 ( 23.45/RT) _{B0 E}

C C e

adalah sebesar 23.45 kkal/mol. Parameter termodinamika seperti entalpi reaksi (ΔHR)

adalah sebesar 23.44 kkal / gmol.

Hasil analisis kanonik dengan metoda respon permukaaan menunjukkan nilai bilangan oksiran optimum (minimum) adalah 0.77% yang terjadi pada suhu reaksi 60°C, konsentrasi katalis bentonit 1.5% (w/w), dan nisbah mol pereaksi 1:13. Tetapan dan model laju reaksi hidroksilasi terhadap epoksi adalah ' 0.93 ( 10.69/RT)

e

k = − l/mol detik;

E RT

C e

rE =0.93 (−10.69/ ) ; Energi aktivasi hidroksilasi adalah 10.69 kkal/gmol. Parameter termodinamika yaitu entalpi reaksi (ΔHR) adalah sebesar 10.01kkal / mol

Proses asetilasi poliol minyak jarak pagar dengan menggunakan asam asetat anhidrat, dilakukan pada nisbah volume poliol : asam asetat anhidrat = 10 : 1, konsentrasi katalis bentonit 2 % (w/w), waktu reaksi total 40 menit dengan suhu 90° C. Hasil perhitungan energi aktivasi (E) adalah sebesar 1.41 kkal / gmol. Persamaan tetapan dan model laju reaksi asetilasi terhadap poliol minyak jarak pagar adalah

) / 41220 . 1 ( 54 . 0 ' RT e

k = l/mol detik, RT _P

P e C

r =0.54 (1.412.20/ ) . Harga entalpi reaksi (ΔHR)

adalah 0.69 kkal/gmol.

Hasil karakterisasi sifat fisik dan kimia terhadap hasil asetilasi poliol, menunjukkan bahwa modifikasi minyak jarak pagar memperbaiki sifat fisik dan kimia sebagai pelumas dasar, sehingga dapat digunakan untuk mensubstitusi pelumas dasar mineral. Hasil pengujian kinerja pelumas dasar terhadap kestabilan oksidasi menunjukkan bahwa perubahan viskositas dan bilangan asam poliolester terendah dibandingkan dengan yang lainnya (minyak jarak pagar, epoksi, dan poliol). Hasil pengujian kinerja formulasi pelumas dasar dengan pelumas komersial, menunjukkan bahwa besarnya perubahan kandungan logam pada komposisi campuran poliol terasetilasi : pelumas komersial = 1 : 4 dengan waktu pemakaian 100 jam rendah.

Optimasi kapasitas produksi untuk mendapatkan biaya produksi minimum dilakukan dengan metoda numeris, dan hasil optimasi menunjukkan kapasitas produksi optimum adalah sebesar 167.281 ton/tahun. Hasil analisis finansial NPV produksi pelumas dasar pada kapasitas optimum adalah Rp Rp 1 518 271 684.81,-, IRR 25.09%, PBP 3.62 tahun, dan Net B/C 1.36. Berdasarkan pada perhitungan finansial, dilakukan analisis sensitivitas sehingga dihasilkan bahwa harga bahan pembantu dan harga jual produk merupakan faktor yang sangat berpengaruh terhadap kelayakan finansial.

Perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar menjadi pelumas dasar sintetis melalui jalur proses epoksidasi, hidroksilasi, dan esterifikasi dengan menggunakan rangkaian alat yang sesuai pada kapasitas optimum, dinyatakan layak secara teknis dan finansial.

Kata kunci : perancangan proses, pelumas dasar, minyak jarak pagar, epoksi, poliol, asetilasi.

©

Hak cipta milik IPB, tahun 2008

Hak cipta dilindungi

1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber

a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah

b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau

PERANCANGAN PROSES PEMBUATAN

PELUMAS DASAR SINTETIS DARI MINYAK JARAK

PAGAR (Jatropha curcas L.) MELALUI MODIFIKASI

KIMIAWI

Ratri Ariatmi Nugrahani

Disertasi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor

Pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian

SEKOLAH PASCA SARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2008

Judul Disertasi : Perancangan Proses Pembuatan Pelumas Dasar Sintetis dari Minyak Jarak Pagar (Jatropha curcas L.) melalui Modifikasi Kimiawi

Nama : Ratri Ariatmi Nugrahani

NIM : F361040161

Program Studi : Teknologi Industri Pertanian

Disetujui, Komisi Pembimbing

Prof. Dr. Djumali Mangunwidjaja, DEA Dr. Ir. Ani Suryani, DEA

Ketua Anggota

Dr. Ir. Machfud, MS. Prof. Riset. Dr. R. Sudradjat MSc

Anggota Anggota

Diketahui,

Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana

Teknologi Industri Pertanian

Dr. Ir. Irawadi Jamaran Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS Tanggal Ujian : 16- Juli-2008 Tanggal Lulus :

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga Disertasi yang berjudul Perancangan Proses Pembuatan Pelumas Dasar Sintetis dari Minyak Jarak Pagar (Jatropha curcas L.) melalui Modifikasi Kimiawi ini berhasil diselesaikan. Selama menyelesaikan penelitian dan penulisan disertasi ini penulis mendapatkan bantuan dari berbagai pihak, sehingga dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. Dr. Djumali Mangunwidjaja, DEA., selaku Ketua Komisi Pembimbing, Prof. Riset. Dr. R. Sudradjat, Dr. Ir. Ani Suryani, DEA. dan Dr. Ir. Machfud, MS. selaku anggota Komisi Pembimbing atas bimbingan, saran dan kritik. Pak Nandang dan Pak Katmono, laboran dan teknisi laboratorium Kimia Universitas Jayabaya, yang telah membantu penelitian di laboratorium. Rekan-rekan di TIP yang membantu penyelesaian penelitian ini. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada suami, anak-anakku tercinta, ibu, bapak, kakak dan adik atas semua bantuan material maupun spiritual, pengorbanan, doa, dan kasih sayangnya.

Semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi perkembangan industri hilir jarak pagar di Indonesia.

Bogor, Juli 2008

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Yogyakarta pada tanggal 30-April-1969, sebagai anak kedua dari tiga bersaudara pasangan Mayjen TNI (Purn). Ir. Suratman, MBA dan dr. Ridarasmi Suratman. Menikah dengan Drs. Prastyo Wasis Prabowo, Akt, MM., penulis dikaruniai dua orang putri yakni Nurin Amalia Pramudani (13) dan Nadira Riska Maulina (11).

Penulis menempuh pendidikan dasar hingga sarjana di Yogyakarta. Setelah lulus dari SMAN I Yogyakarta pada tahun 1987, penulis melanjutkan pendidikan di Teknik Kimia UGM, Yogyakarta. Penulis lulus dari Teknik Kimia tahun 1992, 1993 penulis bekerja di Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Jayabaya, Jakarta. Pada tahun 1998 penulis melanjutkan sekolah S2 pada jurusan Teknik Kimia,

Universitas Indonesia, Jakarta, dengan beasiswa BPPS. Selanjutnya pada tahun 2004 penulis memperoleh kesempatan untuk melanjutkan pendidikan dengan beasiswa BPPS (On going) pada Program Doktor Teknologi Industri Pertanian, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor.

Pada tahun 1994-2006 penulis diberi amanah untuk menjadi Kepala Laboratorium Kimia Fisika dan bulan November 2006 sampai dengan April 2007, penulis diberi kesempatan untuk menjadi Pembantu Dekan II, di Fakultas Teknologi Industri, Universitas Jayabaya, Jakarta.

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR TABEL ……… xv

DAFTAR GAMBAR ……… xviii

DAFTAR LAMPIRAN ... xxii

PENDAHULUAN…………...……….. 1

Latar Belakang………... 1

Tujuan Penelitian………... 4

Ruang Lingkup………... 4

TINJAUAN PUSTAKA………... 6

Tanaman Jarak Pagar………... 6

Minyak Jarak Pagar…....………... 9

Pelumas ...………... 11

Beberapa penelitian proses pembuatan oleokimia sebagai pelumas dasar... 15

Standar Pelumas... 22

Dampak Minyak Pelumas Nabati terhadap lingkungan ………... 24

Epoksidasi... 25

Perancangan Proses... 29

Sintesis... 32

Analisis dan Pemodelan... 33

Optimasi Proses……….. ... 40

Reaksi Katalitik... 42

Analisis Kelayakan Finansial....………... 52

METODOLOGI PENELITIAN... 53

Kerangka Pemikiran ... 53

Tempat dan Waktu Penelitian..………... ... .... 56

Bahan dan Alat………... 56

Metoda Penelitian………... 56

HASIL DAN PEMBAHASAN ... 84

Pemilihan Bahan Baku.………... 84

Pemilihan Produk... 95

Pemilihan Proses... 96

Proses Modifikasi Minyak Jarak Pagar... 107

Proses Epoksidasi... 107

Penelitian Pendahuluan untuk menentukan kisaran kondisi operasi Epoksidasi... 107

Perpindahan massa katalis H2SO4 dalam pereaksi H2O2...109

Model kinetika reaksi epoksidasi... 109

Perhitungan Waktu curah ideal pada proses epoksidasi minyak jarak pagar... 113

Proses Hidroksilasi... 114

Pemilihan jenis dan jumlah katalis padat... 114

Penelitian Pendahuluan penentuan kisaran kondisi operasi hidroksilasi…... 117

Perpindahan massa metanol dalam katalis bentonit... 119

Model kinetika reaksi hidroksilasi ... 119

Perhitungan waktu curah ideal pada proses hidroksilasi pembukaan cincin oksiran dengan metanol... 124

Proses Asetilasi... 125

Penelitian Pendahuluan ... 125

Model kinetika reaksi asetilasi... 127

Perhitungan waktu curah ideal pada proses asetilasi terhadap poliol... 130

Karakteristik Minyak Jarak Pagar dan Modifikasinya sebagai Pelumas dasar... 131

Pengaruh modifikasi minyak jarak pagar terhadap sifat fisik dan kimia... 131

Hasil pengujian gugus fungsi menggunakan FTIR dan pengujian struktur kimia menggunakan NMR... 134

Pengujian Kinerja... 138

Kestabilan Oksidasi ... 138

Analisis Penggunaan Pelumas Dasar... 142

Pencampuran Pelumas Dasar dan Aditif... 143

Pengujian kinerja pada mesin otomotif... 143

Diagram blok Proses... 145

Neraca Massa di setiap alat... 148

Neraca Massa Proses Epoksidasi... 148

Neraca Massa Proses Hidroksilasi... 149

Neraca Massa Proses Asetilasi... 150

Neraca energi di setiap alat... 152

Neraca energi Proses Epoksidasi... 152

Neraca energi Proses Hidroksilasi... 153

Neraca energi Proses Asetilasi... 154

Integrasi Proses ... 155

Optimasi Kapasitas Produksi Pelumas Dasar... 159

Analisis Kelayakan finansial hasil perancangan proses pada kapasitas optimum...161

Hasil Analisis sensitifitas……… 165

Kelayakan jalur proses modifikasi minyak jarak pagar menjadi pelumas dasar...165

KESIMPULAN DAN SARAN... 166

Kesimpulan... 166

Saran...……...………... ... 169

DAFTAR PUSTAKA...……… 170

DAFTAR

TABEL

Halaman

1 Tabel 1 Komposisi kimia inti, kulit, dan daging biji jarak pagar... 9

2 Jenis Asam Lemak dan Sifat Fisik - Kimiawi Minyak Jarak Pagar……….….………... 10

3 Pelumas Poliolester Icematic SW 68 NU-CALGON……..………... 21

4 Klasifikasi Viskositas SAE untuk pelumasan roda gigi otomotif... 22

5 Klasifikasi pelumas berdasarkan standar API... 23

6 Hasil uji biodegradabilitas pelumas dasar... 24

7 Perbandingan identifikasi mineral oil (PAO), HVI, Minyak Nabati (Minyak Jarak Castor)... 29

8 Jenis-jenis bahan katalis... 45

9 Keasaman katalis heterogen... 46

10 Rancangan percobaan proses produksi poliol dari epoksi minyak jarak pagar... 62

11 Rancangan percobaan proses produksi poliol dari epoksi minyak jarak pagar, dengan respon bilangan oksiran dan bilangan hidroksil... 68

12 Data rendemen minyak jarak pagar... 84

13 Perbandingan sifat fisik beberapa minyak nabati dan mineral... 85

14 Kandungan asam lemak tidak jenuh yang ada dalam beberapa minyak nabati... 90

15 Sifat Fisik dan Kimia Minyak Jarak Pagar sebagai pelumas dasar... 94

16 Pereaksi yang digunakan dalam proses modifikasi minyak jarak pagar... 98

17 Perpindahan Massa katalis H2SO4 dalam H2O2... 109

18 Data Konversi (%) minyak jarak pagar menjadi epoksi... 110

19 Hasil perhitungan nilai k (tetapan laju reaksi) epoksidasi... 111

20 Pengaruh penambahan katalis terhadap penurunan bilangan oksiran, Waktu reaksi 2 jam, suhu 50°C, nisbah mol pereaksi 1: 1 v/v, oksiran awal = 4.7%... 114

21 Data penurunan bilangan oksiran pada proses hidroksilasi.Bahan epoksi dari minyak jarak pagar: BA =11, Oksiran =5.043. nisbah mol

epoksi : metanol =1 : 13... 120

22 Data perubahan konsentrasi Oksiran pada suhu proses 50°C... 120

23 Data perubahan konsentrasi Oksiran pada suhu proses 60°C ... 121

24 Data perubahan konsentrasi Oksiran pada suhu proses 65°C... 122

25 Hasil perhitungan nilai k (tetapan laju reaksi) hidroksilasi dengan metanol menggunakan regresi linier... 123

26 Data perubahan bilangan hidroksil pada asetilasi poliol...127

27 Tetapan laju reaksi asetilasi dengan menggunakan asam asetat anhidrat...128

28 Sifat Fisik dan kimia Minyak Jarak, Epoksi, Poliol, dan Asetilasi Poliol... 131

29 Sifat Fisik Pelumas Mesin (Minyak Baru) dengan standar SAE... 133

30 Indeks viskositas pada suhu 100°C...142

31 Pengujian kinerja berbagai % campuran pelumas dasar dan pelumas komersial pada mesin otomotif (motor 2 tak) selama 100 jam……….. 144

32 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pengeringan (OV-1)... 148

33 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pengepresan (PR-01)... 148

34 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Epoksidasi... 148

35 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Netralisasi...149

36 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Dekantasi... 149

37 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Hidroksilasi... 149

38 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Dekantasi Poliol...150

39 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pemisahan Sisa Butanol...150

40 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Asetilasi... 150

41 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pemisahan Katalis...151

42 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Netralisasi...151

44 Neraca Energi di Pemanas bahan sebelum Proses Epoksidasi (HE-01)... 152

45 Neraca Energi di Pemanas bahan sebelum Proses Epoksidasi (HE-02)...152

46 Neraca Energi pada saat Proses Epoksidasi………... 152

47 Neraca Energi pada saat Netraliser………... 153

48 Neraca Energi di Pemanas sebelum Proses Hidroksilasi (HE-03)... 153

49 Neraca Energi pada saat Proses Hidroksilasi...……… 153

50 Neraca Energi pada saat Pemisahan Alkohol………...154

51 Neraca Energi pada saat Pendinginan Produk Poliol……….…………154

52 Neraca Energi di Pemanas sebelum Proses Asetilasi....……...………154

53 Neraca Energi pada saat Proses Asetilasi…...……… 154

54 Neraca Energi pada saat Netralisasi………155

DAFTAR GAMBAR

Halaman

1 Bagian-bagian tanaman Jatropha curcas ………... 7

2 Pemanfaatan tanaman jarak pagar………... ... 8

3 Tanaman jarak pagar... 10

4 Biji jarak pagar... 10

5 Tiga komponen penyusun pelumas mesin………... 12

6 Sintesis monoester dari trigliserida dengan rantai pendek ……... 16

7 Skema umum di-ester... 16

8 Reaksi pembentukan Asam Perasetat………... 17

9 Reaksi Epoksidasi terhadap ikatan rangkap aromatik membentuk oksiran ………... 17

10 Reaksi Transesterifikasi metil ester minyak sawit dengan menggunakan TMP... 18

11 Skema reaksi pembukaan cincin diikuti dengan transesterifikasi epoksi minyak dengan Guerbet alkohol... 20

12 Sintesis dihidroksilasi minyak kedelai dari ESBO dan HClO4... 20

13 Reaksi dihidroksilasi minyak kedelai dengan asetat anhidrat, butirat anhidrat, dan heksanoat anhidrat... 20

14 Klasifikasi pelumas berdasarkan standar API... 23

15 Reaksi pembentukan gugus Oksiran ... 26

16 Reaksi pembentukan perasida... 26

17 Reaksi pembukaan cincin oksiran... ... 27

18 Pembukaan cincin oksiran... ... 28

19 Model proses perancangan ... ... 30

21 Perancangan proses melalui tahapan analisis sistem proses... 32

22 Sintesis Proses Kimia... 33

23 Skema aliran pemodelan matematik... ... 35

24 Prinsip kesetimbangan dalam suatu formulasi umum... 35

25 Sistem reaktor curah...………... 38

26 Jalur reaksi katalitis... 43

27 Struktur silika alumina... 47

28 Langkah-langkah pada reaksi katalitis padat... 48

29 Kerangka Pemikiran perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar ... ... 55

30 Tahapan penelitian ... 57

31 Tahapan penelitian perancangan proses... 58

32 Diagram Alir Kegiatan Penelitian Perancangan proses... 60

33 Viskositas dan indeks viskositas pelumas dasar……….. ... 87

34 Titik nyala dan Titik Tuang pelumas dasar... 88

35 Densitas beberapa pelumas dasar... ... 89

36 Bilangan asam beberapa pelumas dasar... ... 91

37 Hasil uji gugus fungsi menggunakan FTIR minyak jarak pagar... 92

38 Hasil Uji GC Minyak Jarak Pagar... 93

39 Modifikasi Minyak Jarak Pagar dengan jalur Epoksidasi – Pembukaan cincin oksiran (hidroksilasi) – Esterifikasi... 100

40 Modifikasi Minyak Jarak Pagar dengan jalur epoksidasi-pembukaan cincin oksiran (Alkohol Guerbet)-Transesterifikasi / Asetilasi... 102

41 Reaksi esterifikasi terhadap asam oleat... ... 103

42 Reaksi epoksidasi terhadap metil ester... 103

43 Reaksi hidrolisis terhadap epoksi metil ester ... 103

44 Reaksi esterifikasi / asetilasi ... 104 45 Reaksi transesterifikasi metil ester minyak nabati dengan

menggunakan TMP... 104

46 Respon Permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari nisbah mol pereaksi (x1) dan konsentrasi katalis (%)(x2)...107

47 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari nisbah mol pereaksi (x1) dan dan suhu (x3) ...108

48 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari konsentrasi katalis, % (x2) dan suhu (x3)... 108

49 Hubungan –ln (1-XA) vs t ... 111

50 Pengaruh katalis terhadap penurunan bilangan oksiran proses Hidroksilasi... 115

51 Pengaruh bentonit pada penurunan bilangan oksiran proses Hidroksilasi... 116

52 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi suhu (x1) dan konsentrasi katalis (x2) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi... 117

53 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi suhu (x1) dan nisbah mol pereaksi (x3) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi... 118

54 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi konsentrasi katalis (x2) dan nisbah mol pereaksi (x3) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi... 118

55 Perpindahan massa katalis bentonit... 119

56 Perubahan konsentrasi Hidroksil dan Oksiran pada hidroksilasi 50°C... 121

57 Perubahan konsentrasi Hidroksil dan Oksiran pada hidroksilasi 60°C... 121

58 Perubahan konsentrasi Hidroksil dan Oksiran pada hidroksilasi 70°C... 122

59 Perubahan Bilangan Hidroksil pada proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi ... 125

60 Penambahan Volume poliol pada asam asetat anhidrat terhadap bilangan asam... 126

61 Penambahan poliol terhadap rendemen asetilasi poliol... 127

63 Perubahan bilangan hidroksil pada asetilasi poliol 80°C... 128

64 Hasil pengujian gugus fungsi pada minyak jarak pagar menggunakan FTIR... 134

65 Hasil pengujian struktur kimia pada minyak jarak pagar menggunakan NMR... 134

66 Hasil pengujian gugus fungsi pada epoksi minyak jarak pagar menggunakan FTIR... 135

67 Hasil pengujian struktur kimia epoksi jarak pagar menggunakan NMR ...136

68 Hasil pengujian gugus fungsi pada poliol jarak pagar menggunakan FTIR136 69 Hasil pengujian struktur kimia poliol jarak pagar menggunakan NMR... 137

70 Hasil pengujian gugus fungsi pada poliol jarak pagar menggunakan FTIR137 71 Hasil pengujian struktur kimia poliol jarak pagar menggunakan NMR ... 138

72 Rangkaian alat pengujian stabilitas oksidasi... 139

73 Hasil pengujian kestabilan oksidasi terhadap viskositas pelumas dasar... 139

74 Hasil pengujian kestabilan oksidasi terhadap bilangan asam pelumas dasar.141 75 Komponen Pelumas : pelumas dasar dan aditif... 143

76 Komponen Pelumas : pelumas dasar (petroleum & sintetis) dan aditif... 143

77 Diagram Blok Unit Proses Epoksidasi... 145

78 Diagram Blok Unit Proses Hidroksilasi... 146

79 Diagram Blok Unit Proses Asetilasi... 147

80 PEFD Modifikasi Minyak Jarak Pagar... 156

81 Hasil simulasi proses menggunakan program Hysis pada jalur proses epoksidasi-hidroksilasi-asetilasi... 157

82 Hasil simulasi proses menggunakan program Hysis pada jalur proses esterifikasi-epoksidasi-hidroksilasi... 158

83 Biaya Variabel Fungsi Kapasitas Produksi... 160

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman 1 Prosedur analisa asam lemak, epoksi minyak, poliol,

poliolester dan uji pelumas... 176 2 Kebutuhan Pelumas di tiap propinsi di Indonesia tahun 2003... 183 3 Indeks viskositas minimum beberapa pelumas dengan angka

viskositas SAE... 184 4 Tingkat viskositas pelumas motor (SAE J 300 March 1982)... 184 5 Klasifikasi pelumas industri menurut ISO (ASTM 2422)... 185 6 Pemakaian serta Nilai pelumas menurut kode industri, 2003... 186 7 Hasil percobaan proses epoksidasi minyak jarak pagar waktu

proses 1 jam, volum minyak jarak pagar 10 ml... 187 8 Penelitian Pendahuluan Epoksidasi... 187

8.1 Nilai Estimasi, Standar Deviasi dan Nilai t

Analisis Bilangan Oksiran Epoksi Minyak Jarak Pagar... 187 8.2 Optimasi kondisi operasi epoksidasi ... 188 9 Proses Epoksidasi………...………... 188 9.1 Perhitungan Transfer Massa katalis H2SO4 dalam H2O2... 188

9.2 Hasil analisis statistika persamaan transfer massa katalis

H2SO4 dalam H2O2... 189

9.3 Perhitungan laju reaksi Epoksidasi... 189 9.4 Perhitungan Konversi reaksi Epoksidasi... 190

9.4.1 Data bilangan oksiran pada percobaan kinetika

reaksi epoksidasi... 191 9.4.2 Konversi reaksi pada 65°C, 70°C, dan 75°C... 191 9.5 Perhitungan data kinetika dan termodinamika reaksi

Epoksidasi... 192 9.5.1 Hasil perhitungan ln (CB0/(CB0-CE))... 192

9.5.2 Hasil regresi linier... 192 9.5.3 Nilai tetapan laju reaksi pada 65°C, 70°C, dan 75°C... 193

10 Perhitungan Waktu curah ideal epoksidasi... 195 11 Pemilihan Jenis katalis dan konsentrasi katalis pada reaksi hidroksilasi 195

11.1 Penurunan oksiran pada hidroksilasi dengan katalis padat

dan cair... 195 11.2. Hasil analisis statistika terhadap persamaan yang

menghubungkan antara perubahan bilangan oksiran pada reaksi

hidroksilasi epoksi jarak pagar dengan katalis padat (bentonit). 196 12 Hasil percobaan proses hidroksilasi epoksi jarak pagar waktu 2 jam... 197 13 Penelitian Pendahuluan Hidroksilasi... 197

13.1 Nilai Estimasi, Standar Deviasi dan Nilai t Analisis

Bilangan Oksiran Epoksi Minyak Jarak Pagar... 197 13.2 Optimasi kondisi Operasi hidroksilasi... 198

14 Proses Hidroksilasi..………... 198

14.1 Perhitungan Perpindahan Massa Metanol dalam Bentonit... 198 14.2 Tabel [H+]1-[H+]2... 198

14.3 Perhitungan persamaan laju reaksi hidroksilasi... 199 14.4 Hidroksilasi dengan Metanol... 200 14.4.1 Perhitungan konversi reaksi hidroksilasi... 200 14.4.2 Perhitungan data kinetika dan termodinamika

reaksi hidroksilasi... 201 14.4.3 Hasil regresi linier kurva ln (CE0/CE) vs t

pada 50°C ... 202 14.4.4 Hasil regresi linier kurva ln (CE0/CE) vs t

pada 60°C…... 202 14.4.5 Hasil regresi linier kurva ln (CE0/CE) vs t

pada 70°C ... 203 14.4.6 Nilai tetapan laju reaksi 50°C, 60°C, dan 70°C... 203 14.4.7. Pengujian model t curah hidroksilasi... 204 15 Penelitian Pendahuluan Asetilasi Poliol... 205

15.1 Perubahan Bilangan Hidroksil pada proses epoksidasi,

15.2 Perbandingan Volume Poliol dan Asam asetat anhidrat

pada asetilasi poliol... 205 15.3 Rendemen dihitung setelah netralisasi... 205

16 Proses Asetilasi………... 206

16.1 Perhitungan perubahan konsentrasi dan konversi poliol

pada asetilasi poliol... 206 16.2 Perhitungan persamaan laju reaksi asetilasi... 206 16.3 Perhitungan data kinetika dan termodinamika reaksi asetilasi... 207 16.4 Hasil regresi linier kurva ln (CP0/CP) vs t pada 80°C ... 208

16.5 Hasil regresi linier kurva ln (CP0/CP) vs t pada 90°C ... 208

16.6 Nilai tetapan laju reaksi 90°C, dan 80°C... 209 16.7 Pengujian model t curah asetilasi... 210

17 Perhitungan pemurnian produk……… 210

18 Gambar Foto Rangkaian Alat Pengujian Stabilitas... 211 19 Hasil Pengujian Kestabilan Oksidasi... 211

19.1 Pengaruh Waktu Oksidasi terhadap Viskositas Pelumas Dasar

(cP) pada 100°C... 211 19.2 Pengaruh Waktu Oksidasi terhadap Bilangan Asam Pelumas

Dasar pada 100 °C... 211 19.3 Analisis Keragaman pengaruh kestabilan oksidasi

pada viskositas... 212 19.4 Analisis Keragaman pengaruh kestabilan oksidasi pada

bilangan asam……… 214

19.5 Hasil Regresi data perubahan bilangan asam MJP pada

Uji kestabilan oksidasi………... 216 19.6 Hasil Regresi data perubahan bilangan asam APJP

pada Uji kestabilan oksidasi………....……….. 217

20 Neraca Massa....……… 217

21 Neraca Energi……… 220

22 Optimasi Kapasitas Produksi... 223 23 Analisis Kelayakan Finansial pada kapasitas optimum..……….. 224

23.1 Proyeksi Laba Rugi……… 224 23.2 Arus Kas Penerimaan dan Pengeluaran (Cash Flow)……… 225 23.3 Analisis Kelayakan Finansial……… 226 23.4 Analisis Sensitifitas... 227

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Fungsi utama pelumas (oli) adalah mencegah terjadinya friksi dan keausan (wear) antara dua bidang atau permukaan yang bersinggungan, memperpanjang usia pakai mesin, dan fungsi yang lainnya adalah membantu perpindahan panas, mencegah korosi. Formulasi pelumas yang banyak digunakan adalah terdiri dari 70-90% pelumas dasar yang dicampur dengan bahan aditif untuk memodifikasi dan memperbaiki sifat-sifat alamiahnya (yaitu stabilitas terhadap oksidasi, hidrolisis, suhu, viskositas, indeks viskositas, dan korosi). Pelumas dasar yang paling banyak digunakan adalah minyak mineral yaitu campuran dari beberapa jenis hidrokarbon minyak bumi, minyak nabati, dan minyak sintetis, baik yang berasal dari minyak bumi maupun minyak nabati (Askew 2004).

Pada awalnya, pelumas yang banyak digunakan adalah minyak mineral. Sampai dengan pertengahan abad-19 hampir seluruh pelumas menggunakan minyak dan lemak hewani atau nabati. Selanjutnya digunakan minyak mineral yang dimurnikan sebagai pelumas dasar karena mempunyai ketahanan termal dan oksidasi yang lebih baik dibandingkan dengan minyak nabati atau hewani. Dengan perkembangan teknologi, minyak mineral yang dimurnikan tidak mampu melayani mesin-mesin dengan teknologi baru, maka perlu ditambahkan aditif untuk mendapatkan sifat yang diinginkan. Teknologi aditif ini berkembang sejak awal tahun 1950 (Gunstone 1998). Langkah selanjutnya adalah menggunakan pelumas dari bahan kimia yang mempunyai kemampuan lebih unggul dibandingkan dengan minyak mineral yang dimurnikan dalam semua sifat dasar. Maka muncul pelumas sintetis yang mempunyai sifat lebih unggul dibandingkan dengan minyak konvensional. Beberapa jenis pelumas dasar sintetis yang banyak digunakan adalah diester, fosfat ester, ester silikat, glikol polialkilena, silikon, khlor & fluor hidrokarbon, polialkilglikol, polialfaolefin, dan poliolester (POE). Harga pelumas dasar sintetis ini lebih mahal, tetapi dewasa ini lebih banyak digunakan karena umur pemakaian lebih lama, mengurangi konsumsi oli, mempunyai spesifikasi yang dibutuhkan pemakai, pengoperasian lebih aman dan sifat-sifatnya dapat diprediksi karena karakteristik

produknya seragam (Mulyana 2003). Pemakaian pelumas di Indonesia adalah untuk mesin-mesin industri, kendaraan bermotor, perkapalan, alat-alat berat, mesin pertanian, pertambangan dan berbagai pelumasan mesin yang lainnya. Jumlah pemakaian pelumas di Indonesia adalah sebesar 226.24 juta ton (BPS 2003). Sampai dengan saat ini penyediaan dan pelayanan pelumas, berdasarkan Keppres RI Nomor 21 Tahun 2001 pada Bab I Pasal 1 Ayat 2 , dinyatakan bahwa “Penyediaan dan Pelayanan Pelumas adalah kegiatan untuk menghasilkan pelumas dengan cara pabrikasi pelumas (blending), pengolahan pelumas bekas, impor pelumas dan pemasarannya” dan pada Bab III Pasal 6 Ayat 1 “ Dalam rangka memenuhi kebutuhan pelumas di dalam negeri, perusahaan dapat mengimpor pelumas berdasarkan ketentuan peraturan perundang-undangan”.

Saat ini kebutuhan minyak bumi meningkat, sedangkan persediaannya makin menipis. Keadaan ini memacu produksi pelumas sintetis dari minyak nabati sebagai bahan dasar alternatif dalam pembuatan pelumas. Meskipun harga pelumas dasar hasil biosintetis ini lebih mahal daripada minyak mineral, namun minyak ini mempunyai sifat unggul dalam stabilitas termal, sifat alir, indek viskositas, dan stabilitas penguapan. Oleh karena itu pelumas dasar hasil biosintetis akan memberikan kinerja yang baik dibandingkan dengan minyak mineral dan bahan bakunya dapat terbarukan. Banyak minyak nabati yang digunakan dalam aplikasi pelumas, misalnya sebagai aditif minyak sintetis, fluida transmisi, minyak motor 2 tak, minyak hidraulik, dan gemuk. Konsumsi minyak nabati Amerika Serikat untuk pelumas adalah sebesar 8 juta kilogram per tahun. Konsumsi ini merupakan 9% dari total penggunaan minyak nabati untuk industri. Pasar ini mengkonsumsi 9.66 milyar liter minyak mineral dimurnikan per tahun untuk kebutuhan pelumas. Kira-kira 3.9 milyar liter digunakan untuk minyak motor 4 tak (Johnson 1990). Total kebutuhan pelumas di Jerman pada tahun 1998 kira-kira 1 juta ton per tahun, segmen pasar terbesar adalah minyak mesin dan minyak roda gigi otomotif, yaitu sebesar 450 000 ton per tahun, dan selanjutnya kebutuhan yang lain adalah untuk mesin hidraulik dan mesin industri (Willing 2001).

Peningkatan penggunaan produk-produk ramah lingkungan seperti produk-produk pelumas terjadi karena kerasnya peraturan pemerintah dan meningkatnya ketertarikan masyarakat pada lingkungan yang bebas polusi (Adhvaryu 2002). Sebagian besar

pelumas yang berasal dari petroleum bersifat toksik terhadap lingkungan. Minyak nabati dengan kandungan oleat tinggi mempunyai potensi untuk mensubstitusi minyak pelumas dasar konvensional dari minyak mineral dan ester sintetis (Adhvaryu 2005). Minyak nabati sebagai pelumas mempunyai sifat yang lebih baik dibandingkan dengan pelumas dasar dari minyak mineral, karena minyak nabati bersifat bisa terdegradasi dan non-toksik, tetapi pada sisi yang lain minyak nabati mempunyai stabilitas oksidasi dan ketahanan korosi yang rendah (Adhvaryu 2005). Adanya ikatan rangkap C=C mengakibatkan minyak bersifat labil, maka perlu ditambahkan bahan aditif atau dilakukan pengolahan terhadap minyak nabati untuk meningkatkan stabilitas oksidasinya. Beberapa usaha yang dilakukan untuk meningkatkan stabilitas oksidasi adalah dengan melakukan modifikasi minyak kedelai menjadi epoksi minyak kedelai dan alkohol polihidrat (Hwang 2003), melakukan transesterifikasi terhadap trimetilolpropan dan metil ester kanola(Adhvaryu 2002). Alkohol polihidrat (poliol) dapat dibuat dengan membuka cincin epoksi minyak menggunakan katalis asam, seperti asam–asam mineral: asa

Minyak nabati yang banyak digunakan sebagai pelumas dasar adalah minyak biji bunga matahari dengan kandungan asam oleat tinggi, tetapi stabilitas terhadap oksidasinya rendah karena adanya ikatan rangkap C=C. Jenis minyak nabati lain yang biasa digunakan adalah minyak jarak castor, minyak kelapa sawit, dan minyak kedelai. Beberapa kelebihan penggunaan pelumas dasar biosintetis adalah rendahnya emisi karena rentang titik didih tinggi dan kandungan toksinnya rendah (Askew 2004).

Pada penelitian ini telah dilakukan perancangan proses modifikasi secara kimiawi terhadap minyak jarak pagar (Jatropha curcas. L), sebagai upaya meningkatkan stabilitasnya. Tanaman jarak terdiri dari dua jenis, yaitu jarak pagar (Jatropha curcas. L) dan tanaman jarak dalam atau jarak kepyar (Ricinus communis. L). Tanaman jarak termasuk ke dalam famili euphorbiaceae dengan ciri tumbuhan yaitu dapat tumbuh dengan cepat, kuat serta tahan terhadap musim panas (Guibitz 1999).

Pemilihan tanaman jarak pagar sebagai sumber bahan baku pada penelitian ini adalah untuk meningkatkan nilai tambah biji jarak pagar, tingginya kandungan minyak pada biji dan merupakan non-drying oil atau semi-drying oil, sehingga sifat pelumasannya baik (Thomsen 1951). Disamping itu minyak jarak pagar bukan komoditi untuk keperluan pangan karena mengandung racun, sedangkan beberapa jenis minyak

yang lain bersaing penggunaannya untuk keperluan pangan, seperti minyak kedelai, minyak sawit, dan sebagainya.

Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar (Jatropha curcas. L) sebagai pelumas dasar. Penelitian ini diharapkan dapat membantu pihak-pihak yang berkepentingan dalam pengembangan industri pelumas dasar, seperti pemerintah sebagai pembuat kebijakan, investor, pedagang, petani, maupun eksportir dan Indonesia pada umumnya sehingga dihasilkan nilai tambah komoditas jarak pagar yang menguntungkan semua pihak yang terlibat.

Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar, yaitu mendapatkan jalur proses terbaik sehingga dapat menghasilkan produk dengan karakteristik sesuai dengan yang diinginkan, mendapatkan produk dengan kinerja ketahanan terhadap oksidasi dan mendapatkan produk dengan kinerja formula pelumas sintetis pada mesin otomotif yang baik, mendapatkan kondisi operasi proses terbaik, mendapatkan parameter kinetika reaksi dan termodinamika proses modifikasi dan mendapatkan kapasitas produksi optimum, sehingga dapat digunakan untuk mengetahui kelayakan proses baik secara teknis maupun finansial dan mendapatkan Process Engineering Flow Diagram (PEFD) modifikasi minyak jarak pagar.

Ruang Lingkup

Untuk mendapatkan hasil yang jelas dan terarah, maka ruang lingkup pada penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Sintesis Proses, meliputi :

a. Pemilihan bahan baku, produk, dan jalur proses b. Proses modifikasi minyak parak pagar

c. Melakukan identifikasi dan karakterisasi minyak jarak pagar dan hasil modifikasinya

d. Mengevaluasi kinerja pelumas dasar, meliputi evaluasi kinerja ketahanan terhadap oksidasi dan evaluasi kinerja formula pelumas sintetis pada mesin otomotif.

e. Integrasi rancangan proses dalam bentuk blok diagram

2. Analisis atau Pemodelan dan Simulasi, meliputi : mendapatkan pemodelan laju reaksi, mendapatkan parameter kinetika dan parameter termodinamika. Melakukan penyusunan neraca massa dan neraca energi untuk mengetahui distribusi produk maupun kebutuhan energi pada semua aliran proses, sehingga bisa digunakan untuk simulasi produk pada skala yang berbeda.

3. Optimasi, meliputi penyusunan model matematis dari fungsi obyektif yang akan dioptimasikan yaitu kapasitas produksi, melakukan optimasi kapasitas produksi untuk mendapatkan total biaya minimum.

4. Penentuan kelayakan baik secara teknis maupun finansial dan pembuatan Process Engineering Flow Diagram (PEFD) pada proses modifikasi minyak jarak pagar. .

TINJAUAN PUSTAKA

Tanaman Jarak Pagar

Tanaman jarak pagar atau Jatropha curcas L. atau physic nut, merupakan tanaman semak atau pohon dengan ketinggian 2-5 meter, batang penuh tonjolan bekas daun gugur, cabang pohon menyebar, ranting pendek, daun tunggal, getah putih keruh. Bunga tanaman jarak pagar berwarna hijau kekuningan, buah bulat kecil berwarna hijau berdiameter 3-4 cm dan biji berwarna hitam 2-4 buah dan termasuk famili euphorbia. Kelompok Jatropha mempunyai kira-kira 170 species. Nama Jatropha berasal dari jatrós

(doctor), trophé (food), yang digunakan untuk keperluan medis. Curcas adalah nama lain dari physic nut. Tanaman jarak pagar dapat tumbuh baik pada daerah dengan ketinggian 500 m suhu 20-28º°C dengan curah hujan 300-1000 mm per tahun. Jarak tanam adalah 2 x 2 m, 2.5 x 2.5 m, atau 3 x 3 m untuk kerapatan tanaman 2 500, 1 600 atau 1 111 per hektar. Tanaman dipanen dengan hasil 2-3 ton biji per hektar (Henning 1990).

Karakteristik fisika dan kimia biji jarak pagar mengandung berbagai macam senyawa kimia seperti sukrosa, rafinosa, stakiosa, glukosa, fruktosa, galaktosa protein, minyak (50-60%), toxal burnin curcin yang berbahaya dan asam oleat dan linoleat dalam jumlah besar (Duke & Atchley 1983). Kandungan minyak dalam biji jarak pada umumnya, yaitu sekitar 40% - 45% (Hambali et al. 2006)

Gambar 1 Bagian-bagian tanaman Jatropha curcas L.: batang yang berbunga (1), bunga betina (2), bunga betina yang terbuka (3), bunga jantan (4), bunga jantan yang terbuka (5), buah (6), buah dengan arah longitudinal (7), dan biji (8) (de Padua 1999).

Di Indonesia tanaman jarak pagar banyak terdapat di daerah Purwodadi, Jawa Tengah dan telah dibudidayakan dengan baik di Nusa Tenggara Barat. Secara umum pemanfaatan tanaman jarak pagar (Jatropha curcas L) dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 2 Pemanfaatan tanaman jarak pagar Diadaptasi dari Guibitz 1999.

•Pengembangan ulat sutera •Obat-obatan •Zat anti radang

• Protease

penyembuh luka (Kurkaina) • Obat-obatan •Insektisida

•Pakan Ternak

(Varietas Non toksik)

•Material Bakaran •Pupuk Hijau •Produksi Biogas

• Material bakaran • Biogas

• Pakan ternak

•Pupuk

•Produksi Sabun •Bahan bakar

•Insektisida, Obat-obatan • Pengendalian Erosi • Tanaman Pagar • Kayu Bakar

• Pelindung Tanaman

•Oleokimia : metil ester, epoksi, poliol, poliuretan

DAUN BUAH LATEKS

BIJI _KULIT

BUAH Jatropha

curcas L.

TEMPURUNG BIJI

BUNGKIL BUAH

Minyak Jarak Pagar

Minyak jarak pagar mengandung racun (ester forbol) yang membuat minyak ini tidak dapat digunakan sebagai minyak makan (Sudradjat et al 2004). Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk memperoleh minyak jarak pagar adalah dengan ekstraksi biji jarak pagar (press). Untuk menghambat kerja enzim yang dapat menghidrolisis minyak sehingga membentuk asam lemak bebas, sebelum diekstraksi biji jarak pagar dikeringkan dengan cara dioven atau dikukus terlebih dahulu. Ekstraksi minyak jarak pagar dapat dilakukan dengan cara lain, seperti ekstraksi menggunakan pelarut organik, pelarut air masing-masing dengan yield 98% dan 38%, cara lain menggunakan enzim protease didapatkan yield sebesar 98% (Guibitz 1999).

Komposisi kimia biji jarak pada bagian inti, kulit, dan daging dapat dilihat pada Tabel 1 di bawah ini :

Tabel 1 Komposisi kimia inti, kulit, dan daging biji jarak pagar

Inti Kulit Daging

Bahan kering (%) 94.2-96.9 89.8-90.4 100

Protein (%) 22.2-27.2 4.3-4.5 56.4-63.8

Lipid (%) 56.8-58.4 0.5-1.4 1.0-1.5

Abu (%) 3.6-4.3 2.8-6.1 9.6-10.4

Energy MJ/kg 30.5-31.1 19.3-19.5 18.0-18.3

Minyak jarak pagar hasil ekstraksi dianalisis sifat fisiko-kimianya, misal kekentalan, kandungan asam lemak bebas, kadar air, komposisi asam lemak, kadar air, bilangan penyabunan dan bilangan iod. Hasil analisis sifat fisiko-kimia minyak jarak pagar seperti ditunjukkan pada Tabel 2.

Tabel 2 Jenis asam lemak dan sifat fisik-kimiawi minyak jarak pagar

Jenis Asam Lemak Komposisi, %

Asam oleat 35-64

Asam linoleat 19-42

Asam palmitat 12-17

Asam stearat 5-10

Rendemen, % 40-50

Sifat Minyak Nilai

Bilangan penyabunan (mg KOH/g) 183-191 Bilangan iod (mg I /g minyak) 96-99 Kerapatan (densitas) (g/ml) 0.919-0.924

Indeks bias pd 40°C 55-56

Sumber : Sudradjat 2004

Gambar 3 Tanaman jarak pagar

Manfaat minyak jarak pagar

Biji jarak pagar mengandung minyak dalam jumlah tinggi. Minyak jarak pagar dapat digunakan untuk menggantikan kerosene dan diesel dan sebagai pengganti kayu bakar. Minyak ini dapat juga digunakan sebagai pelumas, bahan baku sabun dan lilin. Jika dicampur dengan oksida besi dapat digunakan sebagai varnish. Minyak semi drying

ini dapat menggantikan bahan bakar diesel (Augustus et al 2002).

Pelumas Pelumas atau Oli

Pelumas atau oli merupakan cairan yang menentukan kemampuan kerja mesin dan kendaraan bermotor. Pelumas merupakan bahan yang mampu mengurangi gesekan antara dua komponen. Pelumas dibagi dalam dua bagian, yaitu pelumas cair dan pelumas pasta, yang disebut dengan gemuk atau grease. Oli atau pelumas cenderung dipergunakan pada bagian yang memerlukan fungsi lain selain pelumasan, sebagai pendingin bagian-bagian yang dilumasi, atau sebagai pembawa kotoran bagian-bagian-bagian-bagian mesin. Adapun gemuk dipergunakan untuk bagian-bagian yang memerlukan pelumasan dengan kekentalan tinggi. Pelumas dalam pemakaiannya lebih membutuhkan perhatian, yaitu harus diganti secara berkala. Setiap mesin atau bagian kendaraan memerlukan pelumas dengan spesifikasi tertentu, disamping itu pelumas juga harus mengandung bahan-bahan tertentu yang dapat mendukung tugasnya (Nugroho 2005).

Komposisi pelumas mesin umumnya terdiri dari 3 komponen dan 75%-nya merupakan pelumas dasar (Gambar 5).

Gambar 5 Tiga komponen penyusun pelumas mesin (Gerard 2000). Pelumas Dasar

Pelumas dasar adalah sejenis minyak atau campuran minyak yang dapat digunakan sebagai bahan dasar pelumas. Pada formulasi pelumas, 70-90 % campuran merupakan minyak pelumas dasar dan ditambah dengan bahan aditif untuk meningkatkan sifat-sifatnya. Pelumas dasar dapat dikelompokkan menjadi 3 (tiga) (Askew 2004) :

Minyak Mineral. Merupakan satu jenis minyak yang banyak digunakan pada saat ini. Pelumas dasar ini merupakan hidrokarbon yang mengalami serangkaian proses pemurnian dan dapat digolongkan menjadi empat jenis, yaitu parafin, olefin, naftanik dan aromatik. Kandungan lain di dalam minyak mineral adalah sulfur, nitrogen dan logam. Keunggulan penggunaan minyak mineral sebagai pelumas dasar adalah: (1) Harga murah (2) Daerah suhu operasi lebar, meliputi seluruh pemakaian dalam industri, mesin-mesin transportasi, alat-alat berat lain, (3) Penambahan bahan aditif dapat meningkatkan mutu dan kinerja, (4) Tidak merusak bantalan (5) Stabil selama penyimpanan (La Puppung 1986). Kebutuhan minyak mineral meningkat, sedangkan persediaan minyak bumi di dunia menipis karena bersifat tidak terbarukan. Minyak bumi bersifat tidak terdegradasi karena mengandung senyawa aromatik dan racun.

Pelumas dasar, 75 % Memberikan

sifat-sifat pelumasan

Peningkat Indeks Viskositas (VI) 5 %

Memberikan sifat Multigrade

Bahan Tambahan 20%

Meningkatkan kinerja dan sifat pelumas dasar

Minyak Nabati. Pelumas dasar yang berasal dari minyak nabati, misalnya minyak kedelai, minyak sawit, minyak kelapa, minyak biji bunga matahari dan minyak biji jarak. Jika minyak nabati dibandingkan dengan minyak mineral sebagai minyak pelumas dasar, terdapat beberapa keunggulan, yaitu tingginya kemampuan pelumasan, tingginya indeks viskositas, rendahnya kehilangan minyak karena penguapan, tingginya kemampuan terdegradasi dan rendahnya kandungan racun. Minyak nabati sebagai pelumas dasar mempunyai keterbatasan, yaitu rendahnya stabilitas termal, hidrolitik, dan oksidatif, karena mengandung asam lemak tidak jenuh. Kelemahan ini dapat diatasi dengan memodifikasi minyak tersebut dengan menambahkan bahan aditif (USB 1997). Usaha yang telah dilakukan untuk meningkatkan stabilitas oksidasi adalah melakukan modifikasi minyak kedelai menjadi epoksi dan alkohol polihidrat (Hwang 2003), melakukan transesterifikasi trimetilolpropan dan metil ester kanola (Adhvaryu 2002).

Minyak Sintetis. Pelumas sintetis adalah pelumas yang dibuat dengan proses kimiawi dengan menggabungkan beberapa bahan aditif. Pada awalnya, pelumas yang digunakan pada kendaraan tempo dulu adalah berasal dari minyak bumi, pada perkembangannya tidak mampu melayani mesin-mesin dengan teknologi tinggi maka dilakukan penambahan bahan aditif. Selanjutnya, hasil penelitian menunjukkan bahwa pelumas konvensional dari minyak bumi yang telah ditambah dengan bahan aditif, tidak mampu mendukung kinerja mesin baru, maka dilakukan penggantian dengan bahan lain yang bukan berasal dari minyak bumi. Bahan ini merupakan bahan kimia yang memiliki kemampuan lebih unggul daripada minyak mineral dalam semua sifat dasar yang diperlukan, maka terbentuklah pelumas sintetis (Nugroho 2005).

Pelumas sintetis dapat dikelompokkan dalam dua kelas, yaitu ester organik dan hidrokarbon yang diolah secara sintetis, baik yang berasal dari petrokimia maupun oleokimia. Beberapa pelumas dasar sintetis adalah polialfaolefin (PAO), ester sintetis, seperti monoester, diester, esterphtalat, poliolester (POE), dan ester kompleks dan polialkilenglikol (PAG), yaitu polimer petrokimia hasil reaksi antara etilen oksida dan propilen oksida (Askew 2004).

Ester merupakan salah satu jenis minyak sintetis yang sangat luas pemakaiannya, misalnya gemuk, minyak gigi persneling, minyak kompresor, dan sebagai minyak hidraulik yang tahan terbakar dan ramah lingkungan. Ester yang saat ini banyak digunakan sebagai pelumas digolongkan menjadi 3 (tiga) kelompok (Eastwood 2005) : 1 ester dari petrokimia. Keuntungan ester dari petrokimia adalah ketahanannya pada

kondisi operasi suhu tinggi, kesesuaiannya untuk digunakan pada lingkungan dengan suhu rendah. Ester merupakan salah satu pilihan untuk pelumas viskositas rendah. 2 minyak atau lemak alami. Minyak nabati yang paling banyak digunakan sebagai

pelumas mesin adalah minyak kanola dan minyak biji bunga matahari. Kelemahan minyak nabati adalah rendahnya ketahanan terhadap oksidasi, kurangnya sifat alir pada suhu rendah, keuntungan teknis adalah sifat pelumasannya yang sangat baik. 3 ester dari oleokimia. Ester sintetis yang diturunkan dari bahan baku oleokimia adalah

yang paling baik dibandingkan dengan ketiga kelompok ester, biasanya merupakan suatu produk hasil reaksi dari alkohol petrokimia dengan satu atau lebih oleokimia yang diturunkan dari asam lemak.

Bahan Aditif Pelumas

Aditif Pelumas adalah suatu substansi yang akan mempengaruhi karakteristik pelumas dasar minyak mineral atau minyak sintetis, yaitu:

1 Sebagai pendingin yang baik dan/atau pentransfer panas. 2 Mencegah keausan.

3 Mencegah oksidasi. 4 Mengendalikan endapan.

Jumlah aditif bervariasi antara 10% (untuk minyak hidraulik) dan 40% (minyak motor atau roda gigi). Beberapa bahan aditif dapat meningkatkan sifat fisik pelumas dasar (viskositas) dan juga sifat kimia.

Pengelompokkan bahan aditif industri adalah : 1 Inhibitor oksidasi atau antioksidan.

2 Aditif untuk memperbaiki indek viskositas. 3 Detergen dan dispersansi.

4 Aditif anti busa. 5 Inhibitor korosi. 6 Aditif tekanan ekstrim. 7 Pengemulsi.

Beberapa penelitian proses pembuatan oleokimia atau modifikasi kimiawi minyak pada pembuatan pelumas dasar sintetis

Perkembangan ester sintetis sebagai pelumas dimulai pada tahun 1930 di Amerika Serikat dan Jerman. Diester dan poliolester dikembangkan di Jerman dan pertama kali digunakan sebagai pelumas turbin pesawat terbang. Keuntungannya adalah sifat pada suhu rendahnya baik dan tahan terhadap oksidasi termal. Sejak 1960, industri penerbangan telah menggunakan neopentil poliolester sebagai pelumas mesin jet. Sifat pentingnya adalah tercapainya sifat fleksibel (kimia & fisik) dengan adanya perubahan struktur kimia dari bahan awal, seperti panjang rantai cabang, jumlah atom karbon, dan tipe alkohol. Ester minyak motor sintetis yang pertama kali masuk di pasaran pada tahun 1977 adalah polialfaolefin (PAO). Ester sintetis yang digunakan sebagai minyak dasar mesin 2 tak yaitu neopentil poliol, pertama kali masuk pasar pada tahun 1982.

Poliolester dari asam lemak diproduksi dari reaksi alkohol polihidrat (poliol) dan asam mono dan dikarboksilat. Contoh Poliol yang digunakan sebagai bahan baku poliolester adalah: Trimetilol propan (TMP), Neopentilglikol (NPG), Pentaeritritol (PE), ditrimetilolpropan (di-TMP), dan di-Pentaeritritol (di-PE), yang paling banyak digunakan adalah TMP. Poliol rantai panjang dan bercabang akan mempengaruhi sifat ester. Viskositas dan titik tuang akan meningkat dengan semakin panjangnya rantai karbon. Asam-asam yang digunakan dalam sintesis poliolester dapat berupa asam rantai pendek, panjang, jenuh, tidak jenuh, lurus, dan bercabang.

CH2-O-C -R1 CH2-OH

l O Katalis I

CH-O-C -R2 + 3 R4–OH 3 R4-O-C-O-R13 + CH -OH

l O I

CH2-O-C -R3 CH2-OH

Trigliserida Alkohol Rantai Pendek Ester Gliserol

Gambar 6 Sintesis monoester dari trigliserida dengan alkohol rantai pendek. Katalis : NaOH, KOH 0,6 % (v/v) dari total pereaksi. Waktu : beberapa menit sampai dengan beberapa jam, tergantung pada jenis alkohol dan suhu. Minyak mesin hidraulik berbasis minyak nabati mempunyai titik nyala tinggi, indek viskositas tinggi dan karakteristik keausan baik (Carceller 1977).

2 ROH + HOOC-(CH2)n-COOH ⇔ RO-CO-(CH2)n-CO-OR + H2O

Asam dikarboksilat Diester

HO-(CH2)n-OH + 2 RCOOH ⇔ R-CO-O-(CH2)n-O-CO-R + H2O

Diol Asam Karboksilat Diester Gambar 7 Skema umum di-ester (Carceller 1977).

Menurut Mulyana (2003), mengingat menipisnya sumber minyak bumi, perlu dipikirkan untuk membuat minyak pelumas dari bahan yang terbarukan, misalnya metil ester. Karena rantai C senyawa metil ester masih terlalu pendek perlu diperpanjang agar memenuhi viskositas yang disyaratkan dan lebih stabil dengan menghilangkan gugus karboksilat dan ikatan rangkapnya. Reaksi-reaksi yang terjadi pada produksi poliolester : 1 Metanolisis, yaitu reaksi pembentukan ester dengan mereaksikan asam dan alkohol

menghasilkan ester (metil ester) dan air. Esterifikasi dilakukan dengan mereaksikan asam oleat dengan metanol menghasilkan ester oleat dan air. Reaksi dijalankan pada suhu 60-70º C dengan katalisator H2SO4.

2 Pembuatan Asam perasetat yang diperlukan untuk membawa oksigen aktif dari fase air ke fase minyak. Nisbah mol asam asetat : asam peroksida = 25:75 pada suhu kamar, mekanisme reaksi yang terjadi adalah (Yadaf & Satoskar 1997)

CH3COOH + H2O2 Asam perasetat

Gambar 8 Reaksi pembentukan Asam perasetat

3 Epoksidasi adalah pembentukan tiga eter siklik (oksiran), karena reaksi antara perasida (peroksida) dan hidrogen peroksida dengan olefinik dan ikatan rangkap aromatik. Senyawa epoksi dikarakterisasi dengan kelompok oksiran yang dibentuk oleh oksidasi suatu olefin atau ikatan rangkap aromatik.

RO2H O

C = C C - C

Gambar 9 Reaksi epoksidasi terhadap ikatan rangkap aromatik membentuk oksiran (Kirk & Othmer 1995).

4 Hidrolisis dilakukan untuk menghilangkan kandungan air pada poliolester, karena apabila kandungan air terlalu banyak akan mengakibatkan terjadinya emulsi.

Menurut Schnur (2003), Poliolester dapat diproduksi dengan mereaksikan alkohol dan asam lemak, dengan katalis dibutilin diasetat, tin oksalat, atau asam fosfat, yang dimasukkan ke dalam labu berpengaduk dilengkapi dengan kondenser. Komposisi reaksi adalah asam lemak berlebih 15% terhadap alkohol, jumlah katalis 0.02% - 0.1% berat asam lemak dan alkohol. Campuran dipanaskan sampai dengan 220º C-230º C.

Menurut Yunus et al. (2003), Poliolester berbahan baku sawit merupakan pelumas dasar yang bisa terdegradasi. Sintesis ester trimetilolpropan (TMP) minyak biji sawit dihasilkan dari transesterifikasi metil ester biji sawit dengan TMP menggunakan natrium metoksida sebagai katalis. Konversi triester TMP biji sawit yang dihasilkan adalah sebesar 98 %, pada tekanan 20 mbar, suhu 130° C. Sifat pelumas dasar tanpa aditif adalah viskositas pada 40° C dalam kisaran 39.7 – 49.7 cSt, titik tuang -1º C – 1° C. Sifat kimia

dan pelumasan dapat dibandingkan terhadap TMP ester minyak nabati komersial. Reaksi yang terjadi adalah :

O CH2OH CH2- O –C-R

O

CH3CH2 C-CH2OH + 3RCOOCH3 CH3CH2C-CH2-O-C-R + 3CH3OH

O

CH2OH CH2- O –C-R

TMP PKOME Triester Metanol Gambar 10 Reaksi transesterifikasi metil ester minyak sawit dengan menggunakan TMP. R = kelompok alkil , C6 – C20

Dari http://www.wipo.int/cgi diketahui bahwa invensi yang muncul saat ini berhubungan dengan metoda untuk pembuatan oleokimia poliol sebagai pelumas dasar menggunakan katalis asam. Poliol dapat dibuat dengan membuka cincin epoksi minyak menggunakan katalis asam, asam sulfat, asam fosfat, asam hidroklorida, asam organik, seperti asam sulfonat. Katalis cair dapat digantikan dengan katalis asam padat seperti lempung(montmorilonnit). Keuntungan menggunakan katalis padat adalah dapat diambil kembali, didaur ulangdan digunakan kembali, dan sisa alkohol dapat digunakan kembali.

Poliol dapat diproduksi dari petroleum, tetapi poliol yang dibuat dari minyak oleokimia lebih disukai karena berasal dari sumber terbarukan. Minyak oleokimia diproduksi dari minyak sawit, minyak jarak, minyak kacang, minyak kanola, minyak biji kapuk, minyak kedelai, dan minyak biji bunga matahari. Molekul minyak oleokimia harus ditransformasikan secara kimia untuk memasukkan gugus hidroksil. Sebagai contoh, minyak kedelai tidak mengandung gugus hidroksil, tetapi mengandung 4.6 ikatan

rangkap per molekul. Bagian tidak jenuh molekul minyak nabati dapat dikonversikan menjadi gugus hidroksil. Oleokimia poliol dapat dibuat dengan yield tinggi yaitu 85% - 95% menggunakan proses sebagai berikut: bahan-bahan epoksi minyak nabati (epoksi minyak kedelai mengandung kira-kira 6,8% oksigen oksiran), alkohol (156.25 g metanol), dan katalis (12.5 g lempung Retrol F-20) dicampur di dalam 500 ml labu dengan pendingin balik dan pengaduk. Reaktor dipanaskan sampai dengan 65 °C, campuran diaduk sampai dengan reaksi sempurna selama 2 jam.

Menurut Hwang & Erhan (2005), minyak nabati bersifat bisa terdegradasi dapat digunakan sebagai pelumas dasar ramah lingkungan. Sifat pelumasannya baik tetapi stabilitas oksidasinya rendah. Untuk memperbaiki sifat-sifat minyak nabati maka direaksikan antara epoksi minyak kedelai dengan alkohol Guerbet ( C-12, C-14, C-16, dan

C-18) dengan katalis H2SO4. Pelumas dasar sintetis mempunyai ketahanan oksidasi yang

sama dengan minyak mineral dan lebih kecil dibandingkan dengan Polialphaolefin (PAO) dandiisododekil. Reaksi yang terjadi disajikan pada Gambar 11.

Menurut Adhvaryu et al. (2005), perkembangan dan penggunaan pelumas dasar bio dalam sektor industri dan otomotif meningkat dengan cepat karena sifat tidak beracun dan bisa terdegradasi, tidak seperti minyak mineral. Pelumas dasar sintetis dengan stabilitas yang baik dibuat dengan memodifikasi secara kimiawi terhadap epoksi minyak kedelai (ESBO). Reaksi modifikasi dilakukan dengan 2 tahapan proses, yaitu sintesis dihidroksilasi minyak kedelai dari ESBO dan HClO4, dilanjutkan reaksi dengan asetat

anhidrat, butirat asetat, atau heksanoat asetat, dan produk yang dihasilkan adalah dihidroksilasi (Gambar 12 dan Gambar 13)

Gambar 11 Skema reaksi pembukaan cincin oksiran dan transesterifikasi epoksi minyak kedelai (Lathi & Mattiasson 2006).

Gambar 12 Sintesis dihidroksilasi minyak kedelai dari ESBO dan HClO4(Adhvaryu et

al. 2005),

Hasil penelitian Lathi & Mattiasson (2006)menyatakan bahwa proses produksi pelumas dasar yang bisa terdegradasi dari epoksi minyak nabati dengan titik tuang terendah dilakukan dengan menggunakan resin kation sebagai katalis. Pada proses ini, terjadi 2 tahap reaksi yaitu alkoholisis dilanjutkan dengan esterifikasi terhadap gugus hidroksil hasil reaksi tahap satu. Reaksi pembukaan cincin epoksi minyak kedelai dengan menggunakan berbagai alkohol, seperti n-butanol, iso-amil alkohol dan 2 etilheksanol dilakukan dengan adanya katalis Amberlist 15. Identifikasi produk dilakukan dengan menggunakan IR dan NMR. Titik tuang produk berada pada kisaran -5 sampai -15° C.

Tahapan proses yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah membuat poliol dari epoksi minyak menggunakan metanol dan butanol dengan katalis padat (lempung alam, bentonit), dilanjutkan dengan tahapan asetilasi menggunakan asam asetat anhidrat dengan katalis bentonit untuk menghasilkan pelumas dasar dengan stabilitas oksidasi yang tinggi.

Contoh Produk Poliolester Komersial

Houghton International mengembangkan minyak mesin hidraulik Cosmolubric

B-230 yang diturunkan dari minyak nabati dengan tambahan bahan aditif untuk mencegah korosi, passivasi logam, dan oksidasi. Sifat fisik pelumas adalah indeks viskositas 214, ASTM titik nyala 495º F, dan ASTM titik api 610º F, dan fluida ini melewati uji korosi ASTM D-665 A (Adams 2000).

Tabel 3 Pelumas Poliolester Icematic SW68 Nu-Calgon

Penampakan / Bau Jernih, Larutan tidak berwarna, aroma petroleum Titik Didih >500 °F

Gravitasi spesifik 0.98 Kelarutan dalam air Tidak larut

Standar pelumas

Menurut Gawrilow (2003), pelumas diklasifikasikan ke dalam 2 golongan :

1 Pelumas mesin: minyak mesin diesel , minyak diesel (otomotif, minyak stasioner, kereta api, kapal, kapal terbang), dan minyak mesin 2 tak.

2 Pelumas bukan mesin: fluida transmisi, meringankan putaran roda kemudi (power steering), peredam kejut (shock absorber), hidraulik, fluida kerja logam, dangemuk.

Berbagai kelompok klasifikasi kinerja pelumas yang dapat digunakan sebagai standar adalah sebagai berikut.

1 Society of Automotive Engineers (SAE), yaitu klasifikasi pelumas mesin menurut tingkat kekentalannya pada 100°C dan beberapa suhu rendah, tergantung dari tingkat kekentalannya (SAE). Viskositas pada suhu tinggi berhubungan dengan tingkat konsumsi pelumas dan karakteristik keausan. Kekentalan suhu rendah digunakan untuk memprediksi kemudahan start dan kinerja pelumasan pada suhu rendah. Pelumas dengan indek viskositas tinggi kurang sensitif terhadap perubahan suhu. Contoh klasifikasi viskositas SAE pada roda gigi otomotif terdapat pada Tabel 4. Tabel 4 Klasifikasi Viskositas SAE pelumasan roda gigi otomotif

Tingkat SAE Suhu Maksimum untuk viskositas 150.000 Cp Viskositas cSt , 100°C

°C Min Max

70 W -55 4.1 -

75 W -40 4.1 -

80 W -26 7.0 -

85 W -12 11.0 -

90 - 13.5 < 24.0

140 - 24.0 <41.0

250 - 41.0 -

2 API (American Petroleum Institute). Klasifikasi kinerja pelumas untuk mesin bensin menggunakan simbol S (SA – SJ), klasifikasi kinerja dari mesin diesel dengan simbol C (CA- CG) (Nugroho 2005). Pengelompokan pelumas dasar API terdapat pada Tabel 5 dan Gambar 14 di bawah ini :

Tabel 5 Klasifikasi pelumas berdasarkan standar API

API Karateristik

Pelumas Dasar

Metode Group Kandungan

Sulphur

Kejenuhan Molekul

Indeks Kekentalan

Proses Pembuatan

Wt, % Wt, % VI

I > 0.03 < 90 80 – 119 Pemurnian Biasa

II < 0.03 > 90 80 – 119 ProsesHidro

III < 0.03 > 90 120 + Proses Hidro lanjut

IV Polialfa Olefin Oligomerisasi

Gambar 14 Klasifikasi pelumas berdasarkan standar API (Lubricant technical service). 3 JASO (Japanese Automobile Standard Organization)

4 ILSAC (International Lubricant Standard and Approval Commite) (Newman 2003) Pengujian pelumas dasar. Beberapa pengujian terhadap pelumas dasar adalah : penampakan, densitas, warna, viskositas, indeks viskositas, titik nyala, titik tuang, dan kandungan abu. (Caines & Haycock 1996).

Dampak Minyak Pelumas Nabati Terhadap Lingkungan

Menurut Eastwood (2005), terdapat beberapa kriteria untuk memilih minyak pelumas dasar di dalam penggunaannya sebagai minyak mesin hidraulik. Pemilihan biasanya didasarkan pada beberapa aspek, viskositas, kestabilan termal dan oksidasi, , biodegradabilitas,dantahan api.

Menurut Johnson (1990), beberapa permasalahan fisik dan lingkungan dapat diatasi dengan menggunakan minyak motor nabati. Minyak kanola mempunyai keunggulan sifat pada titik nyala, titik bakar, indeks viskositas, dan bisa terdegradasi. Permasalahan penggunaan minyak nabati adalah rendahnya stabilitas oksidasi. Poliolester bersifat terdegradasi 90%, sifat pelumasan baik, stabilitas baik pada suhu rendah dan tinggi. Indeks viskositas di atas 150, titik nyala 530º F - 550º F, titik bakar 600º F - 615º F, tahan api anhidrous, sehingga dapat digunakan di atas 3000 psi. (Adams 2000). Ester oleokimia merupakan formula terbaik dan digunakan sebagai minyak hidraulik. Formula oleokimia ini dapat terbarukan dan memiliki kinerja yang tinggi, sehingga menguntungkan bagi lingkungan, komunitas pertanian dan konsumen (Eastwood 2005). Tabel 6 Hasil uji biodegradabilitas pelumas dasar

Produk CEC L-33-A-93

(21 hari)

Modifikasi Sturm

(28 hari) Minyak mineral 15% - 75% 5%-50% Ester Sintetis > 55% >40% Minyak nabati > 90% > 70% Sumber : Gawrilow 2003

Biodegradabilitas minyak dan cara pengujian.

Menurut Eisentraeger et.al. 2002, pelumas sebaiknya stabil selama penggunaannya pada kondisi yang berbeda. Perubahan sifat fisik dan kimia pelumas terjadi karena penggunaannya. Biodegradabilitas adalah aspek penting yang perlu

dipertimbangkan sebagai dampak terhadap lingkungan. Metoda standar untuk menguji biodegradabilitas adalah metoda OECD (OECD 1992) and metoda standar ISO (ISO/TR 15462 1997). Pelumas terdiri dari pelumas dasar dan aditif. Minyak mineral, minyak

rapeseed, ester sintetis, dan senyawa organik lain digunakan sebagai pelumas dasar. Konsentrasi aditif biasanya di bawah 10% (w/w). Pengujian minyak hidraulik dari minyakkanola yang digunakan pada mesin pertanian dengan menggunakan CEC-test dan Zahn–Wellens-test, Headspace test dengan GC-TCD mengkarakterisasi biodegradabilitas pelumas dasar ester sintetis dan oleokimia.

Sumber lain menyatakan bahwa pelumas perlu diuji biodegradabilitas dan toksisitasnya, diinginkan pelumas tidak bersifat toksik dan dapat terdegradasi. Pengujian toksisitas meliputi: uji toksisitas, uji fitotoksisitasdan uji toksisitas algal. Pada tiap-tiap kasus no-observed-effect-concentration (NOEC); nilai konsentrasi tertinggi tanpa memberikan pengaruh adalah sebesar 2000, 1000 dan 1000 mg/L. Pengujian biodegradabilitas menggunakan uji biochemical oxygen demand (BOD) dan chemical

oxygen demand (COD). Jika rasio BOD5/COD 0.5 atau lebih berarti mudah

terbiodegradasi. (Lathi & Mattiasson 2006).

Epoksidasi Epoksida

Epoksida merupakan salah satu jenis dari eter (ROR). Eter memiliki ikatan yang mirip dengan air dan bersifat polar. Eter dapat bersifat rantai terbuka maupun siklik. Bila besar cincin (termasuk oksigen) lima anggota atau lebih, maka sifat eter itu mirip dengan eter rantai terbuka padanannya. Epoksida lebih reaktif daripada eter lain karena ukuran cincin lebih kecil (Fessenden 1999).

Reaksi Epoksidasi

Epoksidasi adalah pembentukan eter siklik tiga anggota (oksiran), merupakan reaksi antaraperasida dan hidrogen peroksida dengan olefin dan ikatan rangkap aromatik. Reaksi yang terjadi melalui 2 tahap, yaitu reaksi oksidasi asam menjadi asam peroksida alkena oleh asam peroksida (Kirk & Othmer 1982). Reaksi epoksidasi dapat dilakukan denganpereaksi asam perasetatdan asam performat.

1 Asam Perasetat dibuat dari oksidasi asetaldehid oleh hidrogen peroksida 2 Asam Performat dibuat dari oksidasi formaldehid

Meskipun ada beberapa jalur untuk pembuatan perasida, tetapi yang penting adalah :

1 Asam perasetat preformed (Oksidasi udara terhadap asetaldehid) 2 Asam performat insitu

Proses Epoksidasi dapat dibagi dalam 2 jenis dasar yaitu pembentukan perasidain situ dan perasida preformed. Komposisi dan kinerja produk dipengaruhi oleh kosolven, substrat olefin dan katalis yang dipilih, metoda penambahan komponen dan pengolahan setelah epoksidasi. Reaksi yang terjadi pada asam perasetat preformed terlihat pada Gambar 15 dibawah ini.

H2CCOOH + RHC = CHR ⇔ RCH - CHR + CH3COH

Gambar 15 Reaksi pembentukan gugus Oksiran.

Proses insitu lebih aman dibandingkan dengan proses perasida preformed. Hidrogen peroksida dan asam organik bereaksi dengan adanya katalis asam membentuk perasida terlihat pada Gambar 16.

RCOH + H2O2 ⇔ RCOOH + H2O

Gambar 16 Reaksi pembentukan perasida.

Untuk mencegah reaksi eksotermik yang tidak terkontrol dan untuk mengoptimalkan epoksidasi, larutan peroksida ditambahkan sedikit demi sedikit dengan pengadukan. Epoksidasi bersifat reversibel dan ada reaksi samping, maka sebaiknya dilakukan pada suhu dan waktu untuk mencapai tingkat oksidasi yang diinginkan.

O O

O

Pembukaan Cincin Oksiran

Suatu cincin epoksida, seperti cincin siklopropana, tidak dapat memiliki sudut ikatan sp3 sebesar 109º, sudut antar inti hanya 60°, sesuai dengan persyaratan cincin tiga anggota. Orbital yang membentuk ikatan cincin tidak dapat mencapai tumpang-tindih maksimal; oleh karena itu cincin epoksida mengalami terikan. Polaritas ikatan – ikatan C-O, bersama dengan cincin ini, mengakibatkan reaktivitas tinggi.

Pembukaan cincin tiga anggota menghasilkan produk yang lebih stabil dan berenergi yang lebih rendah. Reaksi khas epoksida adalah reaksi pembukaan cincin, yang dapat berlangsung pada suasana asam ataupun basa (Karina 2005). Berikut ini beberapa reaksi pembukaan cincin oksiran:

CH3COOH HO OOCCH2

RCHCHR

H2O

H+ RCHCHR

RHC - CHR RCCH2R

CH3COOOH HO OOOCCH2

RCHCHR H2O2 HO OOH

RCHCHR

Gambar 17 Reaksi pembukaan cincin oksiran (Kirk & Othmer 1982).

Pembukaan cincin oksiran secara katalitik, dengan adanya donor hidrogen atau air, seperti alkohol, diol, dan amina, akan memasukkan gugus hidroksil ke dalam ikatan asam lemak seperti pada Gambar 18 dibawah ini (Dahlke et al. 1995):

O

HO OH

O X

Katalis, HX

RCH-CHR RCH-CHR

OH X : -OH ; -O-R; O-R-H; -O-Ar Gambar 18 Pembukaan cincin oksiran.

Stabilitas terhadap Oksidasi

Oksidasi merupakan faktor utama yang membatasi umur pemakaian pelumas. Semua pelumas akan teroksidasi bila diserang oksigen dalam jumlah yang cukup banyak. Oksidasi yang terjadi tergantung pada faktor-faktor seperti suhu, katalis, oksigen, kontaminan, dan waktu. Oksidasi minyak adalah proses oksidasi terhadap minyak, terdiri atas tiga tahap yaitu tahap inisiasi, minyak akan bereaksi dengan oksigen membentuk radikal bebas, tahap propagasi, radikal bebas ini akan bereaksi dengan oksigen dan minyak pelumas membentuk hidroperoksida. Hidroperoksida terdekomposisi membentuk radikal bebas dan komponen alkohol, keton, dan asam karboksilat. Asam karboksilat menyerang logam membentuk logam karboksilat, mempercepat oksidasi.

Bila pelumas teroksidasi, oksigen akan bereaksi dengan molekul minyak lumas dan membentuk tiga jenis produk seperti asam, lumpur oksidasi dan deposit (Karina 2005). Asam yang terjadi menimbulkan korosi dan pengkaratan. Sedangkan lumpur oksidasi merupakan bahan yang tidak larut dalam minyak merupakan hasil polimerisasi molekul pelumas yang teroksidasi, terlihat dari meningkatnya kekentalan minyak dan menurunnya viskositas indeks. Jika oksidasi yang terjadi sangat berat, maka minyak akan menjadi sangat kental pada suhu yang rendah. Bila lumpur tidak terdispersi dengan baik akan mengakibatkan penyumbatan.

Oksidasi minyak nabati sama dengan proses oksidasi hidrokarbon secara radikal bebas. Minyak nabati mempunyai ketahanan oksidasi rendah disebabkan karena adanya ikatan rangkap. Permulaan oksidasi minyak nabati karena adanya asam lemak dari berbagai asam lemak radikal bebas, yaitu karbon dan reaksi oksidasi berjalan lambat membentuk peroksi. Radikal peroksi dikonversi menjadi hidroperoksida melalui

termolisis atau reaksi dengan metal untuk membentuk alkoksi, peroksi dan radikal bebas karbon (Karina 2005).

Tabel 7 Perbandingan identifikasi mineral oil (PAO), HVI, dan minyak nabati

No Sifat-sifat PAO POE HVI Minyak Nabati (Minyak

jarak castor) 1 Densitas, g/cm2 _{- 0,98 ±}

0,8965 0,950-0,975 2 Viskositas, 40 C,cSt

2-100

76,7 Min 20,57 ± 19,9 3 Viskositas 100C, cSt 11,3 Min 4,39 ±252 4 Indeks viscositas 125-40 - 80-120 Min 90

5 Titik tuang, °C -50 - 0-20 -10—18

6 Titik nyala, °C Min 220 285 Min 204 -

7 Volatilitas Noack, % 11-12 40 16-22 - 8 Stabilitas termal Sangat baik - Sangat baik Kurang 9 Stabilitas Oksidasi Sangat baik - Sangat baik Kurang 10 Kelarutan aditif Sangat baik - Sangat baik Kurang Sumber : La pupung 1986, Karina 2005, dan Mulyana 2003.

Perancangan Proses Pengertian Perancangan

Perancangan merupakan produk pengubahan suatu gagasan menjadi suatu bentuk perubahan dari kondisi yang ada ke dalam bentuk yang diinginkan, pengalihan raga (feature), spesifik dari suatu produk, proses atau sistem nyata ke atas kertas atau ke dalam komputer. Perancangan merupakan proses kreatif dan berdisiplin untuk pemecahan masalah mencakup pendefinisian masalah dan penyelesaiannya. Prinsip dan metodologi ilmiah dan seni, informasi teknis dan imaginasi digunakan untuk menentukan suatu struktur, mesin, proses, atau sistem baru yang memenuhi fungsi yang diinginkan dengan nilai ekonomis dan efisiensi tinggi. Dua macam perancangan, yaitu perancangan sintesis dan perancangan analitis. Perancangan analitik berdasarkan model matematika untuk menghasilkan rancangan optimal. Perancangan sintesis melibatkan invensi, perancangan

awal, dan analitik. Perancangan awal merupakan penciptaan produk, proses, atau sistem baru (Johnston 2000). Model perancangan terlihat pada Gambar 19.

Gambar 19 Model proses perancangan (Johnston 2000). Perancangan Proses

Perancangan merupakan salah satu kegiatan utama seorang insinyur dan melibatkan kegiatan kreatif. Oleh karena itu perancangan proses adalah kegiatan kreatif menciptakan gagasan untuk menghasilkan bahan baru atau meningkatkan nilai tambah, hasil yang di dapat adalah rancangan proses. Gagasan baru ini diperlukan untuk

1 Menghasilkan produk baru

2 Mengubah limbah menjadi produk yang berharga

3 Menciptakan bahan / produk yang sama sekali baru (bioproses)

4 Menemukan cara baru untuk memproduksi produk yang telah ada (katalis baru, alternatif bioproses)

5 Menerapkan teknologi baru (rekayasa genetik, sistem pakar)

6 Menggali bahan konstruksi baru (operasi pada suhu dan tekanan tinggi, polimer khusus) (Douglas 1988).

Invensi

Sketsa, Model, Paten Pengembangan Percobaan

Rancangan Prototipe dan spesifikasi Pengembangan Manufaktur

Rancangan produk , peralatan

Produksi Pemasaran

Inovasi Ilmu / Sains

Sumber gagasan • Kreativitas • Penelitian pemasaran • Masukan pengguna

• Produk pesaing • Bahan / komponen baru • Penelitian dasar • Masalah untuk dipecahkan • Tantangan • Kemampuan Pengembangan bertahap Inovasi tambahan , rancangan perbaikan Matang Penurunan/ pergantian

Pengembangan

Prinsip perancangan dapat dilihat pada Gambar 20 dan 21 di bawah ini : Situasi langsung -Kesempatan

Gambar 20. Tahap dalam perancangan proses kimia (Seider et al. 1999)

Survei literatur

Menilai permasalahan sederhana untuk menentukan tipe proses

Percobaan Database Permulaan

Sintesis proses permulaan: reaksi, separasi, T-P perubahan operasi, Integrasi tugas, seleksi peralatan

Apakah ada keuntungan kasar? ya

tdk

tolak

Proses penciptaan

Menciptakan flowsheet proses

Integrasi proses

Kreasi data base detail

Pengetesan Pilot-Plant Modifikasi

Simulasi model kinetika

Apakah proses masih menjanjikan?

ya tdk

Sintesis proses rinci

- Metode Algoritma Sintesis separasi

Analisis hukum / aturan

Integrasi panas dan tenaga

Rancangan detail, Estimasi biaya modal, analisis keuntungan, optimisasi

Apakah proses fisibel?

tdk

Laporan perancangan proses

Final rancangan : gambar peralatan, diagram perpipan, diagram instrumentasi, lay out peralatan, skala model konstruksi,

Konstruksi

Startup

Operasi

Penilaian start up

• Analisis keamanan dan reabilitas

• Pengetesan Pilot Plant

Penilaian kontrol :

Sintesis kualitatif struktrul kontol, Analisis kontrol flowshet, simulasi dinamik

L23.2. Proyeksi

Cash Flow

Proyeksi Cash Flow

Uraian TAHUN KE

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Arus Kas masuk Penjualan Produk

13,382.50 13,382.50 13,382.50 13,382.50 13,382.50 13,382.50 13,382.50 13,382.50 13,382.50 13,382.50 Penyusutan 2,747.75 2,747.75 2,747.75 2,747.75 2,747.75 2,747.75 2,747.75 2,747.75 2,747.75 2,747.75

Modal sendiri 3,342.54

Kredit Bank 835.64

Kas Masuk 4,178.18 16,130.25 16,130.25 16,130.25 16,130.25 16,130.25 16,130.25 16,130.25 16,130.25 16,130.25 16,130.25 Arus Kas Keluar

Biaya investasi 3,633.20

Biaya modal kerja

544.98

Biaya Produksi 11,760.07 11,739.18 11,718.28 11,697.39 11,676.50 11,655.61 11,634.72 11,634.72 11,634.72 11,634.72 Angsuran Pinjaman 15,474.73 15,474.73 15,474.73 15,474.73 15,474.73 15,474.73 0.00 0.00 0.00 0.00

Pajak dan lain - lain 486.73 493.00 499.26 505.53 511.80 518.07 524.33 524.33 524.33 524.33 Kas keluar 4,178.18 27,721.52 27,706.90 27,692.27 27,677.65 27,663.03 27,648.40 12,159.05 12,159.05 12,159.05 12,159.05 Selisih 0.00 -11,591.27 -11,576.65 -11,562.03 -11,547.40 -11,532.78 -11,518.16 3,971.19 3,971.19 3,971.19 3,971.19

226

L23.3 Analisis kelayakan finansial

Kapasitas Bahan baku

2,069 Kg biji jarak pagar/hari

NPV

1,518.272 juta Rupiah

IRR

25.09%

Harga Bahan Baku Biji Jarak Pagar

2,000 Rupiah/kg

PBP

3.62 Tahun

Harga Bahan Pembantu

Rupiah/kg

NET B/C

1.36

CH3COOH 98%

25,000

Rupiah/kg

H2O2

12,000

Rupiah/kg

Biaya Investasi

3,633,196,579.24 Rupiah

H2SO4

87,000

Rupiah/kg

Biaya Modal Kerja

544,979,486.89 Rupiah

Butanol

20,000

Rupiah/kg

HPP/kg

63,951.87 Rupiah

Bentonit

3,000

Rupiah/kg

Jumlah bahan baku biji jarak

496,488 kg/tahun

Harga Jual Produk Pelumas dasar nabati

80,000 Rupiah/kg

Kebutuhan luas kebun

99.30 Ha

Hari operasi

240 Hari

Nilai Tukar Rp./1USDollar

9,000

Produk pelumas dasar nabati

697.005 kg/hari

Suku Bunga Bank

15.00%

167281.226 kg/tahun

Produksi biji jarak

5,000 kg/ha/th

167.281 ton/tahun

ANALISIS KELAYAKAN FINANSIAL INDUSTRI PELUMAS DASAR MINYAK JARAK PAGAR

OUTPUT DATA

INPUT DATA

L23.4. Analisis Sensitivitas

PERUBAHAN

NPV, juta Rp

IRR

PBP

Net B/C

optimum

1,518.27

25.09% 3.62

1.36

Kenaikan harga bahan baku

148.55%

-0.002

15.00% 5.17

1

Kenaikan harga bahan pembantu

9.00%

-0.008

15.00% 5.17

1

Penurunan harga jual produk

4.0%

-0.004

15.00% 5.17

1

228

L24. Perbandingan hasil simulasi produksi dengan menggunakan program Hysis

L24.1. Tahapan Proses Epoksidasi-Hidroksilasi-Asetilasi

230