Pengaruh suhu dan lama proses aging terhadap sifat fisikokimia surfaktan MESA jarak pagar

PENGARUH SUHU DAN LAMA PROSES AGING TERHADAP

SIFAT FISIKOKIMIA SURFAKTAN MESA JARAK PAGAR

SKRIPSI

NUR HIDAYAT

F34061189

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2011

PENGARUH SUHU DAN LAMA PROSES AGING TERHADAP

SIFAT FISIKOKIMIA SURFAKTAN MESA JARAK PAGAR

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknologi Industri Pertanian,

Fakultas Teknologi Pertanian,

Institut Pertanian Bogor

Oleh

NUR HIDAYAT

F34061189

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2011

Judul Skripsi : Pengaruh Suhu dan Lama Proses Aging terhadap Sifat

Fisikokimia Surfaktan MESA Jarak Pagar

Nama

: Nur Hidayat

NIM

: F34061189

Menyetujui,

Pembimbing,

(Prof. Dr. Erliza Hambali)

NIP 19620821 198703 2 003

Mengetahui :

Ketua Departemen,

(Prof. Dr.Ir.Nastiti Siswi Indrasti)

NIP 19621009 198903 2 001

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN

SUMBER INFORMASI

Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi dengan judul Pengaruh Suhu dan Lama Proses Aging terhadap Sifat Fisikokimia Surfaktan MESA Jarak Pagar adalah hasil karya saya sendiri dengan arahan Dosen Pembimbing Akademik, dan belum diajukan dalam bentuk apapun pada perguruan tinggi manapun. 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 skripsi ini.

Bogor, Januari 2011 Yang membuat pernyataan

Nur Hidayat F34061189

THE EFFECT OF TEMPERATURE AND AGING PROCESS DURATION

ON THE PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF MESA

JATROPHA CURCAS SURFACTANT

Nur Hidayat and Erliza Hambali

Department of Agroindustrial Technology, Faculty of Agricultural Technology, Bogor Agricultural University, IPB Dramaga Campus, PO Box 220, West Java, Indonesia

e-mail: nuru_hidayat@yahoo.co.id

ABSTRACT

Surfactant is an actives compound which decrease the surface tension (surface active agent) and inter-facial tension of matter with different polarity. MES (Methyl Ester Sulfonate) surfactant was anionic surfactant from jatropha oil which has potential to replace petroleum-based surfactant (petroleum sulfonate) which commonly used. The objectives of this research were to obtain the best condition of aging process (temperature and aging duration) in methyl ester conversion of jatropha oil into Methyl Ester Sulfonate Acid (MESA), and to know the physic-chemical characters of MESA

which been produced. Main process of MESA synthesizing was sulfonation, that’s the binding of

sulfonate clusters by sulfonating reactant in hydrocarbon chain of methyl ester. Used sulfonating reactant in this research was SO3 gas. Condition of sulfonating process are input temperature of

methyl ester at 100 0C and sample taken after sulfonating process lasting for 120 minutes, then continued by aging process. Studied parameters are aging temperatures at 80, 100, and 120 0C and aging duration for 30, 45, and 60 minutes. MES was obtained from neutralization of MESA by using NaOH 50%. Result of variance analysis shows that temperature and aging duration has a significant effect to density, acid number, and iod number of MESA. Best condition from temperature and aging

duration’s combination was at process condition at 80 0

C for 60 minutes.

Nur Hidayat. F34061189. Pengaruh Suhu dan Lama Proses Aging terhadap Sifat Fisikokimia Surfaktan MESA Jarak Pagar.Dibawah Bimbingan Erliza Hambali. 2011

RINGKASAN

Surfaktan merupakan senyawa aktif penurun tegangan permukaan (surface active agent) dan tegangan antar muka antara zat yang berbeda polaritasnya. Pemakaian surfaktan antara lain untuk aplikasi pencucian dan pembersihan (washing and cleaning applications), produk pangan, pertambangan, cat dan pelapis, kertas, tekstil, serta produk kosmetika dan produk perawatan diri (personal care products). Surfaktan MES (Metil Ester Sulfonat) merupakan surfaktan anionik dari minyak jarak pagar yang berpotensi menggantikan surfaktan berbasis minyak bumi (petroleum sulfonat) yang selama ini digunakan. Hal ini terkait dengan kelebihan yang dimiliki surfaktan MES, diantaranya bersifat terbarukan, lebih ramah lingkungan, secara alami mudah didegradasi dan memiliki sifat deterjensi yang baik walaupun digunakan pada air dengan tingkat kesadahan yang cukup tinggi (Matheson, 1996).

Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan kondisi proses aging terbaik (suhu dan lama aging) pada konversi metil ester jarak pagar menjadi Metil Ester Sulfonat Acid (MESA), serta mengetahui karakteristik fisikokimia MESA yang dihasilkan. Penelitian ini diawali dengan pengepresan biji jarak pagar untuk mendapatkan minyak. Minyak jarak pagar yang dihasilkan tersebut kemudian diproses melalui tahap esterifikasi dan transesterifikasi untuk mendapatkan metil ester jarak pagar.

Proses utama sintesis MESA adalah sulfonasi, yaitu pengikatan gugus sulfonat oleh reaktan pensulfonasi pada rantai hidrokarbon metil ester. Reaktan pensulfonasi yang digunakan dalam penelitian ini yaitu gas SO3. Reaktan gas SO3 bersifat sangat reaktif, sesuai untuk produksi kontinyu, dan dapat membentuk gugus sulfonat secara optimal. Proses sulfonasi penelitian ini menggunakan

Single Tube Falling Film Reactor (STFR) dengan panjang reaktor 6 meter dan kapasitas umpan bahan organik 8 liter. Kondisi proses sulfonasi adalah dengan suhu input metil ester 100 oC dan sampel diambil setelah proses sulfonasi berlangsung selama 120 menit, setelah itu dilanjutkan dengan proses aging. Faktor kajian terdiri dari suhu aging 80, 100, dan 120 oC serta lama proses aging 30, 45, dan 60 menit. MES diperoleh dari proses netralisasi MESA menggunakan NaOH 50%.

Berdasarkan tahapan kegiatan yang telah dilakukan, hasil analisis biji jarak pagar yang digunakan dengan kadar air 9.73% dan kadar minyak 40.55%. Hasil pengepresan biji jarak pagar menghasilkan minyak jarak pagar dengan sifat fisikokimia: FFA 32.09%, bilangan asam 63.859 mg KOH/g minyak, bilangan iod 98.29 g iod/g minyak, bilangan penyabunan 197.6 mg KOH/g minyak dan densitas minyak jarak adalah 0.9131 g/ml. Hasil proses esterifikasi dan transeterifikasi minyak jarak pagar menghasilkan metil ester dengan sifat fisikokimia: bilangan asam 0.44 mg KOH/g sampel, bilangan iod 94.917 mg iod/ g sampel, bilangan penyabunan 198.125 mg KOH/g sampel, kadar gliserol total 0.918%(b/b), dan kadar ester alkil 97.70%(b/b). Metil ester yang dihasilkan tersebut kemudian dikonversi menjadi MESA melalui tahapan sulfonasi.

Hasil analisis ragam menunjukkan bahwa suhu dan lama aging berpengaruh nyata terhadap bilangan asam MESA, bilangan iod MESA, dan bilangan iod MES. Kondisi proses terbaik dari kombinasi suhu dan lama aging adalah pada kondisi proses dengan suhu aging 80 oC selama 60 menit. Proses aging pada suhu aging 80⁰ C selama 60 menit memberikan kandungan bahan aktif tertinggi yaitu sebesar 14.83%, pH 1.8, bilangan iod 25.087 mgI/g, bilangan asam 19.788 mg KOH/g, densitas 1.0298 g/ml, dan viskositas 337.5 cP, sedangkan kualitas MES nya pada kondisi yang sama yaitu bahan aktif 15.51%, pH 6.58, serta bilangan iod 23.895 mg Iod/g MES.

© Hak cipta milik Nur Hidayat, tahun 2011 Hak cipta dilindungi

Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa seizin tertulis dari Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apapun, baik cetak, fotokopi, mikrofilm, dan sebagainya.

BIODATA PENULIS

Nur Hidayat. Lahir di Jakarta, 22 Oktober 1988 dari ayah Harto Pawiro S. dan ibu Legiyem, sebagai putra pertama dari dua bersaudara. Penulis menamatkan SMA pada tahun 2006 dari SMAN 42 Jakarta, dan pada tahun yang sama diterima di IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Kemudian penulis memilih Departemen Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian. Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif dalam beberapa kegiatan organisasi dan keilmiahan. Penulis pernah aktif dalam BEM dan Forum Bina Islami Fateta pada tahun 2007-2008. Penulis pernah tergabung dalam kontingen IPB pada PIMNAS 2009 di Universitas Brawijaya Malang dan PIMNAS 2010 di Universitas Mahasaraswati Denpasar. Penulis melaksanakan praktek lapangan di Pabrik Kelapa Sawit Sinarmas Group, Kampar, Riau pada tahun 2009. Penulis juga tercatat sebagai salah satu Senior Resident Asrama TPB IPB 2008-2010. Beberapa beasiswa yang pernah diterima penulis antara lain adalah LAZ Al Hurriyah, PPA, dan Korean Exchange Bank.

ix

KATA PENGANTAR

Puji serta syukur sudah sepantasnya penulis sampaikan kehadirat Allah SWT, yang telah memberikan begitu banyak limpahan karunia dalam setiap langkah kehidupan ini. Penulis juga bersyukur karena telah diberikan kekuatan dan kemudahan dalam melaksanakan tugas akhir penelitian sampai terselesaikannya skripsi ini.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Ibu dan Bapak yang telah banyak berdoa dan sabar menunggu kelulusan penulis.

2. Prof. Dr. Erliza Hambali selaku dosen pembimbing yang telah memberikan kesempatan sehingga penulis dapat melakukan penelitian dan menyelesaikan skripsi ini.

3. Staff dan laboran SBRC: Mas Anas, Mas Slamet, Mas Gun, Pak Ratno, Pak Heri, Mas Saeful, Mas Otto, Mas Feri, dan Mas Mulyanto di PT. Mahkota Indonesia yang telah membantu dalam pembuatan MESA.

4. Rekan satu bimbingan: Arya, Dini, dan Rere atas motivasi, pembelajaran dan kerjasamanya. 5. Kakak-kakakku S2 TIP IPB: Mba Susi, Mba Reny, Mba Ira, Mba Yeni, Bu Dona, dan Mas

Encep yang telah mau berbagi ilmu dan pengalaman.

6. Saudaraku Senior Resident Asrama TPB, terkhusus untuk Diki, Catur, Andi, Erry, Habib, Subhan, Iral, Anto, dan Mas Wahyu, yang sama-sama merelakan waktu kelulusannya sedikit terlambat.

7. Teman-temanku TIN ‘43 atas kebersamaannya selama ini.

Penulis menyadari masih terdapat banyak kekurangan dalam penyusunan dan penyelesaian skripsi ini, sehingga kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan bagi perbaikan skripsi ini. Penulis berharap skripsi ini dapat menjadi sumbangan bagi kemajuan ilmu pengetahuan dan bermanfaat untuk siapapun yang membutuhkannya.

Bogor, Januari 2011 Nur Hidayat

x

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR ... ix

DAFTAR ISI ... x

DAFTAR TABEL ... xii

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiv

I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan ... 2

II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Jarak Pagar ... 3

2.2 Surfaktan dan Kinerja Surfaktan ... 4

2.3 Metil Ester ... 6

2.4 Metil Ester Sulfonat ... 9

2.5 Proses Aging ... 11

III. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Bahan dan Alat ... 13

3.1.1 Bahan ... 13

3.1.2 Alat ... 13

3.2 Metode Penelitian ... 13

3.2.1 Analisis Biji Jarak Pagar ... 15

3.2.2 Pengepresan Biji dan Analisis Minyak Jarak Pagar ... 15

3.2.3 Proses Produksi Metil Ester dan Analisis Metil Ester Jarak Pagar ... 15

3.2.4 Proses Produksi Surfaktan Methyl Ester Sulfonate Acid ... 16

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Analisis Biji dan Minyak Jarak Pagar ... 17

4.2 Analisis Metil Ester Jarak Pagar ... 19

4.3 Proses Sulfonasi dan Aging MESA ... 20

4.4 Pengaruh Suhu dan Lama Proses Aging ... 21

4.4.1 Viskositas MESA ... 21

4.4.2 Nilai pH MESA ... 22

4.4.3 Densitas MESA ... 23

4.4.4 Bilangan Asam MESA ... 24

4.4.5 Bilangan Iod MESA ... 26

4.4.6 Kadar Bahan Aktif MESA ... 27

xi

V. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ... 31

5.2 Saran ... 31

DAFTAR PUSTAKA ... 32

xii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1.2 Bahan penyusun biji jarak pagar ... ... 3

Tabel 2. Komposisi asam lemak minyak jarak pagar ... 4

Tabel 3. Sifat fisikokimia minyak jarak ... ... 4

Tabel 4. Komposisi asam lemak beberapa jenis minyak yang dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan MES ... ... 10

Tabel 5. Hasil analisis biji jarak pagar ... ... 17

Tabel 6. Hasil analisis minyak jarak pagar ... 18

Tabel 7. Hasil analisis metil ester jarak pagar ... 19

Tabel 8. Hasil analisis suhu dan lama aging terhadap viskositas MESA ... 22

Tabel 9. Hasil analisis suhu dan lama aging terhadap nilai pH MESA ... 23

Tabel 10. Hasil analisis suhu dan lama aging terhadap densitas MESA... 24

Tabel 11. Hasil analisis suhu dan lama aging terhadap bilangan asam MESA ... 25

Tabel 12. Hasil analisis suhu dan lama aging terhadap bahan aktif MESA... 37

Tabel 13. Hasil analisis suhu dan lama aging terhadap bilangan iod MES ... 29

xiii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1.5 Tarikan antar molekul di permukaan cairan ... 5

Gambar 2. Tampilan surfaktan pada media air ... 6

Gambar 3. Visualisasi surfaktan yang membentuk satu lapisan ... 6

Gambar 4. Reaksi esterifikasi antara asam lemak dengan metanol ... 7

Gambar 5. Mekanisme rekasi esterifikasi antara asam lemak dan metanol dengan katalis asam ... 8

Gambar 6. Reaksi transesterifikasi trigliserida dan metanol ... 9

Gambar 7. Mekanisme transesterifikasi minyak dengan katalis basa ... 9

Gambar 8. Kemungkinan terikatnya pereaksi kimia dalam proses sulfonasi ... 10

Gambar 9. Mekanisme reaksi pembentukan MESA ... 11

Gambar 10. Reaksi pembentukan MES, disalt dan reesterifikasi ... 12

Gambar 11. Diagram alir penelitian yang dilakukan ... 14

Gambar 12. Mesin screw press biji jarak pagar ... 17

Gambar 13. Reaktor aging dan instalasi pengaduknya... 21

Gambar 14. Grafik hubungan suhu dan lama aging dengan bilangan iod MESA ... 26

xiv

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1.4 Prosedur Analisis Biji Jarak Pagar ... 36

Lampiran 2. Prosedur Analisis Minyak Jarak Pagar ... 37

Lampiran 3. Prosedur Analisis Metil Ester (Biodiesel) ... 40

Lampiran 4. Prosedur Analisis Surfaktan MES ... 43

Lampiran 5. Data Hasil Analisis Pengaruh Suhu dan Lama Aging terhadap Viskositas MESA ... 47

Lampiran 6. Data Hasil Analisis Pengaruh Suhu dan Lama Aging terhadap Nilai pH MESA ... 48

Lampiran 7. Data Hasil Analisis Pengaruh Suhu dan Lama Aging terhadap Densitas MESA ... 49

Lampiran 8. Data Hasil Analisis Pengaruh Suhu dan Lama Aging terhadap Bilangan Asam MESA . 50 Lampiran 9. Data Hasil Analisis Pengaruh Suhu dan Lama Aging terhadap Bilangan Iod MESA ... 51

Lampiran 10. Data Hasil Analisis Pengaruh Suhu dan Lama Aging terhadap Bahan Aktif MESA ... 52

Lampiran 11. Data Hasil Analisis Pengaruh Suhu dan Lama Aging terhadap Nilai pH MES ... 53

Lampiran 12. Data Hasil Analisis Pengaruh Suhu dan Lama Aging terhadap Bilangan Iod MES ... 54

Lampiran 13. Data Hasil Analisis Pengaruh Suhu dan Lama Aging terhadap Bahan Aktif MES... .... . 55

1

I.

PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang

Surfaktan merupakan suatu bahan yang memiliki aktivitas permukaan yang tinggi, sehingga seringkali disebut sebagai bahan aktif permukaan (surface active agent). Bahan aktif permukaan ini dapat memodifikasi karakteristik permukaan suatu cairan ataupun padatan, sehingga dapat mencampurkan dua atau lebih senyawa yang berbeda kepolarannya seperti minyak dan air. Surfaktan telah secara luas diaplikasikan pada berbagai bidang industri seperti industri kimia, industri kosmetika, industri pangan, industri pertanian, industri farmasi, industri plastik, industri perminyakan, dan sebagainya. Mengingat banyaknya bidang industri yang dapat mengaplikasikan penggunaan surfaktan, maka pengembangan surfaktan sangat prospektif dilakukan di Indonesia.

Surfaktan yang banyak digunakan saat ini adalah surfaktan berbasis petroleum (minyak bumi). Salah satu jenis surfaktan yang disintesis dari petroleum adalah surfaktan LAS (Linear Alkilbenzene Sulfonate). Surfaktan LAS tidak dapat bertahan dalam kondisi air dengan tingkat kesadahan tinggi dan terbuat dari bahan yang tidak dapat diperbaharui serta jumlahnya terbatas, mengingat keberadaan cadangan minyak bumi yang semakin menipis. Penggunaan surfaktan LAS dalam berbagai aplikasi industri ini dapat digantikan oleh surfaktan MES (Methyl Ester Sulfonate) yang berbasis pada minyak nabati.

Surfaktan MES merupakan surfaktan anionik yang bersifat terbarukan karena terbuat dari minyak nabati. Minyak jarak pagar adalah salah satu jenis minyak nabati yang dapat digunakan untuk memproduksi surfaktan MES. Mengingat adanya rencana pemerintah untuk meningkatkan produktivitas dan lahan penanaman tanaman jarak pagar di Indonesia, maka potensi minyak jarak pagar untuk dimanfaatkan sebagai surfaktan semakin meningkat. Pemanfaatan minyak jarak pagar sebagai bahan baku produksi surfaktan MES akan dapat meningkatkan nilai tambah minyak jarak pagar, serta tidak akan berkompetisi dengan kebutuhan pangan. Menurut Watkins (2001), beberapa kelebihan surfaktan MES antara lain mampu mempertahankan deterjensi pada air dengan tingkat kesadahan tinggi, tidak menggumpal pada air dengan salinitas tinggi, dan memiliki laju biodegradasi yang lebih cepat dibandingkan surfaktan berbasis minyak bumi.

Menurut Nanewar (2005) komposisi asam lemak pada minyak jarak pagar terdiri dari 21 % asam lemak jenuh dan 79 % asam lemak tak jenuh. Adapun menurut Gubitz et al. (1999) komposisi asam lemak tersebut adalah sebagai berikut : asam linoleat 29-44.2 %, asam oleat 34.3-45.8 %, asam palmitat 14.1-15.3 %, asam stearat 3.7-9.8 %. Asam lemak C18 yang terkandung pada asam linoleat, oleat, palmitat, dan stearat mempunyai sifat deterjensi yang baik.

Proses produksi surfaktan MES dapat dilakukan dengan menggunakan agen pensulfonasi diantaranya H2SO4, NaHSO3, oleum, dan gas SO3. Metode sulfonasi yang telah dicoba oleh Hapsari (2003) dengan menggunakan NaHSO3 dan oleh Abdu (2006) dengan reaktan H2SO4 menghasilkan produk samping berupa surfaktan yang tidak terkonversi sempurna dalam jumlah banyak, yaitu sekitar 30% dari surfaktan yang dihasilkan. Pada penelitian ini dipilih reaktan gas SO3 sebagai agen pensulfonasi karena sifatnya yang lebih reaktif terhadap metil ester, sehingga proses sulfonasi dapat berlangsung lebih cepat, mempunyai derajat konversi yang lebih tinggi dan menghasilkan limbah yang lebih sedikit.

Proses produksi surfaktan MES dengan reaktan gas SO3 dapat menggunakan Single Tube Falling Film Reactor (STFR). Metil ester yang masuk ke dalam reaktor memiliki ketebalan film

2

tertentu dan bereaksi dengan gas SO3 dengan suhu dan waktu yang dapat ditentukan. Foster (1996) menyebutkan bahwa rasio mol adalah salah satu parameter yang berpengaruh dalam proses sulfonasi, yang dapat dikontrol dengan laju alir metil ester. Selain itu Stein dan Bauman (1975) menambahkan bahwa lama reaksi adalah salah satu faktor yang harus dikontrol. Peningkatan lama reaksi akan meningkatkan laju pembentukan MES, namun pada lama reaksi tertentu justru akan menurunkan laju reaksi.

Penelitian ini perlu dilakukan karena surfaktan merupakan produk yang dapat diaplikasikan dalam banyak bidang industri, serta akan dapat meningkatkan nilai tambah minyak jarak pagar. Penelitian ini akan menambah informasi tentang proses produksi surfaktan, yaitu dalam hal pengaruh suhu dan lama proses aging terhadap perubahan beberapa sifat fisikokimia

Methyl Ester Sulfonate Acid (MESA) minyak jarak pagar.

1.2

Tujuan

Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Mendapatkan kondisi proses aging terbaik (suhu dan lama aging) surfaktan MESA. 2. Mengetahui sifat fisikokimia MESA yang dihasilkan.

3

II.

TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Jarak Pagar

Jarak pagar (Jatropha curcas L.) telah lama dikenal oleh masyarakat di berbagai daerah di Indonesia, yaitu sejak diperkenalkan oleh bangsa Jepang sekitar tahun 1942. Ketika itu masyarakat diperintahkan untuk menanam jarak pagar di pekarangan rumahnya. Jarak pagar tersebut kemudian diambil minyaknya untuk dimanfaatkan sebagai bahan bakar kendaraan untuk perang pada masa itu (Hambali et al. 2006).

Jarak pagar merupakan golongan pohon perdu dengan ketinggian mencapai 3 hingga 7 meter, dan memiliki cabang yang tidak teratur. Jarak pagar dapat tumbuh dengan baik pada daerah dengan ketinggian 0-1,700 m dpl dan suhu 19-38 oC. Kisaran curah hujan daerah penyebarannya bervariasi antara 200-2,000 mm/tahun, tetapi ada pula yang sampai lebih dari 4,000 mm/tahun. Secara umum jarak pagar dapat tumbuh pada daerah kurang subur (Hambali et al. 2006).

Tanaman jarak pagar termasuk famili Euphorbiaceae. Klasifikasi tanaman jarak pagar adalah sebagai berikut.

Divisi : Spermatophyta Subdivisi : Angiospermae Kelas : Dicotyledone Ordo : Euporbiales Famili : Euphorbiaceae Genus : Jatropha

Spesies : Jatropha curcas Linn.

Jarak pagar memiliki buah berupa buah kotak berbentuk bulat telur dengan diameter 2 – 4 cm, berwarna hijau ketika masih muda dan kuning jika sudah masak. Buah terbagi menjadi tiga ruang, masing-masing ruang berisi satu biji. Bahan penyusun biji jarak pagar dapat dilihat pada Tabel 1. Biji jarak pagar berbentuk bulat lonjong, berwarna coklat kehitaman, dan mengandung banyak minyak (Sinaga 2006).

Tabel 1. Bahan penyusun biji jarak pagar

Kandungan bahan (%)

Nilai (%)

a b c

Minyak (% b/b) 34.38 56.8− 58.4 46.24±0.37

Protein (% b/b) 17.08 22.2 – 27.2 29.40±1.04

Serat (% b/b) 22.96 - 2.57±0.35

Abu (% b/b) 3.17 3.6 – 4.3 4.90±0.26

Air (% b/b) 5.77 3.1 – 5.8 5.00 ±0.01

Karbohidrat (% b/b) - - 16.89±0.91

Sumber : Winkler et al. (1997)a ; Gubitz et al. (1999)b ; Peace dan Aladesanmi (2008)c

Asam lemak dominan pada minyak jarak pagar adalah asam oleat, asam linoleat, dan asam palmitat. Asam oleat dan asam linoleat merupakan asam lemak tak jenuh, sedangkan asam palmitat merupakan asam lemak jenuh. Asam oleat merupakan asam lemak yang terdapat di

4

sebagian besar minyak atau lemak dengan rata-rata komposisinya 50% dari total asam lemak. Menurut Hamilton (1983) semakin tinggi jumlah asam lemak tak jenuh dalam suatu minyak, maka akan menyebabkan minyak tersebut semakin mudah teroksidasi. Komposisi asam lemak minyak jarak pagar dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2. Komposisi asam lemak minyak jarak pagar

Kandungan asam lemak Sifat dan komponen Presentase (%)

Asam miristat Jenuh, C 14 : 0 0 – 0.1

Asam palmitat Jenuh, C 16 : 0 14.1 – 15.3

Asam stearat Jenuh, C 18 : 0 3.7 – 9.8

Asam arachidat Jenuh, C 20 : 0 0 – 0.3

Asam behenat Jenuh, C 22 : 0 0 – 0.2

Asam palmitoleat Tidak jenuh, C 16 : 1 0 – 1.3

Asam oleat Tidak jenuh, C 18 : 1 34.3 – 45.8

Asam linoleat Tidak jenuh, C 18 : 2 29.0 – 44.2 Asam linolenat Tidak jenuh, C 18 : 3 0 – 0.3

Sumber: Gubitz et al. (1999)

Tanaman jarak pagar menghasilkan biji yang memiliki kandungan minyak cukup tinggi, sekitar 30 – 50%, sehingga sangat prospektif untuk digunakan sebagai bahan baku produk oleokimia seperti surfaktan. Kelebihan minyak jarak pagar apabila dibuat menjadi metil ester antara lain adalah minyak jarak pagar tidak termasuk kategori minyak makan (edible oil) sehingga pemanfaatannya tidak mengganggu penyediaan kebutuhan minyak makan. Minyak jarak pagar tidak dapat dikonsumsi manusia karena mengandung senyawa forbol ester dan cursin yang bersifat toksik (Hambali et al. 2006). Sifat fisikokimia minyak jarak pagar dapat dilihat pada Tabel 3.

Tabel 3. Sifat fisikokimia minyak jarak

Analisis Satuan Nilai

Kadar Airc % 0.07

Bilangan Asama mg KOH/g lemak 3.21±0.21

Bilangan Iodb mg iod/g lemak 96.5

Bilangan Penyabunana mg KOH/g lemak 198.5±0.5

Densitasa g/cm3 0.911

Sumber : Peace dan Aladesanmi (2008)a ; Hambali et al. (2006)b ; Gubitz et al. (1999)c

2.2

Surfaktan dan Kinerja Surfaktan

Menurut Rieger (1985) surfaktan adalah suatu zat yang bersifat aktif permukaan yang dapat menurunkan tegangan antarmuka (interfacial tension, IFT) minyak-air. Surfaktan memiliki kecenderungan untuk menjadikan zat terlarut dan pelarutnya terkonsentrasi pada bidang permukaan. Sifat-sifat surfaktan adalah mampu menurunkan tegangan permukaan, tegangan antarmuka, meningkatkan kestabilan partikel yang terdispersi dan mengontrol jenis formasi emulsi (misalnya oil in water (o/w) atau water in oil (w/o). Di samping itu, surfaktan akan

5

terserap ke dalam permukaan partikel minyak atau air sebagai penghalang yang akan mengurangi atau menghambat penggabungan (coalescence) dari partikel yang terdispersi.

Apabila surfaktan ditambahkan ke suatu cairan pada konsentrasi rendah, maka dapat mengubah karakteristik tegangan permukaan dan antarmuka cairan tersebut. Antarmuka adalah bagian dimana dua fasa saling bertemu atau kontak sedangkan permukaan yaitu antarmuka dimana satu fasa kontak dengan gas (biasanya udara). Sebagian besar surfaktan, pada tingkat 0.1% akan mengurangi tegangan permukaan air dari 72 menjadi 32 mN/m (dyne/cm). Hal ini terjadi karena molekul-molekul dalam sebagian besar cairan saling tertarik satu sama lain oleh gaya Van der Walls yang menggantikan ikatan hidrogen air (Hargreaves 2003). Pada Gambar 1 ditunjukkan bagaimana cara kerja surfaktan dalam menurunkan tegangan antarmuka dua cairan yang berbeda kepolarannya. Tarikan antar molekul akan terjadi pada dua cairan, dimana bagian kepala (hidrofilik) akan menarik lapisan air sedangkan bagian ekornya (hidrofobik) akan menarik lapisan minyak, sehingga air dan minyak dapat bercampur.

Gambar 1. Tarikan antar molekul di permukaan cairan (Nave 2009)

Tegangan permukaan dan tegangan antarmuka merupakan faktor penting pada berbagai aplikasi surfaktan. Aplikasi surfaktan pada industri sangat luas, contohnya yaitu sebagai bahan utama pada industri deterjen dan pembersih lainnya, bahan pembusaan dan emulsifier pada industri kosmetik dan farmasi (Hui 1996). Pemakaian terbesar surfaktan adalah untuk aplikasi pencucian dan pembersihan (washing and cleaning applications), namun surfaktan banyak pula digunakan untuk produk pangan, produk kosmetika dan produk perawatan diri, cat dan pelapis, kertas, tekstil, serta pertambangan (Flider 2001).

Menurut Shaw (1980) tegangan antarmuka merupakan faktor penting pada proses

enhanced oil recovery (EOR) dalam bidang pertambangan. Surfaktan dapat menurunkan tegangan antarmuka antara fluida dengan fluida, fluida dengan batuan, dan fluida dengan hidrokarbon. Di samping itu, surfaktan dapat memecah tegangan permukaan dari emulsi minyak yang terikat dengan batuan (emulsion blocks), mengurangi terjadinya water blocking dan mengubah sifat kebasahan (wettability) batuan menjadi suka air (water wet). Dalam kondisi batuan yang bersifat

water wet, minyak menjadi fasa yang mudah mengalir dan dengan demikian water cut dapat diturunkan.

Pada umumnya surfaktan dapat disintesis dari minyak nabati melalui senyawa antara metil ester dan alkohol lemak. Proses-proses yang dapat diterapkan untuk menghasilkan surfaktan diantaranya yaitu asetilasi, etoksilasi, esterifikasi, sulfonasi, amidasi, sukrolisis, dan saponifikasi (Sadi 1993). Produksi surfaktan dengan bahan baku metil ester dapat berasal dari minyak kelapa, stearin sawit, kernel sawit (PKO), dan lemak hewan (MacArthur dan Sheats 2002).

Berdasarkan gugus hidrofiliknya, surfaktan dibagi menjadi empat kelompok dan digunakan secara meluas pada hampir semua sektor industri modern. Jenis-jenis surfaktan

6

tersebut adalah surfaktan kationik, anionik, nonionik, dan amfoterik. Data jumlah konsumsi surfaktan dunia menunjukkan bahwa surfaktan anionik merupakan surfaktan yang paling banyak digunakan yaitu sebesar 50%, kemudian disusul nonionik 45%, kationik 4%, dan amfoterik 1% (Watkins 2001).

Pada Gambar 2 dapat dilihat bagaimana tampilan visual orientasi bagian kepala surfaktan pada media air karena sifatnya hidrofilik. Kemudian surfaktan tersebut saling berikatan hingga membentuk satu lapisan seperti terlihat pada Gambar 3.

Gambar 2. Tampilan surfaktan pada media air (www.cems.ou.edu 2009)

Gambar 3. Visualisasi surfaktan yang membentuk satu lapisan (www.cems.ou.edu 2009) Menurut Matheson (1996) surfaktan anionik mempunyai karakteristik hidrofilik akibat adanya gugus ionik yang cukup besar, yang biasanya berupa golongan sulfat atau sulfonat. Beberapa contoh surfaktan anionik yaitu linear alkilbenzen sulfonat (LAS), alkohol sulfat (AS), alkohol eter sulfat (AES), alfa olein sulfonat (AOS), parafin (secondary alkalene sulfonate, SAS) dan metil ester sulfonat (MES).

2.3

Metil Ester

Metil ester merupakan salah satu bahan oleokimia dasar yang merupakan turunan dari trigliserida (minyak atau lemak). Menurut Freedman et al. (1984) reaksi pembentukan metil ester melibatkan lemak atau asam lemak dengan alkohol rantai pendek seperti etanol atau metanol yang dipercepat dengan menggunakan katalis asam maupun katalis basa. Pada reaksi tersebut terjadi pemindahan alkohol menjadi alkohol lain dalam proses yang sama seperti hidrolisis. Jika pada reaksi ini alkohol yang digunakan adalah metanol, maka reaksinya disebut metanolisis dan ester yang dihasilkan berupa metil ester.

Metil ester dapat dihasilkan melalui proses esterifikasi dan transesterifikasi trigliserida minyak nabati seperti minyak sawit, minyak kelapa, minyak jarak pagar, minyak kedelai, dan lainnya. Transesterifikasi bertujuan untuk menggantikan gugus alkohol gliserol dengan alkohol sederhana seperti metanol atau etanol. Umumnya katalis yang digunakan adalah NaOH atau KOH. Molekul trigliserida pada dasarnya merupakan triester dari gliserol dan tiga asam lemak.

7

Transformasi kimia lemak mejadi metil ester melibatkan transesterifikasi spesies gliserida dengan alkohol membentuk alkil ester. Di antara beberapa alkohol yang mungkin digunakan, metanol disukai karena harganya lebih murah (Lotero et al. 2004; Meher et al. 2005).

Metil ester merupakan suatu senyawa yang mengandung gugus –COOR dengan R dapat membentuk alkil suatu ester. Suatu ester dapat dibentuk langsung antara suatu asam lemak dengan alkohol yang dinamakan dengan esterifikasi. Suatu asam karboksilat merupakan suatu senyawa organik yang mengandung gugus karboksil –COOH. Gugus karboksil mengandung sebuah gugus karbonil dan sebuah gugus hidroksil (Fessenden dan Fessenden 1982).

Minyak yang mengandung asam lemak bebas tinggi serta mengandung air lebih dari 0.3% dapat menurunkan rendemen transesterifikasi minyak (Freedman et al. 1984). Minyak dengan asam lemak bebas tinggi akan lebih efisien jika melalui dua tahap reaksi. Asam lemak bebas dalam minyak diesterifikasi dahulu dengan melibatkan katalis asam. Selanjutnya, transesterifikasi dapat dilakukan untuk mengkonversi sisa minyak atau trigliserida yang ada dengan melibatkan katalis basa (Canaki dan Gerpen 2001). Reaksi esterifikasi asam lemak dan alkohol mengkonversi asam lemak menjadi metil ester. Reaksi esterifikasi ditunjukkan seperti pada Gambar 4.

RCOOH + R’OH  RCOOR’ + H2O Asam Lemak Alkohol Ester Air

Gambar 4. Reaksi esterifikasi antara asam lemak dengan metanol (Hui 1996)

Dari Gambar 4 ditunjukkan bahwa kesetimbangan antara ester dan air akan tercapai pada reaksi esterifikasi apabila asam lemak (asam karboksilat) dan alkohol (metanol) dipanaskan dengan katalis asam. Reaksi kesetimbangan ini dapat digeser ke kanan dengan penambahan alkohol berlebih. Air yang terbentuk berasal dari gugus hidroksil asam dan hidrogen dari alkohol, artinya dalam reaksi esterifikasi tersebut gugus –OCH3 dari alkohol menggantikan gugus –OH dari asam.

Mekanisme yang terjadi dalam reaksi esterifikasi adalah setahap demi setahap, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Pertama, gugus karbonil dari asam terprotonisasi secara reversibel sehingga meningkatkan muatan positif pada karbon karboksil dan menambah reaktifitasnya terhadap nukleofil. Kedua, alkohol sebagai nukleofil menyerang karbon karbonil dari asam yang terprotonisasi. Inilah langkah yang membentuk ikatan baru C-O (ikatan ester). Dua langkah selanjutnya merupakan kesetimbangan dimana oksigen lepas atau memperoleh proton. Kesetimbangan asam seperti ini bersifat reversibel dan berlangsung cepat dan terus menerus berjalan dalam larutan bersuasana asam dari senyawa yang mengandung oksigen. Kelima, air sebagai salah satu produk pun terbentuk. Agar langkah ini terjadi, gugus –OH harus terprotonisasi untuk meningkatkan kapasitas. Langkah akhir, menghasilkan ester dan meregenerasi katalis asam (kebalikan dari langkah pertama) (Hart et al. 2003).

8

Gambar 5. Mekanisme reaksi esterifikasi antara asam lemak dan metanol dengan katalis asam

(Hart et al. 2003)

Transesterifikasi merupakan suatu reaksi kesetimbangan. Untuk mendorong reaksi agar bergerak ke kanan sehingga dihasilkan metil ester maka perlu digunakan alkohol dalam jumlah berlebih atau salah satu produk yang dihasilkan harus dipisahkan. Proses transesterifikasi dipengaruhi oleh berbagai faktor tergantung kondisi reaksinya (Meher et al. 2005). Faktor tersebut diantaranya adalah kandungan asam lemak bebas dan kadar air minyak, jenis katalis dan konsentrasinya, perbandingan molar antara alkohol dengan minyak dan jenis alkoholnya, suhu dan lamanya reaksi, intensitas pencampuran dan penggunaan cosolvent organik. Bahan cosolvent

yang digunakan sebaiknya tidak mengandung air dan semakin banyak jumlah cosolvent yang ditambahkan semakin baik karena akan meningkatkan kelarutan minyak. Contoh cosolvent yang baik adalah eter siklis seperti tetrahidrofuran (THF), 1,4-dioxane, dietil eter, metil tersier butil ester (MTBE) dan diisopropyl eter (Baidawi et al. 2009).

Kualitas metil ester dipengaruhi oleh: kualitas minyak (feedstock), komposisi asam lemak dari minyak, proses produksi dan bahan lain yang digunakan dalam proses dan parameter pasca-produksi seperti kontaminan (Gerpen et al. 2004). Kontaminan tersebut diantaranya adalah bahan tak tersabunkan, air, gliserin bebas, gliserin terikat, alkohol, FFA, sabun, residu katalis (Gerpen et al. 1996).

Transesterifikasi (biasa juga disebut dengan alkoholisis) adalah tahap konversi dari trigliserida menjadi alkil ester, melalui reaksi dengan alkohol, dan menghasilkan produk samping yaitu gliserol. Di antara alkohol-alkohol monohidrik yang menjadi penyumbang gugus alkil, metanol adalah yang paling umum digunakan, karena harganya murah dan reaktifitasnya tinggi. Reaksi transesterifikasi terjadi karena alkohol pada gliserida mengalami substitusi dengan alkohol monohidrit (metanol) sehingga terbentuk metil ester dan gliserol. Reaksi transesterifikasi trigliserida menjadi metil ester ini dapat dilihat pada Gambar 6.

9

RCOOCH2 CH2OH

RCOOCH + 3 CH3OH  3 RCOOCH3 + CHOH

RCOOCH2 CH2OH

Trigliserida Metanol Metil Ester Gliserol Gambar 6. Reaksi transesterifikasi trigliserida dan metanol (Gerpen et al. 2004)

Pada Gambar 7 dapat dilihat bagaimana mekanisme transesterifikasi menggunakan katalis basa yang terdiri dari beberapa tahapan, yaitu diawali dari terjadinya reaksi basa dengan alkohol yang akan menghasilkan alkoksida dan katalis yang terprotonasi. Kemudian nukleofilik akan menyerang alkoksida pada gugus karbonil trigliserida membentuk molekul intermediet tetrahedral (reaksi 2), dari alkil ester dan anion digliserida terbentuk. Tahap selanjutnya protonasi katalis membentuk senyawa aktif (reaksi 4) yang dapat bereaksi dengan molekul alkohol untuk memulai alur proses katalis yang lain. Digliserida dan monogliserida dirubah melalui mekanisme yang sama untuk menghasilkan campuran alkil ester dan gliserol.

ROH + B RO– + BH– (1)

R’COO–CH2 R’COO–CH2

| |

R”COO–CH + –OR R”COO–CH OR (2)

| | | H2C–OCR” H2C–O–C–R” || | O O–

R’COO–CH2 R’COO–CH2

| |

R”COO–CH OR R”COO–CH + ROOCR” (3)

| | | H2C–O–C–R” H2C–O– |

O–

R’COO–CH2 R’COO–CH2

| |

R”COO–CH + BH– R”COO–CH + B (4)

| |

H2C–O– _H2C–OH

Gambar 7. Mekanisme transesterifikasi minyak dengan katalis basa (Schuchardt et al. 1998)

2.4

Metil Ester Sulfonat

Metil ester sulfonat merupakan salah satu jenis surfaktan anionik, yaitu surfaktan yang bermuatan negatif pada gugus hidrofilik (bagian kepala) atau bagian aktif permukaan. Minyak yang dapat digunakan untuk produksi MES adalah minyak nabati seperti minyak sawit, minyak kedelai, minyak jagung, dan minyak jarak. Surfaktan MES memiliki kelemahan yaitu gugus ester pada struktur MES cenderung mengalami hidrolisis, baik pada kondisi asam maupun basa. Kecepatan reaksi hidrolisis akan semakin cepat dengan meningkatnya suhu (Ketaren 1986 dan Rosen 2004). Pada Tabel 4 dapat dilihat komposisi asam lemak beberapa jenis minyak dan lemak yang dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan MES.

10

Tabel 4. Komposisi asam lemak beberapa jenis minyak yang dapat digunakan sebagai bahan baku

pembuatan MES Asam Lemak

CPO (%) a

PKO (%) a

Minyak Kelapa (%) a

Tallow (%) b

Minyak Jarak Pagar (%) c Asam Lemak Jenuh :

Kaprat (C10) Laurat (C12) Miristat (C14) Palmitat (C16) Stearat (C18)

Asam Lemak Tak Jenuh : Oleat (C18:1)

Linoleat (C18:2) Linolenat (C18:3)

- - 1 46 5 39 9 0.4 3.6 50 16 8 2 15 1 - 7 48 17 8 3 6 2 - - - 3 26 23 43 2 - - 0.01 0.06 14.76 51.32 33.15 0.23 - Sumber : a Hui (1996), b Watkins (2001), c Setyaningsih (2007)

Metil ester sulfonat (MES) merupakan surfaktan yang dihasilkan melalui proses sulfonasi metil ester (MacArthur et al. 1998). Metil ester dihasilkan melalui reaksi transesterifikasi antara trigliserida yang berasal dari minyak sawit, minyak kelapa, minyak jarak, atau lemak hewan dengan metanol.

Proses produksi surfaktan MES dilakukan dengan mereaksikan metil ester dengan agen sulfonasi. Menurut Bernardini (1983) dan Pore (1976), pereaksi yang dapat dipakai pada proses sulfonasi antara lain asam sulfat (H2SO4), oleum (larutan SO3 di dalam H2SO4), sulfur trioksida (SO3), NH2SO3H, dan ClSO3H. Untuk menghasilkan kualitas produk terbaik, beberapa perlakuan penting yang harus dipertimbangkan adalah rasio mol, suhu reaksi, konsentrasi grup sulfat yang ditambahkan, lama proses netralisasi, jenis dan konsentrasi katalis, pH dan suhu netralisasi (Foster 1996).

Pada Gambar 8 terlihat bahwa peluang terikatnya SO3 pada molekul asam lemak untuk pembuatan MES dapat terjadi pada tiga sisi yaitu (1) gugus karboksil; (2) bagian α-atom karbon; (3) rantai tidak jenuh (ikatan rangkap).

H H H O

| | | || H---C---C---CH = CH---C---CH2---C 1 | | | |

H H H OH

3 2

Gambar 8. Kemungkinan terikatnya pereaksi kimia dalam proses sulfonasi (Jungermann 1979) Pemilihan proses sulfonasi yang digunakan bergantung pada beberapa faktor, dan yang terpenting adalah produk yang diinginkan dan kualitas produk yang dihasilkan. Beberapa proses dapat menghasilkan produk yang dapat beragam, sementara proses yang lain hanya mampu menghasilkan beberapa jenis produk. Faktor lain yang diperlukan adalah kapasitas produksi. Proses sulfonasi dengan bentuk batch hanya cocok untuk memproduksi pada kapasitas kecil, sedangkan proses kontinyu untuk skala besar. Selain itu biaya bahan kimia, biaya peralatan proses, sistem pengamanan yang diperlukan, dan biaya pembuangan limbah hasil proses. Untuk menghasilkan kualitas produk terbaik, beberapa perlakuan penting yang harus dipertimbangkan

11

adalah rasio mol reaktan, suhu rekasi, konsentrasi grup sulfat yang dihasilkan (SO3, NaHSO3, atau asam sulfit), waktu netralisasi, pH, dan suhu netralisasi (Foster 1997).

Mekanisme reaksi yang terjadi selama reaksi sulfonasi dapat dijelaskan pada Gambar 9 berikut. Urutan proses yang terjadi adalah metil ester (I) bereaksi dengan gas SO3 membentuk senyawa intermediet (II), pada umumnya berupa senyawa anhidrad. Dalam kondisi reaksi yang setimbang, senyawa intermediet (II) tersebut akan mengaktifkan gugus alfa (α) pada rangkaian gugus karbon metil ester sehingga membentuk senyawa intermediet (III). Selanjutnya, senyawa intermediet (III) tersebut mengalami restrukturisasi dengan melepaskan gugus SO3. Gugus SO3 yang dilepaskan bukanlah gugus yang terikat pada ikatan alfa. Dengan terlepasnya gas SO3 selama proses post digestion tersebut, maka terbentuklah MESA (IV).

O O || ||

R – CH2 – C – OCH3 (I) + SO3 R – CH2 – (C – OCH3): SO3 (II) O O

|| ||

R – CH2 – (C – OCH3): SO3 (II) + SO3 R – CH – (C – OCH3): SO3 (III) |

SO3H

O O || ||

R – CH – (C – OCH3): SO3 (III) R – CH – C – OCH3 (IV)+ SO3 | |

SO3H SO3H

Gambar 9. Mekanisme reaksi pembentukan MESA (MacArthur et al. 2002)

2.5

Proses Aging

Proses aging merupakan proses pemaparan suatu bahan pada kondisi lingkungan tertentu sehingga menyebabkan perubahan sifat-sifat bahan dari kondisi semula. Ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi proses aging antara lain faktor kondisi lingkungan, mekanisme degradasi kritis dan akselerasi aging. Kondisi lingkungan antara lain pemanasan dan kelembaban, sedangkan mekanisme degradasi kritis merupakan fakta bahwa semua sistem emulsi rentan terhadap serangkaian faktor lingkungan. Oleh karenanya akselerasi aging merupakan proses yang diperlukan untuk mendapatkan mekanisme tertentu sehingga diperoleh perubahan yang sama dengan kondisi sebenarnya, namun dalam waktu yang lebih singkat. Dalam hal ini yang menjadi pembatas dalam proses aging MESA yaitu mekanisme aging pada kondisi lingkungan tertentu untuk terjadinya perubahan struktur, namun tidak mengarah pada degradasi produk (Gates dan Grayson 1998).

Proses aging merupakan tahapan proses yang tidak terlepas dari proses sulfonasi pada reaktor falling film, yaitu kelebihan SO3 terhadap metil ester harus tetap terjaga untuk penyempurnaan reaksi sulfonasi. Oleh karenanya kondisi reaktor dan proses aging harus mampu menyempurnakan reaksi sehingga tingkat konversi metil ester jarak pagar menjadi MESA akan meningkat. Suhu aging tinggi memungkinkan terjadi pengerakan MESA yang sebagian kecil mengendap pada bagian bawah tangki menyebabkan terjadinya pemisahan MESA semi solid (polimer yang lebih asam) dengan MESA yang cair pada bagian atas. Endapan ini bersifat sangat asam dan bahan aktif yang terukur lebih tinggi dibandingkan pada MES cair di atasnya. Senyawa

12

ini diduga hasil polimerisasi dari senyawa hasil degradasi pada suhu tinggi yang banyak mengandung SO3.

Pada tahapan aging dimana senyawa intermediet bereaksi dan konversi Metil Ester menjadi produk sulfonasi berjalan sempurna. Tahapan aging MESA lebih intensif dibandingkan tahapan aging linier alkylbenzene (LAB) dimana memerlukan suhu sekurang-kurangnya 80 ⁰C.

Waktu tinggal (aging) yang diperlukan tergantung pada temperatur yang digunakan, rasio mol SO3 terhadap Metil Ester, target konversi dan karakteristik reaktor. Pada reaktor batch atau pada PFR ideal dan rasio mol 1.2, membutuhkan 45 menit pada 90 ⁰C atau 3.5 menit pada 120 ⁰C yang memberikan tingkat konversi 98%. Pada tangki reaktor kontinyu berpengaduk (CSTR) ideal, waktu aging memerlukan dua kali lipat. Biasanya tahapan ini dilaksanakan pada reaktor kontinyu yang mempunyai karakteristik antara PFR ideal dan CSTR ideal.

Secara teoritis, proses aging menghasilkan sebagian besar produk MESA (RCH(SO3)COOCH3) dan sisa campuran anhidrida (RCH(SO3)COOSO3CH3). MESA jika dinetralkan maka akan menghasilkan MES (reaksi 1). Sedangkan campuran anhidrida ini jika langsung dinetralkan dengan NaOH maka akan menyebabkan terbentuknya disalt dan sodium metil sulfat (reaksi 2). Oleh karena itu untuk meningkatkan yield MES maka campuran anhidrida ini harus direaksikan dengan metanol untuk reesterifikasi membentuk MESA sehingga jika dinetralkan dengan metanol akan dihasilkan MES (reaksi 3). Demikian pula menurut MacArthur

et al. (1999) bahwa untuk menghindari terbentuknya disalt dilakukan proses aging pasca sulfonasi pada reaktor falling film dan penambahan metanol sebelum netralisasi. Reaksi selengkapnya mengenai hal tersebut di atas disajikan pada Gambar 10.

Reaksi 1...

O O

|| ||

R – CH – C – OCH3 (IV) + NaOH R – CH – C – OCH3 (VI) + H2O | |

SO3H SO3Na Reaksi 2...

O O

|| ||

R – CH – (C – OCH3): SO3 (III) + 3NaOH R – CH – C – ONa (V) + 2H2O + CH3OSO3Na | |

SO3H SO3Na Reaksi 3...

O O || ||

R – CH – (C – OCH3): SO3 (III) + CH3OH R – CH – C – OCH3 (IV)+ CH3OSO3H | |

SO3H SO3H

13

III.

METODOLOGI PENELITIAN

3.1

Bahan dan Alat

3.1.1

Bahan

Bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah metil ester dari minyak jarak pagar (Jatropha curcas L.) dan gas SO3. Bahan kimia yang digunakan untuk netralisasi MESA adalah NaOH 50%. Sedangkan bahan-bahan untuk analisa antara lain larutan kloroform, larutan KI 10%, larutan Na2S2O3 0.1 N, indikator phenolphthalein 1%, KOH 0.1 N, NaCl, CaCl2.2H2O, NaOH 0.1 N, campuran 50% toluen – 50% etanol 95%, campuran sikloheksan – asam asetat glasial, larutan Wijs, indilator methylene blue, N-cetylpyridinium chloride, dan aseton.

3.1.2

Alat

Peralatan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah reaktor sulfonasi jenis

Singletube Falling Film Reactor serta reaktor aging untuk mereaksikan metil ester jarak pagar dengan gas SO3. Peralatan lain yang digunakan adalah spektrofotometer, piknometer, pH meter,

hotplate stirrer, termometer, neraca analitik, oven, pipet, labu erlenmeyer, dan peralatan gelas lainnya.

3.2

Metode Penelitian

Penelitian ini terdiri dari analisis biji jarak pagar, ekstraksi serta analisis minyak jarak pagar, esterifikasi dan transesterifikasi minyak jarak pagar menjadi metil ester, proses produksi serta analisis beberapa karakteristik Methyl Ester Sufonate Acid (MESA), netralisasi MESA menjadi MES serta analisis beberapa karakteristik MES. Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Gambar 11.

14

Analisa

Biji Jarak Pagar

Pengepresan Biji Jarak Pagar _Bungkil

Minyak Jarak Pagar Analisa

Metanol

KOH

H2SO4 Esterifikasi dan Transesterifikasi

Metanol & Gliserol

Metil Ester Jarak Pagar Analisa

Sulfonasi: Suhu Input Bahan 100 oC ;

Sampling Sample Pada Jam ke-2

Aging: Suhu: 80, 100, 120 (oC) Waktu: 30, 45, 60 (menit)

Methyl Ester Sulfonate Acid Analisa

Netralisasi

Methyl Ester Sulfonate Analisa

NaOH 50% SO3

15

3.2.1

Analisis Biji Jarak Pagar

Biji jarak pagar yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari PT Wellable Indonesia di daerah Lampung. Sebelum dilanjutkan pada tahapan penelitian berikutnya perlu dilakukan analisis untuk mengetahui data awal biji jarak pagar yang akan digunakan. Analisis yang dilakukan terhadap biji jarak pagar meliputi kadar air dan kadar minyak. Prosedur analisis dapat dilihat pada Lampiran 1.

3.2.2

Pengepresan Biji dan Analisis Minyak Jarak Pagar

Biji jarak pagar tersebut kemudian dipress menggunakan mesin press berulir (screw press) untuk mendapatkan minyak jarak. Minyak jarak pagar yang dihasilkan kemudian ditampung dan diendapkan untuk memisahkannya dengan pengotor berupa padatan. Minyak jarak pagar yang dihasilkan tersebut kemudian dianalisis sifat fisikokimia meliputi kandungan asam lemak bebas, bilangan asam, densitas, bilangan iod, kadar air, dan viskositas. Prosedur analisis minyak jarak pagar dapat dilihat pada Lampiran 2.

3.2.3

Proses Produksi Metil Ester dan Analisis Metil Ester Jarak Pagar

Minyak jarak pagar yang telah diperoleh pada tahapan sebelumnya diproses untuk menghasilkan metil ester. Proses produksi metil ester dilakukan melalui dua tahapan, yaitu esterifikasi dan transesterifikasi menggunakan metode Setyaningsih et al. (2007), kemudian dilanjutkan dengan proses pencucian dan pengeringan untuk memurnikan metil ester yang dihasilkan. Tahapan esterifikasi diawali dengan memanaskan minyak jarak pagar sampai suhu 60 °C, kemudian direaksikan dengan metanol sebanyak 225% dari nilai FFA dan katalis asam sulfat 5% FFA. Kadar asam lemak bebas (free fatty acid atau FFA) diperoleh pada tahap analisis fisikokimia minyak jarak pagar. Selanjutnya dilakukan pengadukan untuk menyeragamkan suhu sampai terbentuk ester. Suhu campuran dipertahankan pada 60 °C selama satu jam.

Selanjutnya dilakukan dengan proses transesterifikasi. Proses transesterifikasi dilakukan dengan mereaksikan minyak jarak pagar hasil proses esterifikasi dengan 15%-v/v metanol. Reaksi transesterifikasi dipercepat dengan penambahan katalis KOH sebanyak 1%-v/v. Pengadukan dilanjutkan kembali selama 1 jam dengan suhu dipertahankan 60 oC sampai terbentuk warna kecoklatan yang menandai telah terbentuknya gliserol sebagai produk samping. Pada akhir reaksi akan diperoleh dua lapisan. Komponen-komponen yang bersifat polar seperti sisa katalis KOH dan metanol bercampur dengan gliserol menempati bagian bawah hasil reaksi, sedangkan metil ester akan menempati bagian atas hasil reaksi. Setelah diendapkan beberapa saat sampai terpisah sempurna, maka kedua lapisan tersebut dipisahkan. Metil ester selanjutnya dicuci menggunakan air untuk melarutkan dan memisahkan komponen polarnya. Sisa air yang terkandung kemudian diuapkan melalui proses pengeringan sehingga diperoleh hasil metil ester yang mengandung kadar air yang sangat kecil.

Metil ester kemudian diuji sifat fisikokimianya, meliputi bilangan penyabunan, bilangan asam, densitas, bilangan iod, kadar air, gliserol total, dan viskositas. Prosedur analisis untuk uji sifat fisikokimia metil ester jarak pagar dapat dilihat pada Lampiran 3.

16

3.2.4

Proses Produksi Surfaktan

Methyl Ester Sulfonate Acid

Tahapan ini dilakukan untuk mengembangkan proses produksi surfaktan MES berbahan dasar metil ester jarak pagar. Sulfonasi gas SO3 pada metil ester jarak pagar menggunakan

Singletube Falling Film Reactor (STFR) tinggi 6 m diameter tube 25 mm. Kontak Gas SO3 dan metil ester dilakukan pada laju alir 75 ml/menit dengan suhu input bahan 100 ⁰C selama 120 menit. Setelah itu MESA hasil sulfonasi ditampung untuk dilanjutkan dengan proses aging. Variasi kondisi proses suhu aging adalah 80, 100, dan 120 ⁰C dengan lama aging 30, 45 dan 60 menit serta menggunakan kecepatan pengadukan tetap 150 rpm. Model rancangan percobaan yang digunakan adalah rancangan acak kelompok (RAK). Data setiap ulangan dimasukkan dalam satu kelompok, sehingga akan ada kelompok ulangan 1 dan kelompok ulangan 2. Model rancangan percobaannya adalah sebagai berikut:

Yijk = µ + αi + βj + (αβ)ij + Kk + εijk Keterangan :

Yijk = Hasil pengamatan suhu aging ke-i, lama aging ke-j pada ulangan ke-k µ = Rata-rata yang sebenarnya

αi = pengaruh suhu aging ke-i (i = 80, 100, 120) βj = pengaruh lama aging ke-j (j= 30, 45, 60)

(αβ)ij = pengaruh interaksi suhu aging ke-i dengan lama aging ke-j Kk = Pengaruh ulangan ke-k

εijk = Galat percobaan

Produk surfaktan MESA yang dihasilkan kemudian dianalisis sifat fisikokimianya meliputi pH, densitas, viskositas, bilangan iod, bilangan asam, dan bahan aktif. Sebagian MESA dilakukan netralisasi dengan NaOH 50% untuk menghasilkan MES (MESA netral). Sampel MES juga dianalisis sifat fisikokimianya meliputi pH, bilangan iod, dan bahan aktif.

17

IV.

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1

Analisis Biji dan Minyak Jarak Pagar

Biji jarak pagar yang digunakan dalam penelitian ini diperoleh dari PT. Wellable Indonesia di daerah Lampung. Analisis biji jarak dilakukan untuk mengetahui kondisi awal bahan baku serta karakteristik sifat fisikokimia yang digunakan dalam penelitian. Analisis bahan awal meliputi kadar air dan kadar minyak. Hasil analisis terhadap bahan baku biji jarak pagar dapat dilihat pada Tabel 5.

Tabel 5. Hasil analisis biji jarak pagar

Analisis Nilai (%)

Kadar Air 9.73

Kadar Minyak 40.55

Berdasarkan hasil analisis kadar air pada Tabel 5 dapat dilihat bahwa biji jarak pagar mengandung kadar air sebanyak 9.73%. Nilai tersebut lebih tinggi bila dibandingkan dengan literatur, yakni 3.1-5.8% menurut Gubitz et al. (1999) serta kadar air 5% menurut Peace dan Aladesanmi (2008), dan 5.77% (Winkler et al. 1997). Kadar air biji jarak pagar didapatkan dengan pengujian metode oven basis basah.

Biji jarak pagar dengan kandungan kadar air yang cukup tinggi ini tidak diberikan perlakuan untuk mengurangi kadar airnya, tetapi langsung diekstraksi untuk mendapatkan minyak jarak. Ekstraksi yang dilakukan adalah menggunakan mesin pres ulir (screw press).

Kadar minyak biji jarak pagar didapatkan melalui pengukuran menggunakan ekstraksi pelarut soxhlet. Kadar minyak yang diperoleh sebesar 40.55%, hal ini tidak berbeda jauh dengan beberapa sumber yang menyebutkan kadar minyak biji jarak pagar berkisar antara 30-50% (Hambali et al. 2006). Kadar minyak yang cukup tinggi tersebut menunjukkan bahwa jarak pagar sangat potensial untuk dikembangkan sebagai sumber minyak nabati dalam produksi surfaktan

Methyl Ester Sulfonate Acid (MESA). Namun, kadar minyak yang tinggi tersebut tidak sepenuhnya dapat diekstraksi dengan baik, karena masih terdapat minyak yang tertinggal dalam bungkil dan kotoran yang mengendap sebagai hasil samping pengepresan.

Tahapan selanjutnya setelah dilakukan analisis proksimat biji jarak pagar adalah ekstraksi / pengepresan biji jarak pagar untuk memperoleh minyak jarak. Pengepresan dilakukan dengan tiga kali ulangan menggunakan mesin screw press untuk mendapatkan hasil minyak jarak yang maksimal. Pada Gambar 12 ditunjukkan mesin screw press yang digunakan.

18

Minyak jarak yang dihasilkan dari proses pengepresan kemudian diendapkan beberapa jam untuk memisahkannya dengan ampas atau kotoran yang tidak larut dalam minyak (fat insoluble). Secara alami akan terbentuk dua lapisan pada saat pemisahan, yaitu minyak di bagian atas, sedangkan ampas akan mengendap di bagian bawah. Cara pemisahan yang sederhana tersebut membuat cukup banyak minyak yang bercampur dan tertinggal di dalam ampas, sehingga tidak semua minyak hasil pengepresan dapat digunakan sepenuhnya untuk membuat metil ester pada tahap selanjutnya.

Minyak jarak hasil pengepresan dan telah terpisah dari pengotor kemudian dianalisis sifat fisikokimianya. Analisis sifat fisikokimia dari minyak jarak pagar kasar sebelum diolah menjadi metil ester. Analisis yang dilakukan meliputi kadar abu, FFA, bilangan asam, bilangan iod, bilangan penyabunan, dan densitas. Hasil analisis minyak jarak pagar dapat dilihat pada Tabel 6.

Tabel 6. Hasil analisis minyak jarak pagar

Analisis Satuan Nilai

FFA % 32.09

Bilangan Asam mg KOH/g lemak 63.85

Kadar Abu % 0.0020

Densitas gr/ml 0.9131

Bilangan Iod mg iod/g lemak 98.29

Bilangan Penyabunan mg KOH/g lemak 197.60

Minyak jarak pagar yang dihasilkan memiliki nilai persentase FFA (asam lemak bebas) dan bilangan asam yang tinggi, yakni berturut-turut sebesar 32.09% dan 63.85 mg KOH/g lemak. Tingginya nilai FFA dan bilangan asam ini dapat dikarenakan oleh lamanya penyimpanan yang dialami biji jarak pagar. Dalam proses penyimpanan ini biji jarak pagar dapat mengalami proses hidrolisis karena adanya kandungan air dan enzim lipase sehingga dapat memecah trigliserida menjadi asam lemak bebas. Terbentuknya asam lemak bebas tersebut maka akan meningkatkan jumlah asam lemak dalam minyak yang terhitung sebagai bilangan asam.

Asam lemak bebas yang terdapat di dalam minyak jarak dapat membentuk sabun yang mengganggu proses pemisahan antara gliserol dan metil ester serta menurunkan rendemen metil ester yang dihasilkan, sehingga mengharuskan minyak jarak melalui proses esterifikasi terlebih dulu sebelum proses transesterifikasi.

Hasil analisis terhadap densitas minyak jarak pagar sebesar 0.91311 gr/ml menunjukkan nilai yang tidak berbeda jauh dengan analisa yang dilakukan oleh Peace dan Aladesanmi (2008) sebesar 0.911 gr/ml. Nilai bilangan iod minyak jarak pagar yang didapat sebesar 98.29 mg iod/g lemak.

Nilai tersebut sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan literatur yaitu sebesar 96.5 mg iod/g lemak (Hambali et al. 2006). Bilangan iod menunjukkan banyaknya gram iodine yang terserap oleh 100 gram minyak atau lemak. Tinggi atau rendahnya bilangan iod tergantung pada asam lemak penyusunnya. Besarnya jumlah iod yang diserap menunjukkan banyaknya ikatan rangkap tidak jenuh (Ketaren 1986). Lebih lanjut Sinaga (2006) menjelaskan bahwa jenis asam lemak dominan pada minyak jarak adalah asam lemak oleat dan linoleat yang merupakan asam lemak tidak jenuh.

Karakteristik bilangan penyabunan minyak jarak pagar hasil pengujian sebesar 197.6 mg KOH/g lemak, yang menunjukkan nilai lebih kecil dibandingkan pengujian yang dilakukan Peace dan Aladesanmi (2008) yaitu sebesar 198.5 mg KOH/g lemak. Bilangan penyabunan merupakan

19

miligram kalium hidroksida (KOH) yang diperlukan untuk menyabunkan 1 gram lemak atau minyak pada kondisi tertentu.

4.2

Analisis Metil Ester Jarak Pagar

Tahapan selanjutnya pada penelitian ini adalah produksi bahan baku utama untuk sulfonasi, yaitu metil ester. Metil ester dipilih sebagai bahan untuk sulfonasi karena kualitas metil ester sebagai bahan sulfonasi lebih baik, dimana sifat metil ester yang tidak mudah teroksidasi dibandingkan jika menggunakan trigliserida dan asam lemak sebagai bahan baku sulfonasi.

Proses produksi metil ester dilakukan dengan dua tahap, yaitu esterifikasi dan transesterifikasi. Hal ini dilakukan karena FFA minyak jarak pagar lebih dari 2% sehingga perlu dilakukan tahapan esterifikasi terlebih dahulu. Proses esterifikasi perlu dilakukan untuk mereaksikan asam lemak bebas menjadi metil ester. Bila asam lemak bebas tidak direaksikan menjadi metil ester maka asam lemak bebas tersebut akan mengganggu proses transesterifikasi karena bereaksi dengan katalis basa.

Proses esterifikasi akan mereaksikan asam lemak bebas terlebih dahulu dengan metanol ditambah bantuan katalis asam. Tahapan selanjutnya adalah mengkonversi trigliserida dengan bantuan katalis basa. Proses produksi metil ester jarak pagar skala 100L/batch dapat dilihat pada Lampiran 14. Adapun hasil analisis sifat fisikokimia metil ester jarak pagar dapat dilihat pada Tabel 7.

Tabel 7. Hasil analisis metil ester jarak pagar

Parameter Satuan Nilai

Kadar air _{% 0.024}

Bilangan asam _{mg KOH/g lemak 0.44}

Bilangan iod _{mg Iod/g lemak 94.91}

Bilangan penyabunan

mg KOH/g lemak 198.12 Gliserol total

% 0.918

Kadar ester _{% 97.70}

Pengujian kadar air metil ester jarak pagar menggunakan metode Karl Fischer. Berdasarkan hasil analisis diketahui bahwa kadar air di dalam metil ester jarak pagar sebesar 0.024%, yang berarti masih berada dalam batas SNI 04-7182-2006 yaitu maksimum 0.1%. Keberadaan air dalam metil ester dapat menyebabkan air bereaksi dengan ester membentuk asam lemak bebas. Air dapat terbentuk selama proses transesterifikasi melalui reaksi antara katalis NaOH atau KOH dengan metanol, atau bahkan dari proses pencucian untuk menghilangkan gliserol.

Menurut Sheats dan MacArthur (2002) penggunaan metil ester sebagai bahan baku pembuatan Metil Ester Sulfonat sangat memfokuskan pada tingginya hidrogenasi dan kemurnian bahan baku, hal ini terkait dengan tingkat ketidakjenuhan dan distribusi rantai karbon didalamnya.

Kandungan air dalam bahan dapat bereaksi dengan SO3 saat proses sulfonasi dan membentuk oleum (SO3 cair). Gas sulfur trioksida berlebih ditambah dengan asam sulfat dalam reaksi dapat menyebabkan desulfonasi surfaktan. Desulfonasi mempengaruhi degradasi surfaktan di kemudian hari dimana surfaktan kehilangan komponen aktifnya. Menurut Rossen (2004) pada

20

surfaktan yang mengandung gugus ester, degradasi berlangsung lebih cepat dimana surfaktan akan terurai menjadi alkohol dan asam. Kedua produk hasil degradasi ini sangat bersifat tidak aktif permukaan.

Analisis bilangan asam metil ester dilakukan untuk mengetahui tingkat konversi metil ester. Bilangan asam minyak jarak pagar sebesar 63.859 mg KOH/g lemak dapat turun menjadi 0.44 mg KOH/g lemak setelah dikonversi dalam bentuk metil ester jarak pagar, yang artinya proses esterifikasi berhasil mengurangi keasaman karena asam lemak bebas teresterfikasi menghasilkan metil ester. Nilai bilangan asam tersebut telah sesuai dengan SNI 04-7182-2006 yaitu maksimal 0.5 mgKOH/g lemak.

Bilangan asam metil ester setelah proses transesterifikasi lebih rendah karena katalis basa akan memisahkan asam lemak bebas melalui mekanisme pembentukan sabun. Bilangan asam dapat meningkat sejalan dengan waktu penyimpanan karena terjadinya reaksi dengan udara atau air (Gerpen et al. 2004).

Hasil analisis untuk bilangan iod metil ester jarak pagar didapatkan nilai sebesar 94.917 mg Iod/g lemak. Nilai tersebut telah sesuai dengan SNI 04-7182-2006 yaitu maksimal 115 mgKOH/g. Bahan baku metil ester yang memiliki bilangan iod tinggi akan sulit untuk dipucatkan dan warna produk yang dihasilkan cenderung warnanya lebih gelap.

4.3

Proses Sulfonasi dan Aging MESA

Proses utama dalam produksi surfaktan MESA adalah pada tahapan sulfonasi. Bahan baku utama dalam proses sulfonasi adalah metil ester jarak pagar dan gas SO3. Proses sulfonasi gas SO3 terhadap metil ester jarak pagar berlangsung secara cepat pada Singletube Falling Film Reactor

(STFR). Falling Film Reactor ini berukuran tinggi 6 meter dengan diameter tube 25 mm.

Proses sulfonasi menggunakan umpan metil ester jarak pagar yang dipanaskan pada suhu 100 oC, kemudian dipompakan naik ke head reactor dengan laju alir 75 ml/menit, kemudian masuk ke liquid chamber membentuk lapisan film dengan ketebalan tertentu. Pada jam ke-2 sulfonasi, produk MESA yang dihasilkan ditampung/diakumulasi pada reaktor aging sampai diperoleh volume 1.5 – 2 L. Tahapan selanjutnya setelah diperoleh produk MESA yang terakumulasi maka dilanjutkan dengan proses aging pada variasi kondisi proses suhu aging 80 ⁰C, 100 ⁰C, dan 120 ⁰C dan lama aging 30, 45, dan 60 menit serta dengan kecepatan pengadukan 150 rpm.

Proses aging dilakukan pada campuran reaksi hasil sulfonasi pada reaktor sulfonasi (STFR) yang bertujuan untuk meningkatkan reaksi sulfonasi antara gas SO3 dan metil ester jarak pagar untuk meningkatkan konversi metil ester jarak pagar menjadi MESA. Proses ini melibatkan penyusunan ulang (rearrengement) struktur molekul intermediet (RCHSO3HCOOSO3CH3) menjadi methyl ester sulfonic acid atau MESA (RCHSO3HCOOCH3).

Proses aging dilakukan pada reaktor aging dengan ukuran diameter 20 cm dan tinggi 30 cm dengan kapasitas 6-8 liter. Reaktor aging dilengkapi dengan instalasi pengadukan dengan kecepatan pengadukan maksimum 280 rpm. Dalam penelitian ini proses aging dilakukan pada produk hasil sulfonasi (MESA) dari reaktor falling film (STFR) setelah proses sulfonasi berlangsung 2 jam kemudian dikumpulkan/diakumulasi sampai didapatkan kapasitas 1.5 – 2 liter MESA sehingga cukup untuk dilakukan pengadukan. Reaktor aging yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 13.

21

Gambar 13. Reaktor aging dan instalasi pengaduknya

4.4

Pengaruh Suhu dan Lama Proses Aging

4.4.1

Viskositas MESA

Viskositas atau kekentalan dari suatu cairan merupakan sifat fluida yang dipengaruhi oleh ukuran molekul dan gaya antar molekul. Proses penambahan gugus sulfonat pada proses sulfonasi yang kemudian disempurnakan pada proses aging membuat MESA cenderung memiliki ukuran molekul yang lebih besar, sehingga viskositas MESA akan lebih tinggi dibandingkan dengan metil esternya.

Viskositas dapat dinyatakan sebagai tahanan aliran fluida yang merupakan gesekan antara molekul-molekul cairan satu dengan yang lain. Suatu jenis cairan yang mudah mengalir dapat dikatakan memiliki viskositas yang rendah dan sebaliknya bahan-bahan yang sulit mengalir memiliki viskositas yang tinggi. Besaran viskositas berbanding terbalik dengan perubahan temperatur. Kenaikan temperatur akan melemahkan ikatan antar molekul suatu jenis cairan sehingga akan menurunkan nilai viskositasnya. Sulfonasi gas SO3 terhadap bahan organik merupakan reaksi eksotermis yang melibatkan sejumlah transisi dan modifikasi sifat fisik viskositas MESA (Moretti et al. 2001).

Ukuran molekul yang besar dapat menyebabkan viskositas cairan lebih tinggi dibandingkan dengan ukuran molekul yang kecil. Menurut Takeuchi (2008) viskositas yang tinggi disebabkan adanya gaya tarik menarik antarmolekul yang besar dalam cairan, molekul yang besar, rantai molekul yang tidak teratur, serta suhu, sehingga molekul menjadi lebih sukar bergerak dan cenderung berkoagulasi.

Pada tahapan ini, MESA yang semakin viskos (kental) menunjukkan tingkat konversi yang makin tinggi. Adanya penambahan gugus SO3 pada gugus karboksil, akan mengaktivasi Cα sehingga akan mudah diserang oleh SO3 selanjutnya. Demikian pula dengan semakin lama sulfonasi memungkinkan pengikatan SO3 pada ikatan rangkap lain. Hal tersebut di atas menyebabkan meningkatkan konsentrasi molekul dan total solid sehingga MESA makin kental. Viskositas MESA pasca aging berkisar antara 130.5 – 345 cP. Data viskositas MESA pasca aging dapat dilihat pada Tabel 8.

22

Tabel 8. Hasil analisis suhu dan lama aging terhadap viskositas MESA

Perlakuan _{Viskositas (cP)}

Suhu (oC) Lama Aging (menit)

80

30 340.0

45 342.5

60 345.0

100

30 280.0

45 285.5

60 292.5

120

30 130.5

45 138.25

60 152.5

Untuk mengetahui pengaruh suhu dan lama aging terhadap viskositas MESA dilakukan analisis ragam. Tingkat kepercayaan yang dipakai adalah 95% (α = 0.05). Hasil analisis ragam menunjukkan bahwa suhu dan lama aging tidak berpengaruh nyata terhadap viskositas MESA. Interaksi kedua perlakuan tersebut pun tidak memberikan pengaruh nyata terhadap viskositas MESA.

4.4.2

Nilai pH MESA

Nilai pH merupakan derajat keasaman yang digunakan untuk menyatakan tingkat keasaman atau kebasaan yang dimiliki oleh suatu bahan. Menurut Bodner dan Pardue (1989) nilai pH berkisar antara 0-14. Kisaran nilai pH dari 0-6 menunjukkan bahwa suatu larutan bersifat asam, sedangkan nilai pH 8-14 menunjukkan bahwa suatu larutan bersifat basa, dan larutan dengan nilai pH 7 menunjukkan bahwa larutan bersifat netral.

Koefisien pH tidak dapat diukur secara eksperimental, sehingga nilainya didasarkan pada perhitungan teoritis. Skala pH bukanlah skala absolut, bersifat relatif terhadap sekumpulan larutan standar yang pH-nya ditentukan berdasarkan persetujuan internasional. Nilai pH didefinisikan sebagai logaritma negatif dari konsentrasi ion hidrogen (Fessenden dan Fessenden 1995).

Pengukuran pH MESA yang dilakukan pada penelitian ini menggunakan alat pH meter Schott Instruments handylab pH11/Set. Gas SO3 sebagai reaktan pada proses sulfonasi bersifat asam kuat, sehingga produk MESA yang dihasilkan bersifat asam. Berdasarkan hasil penelitian diperoleh pH MESA berkisar antara 1.2 sampai 2.1. Hal ini menunjukkan bahwa MESA yang dihasilkan masih bersifat asam, yang dikarenakan MESA belum melalui tahap netralisasi pada proses pemurnian. Data nilai pH MESA selengkapnya dapat dilihat pada Tabel 9.

23

Tabel 9. Hasil analisis suhu dan lama aging terhadap nilai pH MESA

Perlakuan _pH

Suhu (oC) Lama Aging (menit)

80

30 1.8

45 1.6

60 1.2

100

30 1.9

45 1.7

60 1.5

120

30 2.1

45 1.95

60 1.7

Untuk mengetahui pengaruh suhu dan lama aging terhadap nilai pH MESA dilakukan analisis ragam atau analisis varians dengan rancangan percobaan acak kelompok, dengan tingkat kepercayaan yang dipakai adalah 95% (α = 0.05). Dari hasil analisis ragam menunjukkan bahwa suhu dan lama aging tidak berpengaruh nyata terhadap nilai pH MESA, demikian pula dengan interaksi suhu dan lama aging tidak memberikan pengaruh yang nyata terhadap nilai pH MESA.

Nilai pH MESA yang tidak berbeda nyata diduga karena faktor suhu aging dengan taraf 80 o

C, 100 oC, dan 120 oC dan juga lama aging dengan taraf 30, 45, dan 60 menit tidak berpengaruh nyata terhadap perubahan kandungan ion hidrogen di dalam substansi MESA. Ion hidrogen berperan dalam sifat asam suatu senyawa. Arrhenius merumuskan zat asam adalah suatu molekul yang didalamnya mengandung setidaknya satu atom hidrogen yang dapat terdisosiasi di dalam air (Lower 1996). Produk MESA dengan kisaran nilai pH seperti tersebut diatas dikategorikan bersifat asam, hal ini karena jumlah ion hidrogen dari MESA yang terdisosiasi di dalam air lebih banyak dibandingkan ion hidroksida (OH-).

4.4.3

Densitas MESA

Densitas merupakan salah satu sifat dasar fluida yang didefinisikan sebagai hasil dari massa per satuan volume. Efek temperatur pada densitas cairan tidak dapat diabaikan karena cairan akan meregang mengikuti perubahan temperatur. Densitas umumnya dikaitkan dengan viskositas dimana cairan lebih padat maka viskositasnya lebih tinggi, hal ini tentunya berkorelasi dengan kandungan total padatan pada bahan.

Densitas yang diukur pada penelitian ini merupakan perbandingan berat dari suatu volume sampel pada suhu 25 oC dengan berat air pada volume dan suhu yang sama. Data densitas MESA pasca aging dapat dilihat pada Tabel 10.

24

Tabel 10. Hasil analisis suhu dan lama aging terhadap densitas MESA

Perlakuan _{Densitas (g/ml)}

Suhu (oC) Lama Aging (menit)

80

30 1.0312

45 1.0306

60 1.0298

100

30 0.9999

45 1.0062

60 1.0026

120

30 0.9553

45 0.9549

60 0.9541

Densitas terendah diperoleh dari MESA pada taraf suhu 120 oC dan lama aging 60 menit, dengan nilai rata-rata 0.9541 g/ml. Densitas tertinggi dimiliki oleh MESA pada taraf suhu 80 oC dan lama aging 30 menit. Dari Tabel 10 dapat dilihat bahwa densitas MESA menunjukkan nilai yang cenderung stabil pada satu taraf suhu yang sama, hanya saja pada taraf suhu 100 oC densitas MESA yang dihasilkan mengalami fluktuasi mulai dari menit 30 ke menit 45 yang mengalami kenaikan, kemudian nilai densitas kembali turun pada menit ke 60.

Fluktuasi nilai densitas ini dapat menunjukkan bahwa reaksi yang terjadi belum dapat menghasilkan MESA dengan nilai densitas yang stabil. Hal ini kemungkinan dapat disebabkan karena mekanisme pembentukan MESA dalam reaktor sulfonasi selama periode tersebut belum sempurna, belum mencapai kesetimbangan. Dalam periode tertentu, hasil reaksi masih dalam bentuk senyawa intermediet yang masih dapat mengalami restrukturisasi melepaskan gugus SO3 yang dapat mengurangi nilai densitas.

Dari Tabel 10 tersebut juga dapat dilihat bahwa ada kecenderungan semakin tinggi suhu yang digunakan dalam proses aging, maka akan semakin kecil densitas MESA yang dihasilkan. Kenaikan suhu aging berpengaruh terhadap gaya kohesi (tarik menarik) antar molekul pada cairan dimana dengan meningkatnya suhu aging akan mengurangi gaya kohesi dan meningkatkan perubahan molekul di dalamnya termasuk melemahnya ikatan C-S sehingga SO3 terlepas yang mengakibatkan massa per satuan volume berkurang yang menyebabkan densitas menurun.

Hasil analisis ragam (α=0.05) menunjukkan bahwa suhu dan lama aging tidak berpengaruh nyata terhadap densitas MESA, begitupun dengan interaksi suhu dan lama aging yang tidak berpengaruh nyata. Hasil analisis ragam terhadap densitas MESA dapat dilihat pada Lampiran 7.

4.4.4

Bilangan Asam MESA

Bilangan asam merupakan jumlah miligram basa yang diperlukan untuk menetralisasi asam lemak bebas dalam 1 gram bahan. Basa yang digunakan dalam hal ini adalah NaOH. Produk MESA bersifat asam karena masih mengandung campuran SO3, dimana gas SO3 merupakan salah

25

satu gugus pembentuk asam kuat, sehingga banyaknya gugus SO3 yang terikat pada suatu bahan akan meningkatkan bilangan asam.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa bilangan asam MESA jarak pagar berkisar pada 10.55 – 19.78 mg KOH/g MESA. Tabel 11 menunjukkan grafik hubungan suhu dan lama proses aging terhadap bilangan asam MESA.

Tabel 11. Hasil analisis suhu dan lama aging terhadap bilangan asam MESA

Perlakuan Bilangan Asam

(mg KOH/g MESA) Suhu (oC) Lama Aging (menit)

80

30 _18.46

45 18.85

60 19.78

100

30 _10.55

45 12.17

60 _13.09

120

30 13.23

45 _13.70

60 _14.29

Untuk mengetahui pengaruh suhu dan lama proses aging terhadap bilangan asam dilakukan analisis ragam dengan tingkat kepercayaan yang dipakai adalah 95% (α = 0.05). Hasil analisis ragam menunjukkan bahwa perlakuan suhu aging berpengaruh nyata terhadap bilangan asam MESA, sedangkan perlakuan lama aging maupun interaksi suhu dan lama aging tidak memberikan pengaruh nyata terhadap bilangan asam MESA. Hasil analisis ragam selengkapnya disajikan pada Lampiran 8.

Hasil uji lanjut Duncan menunjukkan bahwa taraf suhu aging 80 oC berbeda nyata dengan taraf suhu 100 oC, sedangkan taraf suhu 120 oC menunjukkan hasil yang tidak berbeda nyata dengan taraf suhu 80 oC dan 100 oC. Dari grafik bilangan asam dapat diketahui bahwa adanya kecenderungan semakin tinggi suhu menyebabkan bilangan asam menurun. Hal ini diduga pemanasan pada suhu tinggi menyebabkan ikatan antar molekul makin lemah sehingga SO3 mudah terlepas, demikian pula pada suhu tinggi terjadi sedikit penggumpalan MESA dengan densitas tinggi yang kemudian mengendap pada bagian bawah reaktor.

Proses aging yang dilakukan dengan menggunakan pemanasan dan pengadukan memungkinkan terjadinya proses penyusunan ulang (rearrangement) molekul MESA dan pelepasan SO3 dari gugus karboksil, terjadinya pelepasan SO3 yang terikat pada ikatan rangkap internal pada asam lemak, dan sisa SO3 yang masih terdapat pada permukaan gas/cair akan mudah bereaksi dengan metil ester serta sisa SO3 yang terakumulasi dari proses sulfonasi akan terlepas. Berkurangnya jumlah SO3 yang terdapat dalam MESA menyebabkan bilangan asam menurun pula.

51

Bilangan Iod MESA

A.

Rekapitulasi Data Hasil Analisis Suhu dan Lama Aging terhadap

Bilangan Iod MESA

Perlakuan Hasil Analisis Bilangan Iod Standar Deviasi

Ulangan 1 Ulangan 2 Rataan

X1Y1 36,6148 39,7713 38.19305 2,231983

X1Y2 28,738 25,1509 26.94445 2,536463

X1Y3 27,1593 23,0154 25.08735 2,93018

X2Y1 37,6352 31,7202 34.67770 4,182537

X2Y2 32,1547 27,8416 29.99815 3,049822

X2Y3 29,0041 26,5221 27.76310 1,755039

X3Y1 32,9974 38,148 35.57270 3,642024

X3Y2 22,7546 26,1 24.42730 2,365555

X3Y3 19,9047 25,07 22,48735 3,652419

Keterangan :

X1 : suhu 80o C

X2 : suhu 100 o C

X3 : suhu 120 o C

Y1 : waktu 30 menit

Y2 : waktu 45 menit

Y3 : waktu 60 menit

B.

Analisa Ragam

Sumber

Variasi

db JK RJK F-hitung Signifikansi

suhu 2 36.4012195 18.2006097 1.79 0.2278

waktu 2 414.5216449 207.2608224 20.38 0.0007

suhu*waktu 4 35.9145261 8.9786315 0.88 0.5153

Ulangan 1 0.7293502 0.7293502 0.07 0.7956

Error 8 81.3475359 10.1684420

Total 17 568.9142765

Keterangan: nilai signifikansi ≤ nilai α (0,05) = berpengaruh nyata

C.

Hasil Uji Duncan terhadap Faktor Suhu Aging

Suhu N Kelompok

80 6 A

100 6 A

120 6 A

D.

Hasil Uji Duncan terhadap Faktor Lama Aging

Waktu N Kelompok

30 6 A

45 6 B

60 6 B

Keterangan:

 Huruf pengelompokkan Duncan yang sama menunjukkan faktor tidak berbeda nyata.

52

Bahan Aktif MESA

A.

Rekapitulasi Data Hasil Analisis Suhu dan Lama Aging terhadap Bahan

Aktif MESA

Perlakuan Hasil Analisis Bahan Aktif Standar Deviasi

Ulangan 1 Ulangan 2 Rataan

X1Y1 13.9 4.7879 9.34395 6.443228

X1Y2 15.445 5.869 10.657 6.771255

X1Y3 16.989 12.6648 14.8269 3.057671

X2Y1 6.641 12.7421 9.69155 4.314129

X2Y2 8.958 14.6727 11.81535 4.040903

X2Y3 10.811 16.7578 13.7844 4.205023

X3Y1 7.791 3.398 5.5945 3.10632

X3Y2 9.62 10.811 10.2155 0.842164

X3Y3 10.811 12.665 11.738 1.310976

Keterangan :

X1 : suhu 80o C

X2 : suhu 100 o C

X3 : suhu 120 o C

Y1 : waktu 30 menit

Y2 : waktu 45 menit

Y3 : waktu 60 menit

B.

Analisa Ragam

Sumber

Variasi

db JK RJK F-hitung Signifikansi

suhu 2 25.14882151 12.57441076 0.63 0.5558

waktu 2 82.38292338 41.19146169 2.07 0.1883

suhu*waktu 4 8.10257794 2.02564448 0.10 0.9787

Ulangan 1 2.41831363 2.41831363 0.12 0.7362

Error 8 158.9960572 19.8745071

Total 17 277.0486936

Keterangan: nilai signifikansi ≤ nilai α (0,05) = berpengaruh nyata

C.

Hasil Uji Duncan terhadap Faktor Suhu Aging

Suhu N Kelompok

80 6 A

100 6 A

120 6 A

D.

Hasil Uji Duncan terhadap Faktor Lama Aging

Waktu N Kelompok

30 6 A

45 6 A

60 6 A

Keterangan:

 Huruf pengelompokkan Duncan yang sama menunjukkan faktor tidak berbeda nyata.

53

Nilai pH MES

A.

Rekapitulasi Data Hasil Analisis Suhu dan Lama Aging terhadap Nilai

pH MES

Perlakuan Hasil Analisis Nilai pH MES Standar Deviasi

Ulangan 1 Ulangan 2 Rataan

X1Y1 6.93 6.88 6.905 0.035355

X1Y2 7.02 7.05 7.035 0.021213

X1Y3 6.34 6.82 6.58 0.339411

X2Y1 6.98 6.57 6.775 0.289914

X2Y2 6.36 6.32 6.34 0.028284

X2Y3 6.18 7.02 6.6 0.59397

X3Y1 6.99 7.2 7.095 0.148492

X3Y2 6.73 6.78 6.755 0.035355

X3Y3 6.91 6.94 6.925 0.021213

Keterangan :

X1 : suhu 80o C

X2 : suhu 100 o C

X3 : suhu 120 o C

Y1 : waktu 30 menit

Y2 : waktu 45 menit

Y3 : waktu 60 menit

B.

Analisa Ragam

Sumber Variasi db JK RJK F-hitung Signifikansi

suhu 2 0.40814444 0.20407222 3.23 0.0939

waktu 2 0.19234444 0.09617222 1.52 0.2757

suhu*waktu 4 0.33458889 0.08364722 1.32 0.3404

Ulangan 1 0.07220000 0.07220000 1.14 0.3166

Error 8 0.50610000 0.06326250

Total 17 1.51337778

Keterangan: nilai signifikansi ≤ nilai α (0,05) = berpengaruh nyata

C.

Hasil Uji Duncan terhadap Faktor Suhu Aging

Suhu N Kelompok

80 6 A

100 6 A

120 6 A

D.

Hasil Uji Duncan terhadap Faktor Lama Aging

Waktu N Kelompok

30 6 A

45 6 A

60 6 A

Keterangan:

 Huruf pengelompokkan Duncan yang sama menunjukkan faktor tidak berbeda nyata.

54

Bilangan Iod MES

A.

Rekapitulasi Data Hasil Analisis Suhu dan Lama Aging terhadap

Bilangan Iod MES

Perlakuan Hasil Analisis Bilangan Iod MES Standar Deviasi

Ulangan 1 Ulangan 2 Rataan

X1Y1 37,875 37,082 37,4785 0,560736

X1Y2 23,696 27,615 25,6555 2,771151

X1Y3 22,416 25,375 23,8955 2,092329

X2Y1 30,824 42,914 36,869 8,548921

X2Y2 28,074 39,953 34,0135 8,399721

X2Y3 26,925 33,62 30,2725 4,73408

X3Y1 33,759 44,068 38,9135 7,289564

X3Y2 20,166 26,903 23,5345 4,763778

X3Y3 19,8683 24,262 22,06515 3,106815

Keterangan :

X1 : suhu 80o C

X2 : suhu 100 o C

X3 : suhu 120 o C

Y1 : waktu 30 menit

Y2 : waktu 45 menit

Y3 : waktu 60 menit

B.

Analisa Ragam

Sumber

Variasi

db JK RJK F-hitung Signifikansi

suhu 2 107.2917642 53.6458821 5.66 0.0294

waktu 2 516.2446136 258.1223068 27.24 0.0003

suhu*waktu 4 94.1427995 23.5356999 2.48 0.1273

Ulangan 1 188.1069338 188.1069338 19.85 0.0021

Error 8 75.7991196 9.4748899

Total 17 981.5852307

Keterangan: nilai signifikansi ≤ nilai α (0,05) = berpengaruh nyata

C.

Hasil Uji Duncan terhadap Faktor Suhu Aging

Suhu N Kelompok

80 6 B

100 6 A

120 6 B

D.

Hasil Uji Duncan terhadap Faktor Lama Aging

Waktu N Kelompok

30 6 A

45 6 B

60 6 B

Keterangan:

 Huruf pengelompokkan Duncan yang sama menunjukkan faktor tidak berbeda nyata.

55

Bahan Aktif MES

A.

Rekapitulasi Data Hasil Analisis Suhu dan Lama Aging terhadap Bahan

Aktif MES

Perlakuan Hasil Analisis Bahan Aktif MES Standar Deviasi

Ulangan 1 Ulangan 2 Rataan

X1Y1 14.6929 6.8567 10.7748 5.54103

X1Y2 16.3255 9.7953 13.0604 4.617549

X1Y3 17.958 13.0634 15.5107 3.461005

X2Y1 7.0199 13.4685 10.2442 4.559849

X2Y2 9.4688 15.5091 12.48895 4.271137

X2Y3 11.4278 17.7131 14.57045 4.444378

X3Y1 8.2352 3.5916 5.9134 3.283521

X3Y2 10.1686 11.4278 10.7982 0.890389

X3Y3 11.4278 13.3869 12.40735 1.385293

Keterangan :

X1 : suhu 80o C

X2 : suhu 100 o C

X3 : suhu 120 o C

Y1 : waktu 30 menit

Y2 : waktu 45 menit

Y3 : waktu 60 menit

B.

Analisa Ragam

Sumber

Variasi

db JK RJK F-hitung Signifikansi

suhu 2 39.05555360 19.52777680 1.15 0.3645

waktu 2 81.85523636 40.92761818 2.41 0.1520

suhu*waktu 4 5.05589130 1.26397283 0.07 0.9881

Ulangan 1 0.20311813 0.20311813 0.01 0.9157

Error 8 136.0808780 17.0101097

Total 17 262.2506774

Keterangan: nilai signifikansi ≤ nilai α (0,05) = berpengaruh nyata

C.

Hasil Uji Duncan terhadap Faktor Suhu Aging

Suhu N Kelompok

80 6 A

100 6 A

120 6 A

D.

Hasil Uji Duncan terhadap Faktor Lama Aging

Waktu N Kelompok

30 6 A

45 6 A

60 6 A

Keterangan:

 Huruf pengelompokkan Duncan yang sama menunjukkan faktor tidak berbeda nyata.

56

Metil Ester Jarak Pagar

Minyak Jarak + Larutan Metoksida Reaksi Esterifikasi / Transesterifikasi

Pemisahan Gliserol _{Proses Settling}