Manfaat Penelitian Ruang Lingkup Penelitian Konversi Minyak Jarak Pagar Menjadi Biodiesel

18 Gambar 2 Struktur molekul gliserol Trigliserida terbentuk dari satu molekul gliserol, dikombinasikan dengan tiga asam lemak pada masing masing kelompok OH Gambar 3. Gambar 3 Contoh struktur molekul trigliserida trilaurin. Bagian kiri adalah asam lemak dan bagian kanan adalah gliserol Secara kimia, biodiesel merupakan alkil ester dari asam lemak. Molekul biodiesel dapat dilihat pada Gambar 4. Ester biodiesel ini mengandung rantai asam lemak pada satu sisi, dan pada sisi yang lain adalah hidrokarbon atau yang disebut alkana. Oleh karena itu, biodiesel merupakan alkil ester asam lemak. Biasanya bentuk alkananya yang disebutkan dalam penamaan alkil ester, seperti dalam menamakan “metil ester” atau “etil ester”. 19 Gambar 4 Molekul Biodiesel. Pada bagian atas adalah metil ester, di bawah adalah etil ester Solar dan biodiesel keduanya merupakan campuran senyawa organik. Molekul solar yang ideal adalah setana. Dibandingkan dengan setana, alkil ester agak lebih panjang dan, lebih penting lagi, mengandung dua atom oksigen Turner 2005. Kedua molekul ini dapat dilihat pada Gambar 5. Gambar 5 Molekul setana atas dan etil ester bawah. Biodiesel dan solar memiliki komposisi kimia yang agak berbeda. Solar umumnya terdiri dari 30 35 hidrokarbon aromatis dan 65 70 paraffin dan sedikit olefin, umumnya terdiri dari alkil ester dengan rantai C 10 sampai C 16 Chang et al. 1996. Sebaliknya, biodiesel yang berasal dari rapeseed, kedele atau bunga biji matahari memiliki alkil ester dengan rantai C 16 sampai C 18 dengan 20 satu sampai tiga ikatan rangkap setiap molekulnya. Minyak solar tidak mengandung oksigen, sementara oksigen biodiesel berkisar 11. Perbedaan dasar antara minyak solar dengan biodiesel dapat dilihat pada Tabel 9. Tabel 9 Perbedaan dasar antara minyak solar dengan biodiesel Mittelbach and Remschmidt 2004 Bahan bakar Solar Minyak Rapseed Biodiesel rapseed Komposisi C : H : O = 86,6: 13,4: 0 C : H : O = 77,6 : 11,5 : 10,9 C : H : O = 77,2 : 12,0 : 10,8 BM rata rata 120 320 883 296

2.3.2 Proses Produksi Biodiesel

Prinsip dasar pembuatan biodiesel adalah transesterifikasi trigliserida dan esterifikasi asam lemak bebas. Reaksi transesterifikasi trigliserida dengan metanol dapat dilihat pada Gambar 6. Gambar 6 Reaksi transesterifikasi trigliserida dengan metanol menghasilkan metil ester dan gliserol dimana R 1 , R 2 , R 3 adalah hidrokarbon rantai panjang, kadang kadang disebut rantai asam lemak. Biasanya, ada lima jenis rantai utama dalam minyak nabati dan minyak hewani: palmitat, stearat, oleat, linoleat, dan linolenat. Bila trigliserida dikonversikan secara bertahap menjadi digliserida, monogliserida, dan akhirnya ke gliserol, 1 mol ester lemak dibebaskan pada setiap langkah Ma dan Hanna 1999. Biasanya, metanol merupakan alkohol yang lebih disukai untuk memproduksi biodiesel karena biaya rendah. 21 Secara stoikiometri, reaksi transesterifikasi memerlukan 3 mol alkohol per 1 mol trigliserida untuk menghasilkan 3 mol alkil ester dan 1 mol gliserol. Reaksi ini merupakan reaksi yang dapat balik. Agar reaksi transesterifikasi bergeser ke kanan, maka diperlukan alkohol berlebih di dalam reaksi. Laju reaksi memberikan level tertinggi jika kelebihan 100 metanol digunakan. Dalam proses industri, nisbah molar alkohol:minyak 6:1 biasanya digunakan untuk memperoleh hasil metil ester yang yang lebih dari 98 Srivastava and Prasad 2000; Meher et al. 2006. Biasanya, katalis digunakan untuk meningkatkan laju reaksi dan konversi Meher et al. 2006. Tabel 10 menunjukkan perbandingan berbagai teknologi untuk menghasilkan biodiesel. Metode yang umum digunakan untuk produksi biodiesel adalah transesterifikasi minyak nabati dengan metanol, dengan menggunakan katalis alkali, asam, enzim atau tanpa katalis alkohol superkritis. Metode alkohol superkritis adalah metode transesterifikasi trigliserida dengan alkohol pada suhu dan tekanan diatas titik kritis alkoholnya tanpa menggunakan katalis Saka and Kusdiana 2001; Kusdiana and Saka 2004; Song et al. 2008. Tabel 10 Perbandingan berbagai teknologi untuk menghasilkan biodiesel Sharma et al. 2008 o Variabel Katalis Alkali Katalis Lipase Katalis Asam Superkritis Alkohol 1 Suhu Reaksi K 60 70 30 40 55 80 339 385 2 ALB dalam bahan baku Produk tersabunkan Metil Ester Ester Ester 3 Air dalam bahan baku Mengganggu reaksi Tidak berpengaruh Mengganggu Reaksi 4 Hasil metil ester Normal Lebih Tinggi Normal Bagus 5 Perolehan kembali gliserol Sukar Mudah Sukar 6 Pemurnian metil ester Pencucian Ulang Tidak ada Pencucian berulang 7 Biaya Katalis dalam produksi Murah Relatif mahal Murah Sedang 22 Variabel penting yang mempengaruhi hasil biodiesel dari transesterifikasi; mereka adalah: suhu reaksi, nisbah molar alkohol dan minyak, katalis, lama reaksi, kehadiran air, ALB, dan intensitas pengadukan Ma et al. 1999; Srivastava and Prasad 2000; Caili and Kusefoglu 2008; Akgun and Iscan 2008. Laju reaksi sangat ditentukan oleh suhu reaksi. Reaksi ini biasanya dilakukan dekat titik didih alkohol pada tekanan atmosfer Srivastava and Prasad 2000. Minyak nabati dan lemak dapat mengandung sejumlah kecil air dan ALB. Untuk transesterifikasi menggunakan katalis alkali, katalis alkali yang digunakan akan bereaksi dengan ALB untuk membentuk sabun dan air Gambar 7. Reaksi ini tidak diinginkan karena sabun menurunkan hasil biodiesel dan menghambat pemisahan ester dari gliserol. Selain itu, ia berikatan dengan katalis, hal ini menyebabkan katalis akan diperlukan lebih banyak dalam reaksi dan dengan demikian proses akan melibatkan biaya yang lebih tinggi Gerpen et al. 2004. Gambar 7 Reaksi transesterifikasi ALB dengan katalis alkali menghasilkan sabun dan air reaksi penyabunan Air, baik berasal dari minyak dan lemak atau dibentuk selama reaksi penyabunan akan memperlambat transesterifikasi reaksi melalui reaksi hidrolisis. Ia dapat menghidrolisis trigliserida menjadi digliserida dan membentuk ALB. Reaksi hidrolisis ini ditunjukkan pada Gambar 8 Leung et al. 2010. Gambar 8 Reaksi hidrolisis trigliserida dengan air menghasilkan asam lemak bebas dan digliserida 23 Namun demikian, ALB dapat bereaksi dengan alkohol membentuk ester biodiesel melalui reaksi esterifikasi menggunakan katalis asam. Reaksi ini sangat berguna untuk penanganan minyak atau lemak dengan ALB tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9 Leung et al. 2010. Gambar 9 Reaksi esterifikasi ALB dengan metanol menghasilkan metil ester dan air Perbedaan transesterifikasi dengan esterifikasi adalah, pada reaksi yang pertama, tri ester dikonversi menjadi ester secara individu, maka disebut dengan transesterifikasi. Pada reaksi yang kedua, ester baru diciptakan, sehingga disebut dengan esterifikasi Turner 2005. .

2.3.3 Proses Transesterifikasi Biodiesel Menggunakan Katalis Kalsium Oksida CaO

Produksi biodiesel atau lebih umum metil ester asam lemak dapat dikategorikan menjadi metode homogen, heterogen dan metode non katalitik tergantung pada jenis katalis yang digunakan dalam proses. Secara tradisional, metode homogen merupakan metode yang digunakan dalam banyak produksi biodiesel komersial. Namun, metode ini memiliki banyak kelemahan. Seperti dilaporkan dalam berbagai kepustakaan, metode transesterifikasi heterogen terbukti lebih unggul dibandingkan dengan metode transesterifikasi homogen terutama pada pemisahan dan pemurnian produk metil ester Ma and Hanna 1999; Fukuda et al. 2001; Van Gerpen 2005; Demirbas 2007; Singh 2008. Dalam metode homogen, reaktan, katalis dan metil ester semua berada dalam fase cair, sehingga menghasilkan proses pemisahan cair cair yang komplek. Pemulihan katalis homogen juga susah, sehingga mengakibatkan hilangnya bahan berguna. Katalis larut sepenuhnya dalam lapisan gliserin dan sebagian di lapisan metil ester. Akibatnya, biodiesel harus dibersihkan melalui proses pencucian air yang lambat dan tidak ramah lingkungan. Gliserin yang terkontaminasi dengan katalis 24 memiliki nilai lebih murah di pasar saat ini Demirbas 2007. Di sisi lain, metode heterogen, yang menggunakan katalis padat, tidak memiliki keterbatasan seperti katalis homogen. Proses pemisahan padat cair relatif lebih mudah dibandingkan dengan proses pemisahan cair cair membuat pemulihan katalis padat jauh lebih mudah. Disamping itu, metode heterogen menghilangkan pembentukan sabun, sehingga menghilangkan kebutuhan air dan mencegah pembentukan emulsi dalam campuran yang dapat menyulitkan proses pemisahan dan pemurnian. Saat ini ada banyak katalis heterogen layak digunakan dalam proses transesterifikasi seperti oksida logam Kim et al. 2004; Xie et al. 2006; Liu et al. 2007; Yang and Xie 2007; Granados et al. 2007; Kansedo et al. 2009; kompleks logam Ferreira et al. 2007, logam aktif dimuat pada penyangga Xie and Li 2006; Xie et al. 2006, zeolit Suppes et al. 2004 , resin Shibasaki Kitikawa et al. 2007; Lo´pez et al. 2007 membran Guerreiro et al. 2006; Dube et al. 2007, lipase Ranganathan et al. 2008 dan hidrotalsit Chantrell et al. 2005. Beberapa katalis heterogen ini sudah dipatenkan dan digunakan dalam produksi komersial biodiesel Bournay et al. 2005. Katalis ini telah terbukti memiliki aktivitas tinggi terhadap proses transesterifikasi. Di antara beragam katalis, CaO adalah salah satu katalis heterogen memiliki sifat yang baik seperti kebasaan lebih tinggi, kelarutan rendah, harga yang lebih murah, dan lebih mudah untuk menangani daripada KOH Huaping et al 2006. Berbagai percobaan transesterifikasi menggunakan katalis CaO telah dilaporkan. Namun, sebagian besar dari katalis tersebut ditambahkan bahan kimia tertentu dan digunakan pada minyak selain minyak jarak, seperti pada minyak kedelai Kouzu et al. 2007 dan 2008; Liu et al. 2008, minyak bunga matahari Granados et al. 2007; Demirbas 2007; Yan et al. 2008 Veljkovic´et al. 2009; Kawashima et al. 2009; minyak rapeseed Huaping et al. 2006; Yan et al. 2008 dan microalgae Umdu et al. 2009. Hanya satu dari katalis ini digunakan pada jarak pagar Huaping et al. 2006, dimana CaO komersial direndamkan pada larutan ammonium karbonat sebelum dikalsinasi. Karena metode cuci air tidak cocok untuk memurnikan biodiesel yang disintesis menggunakan katalis CaO, maka pemurnian biodiesel dilakukan dengan menggunakan asam sitrat Huaping et al. 2006. Dalam penelitian ini, katalis yang digunakan adalah CaO yang 25 berasal dari pembakaran batu kapur CaCO 3 tanpa perendaman dengan bahan kimia tertentu. Sementara itu, pemurnian biodiesel dilakukan dengan menggunakan bentonit yang diaktivasi dengan asam sulfat.

2.3.4 Proses Transesterifikasi Biodiesel secara In situ

Beberapa penyebab tingginya biaya produksi biodiesel adalah biaya penyediaan bahan baku yang tinggi dan implementasi proses produksi yang secara operasional tidak efisien. Salah satu alternatif adalah melakukan integrasi antara ekstraksi minyak dan transesterifikasi Hernandez 2005. Proses ini dinamakan dengan transesterifikasi in+situ Harrington and Evans 1985. Transesterifikasi in situ Harrington dan D Arcy Evans 1985; Siler Marinkovic dan Tomasevic 1998; Kildiran et al. 1996; Hass et al. 2004, merupakan sebuah metode produksi biodiesel yang memanfaatkan produk produk asli pertanian mengandung minyak sebagai sumber trigliserida untuk langsung di transesterifikasi kan. Beberapa penelitian terbaru menunjukkan bahwa metode ini sangat menjanjikan untuk dikembangkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ukuran partikel, suhu, konsentrasi pelarut, kadar air dan pengadukan berpengaruh terhadap hasil dan selektivitas Hernadez et al. 2005; Georgogianni 2008 dan penggunaan metanol alkali sebagai pelarut dapat menurunkan kandungan toksik dari biji seperti pada biji kapuk sehingga bungkil biji kapuk tersebut dapat digunakan sebagai sumber pakan kaya protein Qian et al. 2008.

2.3.5 Kualitas biodiesel dan faktor faktor yang mempengaruhi

Indonesia telah menyusun Standar Nasional Indonesia untuk kualitas biodiesel SNI 04 7182 2006. Standar ini disusun dengan memperhatikan standar sejenis yang sudah berlaku di luar negeri seperti ASTM D6751 di Amerika Serikat dan EN 14214:2002 E untuk negara Uni Eropa. Syarat mutu biodiesel ester alkil dan metode uji yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 11. 26 Tabel 11 Syarat mutu biodiesel ester alkil dan metoda uji yang digunakan pada S-I 04+7182+2006 No Parameter Satuan Nilai Metoda Uji 1 Massa jenis pada 40 o C kgm 3 850 890 ASTM D 1298 2 Viskositas kinematik pada 40 o C Mm2s cSt 2,3 – 6,0 ASTM D 445 3 Angka setana Min.51 ASTM D 613 4 Titik nyala mangkok tertutup o C Min.100 ASTM D 93 5 Titik kabut o C ASTM D 2500 6 Korosi lempeng tembaga 3 jam pada 50 o C Maks. No.3 ASTM D 130 7 Residu karbon dalam contoh asli dalam 10 ampas distilasi massa Maks.0,05 Maks.0,30 ASTM D 4530 8 Air dan sedimen vol Maks 0,05 ASTM D 2709 ASTM D 1796 9 Suhu distilasi 90 o C Maks. 360 ASTM D 1160 10 Abu tersulfatkan massa Maks.0,02 ASTM D 874 11 Belerang ppm m mgkg maks.100 ASTM D 5453 ASTM D 1266 12 Fosfor ppm m mgkg Maks. 10 AOCS Ca 12 55 13 Angka asam Mg KOHg Maks.0,8 AOCS Cd 3 63 ASTM D 664 14 Gliserol bebas massa Maks.0,02 AOCS Ca 14 56 ASTM D 6584 15 Gliserol total massa Maks.0,24 AOCS Ca 14 56 ASTM D 6584 16 Kadar ester alkil massa Min. 96,5 Dihitung 17 Angka iod massa Maks.115 AOCS Cd 1 25 18 Uji Halphen negatif AOCS Cd 1 25 Catatan: Kadar ester massa = 100 A s A a 4,57G ttl A s dengan pengertian: A s Adalah angka penyabunan yang ditentukan dengan metoda AOCS Cd 3 25, mg KOHg biodiesel A a Adalah angka asam yang ditentukan dengan metoda AOCS Cd 3 63 atau ASTM D 664, mg KOHg biodiesel G ttl Adalah kadar gliserol total dalam biodiesel yang ditentukan dengan metoda AOCS Ca 14 56, massa Kualitas biodiesel 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 2004. Kontaminan tersebut diantaranya adalah bahan tak tersabunkan, air, gliserin 27 bebas, gliserin terikat, alkohol, ALB, sabun, residu katalis, sulfur, aromatik dan abu Gerpen 1996; Bajpai and Tyagi 2006. Viskositas kinematik menunjukkan “resistansi aliran cairan pada kondisi gravitasi”. Viskositas kinematik sama dengan viskositas dinamikdensitas. Parameter ini merupakan spesifikasi rancangan dasar untuk injektor bahan bakar yang digunakan pada mesin diesel Gerpen et al. 2004. Viskositas adalah sifat yang paling penting dari biodiesel karena mempengaruhi pengoperasian peralatan injeksi bahan bakar, terutama pada suhu rendah saat kenaikan viskositas mempengaruhi fluiditas bahan bakar. Biodiesel memiliki viskositas yang mendekati bahan bakar diesel Arisoy 2008. Bila viskositas tinggi, maka injektor tidak akan bekerja dengan baik Gerpen et al. 2004. Densitas adalah berat biodiesel per satuan volume. Ia merupakan sifat penting lainnya dari biodiesel. Alat injeksi bahan bakar bekerja pada basis ukuran volume, sehingga apabila densitas lebih besar akan menyebabkan massa yang diinjeksikan lebih besar pula Arisoy 2008. Densitas biodiesel akan meningkat dengan meningkatnya jumlah ikatan rangkap dan berkurangnya panjang rantai Mittelbach and Remschmidt 2004. Hal ini dapat dilihat pada Tabel 12. Tabel 12 Densitas biodiesel berdasarkan panjang rantai dan ikatan rangkapnya Mittelbach and Remschmidt 2004 FAME Densitas kgm 3 FAME Densitas kgm 3 C 6 : 0 889 C 16:0 884 C 8 : 0 881 C 18:0 852 C 10 : 0 876 C 18:1 874 C 12 : 0 873 C 18:2 894 C 14 : 0 867 C 18:3 904 28 Minyak nabati memiliki viskositas yang lebih tinggi dibandingkan dengan biodiesel. Viskositas yang tinggi ini akan mempengaruhi kecepatan alir bahan bakar melalui injektor sehingga dapat mempengaruhi atomisasi bahan bakar di dalam ruang bakar. Selain itu, viskositas yang tinggi juga berpengaruh secara langsung terhadap kemampuan bahan bakar bercampur dengan udara. Dengan demikian, viskositas yang tinggi tidak diharapkan pada bahan bakar mesin diesel. Hal inilah yang mendasari perlunya dilakukan proses kimia transesterifikasi, untuk menurunkan viskositas minyak tumbuhan sehingga mendekati viskositas solar Knothe 2005. Menurut Krisnangkura et al. 2006 viskositas dipengaruhi oleh jumlah karbon dari asam lemak penyusun biodiesel dan suhu. Jumlah karbon yang lebih banyak dan suhu yang lebih rendah cenderung menyebabkan meningkatnya kekentalan Gambar 10. Angka setana menunjukkan seberapa cepat bahan bakar mesin diesel yang diinjeksikan ke ruang bakar dapat terbakar secara spontan setelah bercampur dengan udara. Semakin cepat bahan bakar mesin diesel terbakar setelah diinjeksikan ke dalam ruang bakar, semakin tinggi angka setana bahan bakar tersebut Prakash 1998. Gambar 10. Viskositas kinematika asam lemak rantai pendek pada berbagai perbedaan suhu Krisnangkura et al. 2006 29 Cara pengukuran angka setana yang umum digunakan, seperti standar ASTM D613 atau ISO 5165, adalah dengan menggunakan heksadekana C 16 H 34 , yang memiliki nama setana sebagai patokan tertinggi angka setana = 100, dan 2,2,4,4,6,8,8 heptamethylnonane HMN yang memiliki komposisi C 16 H 34 sebagai patokan terendah angka setana =15 Knothe 2005; Arisoy 2008. Menurut Prakash 1998, dari skala tersebut dapat diketahui bahwa hidrokarbon jenuh dengan rantai lurus memiliki angka setana yang lebih tinggi dibanding hidrokarbon rantai bercabang atau senyawa aromatik pada berat molekul dan jumlah atom karbon yang sama. Angka setana berkorelasi dengan tingkat kemudahan penyalaan pada suhu rendah cold start dan rendahnya kebisingan pada kondisi diam. Angka setana yang tinggi juga berhubungan dengan rendahnya polutan NO x Knothe 2005. Secara umum biodiesel memiliki angka setana yang lebih tinggi daripada solar Gambar 11 Prakash 1998. Panjangnya rantai hidrokarbon yang terdapat pada ester alkil ester asam lemak, misalnya menyebabkan tingginya angka setana biodiesel dibandingkan dengan diesel Knothe 2005. Hal inilah yang merupakan keunggulan yang nyata biodiesel dibanding dengan solar berkenaan dengan penampilan mesin dan emisi dan membuat mesin yang diberi bahan bakar biodiesel lebih lancar dan kurang berisik. Gambar 11 Perbandingan angka setana metil ester dari berbagai minyak nabati dengan minyak solar nilai diambil dari Mittelbach and Remschmidt 2004 30 Pada ester yang berasal dari lemak jenuh, angka setana dari alkil ester meningkat dengan meningkatnya panjang rantai asam lemaknya. Sebaliknya, angka setana akan menurun dengan meningkatnya jumlah ikatan rangkapnya. Untuk lebih jelasnya hal ini dapat dilihat pada Tabel 13. Titik nyala merupakan kemampuan terbakar flammability bahan bakar yang merupakan parameter untuk mengetahui dampak berbahaya selama perjalanan atau penyimpanannya Mittelbach and Remschmidt 2004. Titik nyala dari metil ester murni 200 o C, diklasifikasikan sebagai “tidak mudah terbakar”. Walau bagaimanapun, selama produksi dan pemurnian biodiesel, tidak semua metanol dapat dihilangkan, sehingga membuat biodiesel menjadi mudah terbakar dan lebih berbahaya untuk menangani dan disimpan jika titk nyala ini di bawah 130 o C Gerpen et al. 2004. Tabel 13 Perbandingan angka setana beberapa alkil ester dari berbagai asam lemak Mittelbach and Remschmidt 2004 C10:0 C12:0 C14:0 C16:0 C18:0 C18:1 C18:2 C18:3 Metil ester asam lemak Angka setana 47,9 60,8 73,5 74,3 75,7 55,0 42,2 22,7 Etil ester asam lemak Angka setana 76,8 53,9 37,1 26,1 1 propil ester asam lemak Angka setana 69,9 55,7 40,6 26,8 2 propil ester asam lemak Angka setana 82,6 96,5 86,6 Air dan sedimen merupakan ukuran untuk kebersihan bahan bakar. Jumlah air yang tinggi harus dihindari karena air dapat bereaksi dengan ester membentuk asam lemak bebas, dan dapat mendorong pertumbuhan mikroba pada tangki penyimpanan yang dapat menyebabkan terbentuknya sedimen Gerpen et al. 2004; Bajpai and Tyagi 2006. Sedimen dapat menyumbat saringan dan dapat 31 berkontribusi pada pembentukan deposit pada injektor dan kerusakan mesin lainnya. Jumlah sedimen pada biodiesel dapat meningkat sepanjang waktu sebagaimana bahan bakar ini mengalami degradasi selama penyimpanan yang lama Gerpen et al. 2004. Gliserol bebas merupakan gliserol yang hadir sebagai molekul gliserol dalam bahan bakar. Gliserol bebas merupakan hasil dari pemisahan yang tidak sempurna dari ester dan gliserol hasil reaksi transesterifikasi. Keberadaan gliserol bebas dapat menjadi sumber deposit karbon pada mesin disebabkan pembakaran yang tidak sempurna Gerpen at al. 2004. Gliserol total merupakan jumlah gliserol bebas dan gliserol terikat. Gliserol terikat merupakan bagian gliserol dari mono , di , dan trigliserida. Peningkatan jumlah gliserol total merupakan indikator reaksi esterifikasi yang tidak sempurna Gerpen at al. 2004. Bilangan iod pada biodiesel menunjukkan tingkat ketidakjenuhan senyawa penyusun biodiesel. Disatu sisi, keberadaan senyawa lemak tak jenuh meningkatkan performansi biodiesel pada suhu rendah, karena senyawa ini memiliki titik leleh melting point yang lebih rendah sehingga berkorelasi dengan titik kabut cloud point dan titik tuang pour point yang juga rendah Knothe 2005. Namun di sisi lain, banyaknya lemak tak jenuh di dalam biodiesel memudahkan senyawa tersebut bereaksi dengan oksigen di atmosfir dan terpolimerisasi Azam et al. 2006. Bilangan iod yang tinggi cenderung membentuk polimer dan membentuk deposit pada injector nozel, cincin piston dan cincin piston jika ia dipanaskan. Namun demikian hasil uji mesin mengindikasikan bahwa reaksi terjadi secara signifikan hanya pada ester asam lemak yang mengandung 3 atau lebih ikatan rangkap. Itulah sebabnya lebih baik membatasi kandungan ketidakjenuhan yang tinggi dalam biodiesel dibandingkan total ketidakjenuhan seperti yang dinyatakan oleh bilangan iod Mittelbach and Remschmidt 2004 Bilangan asam merupakan ukuran langsung dari asam lemak bebas pada biodiesel. Asam lemak bebas dapat menyebabkan korosi. Bilangan asam ini dapat meningkat menurut waktu disebabkan bahan bakar akan mengalami degradasi disebabkan kontak dengan udara dan air Gerpen at al. 2004. 32 Stabilitas penyimpanan berhubungan dengan kemampuan bahan bakar untuk menahan perubahan kimia selama penyimpanan. Perubahan ini biasanya terdiri dari oksidasi disebabkan adanya kontak dengan oksigen dari udara. Komposisi asam lemak biodiesel merupakan faktor penting dalam menentukan stabilitas terhadap udara Gerpen et al. 2004. Angka setana, panas pembakaran heat of combustion, titik cair dan titik didih, viskositas akan meningkat dengan meningkatnya panjang rantai dan kejenuhan dan menurun dengan meningkatnya ketidakjenuhan asam lemak Graboski 1997; Prakash 1998; Knothe 2005. Tabel 14 menggambarkan profil asam lemak dari berbagai sumber minyak dan pengaruhnya terhadap sifat fisik biodiesel. Sementara Tabel 15 menunjukkan pengaruh struktur kimia terhadap titik cair dan titik didih asam lemak dan metil esternya. Tabel 14 Profil asam lemak beberapa minyak dan sifat sisik biodiesel yang dihasilkannya Soriano et al. 2006 Jenis Minyak Komposisi asam lemak Sifat Fisik Biodiesel Jenuh 16:0 18:0 18:1 18:2 18:3 Viskositas dinamik,cp Viskositas Kinematik,cSt Titik tuang , o C Titik kabut, o C Titik nyala, o C SFO 6 3 17 74 3,75 ± 0,01 4,30 ± 0,01 5,0 ± 0.0 1,0 ± 0.0 181 ± 1 9 SBO 12 3 23 55 6 3,58 ± 0,01 4,12 ± 0,01 2,0 ± 0.0 1,0 ± 1.0 186 ± 2 15 PMO 45 4 40 10 ± 0,00 5,15 ± 0,02 12,0 ± 0.00 18,0 ± 1.0 179 ± 3 50 RSO 3 1 64 22 8 3,85 ± 0,01 4,43± 0,02 13 ± 1.0 4,0 ± 1.0 178 ± 0 4 Mengandung sekitar 1 asam lemak 14:0. SFO minyak biji bunga matahari; SBO minyak kedele; PMO – minyak sawit; RSO – minyak rapseed 33 Tabel 15 Pengaruh struktur kimia terhadap titik cair dan titik didih asam lemak dan metil esternya Graboski, 1997; cit. Prakash, 1998; Knothe 2005 Rantai Asam Jumlah Karbon Struktur Asam Metil ester Titik Cair o C Titik Didih o C Titik Cair o C Titik Didih o C Kaprilat 8 CH 3 CH 2 6 COOH 16,5 239 40 193 Kaprat 10 CH 3 CH 2 8 COOH 31,3 269 18 224 Laurat 12 CH 3 CH 2 10 COOH 43,6 304 5,2 262 Miristat 14 CH 3 CH 2 12 COOH 58,0 232 19 295 Palmitat 16 CH 3 CH 2 14 COOH 62,9 349 30 415 Palmitoleat 16 CH 3 CH 2 5 CH=CHCH 2 7 COOH 33 Stearat 18 CH 3 CH 2 16 COOH 69,9 371 39,1 442 Oleat 18 CH 3 CH 2 7 CH=CHCH 2 7 COOH 16,3 19,9 Linoleat 18 CH 3 CH 2 4 CH=CHCH 2 CH=CHC H 2 7 COOH 5 35 Linolenat 18 CH 3 CH 2 CH=CHCH 2 CH=CHCH 2 C H= CHCH 2 7 COOH 11 Arakidat 20 CH 3 CH 2 18 COOH 75,2 50 Eikosenoat 20 CH 3 CH 2 7 CH=CHCH 2 9 COOH 23 15 Behenat 22 CH 3 CH 2 20 COOH 80 54 Erukat 22 CH 3 CH 2 7 CH=CHCH 2 11 COOH 30 Pengaruh panjang rantai dan ketidakjenuhan pada beberapa sifat bahan bakar FAME murni ditunjukkan pada Gambar 12 Soriano et al. 2006. Semakin panjang rantai asam lemaknya maka semakin tinggi titik tuang, titik kabut, viskositas dan titik nyala. Namun demikian sifat tersebut akan turun dengan adanya ikatan rangkap. 34 Gambar 12 Pengaruh panjang rantai dan ketidakjenuhan terhadap titik tuang, titik kabut, titik nyala, dan viskositas biodiesel Soriano et al. 2006

2.3.6 Sifat Biodiesel pada Suhu Dingin Cold temperature properties

Sifat bahan bakar terhadap perubahan suhu merupakan kriteria mutu yang penting pada daerah beriklim dingin. Untuk menguji sifat biodiesel pada suhu dingin Cold temperature properties beberapa parameter disarankan, diantaranya adalah: Titik kabut cloud PointCP, titik tuang Pour pointPP, cold+filter plugging point CFPP dan low+temperature flow test LTFT serta cristalisation onset temperature Tco Mittelbach and Remschmidt 2004. Untuk lebih jelasnya hal ini dapat dilihat pada Tabel 16. 35 Seperti halnya bahan bakar solar yang merupakan fraksi minyak bumi, biodiesel juga akan menjadi berkabut cloudy pada saat udara dingin, minyak akan berubah menjadi kristal lilin yang akan menyumbat saluran filter bahan bakar. Titik kabut Cloud Point merupakan suhu dimana kristal tersebut terlihat Mittelbach and Remschmidt 2004. Titik kabut merupakan faktor kritis dalam penampilan hampir semua mesin diesel pada cuaca dingin Gerpen et al. 2004. Tabel 16 Nilai CP, PP dan CFPP solar dibandingkan dengan biodiesel Mittelbach and Remschmidt 2004 Nilai Solar Rape seed Zaitun Biji bunga matahari kedele kelapa sawit tallow CP 15 2 2 1 12 13 14 PP 33 9 6 3 2 12 CFPP 18 15 9 3 2 8 1 13 Bila udara menjadi lebih dingin, maka kristal lilin tersebut akan menjadi gel dan memadat sehingga tidak dapat mengalir. Suhu terendah dimana biodiesel mulai tidak mengalir disebut dengan titik tuang pour point Mittelbach and Remschmidt 2004. Alkohol yang lebih panjang atau alkohol sekunder memperbaiki sifat mengalir flow properties dari biodiesel yang dihasilkan Foglia et al. 1997 dan Lang et al. 2001. Untuk melihat pengaruh panjang rantai alkohol terhadap sifat mengalir flow properties dapat dilihat pada Tabel 17. Tabel 17 Pengaruh alkohol yang lebih panjang atau alkohol sekunder terhadap sifat mengalir flow properties dari alkyl ester biodieselFoglia et al. 1997 Alkil ester CP o C PP o C CFPP Metil ester 17 15 9 Etil ester 15 12 8 1 propil ester 12 9 7 1 butil ester 9 6 3 2 butil ester 9 4 36

2.4 Konversi Minyak Jarak Pagar Menjadi Biodiesel

Biodiesel atau alkil ester dari minyak jarak pagar dapat dihasilkan dengan proses esterifikasi dan transesterifikasi trigliserida minyak. Transesterifikasi berfungsi untuk menggantikan gugus alkohol gliserol dengan alkohol sederhana seperti metanol atau etanol. Katalis yang biasa digunakan adalah NaOH atau KOH. Komposisi asam lemak minyak jarak dibandingkan dengan minyak rapseed dan kedele tercantum pada Tabel 18. Sementara itu bagaimana perbandingan sifat solar diesel, minyak jarak dan biodiesel dari jarak pagar dapat dilihat pada Tabel 19. Tabel 18 Distribusi asam lemak minyak jarakpagar, rapeseed dan kedelai berat No Asam lemak Minyak jarak b Minyak Rapeseed Minyak kedelai 1 Asam miristat 0 0,1 1 0,1 2 Asam palmitat 14,1 15,3 3,5 11,4 3 Asam stearat 3,7 9,8 0,9 3,2 4 Asam arakidat 0 0,3 0,4 2,4 0,2 5 Asam behenat 0 0,2 0,6 2,5 0,3 2,4 6 Asam palmitoleat 0 1,3 0 0,1 0,1 1 7 Asam oleat 34,3 45,8 64,1 21,8 8 Asam linoleat 29 44,2 12 22 54,9 9 Asam linolenat 0 0,3 7 9 8,3 a Diadopsi dari Guvitz, Mittelbach and Trabi 1999 Tabel 19 Sifat solar, minyak dan metil ester dari minyak jarak pagar Mittelbach and Remschmidt 2004 Sifat Solar Minyak jarak Metil ester minyak jarak Metanol 1. Densitas kg m 3 840 918,6 880 790 2. Kalori kJ kg 1 42490 39774 38450 19674 3. Viskositas cSt 4.59 49,93 5,65 4. Bilangan setana 45 55 40 45 50 3 5 5. Titik nyala o C 50 240 170 6. Residu Karbon 0,1 0,64 0,5 0,0 37 Tabel 20 menunjukkan hasil penelitian mengenai produksi biodiesel jarak pagar pada berbagai kondisi. Jenis dan jumlah variabel seperti alkohol, ALB, rasio molar, katalis, reaksi suhu, waktu reaksi, kecepatan dan cara mengaduk mempengaruhi hasil dan konversi biodiesel. Ada beberapa variasi proses transesterifikasi minyak nabati dalam produksi biodiesel jarak pagar yang tersedia saat ini. Di antaranya adalah perlakuan menggunakan katalis homogen Foidl et al. 1996; Sudrajat et al. 2005; Tiwari et al. 2007; Sarin et al. 2007; Chitra et al. 2008; Berchmans and Hirata 2008 ; katalis heterogen Huaping et al. 2006; Vyas et al. 2009 atau katalis enzim Su et al. 2007; Shah and Gupta 2007; Rathore and Madras 2007; Shah and Gupta 2007; Devanesan et al. 2007; Tamalampudi et al. 2008; Su et al. 2009, alkohol superkritis tanpa katalis Rathore and Madras 2007; Tang et al. 2007 dan katalisis menggunakan enzim lipase dan ekstraksi secara in situ Su et al. 2007, hidrolisis dan esterifikasi tanpa katalis Su et al. 2009 and Shuit et al. 2010. 38 Tabel 20 Produksi biodiesel dari jarak pada berbagai kondisi proses o Minyak Tahapan Trans esterifikasi Alkohol Donor alkil Molar Ratio alkohol donor alkil :minyak Katalis Suhu Reaksi K Waktu Pengadukan Hasil bobot Referensi 1 ALB 0,29 1,27 Dua tahap Katalis alkali Katalis alkali Metanol Metanol 4,50: 1 mol dua bagian satu bagian KOH 1.5wt dua bagian satu bagian 333 333 30 mnt 30 mnt ada ada 92 Foidl et al. 1996 Foidl et al. 1996 ALB 0,29 1,27 Dua tahap Katalis alkali Katalis asam Etanol Etanol 6,9:1,14 mol KOH 1.5wt H 2 SO 4 , 2wt 348 353 90 mnt 6 jam ada ada 88.4 2 ALB 3.09 Satu tahap Metanol 20 ww NaOH 1wt 333 90 mnt ada 98 Chitra et al. 2005 3 ALB 44.15 Dua tahap: Katalis asam Katalis alkali Metanol Metanol 20 vv 40 vv H 2 SO 4 2 KOH 0.3 333 333 90 mnt 90 mnt Sudradjat et al. 2005a 4 Tidak dijelaskan Dua tahap Katalis asam Katalis alkali Metanol Metanol 20 vv 10 vv HCl 1 NaOH 0.5 333 333 42 mnt 30 mnt Sudradjat et al. 2005b 5 Tidak dijelaskan Satu tahap Propan 2 ol 4:1 30 Candida antarctica lipase B diimmobilisasi pada macroporous acrylic 323 8 jam 150 rpm 92,8 Modi et al. 2006 6 Tidak dijelaskan Satu tahap metanol 9:1 CaO diaktivasi 1,5 343 2,5 jam Huaping et al. 2006 39 Tabel 20 Lanjutan.............................. 7 Tidak dijelaskan Satu tahap Etil asetat Nisbah Etil asetat: minyak 11:1 10 of Novozym 435 immobilisasi Candida antarctica lipase B 323 12 jam 150 rpm Modi et al. 2007 8 KA 4.62 Satu tahap: In situ reactive extraction Metil asetat Etil asetat Nisbah pelarutbiji 7.5:1 30 ww of Novozym435 lipase B from Candida antarctica, di immobilisasi pada macroporous acrylic 323 36 jam 180 rpm 86,1 87,2 Su et al. 2007 9 Tidak dijelaskan Satu tahap Metanol 3:1 NaOHKOH 1 wt 2 4 jam ada Sarin et al. 2007 10 2,71 ALB Satu tahap Biocatalyst Etanol 4:1 Pseudomonas cepacia lipase diimobilisai pada celite 323 8 jam 200 rpm 98 Shah and Gupta 2007 11 ALB 14 Dua tahap: Katalis asam Katalis Alkali Metanol Metanol 0,28 vv 0,16 vv H 2 SO 4 , 1.43 vv KOH 3,5+bilangan asam wv 333 333 88 min 24 min 99 Tiwari et al. 2007 12 ALB 14,9 14,9 Satu tahap Katalis alkali Dua tahap Katalis asam Katalis Alkali Metanol Metanol 70 ww 60 ww 24 ww NaOH, 3,3wt H 2 SO 4 , 1wt NaOH 1.4 ww 338 323 323 2 jam 1 jam 2 jam 400 rpm 55 90 Berchmans and Hirata 2007 13 ALB 8,7 Satu tahap Metanol 4 : 1 Immobilized P flourescence 6 wv dari minyak 313 48 jam 150 osicillation min shaking 72 Devanesan et al. 2007 14 air 1,5wt Satu tahap Metanol 3 : 1 Lipase 6 wt dari minyak 303 60 jam 150 rpm 80 Tamalampudi 2008 40 15 RBDO Satu tahap Metanol Etanol 9 : 1 9 : 1 NaOCH 3 0.8 NaOCH 3 0.8 318 318 30 mnt 45 mnt 300 rpm 300 rpm 96,29 96,29 Tapanes et al. 2008 16 ALB 5.29 Satu Tahap Metanol 12:1 Katalis 35KNO 3 Al 2 O 3 6 343 6 jam 600 rpm 84 Vyas et al. 2009 17 ALB 4,3 Satu Tahap Metanol Tidak dijelaskan KOH 296 2 jam 5000rpm 98 De Oliveira et al. 2009 18 ALB 7 Dua tahap Metanol Metanol 12wt 20:1 to ALB 6:1 H 2 SO 4 , 1 Metatitanic acid, 4 KOH, 1,3 343 373 337 2 jam 90 mnt 20 mnt 1500rpm 97 98 Lu et al. 2009 19 Tidak dijelaskan Dua Tahap Air dimetil karbonat 4:1 vv 217:1 Hidrolisis Non katalitik 543 27MPa 573 9MPa 25 mnt 15 mnt 97 Ilham and Saka 2010 20 Bubuk jarak Dua tahap n Hexane metanol etanol 10:1ww+ 5:1 ww 3:1 3:1 Novozym435, 10ww Novozym435, 10ww 6 jam 2jam 10jam 180rpm 180 rpm 180rpm 180rpm 45,9 59,4 Su et al. 2009 21 Bubuk jarak Satu tahap insitu dimetil karbonat dietil karbonat Novozym435, 10ww 323 10jam 180 rpm. 77,6 84,2 Su et al. 2009 22 Tidak dijelas kan Dua tahap Air:asam asetat 99 100 ml: 0,25 ml Metanol 10 ml minyak Hidrolisis Non katalitik 54311 Mpa 56311 1 MPa 1 jam 15 menit 92 99 Chen et al. 2010 23 20 g, bubuk daging biji Satu Tahap Metanol Metanol:biji 7.5mlg H 2 SO 4 15 wt dari biji dan n hexane 10 vol of solvent 333 24 jam 99,8 Shuit et al. 2010 41 41

2.5 Potensi Bungkil Jarak Pagar sebagai Sumber Protein untuk Pakan

Meskipun biji jarak pagar kaya dengan minyak dan protein, namun ia sangat beracun sehingga tidak cocok untuk konsumsi manusia atau hewan secara langsung King et al. 2009. LD 50 bagi konsumsi forbol ester untuk tikus jantan adalah 27,34 mg kg massa tubuh; dan LD 5 dan LD 95 adalah 18,87 dan 39,62 mg kg massa tubuh, masing masingnya Li et al. 2010. Pemanfaatan bungkil jarak pagar yang layak dan sukses tidak dapat dicapai tanpa penghilangan semua senyawa anti gizi Gaur 2009. Martınez Herrera et al. 2006 mempelajari kualitas gizi dan dampak berbagai perlakuan teknik pemrosesan hidrotermal, ekstraksi pelarut, ekstraksi pelarut ditambah NaHCO 3 dan perlakuan dengan radiasi ion untuk menonaktifkan faktor antigizi daging buah jarak pagar yang lemaknya telah dihilangkan pada varitas yang beracun dan tidak beracun dari berbagai daerah di Meksiko. Inhibitor tripsin dengan mudah dapat di nonaktifkan menggunakan uap panas dengan suhu 121 o C selama 25 menit. Fitat dapat diturunkan sedikit dengan irradiasi pada 10 kGy. Kandungan saponin dapat dikurangi melalui ekstraksi dengan etanol dan irradiasi. Ekstraksi dengan etanol, diikuti dengan NaHCO 3 0,07 menurunkan aktivitas lektin dan forbol ester sebesar 97,9 dalam biji. Sementara digestabilitas in vitro akan meningkat antara 78,6 dan 80,6. Ia meningkat sekitar 86 melalui perlakuan panas. Bungkil jarak pagar yang diperoleh dari perlakuan 4,0 NaOH pada suhu 121 o C selama 30 menit diikuti baik dengan mencuci dua kali dengan 92 metanol atau empat kali dengan air suling, memperlihatkan hasil detoksifikasi yang bagus. Kandungan forbol ester bungkil jarak setelah detoksifikasi dengan perlakuan ini menjadi tidak dapat dideteksi. Namun demikian, pada bungkil yang hanya dicuci dengan air, bungkil ini masih memiliki bau NaOH yang kuat dan hal ini memberikan dampak penerimaan yang negatif di dalam asupan makanan. Pencucian dengan metanol terlihat menjanjikan untuk detoksifikasi bungkil jarak asalkan metanol yang digunakan dapat didaur ulang sehingga biaya detoksifikasi menjadi ekonomis Aregheore et al. 2003. Hasil penelilitian Chivadi et al. 2004 menunjukkan bahwa detoksifikasi bungkil jarak dengan pelarut hexan dan etanol diikuti dengan perlakuan uap panas 121 o C selama 30 menit belum dapat menghilangkan lektin dan tripsin secara 42 keseluruhan dan masih meninggalkan residu forbol ester 1,90 mgg daging biji. Angka ini lebih tinggi daripada kandungan forbol ester pada jarak pagar yang tidak beracun 0,11 mgg daging biji. Rakshit et al. 2008 menyelidiki pengaruh panas dan detoksifikasi bungkil secara kimia dan mengevaluasi perlakuan bungkil tersebut pada pertumbuhan dan histologinya pada tikus. Hasil penelitiannya mengindikasikan bahwa perlakuan 2 NaOH atau 2 CaOH 2 diikuti dengan uap panas dari autoklaf pada suhu 131 o C selama 30 menit dan pencucian dengan air 1:5 wv dapat menurunkan kandungan forbol ester secara sangat berarti. Namun demikian pada uji diet terhadap tikus jantan menunjukkan masih terjadi penurunan berat badan dan kematian tikus dihari ke 9. Hal ini disebabkan kandungan forbol ester masih lebih besar daripada kandungan forbol ester pada varitas jarak pagar tidak beracun. Untuk menghilangkan forbol ester tersebut, maka pada penelitian ini pencucian bungkil jarak setelah perlakuan 2 NaOH adalah dengan menggunakan metanol dan air. Menurut Goel et al. 2007, perlakuan panas yang diikuti dengan ekstraksi kimia dapat menghilangkan forbol ester dan menurunkan antigizi dan zat racun secara berarti. Bungkil jarak yang diperlakukan dengan cara ini dapat menjadi tidak berbahaya bagi tikus Makkar and Becker 1997 dan ikan Goel et al. 2007. Kandungan forbol ester daging biji jarak dirangkum pada Tabel 21. Disamping adanya kandungan toksik dan faktor antigizi, bungkil jarak juga mengandung jumlah kulit biji yang banyak apabila kulit biji tidak dibuang sebelum dilakukan pengepresan minyak, maka ia tidak cocok digunakan pada diet binatang. Makkar et al. 2008 melakukan penelitian untuk mendapatkan konsentrat protein dari bungkil tersebut. Hasil konsentrat protein yang paling tinggi diperoleh apabila bungkil tersebut dilarutkan lebih dahulu dengan NaOH sehingga pH nya menjadi 11 selama 1 jam dan suhu 60 o C, setelah itu protein diendapkan dengan menurunkan pH nya menjadi 4 menggunakan HCl. Konsentrat protein yang dihasilkan dari perlakuan ini masih mengandung forbol ester 0,86 – 1,48 mgg, inhibitor tripsin diperkirakan sepuluh kali lipat di dalam konsentrat protein dibandingkan dengan yang ada dalam bungkil. 43 Tabel 21 Kandungan forbol ester daging biji jarak pagar J. curcas L. No Substansi yang dianalisis Kandungan Forbol ester mgg kernel Rujukan 1 Kernel varitas Cape Verde 2,70 Makkar and Becker 1997 2 Kernel varitas Nicaragua 2,17 Makkar and Becker 1997 3 Kernel varitas Mexico tidak beracun 0,11 Makkar and Becker 1997 4 Bungkil yang diperoleh setelah ekstraksi dengan heksan dan dipanaskan 1,78 Aregheore et al. 2003 5 Bungkil yang diperoleh setelah perlakuan dengan 4.0 NaOH bb dipanaskan pada 121 o C selama 30 menit diikuti dengan dua kali pencucian dengan methanol Tidak terdeteksi Aregheore et al. 2003 6 Bungkil yang diperoleh setelah perlakuan dengan 4.0 NaOH bb dipanaskan pada 121 o C s elama 30 menit diikuti dengan dua kali pencucian dengan air distilata Tidak terdeteksi a Aregheore et al. 2003 7 Kernel Varitas dari India 6,05 Gaur 2009 8 Bungkil yang diperoleh setelah diekstraksi dengan heksan 4,3 Gaur 2009 9 Bungkil yang diperoleh setelah diekstraksi dengan campuran heksan:methanol 9:1 2,1 Gaur 2009 10 Bungkil yang diperoleh setelah diekstraksi dengan heksan metanol I metanol II 0,15 Gaur 2009 11 Bungkil yang diperoleh setelah diekstraksi dengan heksan isopropil alkohol I isopropil alkohol II 1,5 Gaur 2009 12 Bungkil yang diperoleh setelah diekstraksi dengan heksan selama 1 hari metanol selama 3 hari 0,06 Gaur 2009 a walaupun forbol estertidak terdeteksi, namun karena kuatnya aroma -aOH, maka diet pada tikus menggunakan bungkil ini secara organoleptik tidak dapat diterima 44 Sementara itu lektin dan fitat juga ada pada level yang tinggi. Hasil ini mengindikasikan bahwa konsentrat protein mesti didetoksifikasi dengan menghilangkan forbol ester dan menonaktifkan inhibitor lektin dan tripsin melalui perlakuan panas Makkar et al. 2008.

2.6 Perancangan Proses dan Kajian Tekno ekonomi Pembuatan Biodiesel

Perancangan proses dimulai dengan adanya masalah yang mengekspresikan situasi saat ini dan adanya peluang untuk memenuhi kebutuhan manusia. Peluang itu diwujudkan dengan melakukan serangkaian percobaan laboratorium. Sebelum sampai kepada perancangan proses yang lebih detail maka data laboratorium perlu melewati tahap verifikasi lebih lanjut, yang dapat dilakukan melalui percobaan pada kondisi dan kapasitas yang kita inginkan untuk mendapatkan basis data yang lebih detail, pengujian skala pilot atau mempersiapkan model simulasi Seider et al. 1999. Pada penelitian ini, tahapan yang dipilih adalah melalui simulasi. Simulasi proses industri yang melibatkan banyak satuan operasi seperti layaknya sebuah pabrik, dilakukan sebelum kajian tekno ekonomi dan analisis dampak lingkungan. Simulasi proses banyak dilakukan dengan bantuan perangkat lunak HYSYS Zhang et al. 2003a. Walaupun terdapat perbedaan antara keputusan simulasi proses dengan pengendalian proses yang sebenarnya, perangkat lunak simulasi proses seperti HYSYS 3.2 dapat memberikan informasi pengendalian proses yang bisa dipercaya karena mempunyai paket termodinamik serta kaedah perhitungan yang komprehensif. Karena proses produksi biodiesel dilakukan secara batch, maka hasil perhitungan simulasi perancangan proses oleh HYSYS disesuaikan dengan kondisi operasi sistem batch menggunakan spreadsheet Microsoft Excel. Langkah pertama dalam mengembangkan simulasi proses batch ini adalah perancangan dasar basic design yaitu dengan membangun bagan alir proses, menghitung kesetimbangan massa, mengembangkan bagan waktu setiap proses, menghitung kesetimbangan energi dan membuat daftar peralatan yang digunakan. Langkah berikutnya adalah memperkirakan biaya produksi yang meliputi biaya peralatan, biaya pabrik secara keseluruhan, biaya peubah, dan biaya lainnya yang berguna untuk kajian tekno ekonomi Sakai et al. 2009. 45 Studi yang berkenaan dengan tekno ekonomi proses produksi biodiesel telah banyak dipublikasikan. Diantara peubah sistem produksi yang dikaji, harga bahan baku minyak merupakan faktor utama yang menjadi kendala dalam komersialisasi biodiesel. Disamping itu kapasitas pabrik, teknologi proses, dan harga gliserol merupakan peubah paling nyata yang mempengaruhi kelangsungan hidup ekonomi produksi biodiesel Nelson et al. 1994, Zhang et al. 2003b; Van Kasteren and Nisworo 2007; You et al. 2008; West et al. 2008; Marchetti and Errazu 2008; Sakai et al. 2009; Lim et al. 2009. Pada Tabel 22 dirangkum beberapa hasil penelitian berkenaan dengan kajian tekno ekonomi proses produksi biodiesel. 46 Tabel 22 Kajian tekno ekonomi berbagai proses produksi biodiesel No Kapasitas pabrik tontahun Teknologi Proses Katalis Minyak Biaya produksi ton Biaya Pabrik juta Hasil Kajian Referensi 1 8.000 Sinambung Homogen basa virgin vegetable oil Kapasitas pabrik dan harga bahan baku minyak dan biodiesel merupakan faktor yang paling berpengaruh yang mempengaruhi keberlanjutan secara ekonomi Zhang et al. 2003b 8.000 Sinambung Homogen basa Minyak goreng bekas 8.000 Sinambung Homogen asam Minyak goreng bekas 8.000 Sinambung Homogen asam dan menggunakan Heksana Minyak goreng bekas 2 8.000 Sinambung Tidak ada Minyak goreng bekas 442 2,0 Semakin besar kapasitas pabrik, maka biaya produksi biodiesel akan semakin rendah Van Kasteren and Nisworo 2007 125.000 Sinambung Tidak ada 152 10,40 3 8.000 Sinambung Homogen basa Kedele 625 1,35 Kapasitas yang paling layak secara ekonomi adalah 100.000 tontahun. Kapasitas pabrik, harga bahan baku minyak dan biodiesel, hasil gliserol dan biodiesel merupakan peubah yang paling signifikan You et al. 2008 30.000 Sinambung Homogen basa Kedele 582 4,04 100.000 Sinambung Homogen basa Kedele 547 11,67 4 8.000 Sinambung Homogen basa Minyak goreng bekas 520 1,59 Proses katalis Heterogen Asam merupakan proses yang paling sederhana, mempunyai biaya produksi paling rendah dan mempunyai nilai kembali modal yang paling tinggi West et al. 2008 8.000 Sinambung Homogen Asam Minyak goreng bekas 476 1,99 8.000 Sinambung Heterogen Asam Minyak bekas 388 0,63 8.000 Sinambung Tidak ada a Minyak bekas 459 2,15 47 5 36.036 Sinambung Homogen basa Minyak goreng bekas 429 7,42 Penggunaan katalis heterogen merupakan alternative teknologi masa depan untuk produksi biodiesel tidak hanya karena jumlah efluen yang lebih rendah dan bersahabat dengan lingkungan, tapi juga menghasilkan gliserol dengan tingkat kemurnian yang tinggi sehingga harganya lebih kompetitif. Marchetti and Errazu 2008 36.036 Sinambung Homogen asam Minyak goreng bekas 439 7,33 36.036 Sinambung Heterogen asam Minyak goreng bekas 425 5,15 36.036 Sinambung Tidak ada a Minyak goreng bekas 918 8,44 6 7.260 Curah KOH W b Homogen basa Minyak goreng bekas 598 6,48 Dalam rentang produksi 1.452 tonth – 14.520 tonth, proses Curah CaO W proses yang paling murah biaya produksinya Sakai et al. 2009 7.260 Curah KOH D c Homogen basa Minyak goreng bekas 641 7,99 7.260 Curah CaO W b Heterogen basa Minyak goreng bekas 584 6,76 7.260 Curah CaO D c Heterogen basa Minyak goreng bekas 622 8,30 7 8.000 Sinambung , 300 C, tekanan 350 bar, 30 menit Tidak ada a Rapeseed 2,16 Biaya modal total proses superkritis 1.5 1.6 kali lebih tinggi dari metode konvensional menggunakan katalis homogen alkali. Lim et al. 2009 8.000 Sinambung, 350 C, tekanan 430 bar, 4 menit Tidak ada a Rapeseed 2,01 8.000 Sinambung, 310 C, tekanan 350 bar, 25 menit Tidak ada a Rapeseed 2,10 Keterangan: a metode alkohol superkritis; b metode metode pemurnian biodiesel dengan pencucian; c metode pemurnian biodiesel dengan distilasi 48

2.7 Analisis Penilaian Daur Hidup LCA dan Aplikasinya dalam Pengembangan Proses

Setiap produk mempunyai “daur hidup life”, mulai dari perancanganpengembangan produk, diikuti oleh ekstraksi sumberdaya, proses produksi, penggunaankonsumsi, dan akhirnya aktivitas akhir hayatnya pengumpulan, penyortiran, pemanfaatan kembali, daur ulang, pembuangan limbah. Kesemua aktivitas atau proses ini akan menghasilkan dampak lingkungan dikarenakan konsumsi sumberdaya, emisi dari bahan bahan yang digunakan ke lingkungan alam, dan perubahan lingkungan lainnya. Pembangunan yang berkelanjutan yang baik memerlukan metode dan alat yang membantu menghitung dan membandingkan dampak lingkungan dari barang dan jasa itu ke masyarakat Rebitzer et al. 2004. Alat pengelolaan lingkungan yang memungkinkan menghitung beban lingkungan dan dampak potensialnya di dalam seluruh daur hidup produk, proses atau kegiatannya adalah Life Cycle Assessment LCA Azapagic 1999. LCA merupakan kerangka metodologis untuk memperkirakan dan menilai dampak lingkungan dikaitkan dengan daur hidup suatu produk, seperti perubahan iklim, penipisan lapisan ozon, penciptaan troposfir ozon, eutrofikasi, asidifikasi, keracunan pada manusia dan ekosistem, penipisan sumberdaya, penggunaan air, penggunaan lahan, kebisingan dan lain lainnya Rebitzer et al. 2004. Meskipun telah digunakan pada beberapa sektor industri selama sekitar 20 tahun, LCA telah mendapatkan perhatian yang lebih luas dan pengembangan metodologi hanya sejak awal tahun 1990 an ketika relevansinya sebagai sebuah bantuan manajemen lingkungan di perusahaan dan pengambilan keputusan publik menjadi lebih jelas Azapagic 1999. Analis LCA pada proses produksi biodiesel sudah dipublikasikan. Diantara variabel sistem LCA yang dikaji, teknologi proses, kapasitas pabrik, jenis bahan bahan baku minyak, besarnya masukan alkohol, energi dan lokasi pabrik merupakan variabel penting yang mempengaruhi hasil dari analisis LCA. Bernesson et al. 2004; Kiwjaroun et al. 2009; Ndong et al. 2009; Xunmin et al. 2009; Papong et al. 2009; Gnansounou et al. 2009 . 49

2.7.1 Metodologi Analisis LCA

Ada empat tahap dalam studi LCA: definisi tujuan dan ruang lingkup, analisis inventori daur hidup Life Cycle Inventory AnalysisLCI, Penilaian dampak daur hidup Life Cycle Impact AssessmentLCIA, dan penafsiran interpretation Finnveden 2009. Keempat tahap ini berinteraksi dengan semua fasa lain dalam prosedur LCA, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 13. Definisi Tujuan dan Ruang Lingkup. Komponen pertama dalam LCA ini melibatkan definisi yang jelas mengenai tujuan proyek yang terdiri dari pernyataan mengenai alasan alasan untuk melaksanakan studi, aplikasi yang dimaksud, dan audiens yang dituju ISO 2006a. Definisi ruang lingkup merupakan tempat di mana batas batas sistem studi dijelaskan dan unit fungsional didefinisikan. Unit fungsional adalah ukuran kuantitatif dari fungsi yang diberikan oleh barang atau jasa. + , - . + - + -, + , + , , + , Gambar 13 Hubungan antar fase dalam LCA dan aplikasinya Berdasarkan ISO 14040 Analisis Inventori Daur Hidup LCI. Bagian ini terdiri dari penghitungan berbagai masukanluaran seperti aliran energi, bahan atau kontaminan keseluruhan sistem Ndong et al. 2009. Masukan sistem terdiri dari aliran yang berkaitan dengan lingkungan dari bahan dan energi yang digunakan selama daur hidup unit fungsionalnya. Keluaran dari sistem merupakan limbah dan emisi yang 50 dihasilkan dari penggunaan dari sumberdaya ini. LCI merupakan tahapan yang paling rumit dan memakan banyak waktu. Koleksi data dalam LCI melibatkan interview, survey, dan bentuk lain komunikasi pribadi dan pencarian data proses yang ada dalam basis data LCI Point 2008. Penilaian Dampak Daur Hidup LCIA. LCIA bertujuan untuk memahami dan mengevaluasi besar dan pentingnya dampak lingkungan yang potensial dari sistem yang diteliti ISO 2006a. Penafsiran. Dalam Interpretasi, hasil dari tahapan sebelumnya dievaluasi dalam kaitannya dengan tujuan dan ruang lingkup untuk mencapai kesimpulan dan rekomendasi ISO, 2006a.

2.7.2 LCA untuk Perancangan Proses

Satu aplikasi LCA yang baru muncul adalah dalam perancangan proses dan produk. Hal ini telah menghasilkan pengembangan alat LCA baru yang disebut daur hidup perancangan produk dan proses, Life Cycle ProductProcess Design LCPD Gambar 14 Azapagic 1999. Gambar 14 Metodologi umum dari kerangka Life Cycle ProductProcess Design Azapagic 1999. 51 LCPD menawarkan potensi bagi inovasi teknologi dalam konsep dan struktur proses melalui seleksi alternatif bahan dan proses pada keseluruhan daur hidupnya. Pendekatan ini memberikan kerangka kerja potensial yang kuat untuk perancangan proses dimana secara simultan mengoptimalkan kriteria lingkungan, teknis, ekonomis dan kriteria lainnya. Pendekatan ini memberikan alat pengambilan keputusan yang kuat yang dapat membantu industri mengidentifikasi pilihan yang berkelanjutan untuk masa depan Azapagic 1999.

2.8 Pengembangan Proses Pembuatan Biodiesel Jarak Pagar

Penelitian produksi biodiesel dari jarak pagar telah dilakukan secara ekstensif sejak tahun 2000. Fokus penelitian terutama dilakukan untuk menemukan teknologi proses yang lebih efektif dan efisien untuk memproduksi bahan bakar biodiesel dari minyak jarak pagar. Tingginya harga dan terbatasnya bahan baku merupakan hambatan utama untuk komersialisasi yang berskala besar. Dengan demikian metode untuk mengurangi biaya produksi biodiesel jarak pagar harus dikembangkan Nazir 2009b. Gambar 15 menunjukkan batasan sistem proses produksi biodiesel dari jarak pagar yang dapat digunakan sebagai pendekatan dalam pengembangan proses produksi biodiesel jarak pagar. Gambar 15 Batasan sistem proses produksi biodiesel 52 Berdasarkan batasan sistem yang ada pada Gambar 15 kita dapat menghasilkan biodiesel dengan biaya produksi yang lebih rendah dan menghasilkan emisi dan limbah yang lebih sedikit yaitu dengan memperbaiki kualitas masukan biji jarak pagar, mengurangi jumlah dan biaya masukan, mengefiesienkan proses, meningkatkan luaran biodiesel dan meningkatkan nilai tambah produk samping serta mengurangi emisilimbah. 3 PE GEMBA GA PROSES PEMBUATA BIODIESEL JARAK PAGAR MELALUI TRA SESTERIFIKASI I SITU, KATALIS HETEROGE KALSIUM OKSIDA, DETOKSIFIKASI DA UJI TOKSISITAS BU GKIL JARAK HASIL DETOKSIFIKASI

3.1 Pendahuluan

Menurut Leung 2010, jumlah ALB maksimum yang dapat diterima dalam sistem yang menggunakan katalis basa adalah dibawah 2,5 . Berdasarkan batasan ini, maka ada dua jenis minyak nabati sebagai bahan baku biodiesel yaitu minyak dengan ALB rendah 2,5 dan minyak yang memiliki kandungan ALB yang tinggi 2,5. Minyak dengan kandungan ALB yang rendah dapat diproses menjadi biodiesel secara langsung melalui reaksi transesterifikasi satu tahap menggunakan katalis basa. Sementara itu minyak dengan ALB yang tinggi perlu perlakuan pendahuluan atau reaksi esterifikasi. Pada minyak jarak pagar yang memiliki kandungan ALB tinggi, ada dua proses yang dikembangkan. Proses pertama adalah esterifikasi menggunakan katalis heterogen bentonit yang diaktivasi dengan 5,3M HCl Bentonit-HCl Nazir 2009a dan transesterifikasi menggunakan katalis heterogen CaO. Proses kedua adalah esterifikasi menggunakan katalis homogen H 2 SO 4 Tiwari 2007 dan transesterifikasi menggunakan katalis heterogen CaO. Sementara itu, proses esterifikasi menggunakan katalis homogen H 2 SO 4 dan transesterifikasi menggunakan katalis homogen NaOH Tiwari 2007 digunakan sebagai proses pembanding. Oleh karena metode pencucian dengan air tidak cocok untuk memurnikan biodiesel yang disintesis menggunakan katalis CaO karena hanya mampu menghilangkan separuh ion kalsium pada pemurnian biodiesel Huaping 2006, maka pemurnian biodiesel dengan adsorben yang lebih baik menggunakan bentonit yang diaktifkan dengan asam juga diteliti. Untuk minyak jarak pagar yang mengandung ALB rendah dikembangkan dua proses. Proses pertama adalah transesterifikasi minyak jarak menggunakan katalis heterogen CaO. Metode transesterifikasi menggunakan katalis heterogen terbukti lebih unggul dibandingkan dengan metode transesterifikasi homogen