Pengaruh Suhu Reaksi Dan Jumlah Katalis Pada Pembuatan Biodiesel Dari Limbah Lemak Sapi Dengan Menggunakan Katalis Heterogen CaO Dari Limbah Kulit Telur Ayam
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Kebutuhan energi untuk bahan bakar seperti transportasi dan industri hampir
seluruhnya berasal dari bahan bakar fosil [1]. Bahan Bakar Minyak (BBM) yang
dipakai pada saat ini berasal dari fosil yang merupakan sumber daya alam tak
terbarukan, sehingga pada suatu saat akan habis [2]. Selain itu pengurangan
subsidi BBM yang dilakukan oleh pemerintah untuk menekan defisit Anggaran
Pendapatan dan Belanja Negara (APBN) dan menyesuaikan harga BBM dengan
harga pasar internasional, secara langsung berakibat harga BBM akan semakin
mahal. Oleh karena itu, untuk mengatasi persoalan tersebut dan mengurangi
ketergantungan pada BBM perlu diadakan diversifikasi energi dengan cara
mencari energi alternatif yang terbarukan (renewable). Salah satu energi alternatif
yang berasal dari minyak tumbuhan atau lemak hewan adalah biodiesel [3].
Biodiesel merupakan asam lemak metil ester yang terkandung dalam minyak
nabati atau lemak hewani untuk digunakan sebagai alternatif yang paling tepat
untuk menggantikan bahan bakar mesin diesel [4]. Biodiesel dihasilkan
menggunakan reaksi transesterifikasi. Transesterifikasi adalah tahap konversi dari
trigliserida menjadi metil ester, melalui reaksi dengan alkohol dan katalis,
menghasilkan produk samping yaitu gliserol [5].
Lemak sapi merupakan salah satu bahan sisa dari rumah pemotongan hewan
yang tujuan utamanya adalah industri sabun, tapi ketika pasar kelebihan bahan,
lemak biasanya dibakar atau dibuang. Dalam kedua kasus ada dampak polutan
yang ditimbulkan. Dengan demikian lemak sapi dapat dijadikan alternatif baru
sebagai bahan baku pembuatan biodiesel untuk meminimalkan dampak
lingkungan [6]. Kadar asam lemak bebas lemak sapi adalah 4% sehingga harus
dilakukan proses esterifikasi untuk menurunkan kadar asam lemak bebas dimana
angka asam lemak bebas harus < 0,5% [7-9].
Beberapa penelitian yang telah dilakukan tentang pembuatan biodiesel dari
lemak sapi dan penggunaan katalis heterogen CaO dapat dilihat pada tabel 1.1.
1
Universitas Sumatera Utara
Jazie, et al (2013) melakukan penelitian pembuatan biodiesel dengan
menggunakan bahan baku minyak lobak dan katalis heterogen kulit telur ayam
yang dikalsinasi pada suhu tinggi. Variabel tetap yang digunakan yaitu waktu
kalsinasi kulit telur ayam selama 2 jam, perbandingan rasio mol metanol dengan
minyak 9:1, jumlah katalis 3%-b, suhu reaksi transesterifikasi 60oC, waktu reaksi
transesterifikasi 3 jam dan kecepatan pengadukan 600 rpm. Variabel berubah yang
digunakan yaitu suhu kalsinasi kulit telur ayam (800oC, 900oC, 1000oC). Yield
biodiesel tertinggi yaitu 96% dengan suhu kalsinasi kulit telur ayam 900oC [10].
Penggunaan katalis homogen memiliki kelemahan yaitu pemisahan katalis
dari produknya cukup rumit [11]. Penggunaan katalis heterogen dalam produksi
biodiesel dapat mengatasi kelemahan yang dimiliki oleh katalis homogen.
Pemisahan katalis heterogen dari produknya cukup sederhana yaitu dengan
menggunakan penyaringan [12]. Salah satu sumber katalis heterogen yang dapat
digunakan dalam reaksi metanolisis adalah kalsium karbonat (CaCO3) yang
diperoleh dari limbah kulit telur ayam yang dikalsinasi pada suhu tinggi [13].
CaCO3 dari limbah kulit telur ayam yang telah dikalsinasi akan terdekomposisi
menjadi kalsium oksida (CaO) dan karbondioksida (CO2) [14]. CaO merupakan
oksida basa kuat yang memiliki aktivitas katalitik yang cukup tinggi dibandingkan
Ca(OH)2 dan CaCO3 sehingga dapat digunakan sebagai katalis [15].
Berdasarkan uraian di atas, maka lemak sapi dan katalis heterogen CaO dari
limbah kulit telur ayam sesuai digunakan sebagai bahan baku dan katalis dalam
pembuatan biodiesel untuk meminimalkan dampak lingkungan.
2
Universitas Sumatera Utara
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Pembuatan Biodiesel dari Lemak Sapi dan Penggunaan Katalis Heterogen CaO
No
1
2
3
4
Nama
Da Cunha, et al
[6]
Laksono, Tejo
[16]
Rengga dan
Ernawati [17]
Jazie, et al [10]
Tahun
2009
2013
Judul Penelitian
Beef Tallow Biodiesel Produced in
A Pilot Scale
Pengaruh Jenis Katalis NaOH dan
KOH serta Rasio Lemak dengan
Metanol terhadap Kualitas
Biodiesel Berbahan Baku Lemak
Sapi
2012
Biodiesel dari Campuran Lemak
Sapi (Beef Tallow) dan Minyak
Sawit
2013
Egg Shell As Eco-Friendly Catalyst
for Transesterification of Rapeseed
Oil : Optimization for Biodiesel
Production
Katalis
KOH
NaOH dan
KOH
NaOH
Kulit telur
ayam yang
dikalsinasi
% Yield
Maksimum
Biodiesel
Variabel
Metanol / lemak = 6:1, jumlah katalis
1,5%, suhu reaksi 65oC, waktu reaksi 3
jam, kecepatan pengadukan 400 rpm
Variabel tetap : jumlah katalis 1,5%,
suhu reaksi 70oC, waktu reaksi 2 jam,
kecepatan pengadukan 2000 rpm
Variabel berubah : jenis katalis (NaOH
dan KOH), metanol / lemak = 3:1, 5:1,
7:1
Variabel tetap : lemak sapi / minyak
sawit = 3:1, metanol / minyak = 6:1,
jumlah katalis 1%, suhu reaksi 65oC,
waktu reaksi 1,5 jam
Variabel berubah : sampel (campuran
lemak sapi dengan minyak sawit dan
minyak sawit saja)
Variabel tetap : waktu kalsinasi 2 jam,
metanol / minyak = 9:1, jumlah katalis
3%, suhu reaksi 60oC, waktu reaksi 3
jam. Variabel berubah : suhu kalsinasi
(800oC, 900oC, 1000oC)
96,4%
57,367%
(katalis NaOH
dan metanol /
lemak = 7:1)
75,93%
(sampel
campuran
lemak sapi
dengan minyak
sawit)
96%
(suhu kalsinasi
900oC)
3
Universitas Sumatera Utara
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Pembuatan Biodiesel dari Lemak Sapi dan Penggunaan Katalis Heterogen CaO (Lanjutan)
5
6
7
ViriyaEmpikul, et al
[18]
Padil, et al [14]
Santoso, et al
[19]
2009
2010
2012
Waste Shells of Mollusk and Egg
As Biodiesel Production Catalyst
Pembuatan Biodiesel dari Minyak
Kelapa melalui Reaksi Metanolisis
Menggunakan Katalis CaCO3 yang
Dipijarkan
Pembuatan Biodiesel dari Minyak
Biji Kapuk Randu (Ceiba
Pentandra) melalui Proses
Transesterifikasi dengan
Menggunakan CaO Sebagai Katalis
Kulit telur
ayam, kulit
keong mas,
kulit
meretrix
venus yang
dikalsinasi
CaCO3
yang
dipijarkan
CaO
Variabel tetap : suhu kalsinasi 800oC,
metanol / minyak = 18:1, jumlah
katalis 10%, suhu reaksi 60oC
Variabel berubah : jenis katalis (kulit
telur ayam, kulit keong mas, kulit
meretrix venus), waktu kalsinasi (0,5
jam, 2 jam, 4 jam, 8 jam), waktu reaksi
(30 menit, 60 menit, 90 menit, 120
menit)
Variabel tetap : waktu kalsinasi 1,5 jam
pada suhu 900oC, suhu reaksi 60oC,
waktu reaksi 1,5 jam
Variabel berubah : jumlah katalis (1%,
1,5%, 2%, 2,5%, 3%), metanol /
minyak (4:1, 6:1, 8:1, 10:1, 12:1)
Variabel tetap : jumlah katalis 7%
Variabel berubah : metanol / minyak
(10:1, 15:1, 20:1), suhu reaksi (40oC,
50oC, 60oC), waktu reaksi (1 jam, 2
jam, 3 jam)
> 90% (katalis
kulit telur
ayam, waktu
kalsinasi 4
jam, waktu
reaksi 90
menit)
75,02%
(jumlah katalis
2% dan
metanol /
minyak = 8:1)
88,576%
(metanol /
minyak = 15:1,
suhu reaksi
60oC dan
waktu reaksi 1
jam)
4
Universitas Sumatera Utara
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Limbah lemak sapi mengandung kadar asam lemak bebas yang tinggi
sehingga harus dilakukan proses esterifikasi untuk menurunkan kadar asam lemak
bebas. Penggunaan katalis homogen dalam produksi biodiesel memiliki
kelemahan yaitu pemisahan katalis dari produknya cukup rumit. Penggunaan
katalis heterogen CaO yang berasal dari limbah kulit telur ayam diharapkan dapat
mengatasi kelemahan yang dimiliki oleh katalis homogen. Oleh karena itu,
penelitian ini diarahkan kepada penyelidikan keefektifan katalis heterogen CaO
yang berasal dari limbah kulit telur ayam sebagai katalis dalam pembuatan
biodiesel.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Penelitian ini bertujuan untuk :
1. Mempelajari pembuatan biodiesel dari limbah lemak sapi dengan proses
esterifikasi dan transesterifikasi katalis heterogen CaO yang berasal dari
limbah kulit telur ayam.
2. Mempelajari
kondisi
terbaik
dari
proses
transesterifikasi
untuk
mendapatkan yield metil ester tertinggi.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Penelitian ini diharapkan dapat :
1. Memberikan informasi bahwa limbah lemak sapi dan limbah kulit telur
ayam dapat dijadikan bahan baku dan katalis padat dalam pembuatan
biodiesel sehingga dapat mengurangi masalah limbah di lingkungan
masyarakat.
2. Memberikan informasi mengenai pengaruh penggunaan katalis heterogen
CaO yang berasal dari limbah kulit telur ayam pada pembuatan biodiesel.
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Operasi Teknik Kimia, Laboratorium
Kimia Fisika, dan Laboratorium Penelitian, Departemen Teknik Kimia, Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun bahan utama yang digunakan pada
5
Universitas Sumatera Utara
penelitian ini yaitu limbah lemak sapi sebagai bahan baku dan CaCO3 dari limbah
kulit telur ayam yang dikalsinasi sebagai katalis.
Variabel yang digunakan adalah :
Kalsinasi CaCO3 dari limbah kulit telur ayam [10] :
1. Suhu
= 900oC
2. Waktu
= 2 jam
Esterifikasi [20] :
1. Perbandingan rasio mol alkohol/FFA = 6:1
2. Suhu reaksi
= 60oC
3. Jumlah katalis H2SO4 98%
= 0,5%
4. Waktu reaksi
= 240 menit
5. Kecepatan pengadukan
= 250 rpm
Transesterifikasi :
a. Variabel tetap :
1. Perbandingan rasio mol alkohol/lemak
= 9:1
[10]
2. Waktu reaksi
= 90 menit
[14]
3. Kecepatan pengadukan
= 600 rpm
[10]
b. Variabel berubah [10] :
1. Suhu reaksi
= 50, 55, 60oC
2. Jumlah katalis CaO
= 2, 3, 4%
Parameter yang dianalisis pada biodiesel adalah :
1. Analisis kemurnian.
2. Analisis densitas.
3. Analisis viskositas.
4. Analisis titik nyala.
6
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Kebutuhan energi untuk bahan bakar seperti transportasi dan industri hampir
seluruhnya berasal dari bahan bakar fosil [1]. Bahan Bakar Minyak (BBM) yang
dipakai pada saat ini berasal dari fosil yang merupakan sumber daya alam tak
terbarukan, sehingga pada suatu saat akan habis [2]. Selain itu pengurangan
subsidi BBM yang dilakukan oleh pemerintah untuk menekan defisit Anggaran
Pendapatan dan Belanja Negara (APBN) dan menyesuaikan harga BBM dengan
harga pasar internasional, secara langsung berakibat harga BBM akan semakin
mahal. Oleh karena itu, untuk mengatasi persoalan tersebut dan mengurangi
ketergantungan pada BBM perlu diadakan diversifikasi energi dengan cara
mencari energi alternatif yang terbarukan (renewable). Salah satu energi alternatif
yang berasal dari minyak tumbuhan atau lemak hewan adalah biodiesel [3].
Biodiesel merupakan asam lemak metil ester yang terkandung dalam minyak
nabati atau lemak hewani untuk digunakan sebagai alternatif yang paling tepat
untuk menggantikan bahan bakar mesin diesel [4]. Biodiesel dihasilkan
menggunakan reaksi transesterifikasi. Transesterifikasi adalah tahap konversi dari
trigliserida menjadi metil ester, melalui reaksi dengan alkohol dan katalis,
menghasilkan produk samping yaitu gliserol [5].
Lemak sapi merupakan salah satu bahan sisa dari rumah pemotongan hewan
yang tujuan utamanya adalah industri sabun, tapi ketika pasar kelebihan bahan,
lemak biasanya dibakar atau dibuang. Dalam kedua kasus ada dampak polutan
yang ditimbulkan. Dengan demikian lemak sapi dapat dijadikan alternatif baru
sebagai bahan baku pembuatan biodiesel untuk meminimalkan dampak
lingkungan [6]. Kadar asam lemak bebas lemak sapi adalah 4% sehingga harus
dilakukan proses esterifikasi untuk menurunkan kadar asam lemak bebas dimana
angka asam lemak bebas harus < 0,5% [7-9].
Beberapa penelitian yang telah dilakukan tentang pembuatan biodiesel dari
lemak sapi dan penggunaan katalis heterogen CaO dapat dilihat pada tabel 1.1.
1
Universitas Sumatera Utara
Jazie, et al (2013) melakukan penelitian pembuatan biodiesel dengan
menggunakan bahan baku minyak lobak dan katalis heterogen kulit telur ayam
yang dikalsinasi pada suhu tinggi. Variabel tetap yang digunakan yaitu waktu
kalsinasi kulit telur ayam selama 2 jam, perbandingan rasio mol metanol dengan
minyak 9:1, jumlah katalis 3%-b, suhu reaksi transesterifikasi 60oC, waktu reaksi
transesterifikasi 3 jam dan kecepatan pengadukan 600 rpm. Variabel berubah yang
digunakan yaitu suhu kalsinasi kulit telur ayam (800oC, 900oC, 1000oC). Yield
biodiesel tertinggi yaitu 96% dengan suhu kalsinasi kulit telur ayam 900oC [10].
Penggunaan katalis homogen memiliki kelemahan yaitu pemisahan katalis
dari produknya cukup rumit [11]. Penggunaan katalis heterogen dalam produksi
biodiesel dapat mengatasi kelemahan yang dimiliki oleh katalis homogen.
Pemisahan katalis heterogen dari produknya cukup sederhana yaitu dengan
menggunakan penyaringan [12]. Salah satu sumber katalis heterogen yang dapat
digunakan dalam reaksi metanolisis adalah kalsium karbonat (CaCO3) yang
diperoleh dari limbah kulit telur ayam yang dikalsinasi pada suhu tinggi [13].
CaCO3 dari limbah kulit telur ayam yang telah dikalsinasi akan terdekomposisi
menjadi kalsium oksida (CaO) dan karbondioksida (CO2) [14]. CaO merupakan
oksida basa kuat yang memiliki aktivitas katalitik yang cukup tinggi dibandingkan
Ca(OH)2 dan CaCO3 sehingga dapat digunakan sebagai katalis [15].
Berdasarkan uraian di atas, maka lemak sapi dan katalis heterogen CaO dari
limbah kulit telur ayam sesuai digunakan sebagai bahan baku dan katalis dalam
pembuatan biodiesel untuk meminimalkan dampak lingkungan.
2
Universitas Sumatera Utara
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Pembuatan Biodiesel dari Lemak Sapi dan Penggunaan Katalis Heterogen CaO
No
1
2
3
4
Nama
Da Cunha, et al
[6]
Laksono, Tejo
[16]
Rengga dan
Ernawati [17]
Jazie, et al [10]
Tahun
2009
2013
Judul Penelitian
Beef Tallow Biodiesel Produced in
A Pilot Scale
Pengaruh Jenis Katalis NaOH dan
KOH serta Rasio Lemak dengan
Metanol terhadap Kualitas
Biodiesel Berbahan Baku Lemak
Sapi
2012
Biodiesel dari Campuran Lemak
Sapi (Beef Tallow) dan Minyak
Sawit
2013
Egg Shell As Eco-Friendly Catalyst
for Transesterification of Rapeseed
Oil : Optimization for Biodiesel
Production
Katalis
KOH
NaOH dan
KOH
NaOH
Kulit telur
ayam yang
dikalsinasi
% Yield
Maksimum
Biodiesel
Variabel
Metanol / lemak = 6:1, jumlah katalis
1,5%, suhu reaksi 65oC, waktu reaksi 3
jam, kecepatan pengadukan 400 rpm
Variabel tetap : jumlah katalis 1,5%,
suhu reaksi 70oC, waktu reaksi 2 jam,
kecepatan pengadukan 2000 rpm
Variabel berubah : jenis katalis (NaOH
dan KOH), metanol / lemak = 3:1, 5:1,
7:1
Variabel tetap : lemak sapi / minyak
sawit = 3:1, metanol / minyak = 6:1,
jumlah katalis 1%, suhu reaksi 65oC,
waktu reaksi 1,5 jam
Variabel berubah : sampel (campuran
lemak sapi dengan minyak sawit dan
minyak sawit saja)
Variabel tetap : waktu kalsinasi 2 jam,
metanol / minyak = 9:1, jumlah katalis
3%, suhu reaksi 60oC, waktu reaksi 3
jam. Variabel berubah : suhu kalsinasi
(800oC, 900oC, 1000oC)
96,4%
57,367%
(katalis NaOH
dan metanol /
lemak = 7:1)
75,93%
(sampel
campuran
lemak sapi
dengan minyak
sawit)
96%
(suhu kalsinasi
900oC)
3
Universitas Sumatera Utara
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Pembuatan Biodiesel dari Lemak Sapi dan Penggunaan Katalis Heterogen CaO (Lanjutan)
5
6
7
ViriyaEmpikul, et al
[18]
Padil, et al [14]
Santoso, et al
[19]
2009
2010
2012
Waste Shells of Mollusk and Egg
As Biodiesel Production Catalyst
Pembuatan Biodiesel dari Minyak
Kelapa melalui Reaksi Metanolisis
Menggunakan Katalis CaCO3 yang
Dipijarkan
Pembuatan Biodiesel dari Minyak
Biji Kapuk Randu (Ceiba
Pentandra) melalui Proses
Transesterifikasi dengan
Menggunakan CaO Sebagai Katalis
Kulit telur
ayam, kulit
keong mas,
kulit
meretrix
venus yang
dikalsinasi
CaCO3
yang
dipijarkan
CaO
Variabel tetap : suhu kalsinasi 800oC,
metanol / minyak = 18:1, jumlah
katalis 10%, suhu reaksi 60oC
Variabel berubah : jenis katalis (kulit
telur ayam, kulit keong mas, kulit
meretrix venus), waktu kalsinasi (0,5
jam, 2 jam, 4 jam, 8 jam), waktu reaksi
(30 menit, 60 menit, 90 menit, 120
menit)
Variabel tetap : waktu kalsinasi 1,5 jam
pada suhu 900oC, suhu reaksi 60oC,
waktu reaksi 1,5 jam
Variabel berubah : jumlah katalis (1%,
1,5%, 2%, 2,5%, 3%), metanol /
minyak (4:1, 6:1, 8:1, 10:1, 12:1)
Variabel tetap : jumlah katalis 7%
Variabel berubah : metanol / minyak
(10:1, 15:1, 20:1), suhu reaksi (40oC,
50oC, 60oC), waktu reaksi (1 jam, 2
jam, 3 jam)
> 90% (katalis
kulit telur
ayam, waktu
kalsinasi 4
jam, waktu
reaksi 90
menit)
75,02%
(jumlah katalis
2% dan
metanol /
minyak = 8:1)
88,576%
(metanol /
minyak = 15:1,
suhu reaksi
60oC dan
waktu reaksi 1
jam)
4
Universitas Sumatera Utara
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Limbah lemak sapi mengandung kadar asam lemak bebas yang tinggi
sehingga harus dilakukan proses esterifikasi untuk menurunkan kadar asam lemak
bebas. Penggunaan katalis homogen dalam produksi biodiesel memiliki
kelemahan yaitu pemisahan katalis dari produknya cukup rumit. Penggunaan
katalis heterogen CaO yang berasal dari limbah kulit telur ayam diharapkan dapat
mengatasi kelemahan yang dimiliki oleh katalis homogen. Oleh karena itu,
penelitian ini diarahkan kepada penyelidikan keefektifan katalis heterogen CaO
yang berasal dari limbah kulit telur ayam sebagai katalis dalam pembuatan
biodiesel.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Penelitian ini bertujuan untuk :
1. Mempelajari pembuatan biodiesel dari limbah lemak sapi dengan proses
esterifikasi dan transesterifikasi katalis heterogen CaO yang berasal dari
limbah kulit telur ayam.
2. Mempelajari
kondisi
terbaik
dari
proses
transesterifikasi
untuk
mendapatkan yield metil ester tertinggi.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Penelitian ini diharapkan dapat :
1. Memberikan informasi bahwa limbah lemak sapi dan limbah kulit telur
ayam dapat dijadikan bahan baku dan katalis padat dalam pembuatan
biodiesel sehingga dapat mengurangi masalah limbah di lingkungan
masyarakat.
2. Memberikan informasi mengenai pengaruh penggunaan katalis heterogen
CaO yang berasal dari limbah kulit telur ayam pada pembuatan biodiesel.
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Operasi Teknik Kimia, Laboratorium
Kimia Fisika, dan Laboratorium Penelitian, Departemen Teknik Kimia, Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun bahan utama yang digunakan pada
5
Universitas Sumatera Utara
penelitian ini yaitu limbah lemak sapi sebagai bahan baku dan CaCO3 dari limbah
kulit telur ayam yang dikalsinasi sebagai katalis.
Variabel yang digunakan adalah :
Kalsinasi CaCO3 dari limbah kulit telur ayam [10] :
1. Suhu
= 900oC
2. Waktu
= 2 jam
Esterifikasi [20] :
1. Perbandingan rasio mol alkohol/FFA = 6:1
2. Suhu reaksi
= 60oC
3. Jumlah katalis H2SO4 98%
= 0,5%
4. Waktu reaksi
= 240 menit
5. Kecepatan pengadukan
= 250 rpm
Transesterifikasi :
a. Variabel tetap :
1. Perbandingan rasio mol alkohol/lemak
= 9:1
[10]
2. Waktu reaksi
= 90 menit
[14]
3. Kecepatan pengadukan
= 600 rpm
[10]
b. Variabel berubah [10] :
1. Suhu reaksi
= 50, 55, 60oC
2. Jumlah katalis CaO
= 2, 3, 4%
Parameter yang dianalisis pada biodiesel adalah :
1. Analisis kemurnian.
2. Analisis densitas.
3. Analisis viskositas.
4. Analisis titik nyala.
6
Universitas Sumatera Utara