Proses Pembuatan Biodiesel dari Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) dan Dimethyl Carbonate dengan Reaktor Packed Bed Menggunakan Katalis Novozym® 435
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Jumlah penduduk Indonesia mencapai 249.865.631 pada tahun 2013 dan
merupakan negara dengan jumlah penduduk terbesar keempat setelah Republik
Rakyat Tiongkok, India, dan Amerika Serikat [1]. Indonesia mensubsidi bahan
bakar fosil yang sangat besar serta ketergantungan yang kuat pada minyak untuk
Produk Domestik Bruto (PDB). Subsidi bahan bakar di Indonesia menggunakan
bagian penting dari anggaran negara. Maka untuk mengurangi ketergantungan
minyak, diperlukan penggunaan campuran sumber energi terbarukan di samping
bahan bakar fosil [2].
Energi terbarukan telah disorot dalam sepuluh tahun terakhir karena
potensinya untuk menggantikan bahan bakar fosil terutama untuk transportasi.
Sumber energi terbarukan seperti energi surya, energi angin, energi air, dan energi
dari biomassa dan limbah telah berhasil dikembangkan dan digunakan oleh
negara-negara yang berbeda untuk membatasi penggunaan bahan bakar fosil [3].
Namun demikian, berdasarkan penelitian terbaru dari Badan Energi Internasional
(IEA), hanya energi yang dihasilkan dari sumber yang terbarukan dan limbah
memiliki potensi tertinggi di antara sumber daya terbarukan lainnya seperti
ditunjukkan pada Gambar 1.1 [4].
Biodiesel telah muncul sebagai salah satu energi terbarukan yang paling
potensial untuk menggantikan bahan bakar fosil untuk mesin diesel
dimana
diperkirakan cadangan minyak dunia didalam perut bumi akan habis dieksplorasi
pada tahun 2044 [3,5]. Biodiesel merupakan energi yang sangat menarik karena
manfaat lingkungan seperti biodegradable, tidak beracun dan efisensi pembakaran
yang tinggi [6-7].
1
Natural Gas
20,5%
Oil
34,4%
Nuclear
6,2%
Hydro
2,2%
Combustible
renewables &
wastes
10,1%
Coal
26,0%
Other
0,6%
Gambar 1.1 Pasokan Energi Total Dunia dengan Bahan Bakar pada Tahun
2006 (Tidak Termasuk Listrik dan Panas). Total : 11.741 Million Tonnes of
Oil Equivalent (mtoe)
Saat ini, kelemahan utama untuk komersialisasi biodiesel adalah biaya yang
lebih tinggi dari solar berbasis minyak bumi. Tingginya biaya biodiesel adalah
karena bahan baku yang sebagian besar berasal dari virgin oil yang mahal dan
berkualitas tinggi dengan kadar asam lemak bebas (Free Fatty Acid) yang rendah.
Biodiesel yang diproduksi secara konvensional adalah dari bahan baku yang
memiliki kadar Free Fatty Acid (FFA) kurang dari 20% berat [8]. Dengan bahan
baku yang memiliki kadar FFA tinggi maka biodiesel diproduksi dalam dua tahap.
Tahap pertama adalah untuk mengurangi kadar FFA minyak dengan esterifikasi.
Tahap kedua adalah transesterifikasi yang mengkonversi hasil esterifikasi menjadi
mono alkil ester dan gliserol [9]. Pembuatan biodiesel juga bergantung pada
senyawa kimia untuk mencapai konversi dan laju reaksi tertentu, pemurnian
produk yang kompleks dan pengolahan air limbah yang menghabiskan banyak
energi [10].
Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) adalah produk sampingan yang dihasilkan
dalam proses pemurnian di kilang minyak sawit, harga PFAD jauh lebih murah
2
dari pada minyak olahan ataupun virgin oil dimana sebagian besar adalah bahan
baku pembuatan biodiesel saat ini [11]. Namun kadar FFA PFAD sangat tinggi
sekitar 72,7 – 92,6 % [12].
Proses pembuatan biodiesel dengan menggunakan enzim akan dapat
mengurangi kebutuhan energi yang rendah karena kondisi reaksi yang lebih
rendah dibandingkan dengan kondisi dengan proses secara kimiawi [10]. Selain
itu, proses penggunaan enzim cenderung memiliki biaya pengolahan limbah yang
lebih rendah dan dapat digunakan pada kadar FFA yang tinggi [13-14].
Proses kontinu memiliki banyak keuntungan dibandingkan dengan proses
batch. Pada proses kontinu, biaya produksi dan waktu dapat disesuaikan serta
desain peralatan yang fleksibel dalam hal optimasi kualitas biodiesel [15]. Untuk
produksi skala industri, penggunaan enzim dengan reaktor packed bed membuat
biaya yang lebih efektif dari pada dengan reaktor batch. Enzim dikemas dalam
kolom dan campuran reaksi terus dipompa melalui kolom. Enzim dapat digunakan
kembali tanpa pemisahan sebelumnya. Selain itu, penggunaan reaktor packed bed
juga memberikan perlindungan bagi enzim dari tegangan geser mekanik [7].
Setelah digunakan selama 200 siklus, aktivitas enzim tidak menunjukkan
kehilangan kerja yang begitu jelas [16].
Berdasarkan uraian di atas, maka dalam pembuatan biodiesel dan untuk
meminimalkan dampak lingkungan digunakan PFAD sebagai bahan baku yang
murah yang didapat dari hasil samping dalam proses pemurnian di kilang minyak
sawit dan Novozym® 435 sebagai katalis yang dapat digunakan pada bahan baku
dengan kadar FFA yang tinggi.
Berikut ini beberapa penelitian terdahulu yang menggunakan reaktor packed
bed untuk menghasilkan biodiesel.
3
No.
1.
2.
3.
Tabel 1.1 Penelitian-penelitian Terdahulu tentang Pembuatan Biodiesel dengan Reaktor Packed Bed
Variabel
Judul
Hasil Penelitian
Tetap
Berubah
Synthesis of Biodiesel from
Waste Cooking Oil Immobilized
Lipase in Fixed Bed Reactor
[17]
Solvent Free Enzymatic
Transesterification of Crude
Jatropha Oil in Packed Bed
Reactor [18]
Enzymatic Synthesis of a Series
of Alkyl Esters Using
Novozyme 435 in a Packed-bed,
Miniaturized, Continuous Flow
Reactor [19]
T = 40 oC
Kandungan air = 10% berat
Kandungan Heksana = 10% berat
Laju alir = 1 ml/menit
Konsentrasi enzim = 5%,
10%, 10%, 15%, 20%, 25%,
30%, 35%
Kemurnian tertinggi
pada konsentrasi
enzim = 35% yaitu
mendekati 90%
Pengambilan sampel setiap
10 jam dari 0 - 100 jam
Menurun dari 91,08%
ke 76,64%
Tinggi bed = 10 cm
Kecepatan pengadukan = 600 rpm
Laju alir = 5 ml/menit
Metanol : Minyak = 3 : 1
T = 45 oC
t = 24 jam
Konsentrasi enzim = 5%,
7,5%, 10%, 20%
Yield tertinggi pada
konsentrasi enzim =
10% yaitu 54%
Berat enzim = 10 mg
Temperatur kamar
Konsentrasi reaksi = 0,05 M,
0,1 M, 0,15 M, 0,2 M, 0,25 M Konversi ester
Laju alir = 25 - 1 μL/menit
berkisar 97% selama
7,5 jam
Pengambilan sampel setiap
10 menit sampai 2 jam
Konsentrasi enzim = 25% berat
Kandungan air = 10% berat
Kandungan heksana = 15% berat
T = 45 oC
Laju alir = 1,2 ml/menit
4
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Pembuatan biodiesel menggunakan katalis Novozym® 435 telah dilakukan
oleh beberapa peneliti. Akan tetapi, pembuatan biodiesel dengan baku bahan baku
PFAD secara kontinu belum pernah dilakukan. Penelitian ini ditekankan kepada
penggunaan PFAD sebagai bahan baku dan Novozym® 435 sebagai katalis dalam
pembuatan biodiesel dalam reaktor packed bed secara kontinu.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Memanfaatkan limbah dari hasil samping pemurnian kelapa sawit yang berupa
Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) sebagai bahan baku pembuatan biodiesel.
2. Menambah nilai ekonomis dari PFAD.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Penelitian ini diharapkan dapat :
1. Memberikan informasi bahwa PFAD dan Novozym® 435 dapat dijadikan
sebagai bahan baku dan katalis dalam pembuatan biodiesel secara kontinu.
2. Memberikan informasi bahwa Novozym® 435 dapat digunakan hingga 100
jam tanpa kehilangan aktivitasnya.
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Oleokimia, Pusat Penelitian Kelapa
Sawit, Medan, Indonesia. Adapun bahan utama yang digunakan pada penelitian
ini yaitu Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) sebagai bahan baku, Dimethyl
Carbonate (DMC) sebagai reaktan dan Novozym® 435 sebagai katalis.
Variabel-variabel yang dilakukan dalam penelitian ini adalah :
1. Reaktor batch
Variabel tetap :
a. Jumlah enzim
= 10 %berat [20]
b. Kecepatan pengadukan
= 300 rpm [8]
c. Waktu
= 1 jam [13]
5
Variabel berubah :
a. Temperatur
= 40, 50, 60, 70, 80 oC [21]
b. Rasio mol PFAD terhadap DMC
= 1:6; 1:7; 1:8; 1:9; 1:10 [22]
2. Reaktor packed bed
Variabel tetap :
a. Rasio mol PFAD terhadap DMC
=1:9
b. Laju alir
= 1,2 ml/menit [17]
c. Suhu reaksi
= 60 oC
d. Tinggi bed
= 9 cm (3 gram)
Variabel berubah :
= 1 – 100 jam [17]
a. Waktu
Parameter yang dianalisis pada biodiesel adalah :
a. Titik nyala
b. Angka asam
c. Bilangan penyabunan
d. Kadar air
e. Bilangan peroksida
f. Densitas
g. Titik tuang
h. Titik keruh
i. Viskositas kinematik
j. Kemurnian biodiesel
6
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Jumlah penduduk Indonesia mencapai 249.865.631 pada tahun 2013 dan
merupakan negara dengan jumlah penduduk terbesar keempat setelah Republik
Rakyat Tiongkok, India, dan Amerika Serikat [1]. Indonesia mensubsidi bahan
bakar fosil yang sangat besar serta ketergantungan yang kuat pada minyak untuk
Produk Domestik Bruto (PDB). Subsidi bahan bakar di Indonesia menggunakan
bagian penting dari anggaran negara. Maka untuk mengurangi ketergantungan
minyak, diperlukan penggunaan campuran sumber energi terbarukan di samping
bahan bakar fosil [2].
Energi terbarukan telah disorot dalam sepuluh tahun terakhir karena
potensinya untuk menggantikan bahan bakar fosil terutama untuk transportasi.
Sumber energi terbarukan seperti energi surya, energi angin, energi air, dan energi
dari biomassa dan limbah telah berhasil dikembangkan dan digunakan oleh
negara-negara yang berbeda untuk membatasi penggunaan bahan bakar fosil [3].
Namun demikian, berdasarkan penelitian terbaru dari Badan Energi Internasional
(IEA), hanya energi yang dihasilkan dari sumber yang terbarukan dan limbah
memiliki potensi tertinggi di antara sumber daya terbarukan lainnya seperti
ditunjukkan pada Gambar 1.1 [4].
Biodiesel telah muncul sebagai salah satu energi terbarukan yang paling
potensial untuk menggantikan bahan bakar fosil untuk mesin diesel
dimana
diperkirakan cadangan minyak dunia didalam perut bumi akan habis dieksplorasi
pada tahun 2044 [3,5]. Biodiesel merupakan energi yang sangat menarik karena
manfaat lingkungan seperti biodegradable, tidak beracun dan efisensi pembakaran
yang tinggi [6-7].
1
Natural Gas
20,5%
Oil
34,4%
Nuclear
6,2%
Hydro
2,2%
Combustible
renewables &
wastes
10,1%
Coal
26,0%
Other
0,6%
Gambar 1.1 Pasokan Energi Total Dunia dengan Bahan Bakar pada Tahun
2006 (Tidak Termasuk Listrik dan Panas). Total : 11.741 Million Tonnes of
Oil Equivalent (mtoe)
Saat ini, kelemahan utama untuk komersialisasi biodiesel adalah biaya yang
lebih tinggi dari solar berbasis minyak bumi. Tingginya biaya biodiesel adalah
karena bahan baku yang sebagian besar berasal dari virgin oil yang mahal dan
berkualitas tinggi dengan kadar asam lemak bebas (Free Fatty Acid) yang rendah.
Biodiesel yang diproduksi secara konvensional adalah dari bahan baku yang
memiliki kadar Free Fatty Acid (FFA) kurang dari 20% berat [8]. Dengan bahan
baku yang memiliki kadar FFA tinggi maka biodiesel diproduksi dalam dua tahap.
Tahap pertama adalah untuk mengurangi kadar FFA minyak dengan esterifikasi.
Tahap kedua adalah transesterifikasi yang mengkonversi hasil esterifikasi menjadi
mono alkil ester dan gliserol [9]. Pembuatan biodiesel juga bergantung pada
senyawa kimia untuk mencapai konversi dan laju reaksi tertentu, pemurnian
produk yang kompleks dan pengolahan air limbah yang menghabiskan banyak
energi [10].
Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) adalah produk sampingan yang dihasilkan
dalam proses pemurnian di kilang minyak sawit, harga PFAD jauh lebih murah
2
dari pada minyak olahan ataupun virgin oil dimana sebagian besar adalah bahan
baku pembuatan biodiesel saat ini [11]. Namun kadar FFA PFAD sangat tinggi
sekitar 72,7 – 92,6 % [12].
Proses pembuatan biodiesel dengan menggunakan enzim akan dapat
mengurangi kebutuhan energi yang rendah karena kondisi reaksi yang lebih
rendah dibandingkan dengan kondisi dengan proses secara kimiawi [10]. Selain
itu, proses penggunaan enzim cenderung memiliki biaya pengolahan limbah yang
lebih rendah dan dapat digunakan pada kadar FFA yang tinggi [13-14].
Proses kontinu memiliki banyak keuntungan dibandingkan dengan proses
batch. Pada proses kontinu, biaya produksi dan waktu dapat disesuaikan serta
desain peralatan yang fleksibel dalam hal optimasi kualitas biodiesel [15]. Untuk
produksi skala industri, penggunaan enzim dengan reaktor packed bed membuat
biaya yang lebih efektif dari pada dengan reaktor batch. Enzim dikemas dalam
kolom dan campuran reaksi terus dipompa melalui kolom. Enzim dapat digunakan
kembali tanpa pemisahan sebelumnya. Selain itu, penggunaan reaktor packed bed
juga memberikan perlindungan bagi enzim dari tegangan geser mekanik [7].
Setelah digunakan selama 200 siklus, aktivitas enzim tidak menunjukkan
kehilangan kerja yang begitu jelas [16].
Berdasarkan uraian di atas, maka dalam pembuatan biodiesel dan untuk
meminimalkan dampak lingkungan digunakan PFAD sebagai bahan baku yang
murah yang didapat dari hasil samping dalam proses pemurnian di kilang minyak
sawit dan Novozym® 435 sebagai katalis yang dapat digunakan pada bahan baku
dengan kadar FFA yang tinggi.
Berikut ini beberapa penelitian terdahulu yang menggunakan reaktor packed
bed untuk menghasilkan biodiesel.
3
No.
1.
2.
3.
Tabel 1.1 Penelitian-penelitian Terdahulu tentang Pembuatan Biodiesel dengan Reaktor Packed Bed
Variabel
Judul
Hasil Penelitian
Tetap
Berubah
Synthesis of Biodiesel from
Waste Cooking Oil Immobilized
Lipase in Fixed Bed Reactor
[17]
Solvent Free Enzymatic
Transesterification of Crude
Jatropha Oil in Packed Bed
Reactor [18]
Enzymatic Synthesis of a Series
of Alkyl Esters Using
Novozyme 435 in a Packed-bed,
Miniaturized, Continuous Flow
Reactor [19]
T = 40 oC
Kandungan air = 10% berat
Kandungan Heksana = 10% berat
Laju alir = 1 ml/menit
Konsentrasi enzim = 5%,
10%, 10%, 15%, 20%, 25%,
30%, 35%
Kemurnian tertinggi
pada konsentrasi
enzim = 35% yaitu
mendekati 90%
Pengambilan sampel setiap
10 jam dari 0 - 100 jam
Menurun dari 91,08%
ke 76,64%
Tinggi bed = 10 cm
Kecepatan pengadukan = 600 rpm
Laju alir = 5 ml/menit
Metanol : Minyak = 3 : 1
T = 45 oC
t = 24 jam
Konsentrasi enzim = 5%,
7,5%, 10%, 20%
Yield tertinggi pada
konsentrasi enzim =
10% yaitu 54%
Berat enzim = 10 mg
Temperatur kamar
Konsentrasi reaksi = 0,05 M,
0,1 M, 0,15 M, 0,2 M, 0,25 M Konversi ester
Laju alir = 25 - 1 μL/menit
berkisar 97% selama
7,5 jam
Pengambilan sampel setiap
10 menit sampai 2 jam
Konsentrasi enzim = 25% berat
Kandungan air = 10% berat
Kandungan heksana = 15% berat
T = 45 oC
Laju alir = 1,2 ml/menit
4
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Pembuatan biodiesel menggunakan katalis Novozym® 435 telah dilakukan
oleh beberapa peneliti. Akan tetapi, pembuatan biodiesel dengan baku bahan baku
PFAD secara kontinu belum pernah dilakukan. Penelitian ini ditekankan kepada
penggunaan PFAD sebagai bahan baku dan Novozym® 435 sebagai katalis dalam
pembuatan biodiesel dalam reaktor packed bed secara kontinu.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Memanfaatkan limbah dari hasil samping pemurnian kelapa sawit yang berupa
Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) sebagai bahan baku pembuatan biodiesel.
2. Menambah nilai ekonomis dari PFAD.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Penelitian ini diharapkan dapat :
1. Memberikan informasi bahwa PFAD dan Novozym® 435 dapat dijadikan
sebagai bahan baku dan katalis dalam pembuatan biodiesel secara kontinu.
2. Memberikan informasi bahwa Novozym® 435 dapat digunakan hingga 100
jam tanpa kehilangan aktivitasnya.
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Oleokimia, Pusat Penelitian Kelapa
Sawit, Medan, Indonesia. Adapun bahan utama yang digunakan pada penelitian
ini yaitu Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) sebagai bahan baku, Dimethyl
Carbonate (DMC) sebagai reaktan dan Novozym® 435 sebagai katalis.
Variabel-variabel yang dilakukan dalam penelitian ini adalah :
1. Reaktor batch
Variabel tetap :
a. Jumlah enzim
= 10 %berat [20]
b. Kecepatan pengadukan
= 300 rpm [8]
c. Waktu
= 1 jam [13]
5
Variabel berubah :
a. Temperatur
= 40, 50, 60, 70, 80 oC [21]
b. Rasio mol PFAD terhadap DMC
= 1:6; 1:7; 1:8; 1:9; 1:10 [22]
2. Reaktor packed bed
Variabel tetap :
a. Rasio mol PFAD terhadap DMC
=1:9
b. Laju alir
= 1,2 ml/menit [17]
c. Suhu reaksi
= 60 oC
d. Tinggi bed
= 9 cm (3 gram)
Variabel berubah :
= 1 – 100 jam [17]
a. Waktu
Parameter yang dianalisis pada biodiesel adalah :
a. Titik nyala
b. Angka asam
c. Bilangan penyabunan
d. Kadar air
e. Bilangan peroksida
f. Densitas
g. Titik tuang
h. Titik keruh
i. Viskositas kinematik
j. Kemurnian biodiesel
6