Pengaruh Suhu Reaksi Dan Jumlah Katalis Pada Pembuatan Biodiesel Dari Limbah Lemak Sapi Dengan Menggunakan Katalis Heterogen CaO Dari Limbah Kulit Telur Ayam
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 BIODIESEL
Biodiesel merupakan sumber bahan bakar alternatif pengganti solar yang
terbuat dari minyak tumbuhan atau lemak hewan [21]. Biodiesel bersifat ramah
terhadap lingkungan karena biodegradable, nontoxic, dan rendah emisi. Sifatnya
bervariasi tergantung pada bahan baku minyak dan alkohol yang digunakan tetapi
selalu dapat digunakan sebagai pengganti langsung untuk bahan bakar diesel [22].
Biodiesel umumnya disintesis melalui transesterifikasi dengan menggunakan
katalis basa seperti natrium dan kalium hidroksida, atau natrium dan kalium
karbonat [23]. Bahan baku untuk proses transesterifikasi harus memiliki angka
asam lemak bebas < 0,5% [9]. Jika kadar asam lemak bebas tinggi akan
mengakibatkan reaksi transesterifikasi terganggu akibat terjadinya reaksi
penyabunan antara katalis dengan asam lemak bebas sehingga menurunkan yield
biodiesel [24]. Pada kasus demikian, minyak nabati atau lemak hewani yang
mengandung asam lemak bebas tinggi harus diesterifikasi terlebih dahulu. Asam
lemak bebas dan alkohol dapat dikonversi menjadi ester dan air dengan katalis
asam [25].
Keuntungan penggunaan biodiesel yaitu memiliki bilangan setana (cetane
number) yang tinggi dibandingkan bahan bakar dari petroleum, tidak mengandung
bahan aromatik, mengandung oksigen sekitar 10 sampai 11% berat, mengurangi
emisi CO (karbon monoksida), HC (hidrokarbon), dan beberapa bahan lainnya
pada gas hasil pembakaran [22].
Kerugian penggunaan biodiesel yaitu biaya bahan baku yang tinggi, kualitas
dari bahan dapat berubah seiring dengan lama penyimpanan karena reaksi
oksidatif dan hidrolitik, serta dalam beberapa kasus, emisi gas buang NOx lebih
tinggi [26].
7
Universitas Sumatera Utara
Persyaratan kualitas biodiesel menurut SNI dapat dilihat pada tabel 2.1.
Tabel 2.1 Persyaratan Kualitas Biodiesel Menurut SNI [27]
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Parameter
Densitas pada 40oC, kg/m3
Viskositas kinematik pada 40oC, cSt
Angka setana
Titik nyala, oC
Titik kabut, oC
Korosi lempeng tembaga (3 jam pada 50oC)
Residu karbon
- dalam percontoh asli, % massa
atau
- dalam 10% ampas distilasi, % massa
Air dan sedimen, % volume
Temperatur distilasi 90%, oC
Abu tersulfatkan, % massa
Belerang, mg/kg
Fosfor, mg/kg
Angka asam, mg-KOH/g
Gliserol bebas, % massa
Gliserol total, % massa
Kadar ester metil, % massa
Angka iodium, g-I2/100g
Kestabilan oksidasi
Periode induksi metode rancimat, menit
atau
Periode induksi metode petro oksi, menit
Standar
850 – 890
2,3 – 6,0
min 51
min 100
maks 18
nomor 1
maks 0,05
maks 0,30
maks 0,05
maks 360
maks 0,02
maks 100
maks 10
maks 0,60
maks 0,02
maks 0,24
min 96,50
maks 115
360
27
2.2 LEMAK SAPI
Lemak sapi merupakan salah satu bahan sisa dari rumah pemotongan hewan
yang tujuan utamanya adalah industri sabun, tapi ketika pasar ini 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% [7]. Populasi
hewan ternak per ekor tahun 2008-2012 di Indonesia dapat dilihat pada tabel 2.2.
8
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2 Populasi Hewan Ternak per Ekor Tahun 2008-2012 di Indonesia [28]
No
Jenis
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Sapi potong
Sapi perah
Kerbau
Kambing
Domba
Babi
Kuda
Kelinci
Ayam Buras
Ayam ras petelur
Ayam ras pedaging
Itik
2008
12.257
458
1.931
15.147
9.605
6.838
393
748
243.423
107.955
902.052
39.840
2009
12.750
475
1.933
15.815
10.199
6.975
399
887
249.963
111.418
1.026.379
40.676
Tahun
2010
13.582
488
2.000
16.620
10.725
7.477
419
834
257.544
105.210
986.872
44.302
2011
14.824
597
1.305
16.946
11.791
7.525
409
760
264.340
124.636
1.177.991
43.488
2012
16.034
622
1.378
17.862
12.768
7.831
422
794
285.227
130.539
1.266.903
46.990
Yang tergolong sebagai lemak sapi adalah lemak rongga badan dan lemak keras
yang menempel pada daging. Sebuah riset di Denpasar menunjukkan, seekor sapi
bali berbobot 300-350 kg menghasilkan 4%-5% lemak. Bila setiap hari dipotong
150 ekor sapi, maka akan dihasilkan 1-2 ton lemak sapi [29]. Komposisi asam
lemak dalam lemak sapi dapat dilihat pada tabel 2.3.
Tabel 2.3 Komposisi Asam Lemak dalam Lemak Sapi [6]
Asam Lemak
Miristat
Pentadekanoat
Palmitoleat
Palmitat
Heptadekanoat
Linoleat
Oleat
Elaidat
Stearat
Arasidat
% Komposisi
2,72
0,86
2,02
25,33
1,67
0,75
29,87
1,82
34,70
0,26
2.3 ALKOHOL
Metanol adalah alkohol yang umum digunakan untuk produksi Fatty Acid
ester untuk digunakan sebagai biodiesel [30]. Metanol juga dikenal sebagai metil
alkohol, wood alcohol atau spiritus, adalah senyawa kimia dengan rumus kimia
CH3OH. Metanol merupakan bentuk alkohol paling sederhana. Pada keadaan
atmosfer, metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna,
9
Universitas Sumatera Utara
mudah terbakar, dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan daripada
etanol). Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan
bakar dan sebagai bahan aditif bagi etanol industri [31].
Di Amerika Serikat, harga metanol adalah setengah harga etanol. Di beberapa
negara, terutama Brazil, bahan baku dan teknologi yang tersedia memungkinkan
produksi etanol lebih ekonomis melalui fermentasi, menghasilkan produk yang
lebih murah daripada metanol. Etanol juga digunakan dalam produksi biodiesel
untuk percobaan di negara Amerika Serikat dimana etanol dibuat dari fermentasi
pakan kaya pati [30].
Selain metanol dan etanol, alkohol lainnya seperti propanol dan butanol juga
dapat digunakan dalam reaksi transesterifikasi. Metanol lebih banyak dipilih
karena berharga lebih murah daripada alkohol lainnya dan merupakan senyawa
polar berantai karbon terpendek sehingga bereaksi lebih cepat dengan trigliserida
[32] dan juga merupakan turunan alkohol yang memiliki berat molekul paling
rendah sehingga kebutuhannya untuk proses alkoholisis relatif sedikit dan lebih
stabil [14].
Sifat-sifat fisika dan kimia metanol dapat dilihat pada tabel 2.4.
Tabel 2.4 Sifat-Sifat Fisika dan Kimia Metanol [33]
Berat molekul
Wujud
Titik didih
Titik leleh
Spesific gravity
Kelarutan dalam air
32,04 g/mol
cairan tidak berwarna
64,5oC (148,1F)
-97,8oC (-144F)
0,7915
Mudah larut
2.4 KATALIS HETEROGEN
Katalis yang sering digunakan dalam produksi biodiesel adalah katalis
homogen (KOH dan NaOH). Namun, penggunaan katalis tersebut memiliki
kelemahan yaitu pemisahan katalis dari produknya cukup rumit. Sisa katalis
homogen tersebut dapat mengganggu pengolahan lanjut biodiesel yang dihasilkan
[34]. Selain itu, katalis homogen tersebut dapat bereaksi dengan asam lemak
bebas membentuk sabun sehingga akan mempersulit pemurnian serta menurunkan
yield biodiesel [35].
10
Universitas Sumatera Utara
Penggunaan katalis heterogen dalam produksi biodiesel dapat mengatasi
beberapa kelemahan yang dimiliki oleh katalis homogen. Pemisahan katalis
heterogen dari produknya cukup sederhana yaitu dengan menggunakan
penyaringan [36]. Beberapa contoh katalis heterogen misalnya CaO, MgO, SrO,
Zeolit, Al2O3, ZnO, TiO2, dan ZrO telah digunakan dalam proses transesterifikasi.
Di antara katalis ini, logam alkali oksida (misalnya MgO, CaO, dan SrO)
memiliki aktivitas tinggi untuk digunakan dalam proses transesterifikasi. Dari
beberapa logam alkali oksida ini, CaO lebih mudah ditemukan di lingkungan.
Umumnya, Ca(NO3)2, CaCO3, atau Ca(OH)2 adalah bahan baku untuk
memproduksi katalis CaO. Ada beberapa sumber kalsium alam yang berasal dari
limbah untuk mensintesis katalis CaO seperti kulit telur, kulit moluska dan tulang.
Alasan dipilih CaO dari limbah kulit telur ayam ini karena jumlahnya yang
berlimpah di lingkungan dan tidak hanya menghilangkan biaya pengelolaan
limbah, tetapi juga katalis dengan efektivitas tinggi dapat secara bersamaan
dicapai untuk industri biodiesel [13].
Komposisi kimia dari kulit telur dapat dilihat pada tabel 2.5.
Tabel 2.5 Komposisi Kimia dari Kulit Telur [37]
Elemen
CaCO3
S
Mg
P
Al
K
Sr
Kulit Telur
Ayam
Kampung
96,48
2,31
0,404
0,501
0,0737
% Berat
Kulit
Kulit Telur
Telur
Bebek kampung
Ayam Ras
96,48
96,48
3,59
1,24
0,440
0,996
0,469
0,508
0,0839
0,0734
0,118
Kulit
Telur
Bebek Ras
95,99
1,92
0,927
0,481
0,309
0,00957
0,093
CaO yang dihasilkan dari CaCO3 harus diaktivasi terlebih dahulu dengan
kalsinasi pada suhu tinggi [18]. CaCO3 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].
11
Universitas Sumatera Utara
Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Jazie, et al., kondisi optimum
proses kalsinasi CaO dari limbah kulit telur ayam diperoleh pada suhu 900oC dan
waktu 2 jam [10].
2.5 ESTERIFIKASI
Bahan baku yang memiliki kadar asam lemak bebas tinggi harus dilakukan
perlakuan awal sebelum masuk ke tahap transesterifikasi [38]. Salah satu cara
yang dapat dilakukan untuk menghilangkan asam lemak bebas adalah
mereaksikan asam lemak bebas dengan alkohol dengan bantuan katalis asam
sulfat. Reaksi ini dikenal dengan esterifikasi [39]. Esterifikasi merupakan reaksi
antara asam karboksilat dengan alkohol menghasilkan metil ester dan air. Asam
karboksilat yang digunakan dapat berasal dari asam lemak bebas yang terkandung
dalam minyak nabati atau lemak hewani. Reaksinya adalah sebagai berikut [40] :
RCOOH + CH3OH ↔ RCOOCH3 + H2O
Asam Lemak Metanol
Metil Ester
Air
Reaksi esterifikasi merupakan reaksi bolak-balik yang relatif lambat. Untuk
mempercepat jalannya reaksi dan meningkatkan hasil, proses dilakukan dengan
pengadukan yang baik, penambahan katalis dan pemberian reaktan berlebih agar
reaksi bergeser ke kanan. Reaksi esterifikasi berlangsung dengan bantuan katalis
seperti H2SO4, HCl, HF dan H3PO4 [40].
Faktor-faktor yang mempengaruhi reaksi esterifikasi antara lain :
a. Katalisator.
Katalisator berfungsi untuk mengurangi tenaga aktivasi pada suatu reaksi
sehingga pada suhu tertentu harga konstanta kecepatan reaksi semakin besar.
Pada reaksi esterifikasi yang sudah dilakukan biasanya menggunakan
konsentrasi katalis antara 1-4% berat sampai 10% berat tiap gram FFA yang
terkandung dalam minyak [22, 31].
b. Suhu reaksi.
Semakin tinggi suhu yang dioperasikan maka semakin banyak konversi yang
dihasilkan, hal ini sesuai dengan persamaan Archenius. Bila suhu naik maka
harga k makin besar sehingga reaksi berjalan cepat dan hasil konversi makin
besar [31]. Pada dasarnya, reaksi dilakukan dekat dengan titik didih metanol
12
Universitas Sumatera Utara
(60-70oC) pada tekanan atmosfer. Semakin meningkatnya temperatur, akan
ada kemungkinan metanol yang hilang di dalam reaksi [41].
c. Waktu reaksi.
Semakin lama waktu reaksi maka kemungkinan kontak antar zat semakin
besar sehingga akan menghasilkan konversi yang besar. Jika kesetimbangan
reaksi sudah tercapai maka dengan bertambahnya waktu reaksi tidak akan
menguntungkan karena tidak memperbesar hasil [31]. Pada dasarnya, reaksi
dilakukan dengan waktu reaksi 1 jam [12].
d. Pengadukan.
Pengadukan akan menambah frekuensi tumbukan antara molekul zat pereaksi
dengan zat yang bereaksi sehingga mempercepat reaksi dan reaksi terjadi
sempurna [31].
2.6 TRANSESTERIFIKASI
Tahapan reaksi transesterifikasi merupakan salah satu tahapan yang penting
untuk
mempercepat
jalannya
produksi
metil
ester
dan
gliserol
[42].
Transesterifikasi merupakan suatu reaksi kesetimbangan. Untuk mendorong reaksi
agar bergerak ke kanan maka perlu digunakan alkohol dalam jumlah berlebih
sehingga dihasilkan metil ester (biodiesel) [43]. Metanol lebih umum digunakan
untuk proses transesterifikasi karena harganya lebih murah dan cepat bereaksi
dengan trigliserida [44].
Bahan baku untuk proses transesterifikasi harus memiliki angka asam lemak
bebas < 0,5% [9]. Jika angka asam lemak bebas melebihi jumlah ini,
pembentukan sabun akan menghambat pemisahan ester dari gliserol dan juga
mengurangi tingkat konversi ester [45].
13
Universitas Sumatera Utara
Reaksi transesterifikasi trigliserida menggunakan CaO dapat dilihat pada gambar
2.1.
Step 1 R-OH
R-O-
H+
Ca
O
Step 2
R1-C-O-R
O-R
CH2-O-C-R1
O
CH2-O-C-R1
R-O- H+
CH2-O
O
CH-O-C-R1
O
O
CH-O-C-R1
Ca
O
CH-O-C-R1
O
CH2-O-C-R1
O
CH2-O-C-R1
O
CH2-O-C-R1
O
O
Step 3
CH2-O
CH2-O-H
H+
CH-O-C-R1
O
CH-O-C-R1
Ca
O
O
CH2-O-C-R1
Ca
O
CH2-O-C-R1
O
O
Gambar 2.1 Reaksi Transesterifikasi Trigliserida Menggunakan CaO [4]
Faktor-faktor yang mempengaruhi reaksi transesterifikasi katalis heterogen
antara lain :
a. Molar rasio (minyak:alkohol).
Reaksi transesterifikasi katalis heterogen memerlukan rasio mol untuk
alkohol:minyak lebih tinggi seperti 12:1 dan 30:1 [12]. Semakin tinggi rasio
mol alkohol:minyak akan meningkatkan yield biodiesel karena reaksi bersifat
reversible [11].
b. Katalis yang digunakan.
Reaksi transesterifikasi katalis heterogen akan menghasilkan konversi yang
maksimum dengan jumlah katalis 2-20%-b [12]. Semakin tinggi jumlah
katalis akan meningkatkan yield biodiesel tetapi biodiesel yang dihasilkan
14
Universitas Sumatera Utara
bersifat lebih kental sehingga diperlukan daya yang tinggi untuk pengadukan
[15].
c. Suhu reaksi.
Pada dasarnya, reaksi transesterifikasi katalis heterogen dilakukan dekat
dengan titik didih metanol (60-70oC) pada tekanan atmosfer. Semakin
meningkatnya temperatur, akan ada kemungkinan metanol yang hilang di
dalam reaksi sehingga menurunkan yield biodiesel [12].
d. Waktu reaksi.
Pada dasarnya, reaksi transesterifikasi katalis heterogen dilakukan dengan
waktu reaksi 3-24 jam [12]. Semakin lama waktu reaksi akan mengurangi
yield biodiesel karena adanya reaksi balik yaitu metil ester yang terbentuk
kembali menjadi trigliserida [46].
e. Kandungan asam lemak dan air dalam minyak atau lemak.
Bahan baku untuk proses transesterifikasi harus memiliki angka asam lemak
bebas < 0,5% [9]. Jika angka asam lemak bebas melebihi jumlah ini,
pembentukan sabun akan menghambat pemisahan metil ester dari gliserol dan
juga mengurangi tingkat konversi metil ester [45].
2.7 ANALISIS EKONOMI
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. Kemudian populasi sapi potong dari tahun
ke tahun semakin meningkat, sehingga lemak sapi dapat dijadikan alternatif baru
dan memiliki potensi besar sebagai bahan baku pembuatan biodiesel untuk
meminimalkan dampak lingkungan. Karena memiliki potensi yang cukup besar,
lemak sapi diharapkan dapat menjadi sumber alternatif bahan baku untuk
pembuatan biodiesel guna mencukupi kebutuhan bahan bakar dalam negeri yang
semakin tinggi. Adapun peluang untuk mengembangkan potensi biodiesel sendiri
di Indonesia cukup besar terutama untuk substitusi minyak solar mengingat saat
ini penggunaan minyak solar mencapai sekitar 40% dari total penggunaan BBM
untuk sektor transportasi. Sementara penggunaan solar pada industri dan PLTD
adalah sebesar 74% dari total penggunaan BBM pada kedua sektor tersebut.
15
Universitas Sumatera Utara
Untuk itu, perlu dilakukan kajian potensi ekonomi biodiesel dari lemak sapi.
Namun, dalam tulisan ini hanya akan dikaji potensi ekonomi secara sederhana.
Sebelum melakukan kajian tersebut, perlu diketahui harga bahan baku yang
digunakan dalam produksi dan harga jual biodiesel.
Biaya bahan baku untuk 9 run :
•
•
•
•
•
Biaya pembelian limbah lemak sapi = Rp 5.000/kg / (750 ml/kg)
= Rp 6.700 L
Biaya listrik pembuatan CaO = 230 V x 30 A x 2 jam / 1000 x Rp 1.352
= Rp 18.658
Biaya pembelian metanol
[47]
= 667 ml (1 L Rp 15.000)
= Rp 10.005
Biaya listrik pada hot plate
[48]
= 500 W / 1000 x 3210 mnt / 60 x Rp 1.352
= Rp 36.166
[47]
Biaya pembelian asam sulfat = 5 ml (2,5 L Rp 396.000)
[48]
= Rp 792
Total biaya bahan baku
= Rp 72.321
Harga jual biodiesel untuk 9 run : Rp 7.895 / liter x 0,84 L = Rp 6.632
[49]
Dapat dilihat bahwa, harga jual bahan baku pembuatan biodiesel dari limbah
lemak sapi berada di bawah harga jual bahan baku dari CPO (Crude Palm Oil)
yaitu sekitar Rp 7.500/liter [50]. Tentu hal ini membawa nilai ekonomis dalam
pembuatan biodiesel dari lemak sapi. Dengan adanya kebijakan pemerintah yang
ditetapkan oleh peraturan menteri ESDM, penetapan harga jual biodiesel sendiri
bisa fleksibel mengikuti harga bahan baku serta biaya produksi saat ini yang
ditutupi dengan subsidi, sehingga produksi biodiesel menggunakan bahan baku
lemak sapi berpotensi untuk menjadi industri alternatif yang berkembang ke
depannya menjadikan Indonesia sebagai penghasil terbesar biodiesel dan pelaku
ekspor biodiesel di dunia.
16
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 BIODIESEL
Biodiesel merupakan sumber bahan bakar alternatif pengganti solar yang
terbuat dari minyak tumbuhan atau lemak hewan [21]. Biodiesel bersifat ramah
terhadap lingkungan karena biodegradable, nontoxic, dan rendah emisi. Sifatnya
bervariasi tergantung pada bahan baku minyak dan alkohol yang digunakan tetapi
selalu dapat digunakan sebagai pengganti langsung untuk bahan bakar diesel [22].
Biodiesel umumnya disintesis melalui transesterifikasi dengan menggunakan
katalis basa seperti natrium dan kalium hidroksida, atau natrium dan kalium
karbonat [23]. Bahan baku untuk proses transesterifikasi harus memiliki angka
asam lemak bebas < 0,5% [9]. Jika kadar asam lemak bebas tinggi akan
mengakibatkan reaksi transesterifikasi terganggu akibat terjadinya reaksi
penyabunan antara katalis dengan asam lemak bebas sehingga menurunkan yield
biodiesel [24]. Pada kasus demikian, minyak nabati atau lemak hewani yang
mengandung asam lemak bebas tinggi harus diesterifikasi terlebih dahulu. Asam
lemak bebas dan alkohol dapat dikonversi menjadi ester dan air dengan katalis
asam [25].
Keuntungan penggunaan biodiesel yaitu memiliki bilangan setana (cetane
number) yang tinggi dibandingkan bahan bakar dari petroleum, tidak mengandung
bahan aromatik, mengandung oksigen sekitar 10 sampai 11% berat, mengurangi
emisi CO (karbon monoksida), HC (hidrokarbon), dan beberapa bahan lainnya
pada gas hasil pembakaran [22].
Kerugian penggunaan biodiesel yaitu biaya bahan baku yang tinggi, kualitas
dari bahan dapat berubah seiring dengan lama penyimpanan karena reaksi
oksidatif dan hidrolitik, serta dalam beberapa kasus, emisi gas buang NOx lebih
tinggi [26].
7
Universitas Sumatera Utara
Persyaratan kualitas biodiesel menurut SNI dapat dilihat pada tabel 2.1.
Tabel 2.1 Persyaratan Kualitas Biodiesel Menurut SNI [27]
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Parameter
Densitas pada 40oC, kg/m3
Viskositas kinematik pada 40oC, cSt
Angka setana
Titik nyala, oC
Titik kabut, oC
Korosi lempeng tembaga (3 jam pada 50oC)
Residu karbon
- dalam percontoh asli, % massa
atau
- dalam 10% ampas distilasi, % massa
Air dan sedimen, % volume
Temperatur distilasi 90%, oC
Abu tersulfatkan, % massa
Belerang, mg/kg
Fosfor, mg/kg
Angka asam, mg-KOH/g
Gliserol bebas, % massa
Gliserol total, % massa
Kadar ester metil, % massa
Angka iodium, g-I2/100g
Kestabilan oksidasi
Periode induksi metode rancimat, menit
atau
Periode induksi metode petro oksi, menit
Standar
850 – 890
2,3 – 6,0
min 51
min 100
maks 18
nomor 1
maks 0,05
maks 0,30
maks 0,05
maks 360
maks 0,02
maks 100
maks 10
maks 0,60
maks 0,02
maks 0,24
min 96,50
maks 115
360
27
2.2 LEMAK SAPI
Lemak sapi merupakan salah satu bahan sisa dari rumah pemotongan hewan
yang tujuan utamanya adalah industri sabun, tapi ketika pasar ini 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% [7]. Populasi
hewan ternak per ekor tahun 2008-2012 di Indonesia dapat dilihat pada tabel 2.2.
8
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2 Populasi Hewan Ternak per Ekor Tahun 2008-2012 di Indonesia [28]
No
Jenis
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Sapi potong
Sapi perah
Kerbau
Kambing
Domba
Babi
Kuda
Kelinci
Ayam Buras
Ayam ras petelur
Ayam ras pedaging
Itik
2008
12.257
458
1.931
15.147
9.605
6.838
393
748
243.423
107.955
902.052
39.840
2009
12.750
475
1.933
15.815
10.199
6.975
399
887
249.963
111.418
1.026.379
40.676
Tahun
2010
13.582
488
2.000
16.620
10.725
7.477
419
834
257.544
105.210
986.872
44.302
2011
14.824
597
1.305
16.946
11.791
7.525
409
760
264.340
124.636
1.177.991
43.488
2012
16.034
622
1.378
17.862
12.768
7.831
422
794
285.227
130.539
1.266.903
46.990
Yang tergolong sebagai lemak sapi adalah lemak rongga badan dan lemak keras
yang menempel pada daging. Sebuah riset di Denpasar menunjukkan, seekor sapi
bali berbobot 300-350 kg menghasilkan 4%-5% lemak. Bila setiap hari dipotong
150 ekor sapi, maka akan dihasilkan 1-2 ton lemak sapi [29]. Komposisi asam
lemak dalam lemak sapi dapat dilihat pada tabel 2.3.
Tabel 2.3 Komposisi Asam Lemak dalam Lemak Sapi [6]
Asam Lemak
Miristat
Pentadekanoat
Palmitoleat
Palmitat
Heptadekanoat
Linoleat
Oleat
Elaidat
Stearat
Arasidat
% Komposisi
2,72
0,86
2,02
25,33
1,67
0,75
29,87
1,82
34,70
0,26
2.3 ALKOHOL
Metanol adalah alkohol yang umum digunakan untuk produksi Fatty Acid
ester untuk digunakan sebagai biodiesel [30]. Metanol juga dikenal sebagai metil
alkohol, wood alcohol atau spiritus, adalah senyawa kimia dengan rumus kimia
CH3OH. Metanol merupakan bentuk alkohol paling sederhana. Pada keadaan
atmosfer, metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna,
9
Universitas Sumatera Utara
mudah terbakar, dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan daripada
etanol). Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan
bakar dan sebagai bahan aditif bagi etanol industri [31].
Di Amerika Serikat, harga metanol adalah setengah harga etanol. Di beberapa
negara, terutama Brazil, bahan baku dan teknologi yang tersedia memungkinkan
produksi etanol lebih ekonomis melalui fermentasi, menghasilkan produk yang
lebih murah daripada metanol. Etanol juga digunakan dalam produksi biodiesel
untuk percobaan di negara Amerika Serikat dimana etanol dibuat dari fermentasi
pakan kaya pati [30].
Selain metanol dan etanol, alkohol lainnya seperti propanol dan butanol juga
dapat digunakan dalam reaksi transesterifikasi. Metanol lebih banyak dipilih
karena berharga lebih murah daripada alkohol lainnya dan merupakan senyawa
polar berantai karbon terpendek sehingga bereaksi lebih cepat dengan trigliserida
[32] dan juga merupakan turunan alkohol yang memiliki berat molekul paling
rendah sehingga kebutuhannya untuk proses alkoholisis relatif sedikit dan lebih
stabil [14].
Sifat-sifat fisika dan kimia metanol dapat dilihat pada tabel 2.4.
Tabel 2.4 Sifat-Sifat Fisika dan Kimia Metanol [33]
Berat molekul
Wujud
Titik didih
Titik leleh
Spesific gravity
Kelarutan dalam air
32,04 g/mol
cairan tidak berwarna
64,5oC (148,1F)
-97,8oC (-144F)
0,7915
Mudah larut
2.4 KATALIS HETEROGEN
Katalis yang sering digunakan dalam produksi biodiesel adalah katalis
homogen (KOH dan NaOH). Namun, penggunaan katalis tersebut memiliki
kelemahan yaitu pemisahan katalis dari produknya cukup rumit. Sisa katalis
homogen tersebut dapat mengganggu pengolahan lanjut biodiesel yang dihasilkan
[34]. Selain itu, katalis homogen tersebut dapat bereaksi dengan asam lemak
bebas membentuk sabun sehingga akan mempersulit pemurnian serta menurunkan
yield biodiesel [35].
10
Universitas Sumatera Utara
Penggunaan katalis heterogen dalam produksi biodiesel dapat mengatasi
beberapa kelemahan yang dimiliki oleh katalis homogen. Pemisahan katalis
heterogen dari produknya cukup sederhana yaitu dengan menggunakan
penyaringan [36]. Beberapa contoh katalis heterogen misalnya CaO, MgO, SrO,
Zeolit, Al2O3, ZnO, TiO2, dan ZrO telah digunakan dalam proses transesterifikasi.
Di antara katalis ini, logam alkali oksida (misalnya MgO, CaO, dan SrO)
memiliki aktivitas tinggi untuk digunakan dalam proses transesterifikasi. Dari
beberapa logam alkali oksida ini, CaO lebih mudah ditemukan di lingkungan.
Umumnya, Ca(NO3)2, CaCO3, atau Ca(OH)2 adalah bahan baku untuk
memproduksi katalis CaO. Ada beberapa sumber kalsium alam yang berasal dari
limbah untuk mensintesis katalis CaO seperti kulit telur, kulit moluska dan tulang.
Alasan dipilih CaO dari limbah kulit telur ayam ini karena jumlahnya yang
berlimpah di lingkungan dan tidak hanya menghilangkan biaya pengelolaan
limbah, tetapi juga katalis dengan efektivitas tinggi dapat secara bersamaan
dicapai untuk industri biodiesel [13].
Komposisi kimia dari kulit telur dapat dilihat pada tabel 2.5.
Tabel 2.5 Komposisi Kimia dari Kulit Telur [37]
Elemen
CaCO3
S
Mg
P
Al
K
Sr
Kulit Telur
Ayam
Kampung
96,48
2,31
0,404
0,501
0,0737
% Berat
Kulit
Kulit Telur
Telur
Bebek kampung
Ayam Ras
96,48
96,48
3,59
1,24
0,440
0,996
0,469
0,508
0,0839
0,0734
0,118
Kulit
Telur
Bebek Ras
95,99
1,92
0,927
0,481
0,309
0,00957
0,093
CaO yang dihasilkan dari CaCO3 harus diaktivasi terlebih dahulu dengan
kalsinasi pada suhu tinggi [18]. CaCO3 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].
11
Universitas Sumatera Utara
Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Jazie, et al., kondisi optimum
proses kalsinasi CaO dari limbah kulit telur ayam diperoleh pada suhu 900oC dan
waktu 2 jam [10].
2.5 ESTERIFIKASI
Bahan baku yang memiliki kadar asam lemak bebas tinggi harus dilakukan
perlakuan awal sebelum masuk ke tahap transesterifikasi [38]. Salah satu cara
yang dapat dilakukan untuk menghilangkan asam lemak bebas adalah
mereaksikan asam lemak bebas dengan alkohol dengan bantuan katalis asam
sulfat. Reaksi ini dikenal dengan esterifikasi [39]. Esterifikasi merupakan reaksi
antara asam karboksilat dengan alkohol menghasilkan metil ester dan air. Asam
karboksilat yang digunakan dapat berasal dari asam lemak bebas yang terkandung
dalam minyak nabati atau lemak hewani. Reaksinya adalah sebagai berikut [40] :
RCOOH + CH3OH ↔ RCOOCH3 + H2O
Asam Lemak Metanol
Metil Ester
Air
Reaksi esterifikasi merupakan reaksi bolak-balik yang relatif lambat. Untuk
mempercepat jalannya reaksi dan meningkatkan hasil, proses dilakukan dengan
pengadukan yang baik, penambahan katalis dan pemberian reaktan berlebih agar
reaksi bergeser ke kanan. Reaksi esterifikasi berlangsung dengan bantuan katalis
seperti H2SO4, HCl, HF dan H3PO4 [40].
Faktor-faktor yang mempengaruhi reaksi esterifikasi antara lain :
a. Katalisator.
Katalisator berfungsi untuk mengurangi tenaga aktivasi pada suatu reaksi
sehingga pada suhu tertentu harga konstanta kecepatan reaksi semakin besar.
Pada reaksi esterifikasi yang sudah dilakukan biasanya menggunakan
konsentrasi katalis antara 1-4% berat sampai 10% berat tiap gram FFA yang
terkandung dalam minyak [22, 31].
b. Suhu reaksi.
Semakin tinggi suhu yang dioperasikan maka semakin banyak konversi yang
dihasilkan, hal ini sesuai dengan persamaan Archenius. Bila suhu naik maka
harga k makin besar sehingga reaksi berjalan cepat dan hasil konversi makin
besar [31]. Pada dasarnya, reaksi dilakukan dekat dengan titik didih metanol
12
Universitas Sumatera Utara
(60-70oC) pada tekanan atmosfer. Semakin meningkatnya temperatur, akan
ada kemungkinan metanol yang hilang di dalam reaksi [41].
c. Waktu reaksi.
Semakin lama waktu reaksi maka kemungkinan kontak antar zat semakin
besar sehingga akan menghasilkan konversi yang besar. Jika kesetimbangan
reaksi sudah tercapai maka dengan bertambahnya waktu reaksi tidak akan
menguntungkan karena tidak memperbesar hasil [31]. Pada dasarnya, reaksi
dilakukan dengan waktu reaksi 1 jam [12].
d. Pengadukan.
Pengadukan akan menambah frekuensi tumbukan antara molekul zat pereaksi
dengan zat yang bereaksi sehingga mempercepat reaksi dan reaksi terjadi
sempurna [31].
2.6 TRANSESTERIFIKASI
Tahapan reaksi transesterifikasi merupakan salah satu tahapan yang penting
untuk
mempercepat
jalannya
produksi
metil
ester
dan
gliserol
[42].
Transesterifikasi merupakan suatu reaksi kesetimbangan. Untuk mendorong reaksi
agar bergerak ke kanan maka perlu digunakan alkohol dalam jumlah berlebih
sehingga dihasilkan metil ester (biodiesel) [43]. Metanol lebih umum digunakan
untuk proses transesterifikasi karena harganya lebih murah dan cepat bereaksi
dengan trigliserida [44].
Bahan baku untuk proses transesterifikasi harus memiliki angka asam lemak
bebas < 0,5% [9]. Jika angka asam lemak bebas melebihi jumlah ini,
pembentukan sabun akan menghambat pemisahan ester dari gliserol dan juga
mengurangi tingkat konversi ester [45].
13
Universitas Sumatera Utara
Reaksi transesterifikasi trigliserida menggunakan CaO dapat dilihat pada gambar
2.1.
Step 1 R-OH
R-O-
H+
Ca
O
Step 2
R1-C-O-R
O-R
CH2-O-C-R1
O
CH2-O-C-R1
R-O- H+
CH2-O
O
CH-O-C-R1
O
O
CH-O-C-R1
Ca
O
CH-O-C-R1
O
CH2-O-C-R1
O
CH2-O-C-R1
O
CH2-O-C-R1
O
O
Step 3
CH2-O
CH2-O-H
H+
CH-O-C-R1
O
CH-O-C-R1
Ca
O
O
CH2-O-C-R1
Ca
O
CH2-O-C-R1
O
O
Gambar 2.1 Reaksi Transesterifikasi Trigliserida Menggunakan CaO [4]
Faktor-faktor yang mempengaruhi reaksi transesterifikasi katalis heterogen
antara lain :
a. Molar rasio (minyak:alkohol).
Reaksi transesterifikasi katalis heterogen memerlukan rasio mol untuk
alkohol:minyak lebih tinggi seperti 12:1 dan 30:1 [12]. Semakin tinggi rasio
mol alkohol:minyak akan meningkatkan yield biodiesel karena reaksi bersifat
reversible [11].
b. Katalis yang digunakan.
Reaksi transesterifikasi katalis heterogen akan menghasilkan konversi yang
maksimum dengan jumlah katalis 2-20%-b [12]. Semakin tinggi jumlah
katalis akan meningkatkan yield biodiesel tetapi biodiesel yang dihasilkan
14
Universitas Sumatera Utara
bersifat lebih kental sehingga diperlukan daya yang tinggi untuk pengadukan
[15].
c. Suhu reaksi.
Pada dasarnya, reaksi transesterifikasi katalis heterogen dilakukan dekat
dengan titik didih metanol (60-70oC) pada tekanan atmosfer. Semakin
meningkatnya temperatur, akan ada kemungkinan metanol yang hilang di
dalam reaksi sehingga menurunkan yield biodiesel [12].
d. Waktu reaksi.
Pada dasarnya, reaksi transesterifikasi katalis heterogen dilakukan dengan
waktu reaksi 3-24 jam [12]. Semakin lama waktu reaksi akan mengurangi
yield biodiesel karena adanya reaksi balik yaitu metil ester yang terbentuk
kembali menjadi trigliserida [46].
e. Kandungan asam lemak dan air dalam minyak atau lemak.
Bahan baku untuk proses transesterifikasi harus memiliki angka asam lemak
bebas < 0,5% [9]. Jika angka asam lemak bebas melebihi jumlah ini,
pembentukan sabun akan menghambat pemisahan metil ester dari gliserol dan
juga mengurangi tingkat konversi metil ester [45].
2.7 ANALISIS EKONOMI
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. Kemudian populasi sapi potong dari tahun
ke tahun semakin meningkat, sehingga lemak sapi dapat dijadikan alternatif baru
dan memiliki potensi besar sebagai bahan baku pembuatan biodiesel untuk
meminimalkan dampak lingkungan. Karena memiliki potensi yang cukup besar,
lemak sapi diharapkan dapat menjadi sumber alternatif bahan baku untuk
pembuatan biodiesel guna mencukupi kebutuhan bahan bakar dalam negeri yang
semakin tinggi. Adapun peluang untuk mengembangkan potensi biodiesel sendiri
di Indonesia cukup besar terutama untuk substitusi minyak solar mengingat saat
ini penggunaan minyak solar mencapai sekitar 40% dari total penggunaan BBM
untuk sektor transportasi. Sementara penggunaan solar pada industri dan PLTD
adalah sebesar 74% dari total penggunaan BBM pada kedua sektor tersebut.
15
Universitas Sumatera Utara
Untuk itu, perlu dilakukan kajian potensi ekonomi biodiesel dari lemak sapi.
Namun, dalam tulisan ini hanya akan dikaji potensi ekonomi secara sederhana.
Sebelum melakukan kajian tersebut, perlu diketahui harga bahan baku yang
digunakan dalam produksi dan harga jual biodiesel.
Biaya bahan baku untuk 9 run :
•
•
•
•
•
Biaya pembelian limbah lemak sapi = Rp 5.000/kg / (750 ml/kg)
= Rp 6.700 L
Biaya listrik pembuatan CaO = 230 V x 30 A x 2 jam / 1000 x Rp 1.352
= Rp 18.658
Biaya pembelian metanol
[47]
= 667 ml (1 L Rp 15.000)
= Rp 10.005
Biaya listrik pada hot plate
[48]
= 500 W / 1000 x 3210 mnt / 60 x Rp 1.352
= Rp 36.166
[47]
Biaya pembelian asam sulfat = 5 ml (2,5 L Rp 396.000)
[48]
= Rp 792
Total biaya bahan baku
= Rp 72.321
Harga jual biodiesel untuk 9 run : Rp 7.895 / liter x 0,84 L = Rp 6.632
[49]
Dapat dilihat bahwa, harga jual bahan baku pembuatan biodiesel dari limbah
lemak sapi berada di bawah harga jual bahan baku dari CPO (Crude Palm Oil)
yaitu sekitar Rp 7.500/liter [50]. Tentu hal ini membawa nilai ekonomis dalam
pembuatan biodiesel dari lemak sapi. Dengan adanya kebijakan pemerintah yang
ditetapkan oleh peraturan menteri ESDM, penetapan harga jual biodiesel sendiri
bisa fleksibel mengikuti harga bahan baku serta biaya produksi saat ini yang
ditutupi dengan subsidi, sehingga produksi biodiesel menggunakan bahan baku
lemak sapi berpotensi untuk menjadi industri alternatif yang berkembang ke
depannya menjadikan Indonesia sebagai penghasil terbesar biodiesel dan pelaku
ekspor biodiesel di dunia.
16
Universitas Sumatera Utara