Optimasi Proses Pembuatan Biodiesel Dari Bahan Baku Asam Lemak Sawit Distilat (ALSD) dan Dimethyl Carbonate (DMC) dengan Menggunakan Katalis Novozym®435
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Dewasa ini, pembuatan biodiesel meningkat secara signifikan dan diharapkan
semakin meningkat di masa yang akan datang dengan tujuan untuk mengurangi
impor kebutuhan bahan bakar fosil dan menggantikan minyak solar [1,2]. Oleh
karena itu, produksi biodiesel sebagai sumber energi terbarukan telah menjadi
persoalan penting karena selain ramah lingkungan, biodiesel juga dapat
menggantikan bahan bakar fosil [3].
Biodiesel adalah hasil reaksi transesterifikasi minyak nabati dan lemak hewani
atau esterifikasi asam lemak dengan alkohol rantai pendek [4]. Proses komersil
yang paling umum dalam pembuatan biodiesel adalah mengkonversi minyak
menjadi biodiesel dengan proses transesterifikasi menggunakan alkohol metanol
dan katalis basa [5].
Penggunaan alkohol metanol dalam transesterifikasi dapat menyebabkan
inaktivasi kinerja enzim. Sehingga, dialkyl carbonate (dimethyl carbonate)
dijadikan sebagai pengganti alkohol agar senyawa produk segera terurai menjadi
karbon dioksida dan alkohol. Selain itu, dimethyl carbonate (DMC) disebut zat
kimia yang ramah lingkungan, murah, tidak beracun dan mudah didapat [6-8].
Beberapa penelitian tentang pembuatan biodiesel umumnya menggunakan
bahan baku seperti minyak sawit [9], minyak kacang keledai [10], minyak jagung
[11], minyak hewani seperti lemak sapi [12] dan minyak jelantah [5]. Adapun
bahan baku olahan seperti asam lemak sawit distilat [13] juga pernah digunakan
sebagai bahan baku dalam pembuatan biodiesel. Asam lemak sawit distilat
(ALSD) merupakan produk samping minyak kelapa sawit yang telah dipurifikasi
sehingga harga ALSD lebih murah dibandingkan minyak olahan yang lain serta
ALSD mengandung 85-95% asam lemak dan 5-15% trigliserida [14]. Dengan
demikian ALSD dapat dijadikan alternatif baru sebagai bahan baku pembuatan
biodiesel untuk meminimalkan biaya produksi dan masalah lingkungan yang
terkait [15].
1
Beberapa penelitian tentang pembuatan biodiesel biasanya menggunakan
katalis homogen seperti katalis basa NaOH [16] serta katalis heterogen seperti
CaO [17] dan MgO [18]. Adapun katalis enzim pernah digunakan dalam
pembuatan biodiesel seperti Lipozyme [19] dan Novozym®435 [3].
Penggunaan katalis enzim dalam pembuatan biodiesel tidak hanya dapat
menghidrolisis
tetapi
berperan
penting
dalam
proses
esterifikasi
dan
transesterifikasi sehingga dapat mengurangi biaya produksi [2]. Selain itu, katalis
enzim akan menghasilkan konversi yang tinggi meskipun digunakan dalam
transesterifikasi trigliserida yang memiliki kandungan asam lemak bebas yang
tinggi [20,21].
Dos Santos Correa et al (2011) melakukan penelitian pembuatan biodiesel
dengan menggunakan bahan baku asam lemak sawit distilat dan katalis
Novozym®435. Variabel tetap yang digunakan yaitu, suhu reaksi transesterifikasi
60 oC, waktu reaksi transesterifikasi 2,5 jam. Variabel berubah yang digunakan
yaitu jumlah katalis (0,1%-b, 0,5%-b, 1%-b, 1,5%-b, 3%-b, 4,5%-b, 6%-b, 7,5%b, 9%-b). Yield biodiesel tertinggi yaitu 93% dengan jumlah katalis 1%-b [22].
Beberapa penelitian yang telah dilakukan tentang pembuatan biodiesel dari
asam lemak sawit distilat dan dimethyl carbonate dengan menggunakan katalis
Novozym®435 dapat dilihat pada tabel 1.1.
Berdasarkan uraian di atas, maka penggunaan asam lemak sawit distilat
(ALSD) dan dimethyl carbonate dengan katalis enzim Novozym®435 sesuai
digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan biodiesel serta pentingnya
membentuk model optimisasi pembuatan biodiesel tersebut.
2
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Pembuatan Biodiesel dari Asam Lemak Sawit Distilat dan Penggunaan Katalis
Novozym®435
No
1
2
3
Nama
Su et al [8]
Chongkong
et al [13]
Dos Santos
Correa et al
[22]
Tahun
Judul Penelitian
Katalis
2007
Lipase-Catalyzed Irreversible
Transesterification of Vegetable Oils
for Fatty Acid Methyl Esters
Production With Dimethyl
Carbonate as The Acyl Acceptor
Novozym®
435
2009
2011
Variabel
Variabel tetap : kecepatan pengadukan 150
rpm
Variabel berubah : waktu reaksi (12 jam,
24 jam), DMC / minyak (1:1, 1,5:1, 3:1,
4,5:1, 6:1, 9:1, 12:1, 15:1, 20:1, 30:1),
jumlah katalis (5%, 7,5%, 10%, 12,5%,
15%), suhu reaksi (30 oC, 40 oC, 45 oC, 50
o
C, 55 oC, 60 oC)
Hasil
%Konversi =
96,4% (waktu
reaksi 24 jam,
DMC / minyak
= 4,5:1, jumlah
katalis 10% dan
suhu reaksi 50
o
C)
%Metil ester
>90% (suhu
reaksi 75 oC,
waktu reaksi 1
jam,
metanol/minyak
8,8:1, jumlah
katalis 1,83%)
%Konversi =
93% (alkohol
etanol, waktu
reaksi 2,5 jam,
jumlah katalis
1%)
Continuous Esterification for
Biodiesel Production from Palm
Fatty Acid Distillate Using
Economical Process
H2SO4
Variabel tetap : kecepatan pengadukan 300
rpm
Variabel berubah : suhu reaksi (65 oC, 70
o
C, 75 oC), waktu reaksi (1 jam, 1,5 jam, 2
jam), metanol/minyak (5,7:1, 7,2:1, 8,8:1),
jumlah katalis (0,92%, 1,83%, 2,75%)
Enzymatic Biodiesel Synthesis
Using a Byproduct Obtained from
Palm Oil Refining
Novozym®
435,
Lipozyme
RM-IM dan
Lipozyme
TL-IM
Variabel tetap : suhu reaksi 60 oC
Variabel berubah : alkohol (metanol,
etanol), waktu reaksi (0,5 jam, 1 jam, 1,5
jam, 2 jam, 2,5 jam), jumlah katalis (0,1%,
0,5%, 1%, 1,5%, 3%, 4,5%, 6%, 7,5%,
9%)
3
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Model Kinetika Pembuatan Biodiesel dari Asam Lemak Sawit Distilat dan Penggunaan
Katalis Novozym®435 (Lanjutan)
No
4
5
6
Nama
Silva et al
[71]
Herawan dan
Klaas [6]
Shuzhen et al
[24]
Tahun
Judul Penelitian
2011
Application of Response Surface
Methodology for Optimization of
Biodiesel Production by
Transesterification of Soybean Oil
with Methanol
2014
Lipase-Catalyzed Transesterification
of Palm Kernel Oil With Dialkyl
Carbonate
2014
Biodiesel Production by
Transesterification of Corn Oil With
Dimethyl Carbonate Under
Heterogeneous Base Catalysis
Conditions Using Potassium
Hydroxide
Katalis
Variabel
NaOH
Variabel tetap :
Variabel berubah : etanol / minyak (3:1,
6:1, 9:1, 12:1, 15:1), jumlah katalis (0,1%,
0,5%, 0,9%, 1,3%, 1,7%), suhu reaksi (40
o
C, 50 oC, 60 oC, 70 oC, 80 oC), waktu
reaksi (40 menit, 60 menit, 80 menit, 100
menit, 120 menit)
Hasil
%Ester = 95%
(etanol / minyak
9:1, jumlah
katalis 1,3%,
suhu reaksi 40
o
C, waktu reaksi
80 menit), R2 =
0,922 (92,2 %)
Novozym®
435
Waktu reaksi (8 jam, 24 jam), DMC /
minyak (1:1, 2:1, 3:1, 6:1, 9:1, 20:1, 100:1,
200:1), jumlah katalis (5%, 10%, 12,5%,
15%), suhu reaksi (40 oC, 50 oC, 60 oC, 70
o
C, 80 oC), jumlah tambahan air (0%,
0,1%, 0,2%, 0,3%, 0,4%, 0,5%, 1%, 1,5%,
2%)
%Ester = >80%
(waktu reaksi 24
jam, DMC /
minyak = 20:1,
jumlah katalis
10%, suhu
reaksi 60 oC dan
jumlah
tambahan air
0,3%)
KOH
Variabel tetap : suhu reaksi 65-75 oC,
Variabel berubah : DMC / minyak (3:1,
4,5:1, 6:1, 7,5:1, 9:1), waktu reaksi (6 jam,
7 jam, 8 jam, 9 jam, 10 jam), jumlah
katalis (10%, 12,5%, 15%, 17,5%, 20%)
%Yield =
87,88% (DMC /
minyak = 6:1,
waktu reaksi 8
jam, jumlah
katalis 15%)
4
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Untuk mengatasi masalah utama dalam pembuatan biodiesel, diperlukan
bahan baku dengan biaya yang minimal. Penelitian ini diarahkan untuk
mendukung proses pembuatan biodiesel yang ekonomis sehingga dalam reaksi
transesterifikasi pembuatan biodiesel menggunakan asam lemak sawit distilat
(ALSD) sebagai bahan baku utama.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Penelitian ini bertujuan untuk :
1. Mempelajari kondisi optimum dari proses transesterifikasi untuk
mendapatkan yield metil ester tertinggi.
2. Mempelajari pembuatan biodiesel dari asam lemak sawit distilat (ALSD)
dengan proses transesterifikasi menggunakan katalis Novozym®435 pada
pembuatan biodiesel secara batch.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Penelitian ini diharapkan dapat :
1. Memberikan informasi bahwa bahan baku yang digunakan dalam
pembuatan biodiesel dapat dihasilkan dari produk samping minyak kelapa
sawit yang telah melalui proses rafinasi dan fraksinasi sehingga pembuatan
biodiesel menjadi lebih ekonomis dan ramah lingkungan.
2. Memberikan informasi kondisi optimum variabel pembuatan biodiesel
sehingga pembuatan biodiesel menjadi lebih ekonomis.
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Oleokimia, Pusat Penelitian Kelapa
Sawit, Jalan Brigjen Katamso No. 51 Medan, Indonesia. Adapun bahan utama
yang digunakan pada penelitian ini yaitu Asam Lemak Sawit Distilat (ALSD)
sebagai bahan baku dan Novozym®435 sebagai katalis.
5
Variabel-variabel yang dilakukan dalam penelitian ini adalah :
Variabel tetap :
1. Kecepatan Pengadukan
= 300 rpm [13]
Variabel berubah :
1. Perbandingan rasio mol DMC / ALSD
= 3,0 :1 [24]
4,5 :1 [24]
6,0 :1 [24]
7,5 :1 [24]
9,0 :1 [24]
2. Waktu reaksi
= 1,0 jam [22]
1,5 jam [22]
2,0 jam [22]
2,5 jam [22]
3,0 jam
3. Suhu reaksi
= 40 oC [6]
50 oC [6]
60 oC [6]
70 oC [6]
80 oC [6]
4. Jumlah katalis Novozym®435
= 0%
5% [8]
10% [8]
15% [8]
20%
Parameter yang dianalisis pada biodiesel adalah analisis kemurnian menggunakan
kromatografi gas (Gas Chromatography) di Laboratorium Oleo Pangan, Pusat
Penelitian Kelapa Sawit, Jalan Brigjen Katamso No. 51 Medan, Indonesia.
6
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Dewasa ini, pembuatan biodiesel meningkat secara signifikan dan diharapkan
semakin meningkat di masa yang akan datang dengan tujuan untuk mengurangi
impor kebutuhan bahan bakar fosil dan menggantikan minyak solar [1,2]. Oleh
karena itu, produksi biodiesel sebagai sumber energi terbarukan telah menjadi
persoalan penting karena selain ramah lingkungan, biodiesel juga dapat
menggantikan bahan bakar fosil [3].
Biodiesel adalah hasil reaksi transesterifikasi minyak nabati dan lemak hewani
atau esterifikasi asam lemak dengan alkohol rantai pendek [4]. Proses komersil
yang paling umum dalam pembuatan biodiesel adalah mengkonversi minyak
menjadi biodiesel dengan proses transesterifikasi menggunakan alkohol metanol
dan katalis basa [5].
Penggunaan alkohol metanol dalam transesterifikasi dapat menyebabkan
inaktivasi kinerja enzim. Sehingga, dialkyl carbonate (dimethyl carbonate)
dijadikan sebagai pengganti alkohol agar senyawa produk segera terurai menjadi
karbon dioksida dan alkohol. Selain itu, dimethyl carbonate (DMC) disebut zat
kimia yang ramah lingkungan, murah, tidak beracun dan mudah didapat [6-8].
Beberapa penelitian tentang pembuatan biodiesel umumnya menggunakan
bahan baku seperti minyak sawit [9], minyak kacang keledai [10], minyak jagung
[11], minyak hewani seperti lemak sapi [12] dan minyak jelantah [5]. Adapun
bahan baku olahan seperti asam lemak sawit distilat [13] juga pernah digunakan
sebagai bahan baku dalam pembuatan biodiesel. Asam lemak sawit distilat
(ALSD) merupakan produk samping minyak kelapa sawit yang telah dipurifikasi
sehingga harga ALSD lebih murah dibandingkan minyak olahan yang lain serta
ALSD mengandung 85-95% asam lemak dan 5-15% trigliserida [14]. Dengan
demikian ALSD dapat dijadikan alternatif baru sebagai bahan baku pembuatan
biodiesel untuk meminimalkan biaya produksi dan masalah lingkungan yang
terkait [15].
1
Beberapa penelitian tentang pembuatan biodiesel biasanya menggunakan
katalis homogen seperti katalis basa NaOH [16] serta katalis heterogen seperti
CaO [17] dan MgO [18]. Adapun katalis enzim pernah digunakan dalam
pembuatan biodiesel seperti Lipozyme [19] dan Novozym®435 [3].
Penggunaan katalis enzim dalam pembuatan biodiesel tidak hanya dapat
menghidrolisis
tetapi
berperan
penting
dalam
proses
esterifikasi
dan
transesterifikasi sehingga dapat mengurangi biaya produksi [2]. Selain itu, katalis
enzim akan menghasilkan konversi yang tinggi meskipun digunakan dalam
transesterifikasi trigliserida yang memiliki kandungan asam lemak bebas yang
tinggi [20,21].
Dos Santos Correa et al (2011) melakukan penelitian pembuatan biodiesel
dengan menggunakan bahan baku asam lemak sawit distilat dan katalis
Novozym®435. Variabel tetap yang digunakan yaitu, suhu reaksi transesterifikasi
60 oC, waktu reaksi transesterifikasi 2,5 jam. Variabel berubah yang digunakan
yaitu jumlah katalis (0,1%-b, 0,5%-b, 1%-b, 1,5%-b, 3%-b, 4,5%-b, 6%-b, 7,5%b, 9%-b). Yield biodiesel tertinggi yaitu 93% dengan jumlah katalis 1%-b [22].
Beberapa penelitian yang telah dilakukan tentang pembuatan biodiesel dari
asam lemak sawit distilat dan dimethyl carbonate dengan menggunakan katalis
Novozym®435 dapat dilihat pada tabel 1.1.
Berdasarkan uraian di atas, maka penggunaan asam lemak sawit distilat
(ALSD) dan dimethyl carbonate dengan katalis enzim Novozym®435 sesuai
digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan biodiesel serta pentingnya
membentuk model optimisasi pembuatan biodiesel tersebut.
2
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Pembuatan Biodiesel dari Asam Lemak Sawit Distilat dan Penggunaan Katalis
Novozym®435
No
1
2
3
Nama
Su et al [8]
Chongkong
et al [13]
Dos Santos
Correa et al
[22]
Tahun
Judul Penelitian
Katalis
2007
Lipase-Catalyzed Irreversible
Transesterification of Vegetable Oils
for Fatty Acid Methyl Esters
Production With Dimethyl
Carbonate as The Acyl Acceptor
Novozym®
435
2009
2011
Variabel
Variabel tetap : kecepatan pengadukan 150
rpm
Variabel berubah : waktu reaksi (12 jam,
24 jam), DMC / minyak (1:1, 1,5:1, 3:1,
4,5:1, 6:1, 9:1, 12:1, 15:1, 20:1, 30:1),
jumlah katalis (5%, 7,5%, 10%, 12,5%,
15%), suhu reaksi (30 oC, 40 oC, 45 oC, 50
o
C, 55 oC, 60 oC)
Hasil
%Konversi =
96,4% (waktu
reaksi 24 jam,
DMC / minyak
= 4,5:1, jumlah
katalis 10% dan
suhu reaksi 50
o
C)
%Metil ester
>90% (suhu
reaksi 75 oC,
waktu reaksi 1
jam,
metanol/minyak
8,8:1, jumlah
katalis 1,83%)
%Konversi =
93% (alkohol
etanol, waktu
reaksi 2,5 jam,
jumlah katalis
1%)
Continuous Esterification for
Biodiesel Production from Palm
Fatty Acid Distillate Using
Economical Process
H2SO4
Variabel tetap : kecepatan pengadukan 300
rpm
Variabel berubah : suhu reaksi (65 oC, 70
o
C, 75 oC), waktu reaksi (1 jam, 1,5 jam, 2
jam), metanol/minyak (5,7:1, 7,2:1, 8,8:1),
jumlah katalis (0,92%, 1,83%, 2,75%)
Enzymatic Biodiesel Synthesis
Using a Byproduct Obtained from
Palm Oil Refining
Novozym®
435,
Lipozyme
RM-IM dan
Lipozyme
TL-IM
Variabel tetap : suhu reaksi 60 oC
Variabel berubah : alkohol (metanol,
etanol), waktu reaksi (0,5 jam, 1 jam, 1,5
jam, 2 jam, 2,5 jam), jumlah katalis (0,1%,
0,5%, 1%, 1,5%, 3%, 4,5%, 6%, 7,5%,
9%)
3
Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Model Kinetika Pembuatan Biodiesel dari Asam Lemak Sawit Distilat dan Penggunaan
Katalis Novozym®435 (Lanjutan)
No
4
5
6
Nama
Silva et al
[71]
Herawan dan
Klaas [6]
Shuzhen et al
[24]
Tahun
Judul Penelitian
2011
Application of Response Surface
Methodology for Optimization of
Biodiesel Production by
Transesterification of Soybean Oil
with Methanol
2014
Lipase-Catalyzed Transesterification
of Palm Kernel Oil With Dialkyl
Carbonate
2014
Biodiesel Production by
Transesterification of Corn Oil With
Dimethyl Carbonate Under
Heterogeneous Base Catalysis
Conditions Using Potassium
Hydroxide
Katalis
Variabel
NaOH
Variabel tetap :
Variabel berubah : etanol / minyak (3:1,
6:1, 9:1, 12:1, 15:1), jumlah katalis (0,1%,
0,5%, 0,9%, 1,3%, 1,7%), suhu reaksi (40
o
C, 50 oC, 60 oC, 70 oC, 80 oC), waktu
reaksi (40 menit, 60 menit, 80 menit, 100
menit, 120 menit)
Hasil
%Ester = 95%
(etanol / minyak
9:1, jumlah
katalis 1,3%,
suhu reaksi 40
o
C, waktu reaksi
80 menit), R2 =
0,922 (92,2 %)
Novozym®
435
Waktu reaksi (8 jam, 24 jam), DMC /
minyak (1:1, 2:1, 3:1, 6:1, 9:1, 20:1, 100:1,
200:1), jumlah katalis (5%, 10%, 12,5%,
15%), suhu reaksi (40 oC, 50 oC, 60 oC, 70
o
C, 80 oC), jumlah tambahan air (0%,
0,1%, 0,2%, 0,3%, 0,4%, 0,5%, 1%, 1,5%,
2%)
%Ester = >80%
(waktu reaksi 24
jam, DMC /
minyak = 20:1,
jumlah katalis
10%, suhu
reaksi 60 oC dan
jumlah
tambahan air
0,3%)
KOH
Variabel tetap : suhu reaksi 65-75 oC,
Variabel berubah : DMC / minyak (3:1,
4,5:1, 6:1, 7,5:1, 9:1), waktu reaksi (6 jam,
7 jam, 8 jam, 9 jam, 10 jam), jumlah
katalis (10%, 12,5%, 15%, 17,5%, 20%)
%Yield =
87,88% (DMC /
minyak = 6:1,
waktu reaksi 8
jam, jumlah
katalis 15%)
4
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Untuk mengatasi masalah utama dalam pembuatan biodiesel, diperlukan
bahan baku dengan biaya yang minimal. Penelitian ini diarahkan untuk
mendukung proses pembuatan biodiesel yang ekonomis sehingga dalam reaksi
transesterifikasi pembuatan biodiesel menggunakan asam lemak sawit distilat
(ALSD) sebagai bahan baku utama.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Penelitian ini bertujuan untuk :
1. Mempelajari kondisi optimum dari proses transesterifikasi untuk
mendapatkan yield metil ester tertinggi.
2. Mempelajari pembuatan biodiesel dari asam lemak sawit distilat (ALSD)
dengan proses transesterifikasi menggunakan katalis Novozym®435 pada
pembuatan biodiesel secara batch.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Penelitian ini diharapkan dapat :
1. Memberikan informasi bahwa bahan baku yang digunakan dalam
pembuatan biodiesel dapat dihasilkan dari produk samping minyak kelapa
sawit yang telah melalui proses rafinasi dan fraksinasi sehingga pembuatan
biodiesel menjadi lebih ekonomis dan ramah lingkungan.
2. Memberikan informasi kondisi optimum variabel pembuatan biodiesel
sehingga pembuatan biodiesel menjadi lebih ekonomis.
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Oleokimia, Pusat Penelitian Kelapa
Sawit, Jalan Brigjen Katamso No. 51 Medan, Indonesia. Adapun bahan utama
yang digunakan pada penelitian ini yaitu Asam Lemak Sawit Distilat (ALSD)
sebagai bahan baku dan Novozym®435 sebagai katalis.
5
Variabel-variabel yang dilakukan dalam penelitian ini adalah :
Variabel tetap :
1. Kecepatan Pengadukan
= 300 rpm [13]
Variabel berubah :
1. Perbandingan rasio mol DMC / ALSD
= 3,0 :1 [24]
4,5 :1 [24]
6,0 :1 [24]
7,5 :1 [24]
9,0 :1 [24]
2. Waktu reaksi
= 1,0 jam [22]
1,5 jam [22]
2,0 jam [22]
2,5 jam [22]
3,0 jam
3. Suhu reaksi
= 40 oC [6]
50 oC [6]
60 oC [6]
70 oC [6]
80 oC [6]
4. Jumlah katalis Novozym®435
= 0%
5% [8]
10% [8]
15% [8]
20%
Parameter yang dianalisis pada biodiesel adalah analisis kemurnian menggunakan
kromatografi gas (Gas Chromatography) di Laboratorium Oleo Pangan, Pusat
Penelitian Kelapa Sawit, Jalan Brigjen Katamso No. 51 Medan, Indonesia.
6