SINTESIS BIODIESEL SAWIT MELALUI REAKSI INTERESTERIFIKASI MENGGUNAKAN KATALIS ENZIM LIPASE TERIMOBILISASI: KAJIAN PENGGUNAAN ULANG (RECYCLE) ENZIM SEBAGAI KATALIS SKRIPSI
SINTESIS BIODIESEL SAWIT MELALUI REAKSI
INTERESTERIFIKASI MENGGUNAKAN KATALIS ENZIM LIPASE TERIMOBILISASI: KAJIAN PENGGUNAAN ULANG (RECYCLE) ENZIM SEBAGAI KATALIS SKRIPSI Oleh RICKY AFRIANTO 100405018 DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA JULI 2014
SINTESIS BIODIESEL SAWIT MELALUI REAKSI
INTERESTERIFIKASI MENGGUNAKAN KATALIS ENZIM LIPASE TERIMOBILISASI: KAJIAN PENGGUNAAN ULANG (RECYCLE) ENZIM SEBAGAI KATALIS SKRIPSI Oleh RICKY AFRIANTO 100405018 SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA JULI 2014 Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul:
SINTESIS BIODIESEL SAWIT MELALUI REAKSI INTERESTERIFIKASI
MENGGUNAKAN KATALIS ENZIM LIPASE TERIMOBILISASI:
KAJIAN PENGGUNAAN ULANG (RECYCLE) ENZIM SEBAGAI
KATALIS
dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya. Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila kemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku
Medan, 5 Juli 2014 Ricky Afrianto
NIM 100405018
PENGESAHAN
Skripsi dengan judul:
SINTESIS BIODIESEL SAWIT MELALUI REAKSI INTERESTERIFIKASI
MENGGUNAKAN KATALIS ENZIM LIPASE TERIMOBILISASI:
KAJIAN PENGGUNAAN ULANG (RECYCLE) ENZIM SEBAGAI
KATALIS
dibuat sebagai kelengkapan persyaratan untuk mengikuti ujian skripsi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Mengetahui, Medan, 5 Juli 2014 Koordinator Skripsi Dosen Pembimbing Ir. Renita Manurung, MT Ir. Renita Manurung, MT NIP. 19681214 199702 2 002 NIP. 19681214 199702 2 002 Dosen Penguji I Dosen Penguji II Dr.Ir. Taslim, MSi Dr.Ir. Fatimah, MT NIP. 19650115 199003 1 002 NIP. 19640617 199403 2 001
PRAKATA
Puji dan syukur kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan skripsi dengan judul “Sintesis Biodiesel Sawit Melalui Reaksi Interesterifikasi Menggunakan Katalis Enzim Lipase Terimobilisasi: Kajian Penggunaan Ulang (Recycle) Enzim Sebagai Katalis
”, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia Universtas Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik.
Melalui penelitian ini diperoleh hasil biodiesel dari Crude Palm Oil (CPO) dengan reaksi interesterifikasi menggunakan katalis enzim lipase terimobilisasi, sehingga hasil yang diperoleh dapat dimanfaatkan khususnya mengurangi jumlah penggunaan bahan bakar fosil.
Selama melakukan penelitian hingga penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat pengarahan dan bimbingan dari dosen pembimbing penulis. Untuk itu secara khusus penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang sebesar- besarnya kepada Ibu Ir. Renita Manurung, MT.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.
Medan, 5 Juli 2014 Penulis, Ricky Afrianto
DEDIKASI
Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada : 1.
Kedua orang tua penulis tercinta, Aminur Fajar Tanjung, ST dan Afriani Guchi serta adik-adik tercinta, Putri dan Reva yang telah banyak mendukung penulis sampai saat ini.
2. Ir. Renita Manurung, MT selaku dosen pembimbing serta koordinator skripsi yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan dalam menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini.
3. Dr. Ir. Taslim, M.Si dan Dr. Ir. Fatimah, MT yang telah memberikan saran dan masukan untuk kesempurnaan skripsi ini.
4. Bapak Dr. Eng. Ir. Irvan, MT, selaku Ketua Jurusan Departemen Teknik Kimia USU.
5. Ibu Dr. Ir. Fatimah, MT, selaku Sekretaris Jurusan Teknik Kimia USU.
6. Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hasibuan, MT sebagai Dosen Pembimbing Akademik.
7. Seluruh Dosen/Staf Pengajar dan Pegawai Administrasi Departemen Teknik Kimia yang telah memberikan banyak sekali ilmu yang sangat berharga kepada penulis
8. Melina Widyawati atas kerjasamanya yang baik hingga akhir selama melakukan penelitian dan penulisan skripsi ini.
9. Sari Liza Azura Nst (Icha) yang memberikan dukungan dan semangat secara spesial kepada penulis.
10. Sahabat-sahabat terbaikku di Teknik Kimia, DJLAWR (Dwimas, Winda, Ayu, Juli), dan semua stambuk 2010 serta senior-senior yang memberikan banyak dukungan dan semangat kepada penulis.
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Nama : Ricky Afrianto NIM : 100405018 Tempat, tanggal lahir : Medan, 6 Februari 1993 Nama orang tua : Aminur Fajar Tanjung, ST dan Afriani Guchi Alamat orang tua : Jl. Puri No. 154/94 Medan
Asal Sekolah: SD Nurul Huda 2 YAPIS Jayapura 1998-2004 SMP Negeri 3 Medan tahun 2004 – 2007 SMA Negeri 1 Medan tahun 2007 – 2010 Beasiswa yang diperoleh:
Beasiswa BTN tahun 2012 Pengalaman Kerja dan Organisasi: 1.
Covalen Study Group (CSG) periode 2012-2013 sebagai Ketua Bidang Peningkatan Akademik dan Literatur (PAL) 2. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2012/2013 sebagai Anggota Bidang Penelitian dan
Pengembangan (Litbang) 3. Asisten Laboratorium Kimia Organik Departemen Teknik Kimia
FT USU tahun 2012-2014 modul Karbohidrat, Alkohol-Fenol, Nitrasi, dan Penentuan Kadar Alfa Selulosa.
4. Asisten Peneliti dalam Penelitian Upgrade Kinerja Enzim Dalam Produksi Biodiesel Sawit tahun 2013
Artikel yang akan dipublikasikan dalam seminar internasional: 1.
Recycleable of Lipozyme in Biodiesel Synthesis from CPO
th
Through Interesterification Process pada seminar 27 Symposium of Malaysian Chemical Engineers (SOMChE 2014) in
st
Conjunction with 21 Regional Symposium on Chemical Engineering (RSCE 2014) yang akan berlangsung di Selangor, Malaysia pada 29-30 Oktober 2014.
2. Synthesis Biodiesel from Palm Oil Through Interesterification Using Immobilized Lipase Enzym as Catalyst: The Effect of Amount of Biocatalyst, Molar Ratio of Reactant, Temperature to Yield pada seminar International Conference on Education, Concept, and Application of Green Technology (ICGT’14) yang akan berlangsung di Semarang, Jawa Tengah pada 2-3 September 2014.
ABSTRAK
Sintesis biodiesel menggunakan enzim lipase terimobilisasi cukup menjanjikan karena kemampuannya yang dapat memperbaiki kelemahan penggunaan katalis alkali seperti tidak terjadinya reaksi samping (terbentuknya sabun) dan pemisahan katalis dengan produk lebih mudah serta keuntungan yang paling signifikan yaitu dapat dipakai ulang. Umumnya produksi biodiesel enzimatis yang telah dikaji oleh peneliti sebelumnya menggunakan refined oil sebagai bahan baku sedangkan penggunaan refined oil sebagai bahan baku mengakibatkan biaya produksi biodiesel enzimatis menjadi sangat mahal dibandingkan dengan biaya produksi bahan bakar fosil pada umumnya. Kajian penggunaan ulang enzim dalam hal ini
Lipozyme untuk menghasilkan biodiesel menggunakan Crude Palm Oil (CPO)
sebagai bahan baku telah dilakukan. Dilakukan proses degumming terhadap
Crude Palm Oil (CPO) Sebagai pretreatment untuk menghilangkan impurities
yang berupa gum dan senyawaan fosfatida. Proses degumming ternyata juga menurunkan kadar ALB (Asam Lemak Bebas) sebesar 14,33%. Proses degumming ini harus dilakukan karena gum dan senyawaan fosfatida teradsorp kuat pada permukaan Lipozyme. Dalam penelitian ini, disajikan hasil penelitian sintesis biodiesel dari Crude Palm Oil (CPO) dengan jalur interesterifikasi (penggunaan metil asetat sebagai aseptor asil) menggunakan Lipozyme yang dipakai ulang sebagai katalis dalam reaktor batch sehingga diperoleh biodiesel sebagai produk, yang dianalisis menggunakan Gas Chromatography (GC). Sebagai kajian dalam penelitian ini, dibahas mengenai penurunan aktivitas enzim lipase yang dipakai ulang dilihat dari perolehan yield biodiesel. Penurunan aktivitas enzim lipase terbaik yang diperoleh pada penelitian ini yaitu sebanyak 16,76% setelah digunakan sebanyak 3 kali dengan kondisi rasio molar 1:4, suhu
o
reaksi 45 C dan Lipozyme sebanyak 26%. Pengaruh rasio molar Crude Palm Oil (CPO) dan jumlah Lipozyme yang digunakan diselidiki sebagai penyebab terjadinya penurunan aktivitas enzim setelah digunakan ulang.
Kata kunci : CPO, Lipozyme, biodiesel enzimatis, penggunaan ulang enzim, penurunan aktivitas lipase
ABSTRACT
Synthesis of biodiesel using immobilized lipase is promising because of its ability to fix the disadvantages of using an alkali catalyst such as non-occurrence of side reactions (formation of soap) and separation of the catalyst from product more easily, and most significant advantage is that it could be recycle. Usually, enzymatic biodiesel production has been studied by previous researchers using refined oil as feedstock. Cost of biodiesel produced from refined oil is higher than fossil fuel. Recycled Lipozyme to produced biodiesel from Crude Palm Oil (CPO) as feedstock has been investigated. Degumming process for crude palm oil as a pretreatment has done to removed impurities in form of gum and phosphatides compound Degumming process was also decreased content of FFA reaches 14.33 %. Degumming process has to be done because gum and phosphatides compounds strongly adsorbed on the surface of Lipozyme . In this research, synthesis of biodiesel from Crude Palm Oil (CPO) through interesterification (using of methyl acetate as acyl acceptor) and recycled lipozyme as catalysts in a batch reactor to obtain biodiesel as product were analyzed using Gas Chromatography (GC). As a study in this research, discussed the decreasing of lipase activity while recycled that seen from the acquisition yield of biodiesel as a result. The best result showed that decreasing lipase activity obtained in this research was 16.76 % after 3 times with the conditions of 1:4 molar ratio, temperature of reaction 45 ° C and amount of Lipozyme was 26%. The effect of molar ratio and amount of Lipozyme were investigated as the cause of decrease in enzyme activity after recycled. Keywords : CPO, Lipozyme, enzymatic biodiesel, recycled enzyme, decreasing of lipase activity
Halaman
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i PENGESAHAN ii
PRAKATA iii
DEDIKASI iv
RIWAYAT HIDUP PENULIS vi
ABSTRAK vi
ABSTRACT vii
DAFTAR ISI vii
DAFTAR GAMBAR xi
DAFTAR TABEL xiv
DAFTAR LAMPIRAN xv
DAFTAR SINGKATAN xvii
DAFTAR SIMBOL xviii
BAB I PENDAHULUAN
1
1.1 LATAR BELAKANG
1
1.2 PERUMUSAN MASALAH
2
1.3 TUJUAN PENELITIAN
2
1.4 MANFAAT PENELITIAN
3
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN
3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA
5
2.1 BIODIESEL
5
2.2 PROSES SINTESIS BIODIESEL
7
2.2.1 Proses Transesterifikasi
7
2.3 ENZIM LIPASE
9
2.4 IMOBILISASI ENZIM
11
2.4.1
13 Metode Adsorpsi
2.4.2
13 Metode Penjeratan dan Pengkapsulan
2.4.3
14 Metode Covalent Attachment
2.5 POTENSI EKONOMI BIODIESEL DARI CPO
15 BAB III METODOLOGI PENELITIAN
17
3.1
17 LOKASI DAN WAKTU PENELITIAN
3.2
17 BAHAN DAN PERALATAN
3.2.1
17 Bahan Penelitian
3.2.2
17 Peralatan Penelitian
3.3 RANCANGAN PERCOBAAN
18
3.4 PROSEDUR PENELITIAN
19
3.4.1 Prosedur Degumming CPO
19
3.4.2 Prosedur Utama
19
3.4.3 Prosedur Analisis
20
3.4.3.1 Analisis Aktivitas Enzim Lipase dengan
20 Metode Hidrolisis
3.4.3.2 Analisis Kadar Free Fatty Acid (FFA) Bahan Baku 20 CPO dengan Metode Tes AOCS Official Method Ca 5a-40
3.4.3.3 Analisis Komponen Asam Lemak Dalam Bahan
21 Baku CPO dan Biodiesel yang dihasilkan menggunakan GCMS
3.4.3.4 Analisis Viskositas Biodiesel yang Dihasilkan
21 dengan Metode Tes ASTM D 445
3.4.3.5 Analisis Densitas Biodiesel yang dihasilkan dengan 21 Metode Tes OECD 109
3.4 FLOWCHART PENELITIAN
22
3.5.1 Flowchart Prosedur Degumming CPO
22
3.5.2 Flowchart Prosedur Utama
22
3.5.3 Analisis Aktivitas Enzim Lipase dengan Metode Hidrolisis
23
3.5.4 Analisis Kadar Free Fatty Acid (FFA) Bahan Baku CPO
24 dengan Metode Tes AOCS Official Method Ca 5a-40 Metode Tes ASTM D 445
3.5.6 Analisis Densitas Biodiesel yang Dihasilkan dengan
25 Metode Tes OECD 109
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
26
4.1 ANALISIS BAHAN BAKU CPO (CRUDE PALM OIL)
26
4.2 PEMAKAIAN ULANG (RECYCLE) LIPOZYME
30
4.2.1 Pengaruh Rasio Molar Reaktan Terhadap Penurunan Yield 32 Biodiesel Akibat Pemakaian Ulang (Recycle) Lipozyme
4.2.2 Pengaruh Jumlah Biokatalis Terhadap Penurunan Yield
33 Akibat Pemakaian Ulang (Recycle) Lipozyme
4.3 ANALISIS AKTIVITAS ENZIM LIPOZYME
35
4.4 SIFAT FISIK DARI BIODIESEL
36
4.4.1 Analisis Densitas
36
4.4.2 Analisis Viskositas Kinematik
36 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
38
5.1 KESIMPULAN
38
5.2 SARAN
38 DAFTAR PUSTAKA
39
DAFTAR GAMBAR
Gambar 4.5 Skema Sisi Aktif Lipozyme yang Tertutup oleh InhibitorGambar 4.2 Kromatogram Hasil Analisis GC Komposisi Asam Lemak27 CPO
Gambar 4.3 Reaksi Interesterifikasi Triasilgliserol Menggunakan Lipase28 Spesifik sn-1,3 (A,B,C,X = Asam Lemak / Gugus Asil)
Gambar 4.4 Hubungan Jumlah Pemakaian Terhadap Perolehan Yield30 Biodiesel
31 Gambar 4.6 Pengaruh Rasio Molar Reaktan Terhadap Penurunan Yield
25 Gambar 4.1 Analisis Kadar FFA terhadap CPO Sebelum dan Sesudah
32 Biodiesel Akibat Pemakaian Ulang (Recycle) Biokatalis
Gambar 4.7 Variabel Korelasi Menggunakan Software SPSS32 Gambar 4.8 Pengaruh Jumlah Biokatalis Terhadap Penurunan Yield
33 Biodiesel Akibat Pemakaian Ulang (Recycle) Biokatalis
Gambar 4.9 Variabel Korelasi Menggunakan Software SPSS34
26 Degumming
Halaman
Gambar 2.1 Reaksi Transesterifikasi Trigliserida dengan Metanol14 Pengkapsulan
8 Gambar 2.2 Reaksi Interesterifikasi Trigliserida dengan Metil Asetat
9 Gambar 2.3 Bagan Struktur Molekul Enzim
10 Gambar 2.4 Mekanisme Kerja Enzim
10 Gambar 2.5 Mekanisme Kinerja Lipase Terimobilisasi
12 Gambar 2.6 Imobilisasi Enzim dengan Metode Adsorpsi
13 Gambar 2.7 Imobilisasi Enzim dengan Metode Penjeratan dan
Gambar 2.8 Imobilisasi Enzim dengan Metode Covalent AttachmentGambar 3.5 Flowchart Analisis Viskositas Biodiesel yang Dihasilkan14 Gambar 3.1 Flowchart Prosedur Degumming CPO
22 Gambar 3.2 Flowchart Prosedur Utama
23 Gambar 3.3 Flowchart Analisis Aktivitas Enzim Lipase dengan Metode
23 Hidrolisis
Gambar 3.4 Flowchart Analisis Kadar Free Fatty Acid (FFA) Bahan Baku 24CPO
25 Gambar 3.6 Flowchart Analisis Densitas Biodiesel yang Dihasilkan
Gambar 4.10 Diagram Aktivitas Enzim oleh Lipozyme Sebelum Pemakaian 35 dan Setelah Pemakaian IIIGambar L4.1 Proses Degumming CPO
53 Gambar L4.2 Proses Interesterifikasi
53 Gambar L4.3 Hasil Interesterifikasi
54 Gambar L4.4 Penyaringan Enzim
54 Gambar L4.5 Proses Destilasi
55 Gambar L4.6 (a) Biodiesel yang Dihasilkan, (b) Penyimpanan Biodiesel
55 dalam Botol Gambar L4.7 (a) Lipozyme Sebelum Dipakai, (b) Lipozyme Setelah Dipakai, 55
(c) Analisis Aktivitas Enzim, (d) Penyimpanan Lipozyme dalam Botol Gambar L4.8 Analisis Densitas
56 Gambar L4.9 Analisis Viskositas
57 Gambar L5.1 Kromatogram Standar GC-MS CPO (Crude Palm Oil)
58 Gambar L5.2 Hasil Analisis Kromatogram GC-MS Asam Lemak CPO
59
(Crude Palm Oil)
Gambar L5.3 Kromatogram Standar GC Biodiesel
60 Gambar L5.4 Kromatogram Standar GC Biodiesel
61 Gambar L5.5 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 1 Pemakaian I 62 Gambar L5.6 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 1 Pemakaian II 63 Gambar L5.7 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 1 Pemakaian III64 Gambar L5.8 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 2 Pemakaian I 65 Gambar L5.9 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 2 Pemakaian II 66 Gambar L5.10 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 2
67 Pemakaian III Gambar L5.11 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 3
68 Pemakaian I Gambar L5.12 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 3
69 Gambar L5.13 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 3
70 Pemakaian III Gambar L5.14 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 4
71 Pemakaian I Gambar L5.15 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 4
72 Pemakaian II Gambar L5.16 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 4
73 Pemakaian III Gambar L5.17 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 5
74 Pemakaian I Gambar L5.18 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 5
75 Pemakaian II Gambar L5.19 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 5
76 Pemakaian III Gambar L5.20 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 6
77 Pemakaian I Gambar L5.21 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 6
78 Pemakaian II Gambar L5.22 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 6
79 Pemakaian III Gambar L5.23 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 7
80 Pemakaian I Gambar L5.24 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 7
81 Pemakaian II Gambar L5.25 Hasil Analisis Kromatogram GC Biodiesel Run 7
82 Pemakaian III
DAFTAR TABEL
36 Tabel 4.4 Hasil Analisis Viskositas Biodiesel
49
48 Tabel L.2.4 Hasil Analisis Aktivitas Enzim Berdasarkan Persen Hidrolisa CPO
48 Tabel L.2.3 Hasil Yield dan Total Penurunan Yield Biodiesel
48 Tabel L.2.2 Hasil Analisis Viskositas Biodiesel
47 Tabel L.2.1 Hasil Analisis Densitas Biodiesel
46 Tabel L1.3 Kadar Free Fatty Acid (FFA) CPO
46 Tabel L1.2 Komposisi Trigliserida CPO
37 Tabel L1.1 Komposisi Asam Lemak CPO
37 Tabel 4.5 Viskositas Kinematik Biodiesel
Halaman
Tabel 1.1 State of The Art Penggunaan Enzim Lipase dalam Reaksi-Reaksi 128 Tabel 4.2 Komposisi Asam Lemak Jenuh dan Tak Jenuh
18 Tabel 4.1 Komposisi Asam Lemak dari CPO (Crude Palm Oil)
Tabel 3.1 Rancangan Percobaan Penelitian9 Tabel 2.4 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kinerja Enzim Terimobilisasi 12
Tabel 2.3 Sifat Fisika dan Sifat Kimia Metil Asetat7 Tahun 2000-2010
6 Tabel 2.2 Perkembangan Volume dan Nilai Ekspor CPO Indonesia pada
2 Tabel 2.1 Komposisi Kandungan Utama Crude Palm Oil (CPO)
Tabel 1.2 State of The Art Sintesis Biodiesel Menggunakan BiokatalisKimia
29 Tabel 4.3 Hasil Analisis Densitas Biodiesel