STUDI PENGARUH VARIABEL SUHU OPERASI DALAM PROSES HIDROLISA MINYAK JARAK Inggit Prillasari, Nadya Alfa Cahaya Imani, Shafrizal, Yohan Ade Sugiharto Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik,Universitas Diponegoro, Semarang Jl. Prof. Soedarto – Soedarto – 50239 50239 Semarang, Telp./Fax. 024-7460058
ABSTRAK Lemak dan minyak adalah trigliserida yang berarti triester dari gliserol. Hidrolisa merupakan pengikatan gugus OH oleh suatu senyawa, gugus OH dapat diperoleh dari air. Pada hidrolisa minyak jarak air memecah gugus alkil dalam trigliserida minyak menjadi asam lemak dan gliserol. Faktor-faktor yang mempengaruhi hidrolisa minyak jarak adalah suhu, pengadukan, katalis, dan perbandingan reaktan. Tujuan percobaan adalah mempelajari pengaruh suhu terhadap konversi, konstanta laju reaksi, dan konstanta kesetimbangan reaksi. Variabel berubah yang digunakan adalah suhu (65°C,75°C). Dari percobaan dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi suhu operasi maka semakin besar konversinya, konversinya, konstanta laju reaksinya, dan konstanta kesetimbangan reaksinya pula. Kata Kunci: hidrolisa, minyak jarak, suhu ABSTRACT Fats and oils are triglyceride which means triester of glycerol. Hydrolisis is a process of binding the OH by a compound, the OH can be obtained from water. On castor oil hydrolisis, the water will break an alkyl group in oil’s triglyceride into fatty acid and glycerol. Factors affecting the castor oil hydrolisis are temperature, stirring, the catalyst, and the reactant comparison. The purposes of this experiment are to study the effect of temperature on the conversion, the constant of reaction rate, and the constant of reaction equilibrium. The changing variabel used is the temperatures (65°C,75°C). From the experiment experiment we can conclude that the higher the operation operation temperature, temperature, the conversion, conversion, the constant of reaction rate, and the constant of reaction equilibrium are also higher.
Keywords: hydrolisis, castor castor oil, temperature temperature
Pohon jarak (Ricinus communis) merupakan salah satu jenis tanaman Latar Belakang penghasil nonedible oil. Hasil utama dari pohon jarak adalah bijinya, apabila Lemak dan minyak adalah trigliserida dikeringkan biji jarak akan menghasilkan yang berarti triester (dari) gliserol. minyak jarak. Hidrolisis minyak jarak Perbedaan antara suatu lemak adalah pada menjadi asam lemak dan gliserol dilakukan temperatur kamar, lemak akan berbentuk dengan cara memanaskan campuran minyak padat dan minyak berbentuk cair. Sebagian jarak dan sedikit asam sulfat. Asam lemak besar gliserida pada hewan merupakan lemak yang diperoleh dari hidrolisis suatu minyak yang biasa disebut lemak hewani. Sedangkan atau lemak umumnya mempunyai rantai gliserida dalam tumbuhan cenderung berupa karbon panjang dan tidak bercabang. minyak dan disebut sebagai minyak nabati.
PENDAHULUAN
Penggunaan langsung minyak jarak terbatas pada industri genteng, obat-obatan, minyak rem, dan minyak lincir.
- Kecepatan difusi air ke fase minyak: -rA = k 1a (CA* - CA1) mgrek/gminyak/menit …(1) Dengan :
Tujuan Percobaan
Tujuan dari percobaan yang dilakukan adalah agar mahasiswa mampu menjelaskan mengenai pengaruh waktu dan suhu operasi terhadap konversi hidrolisa (katalis HCl), pengaruh suhu terhadap konstanta kecepatan reaksi, serta pengaruh suhu terhadap konstanta kesetimbangan reaksi
CA = konsentrasi air di fase minyak yang seimbang dengan konsentrasi air pada fase air atau CA* = k C A2 CA1 = konsentrasi air di fase minyak , mgrek / g minyak CA2 = konsentrasi air di fase air k 1a
LANDASAN TEORI Hidrolisis Minyak secara Umum
Hidrolisis merupakan pengikatan gugus hidroksil (-OH) oleh suatu senyawa. Gugus – OH dapat diperoleh dari air. Hidrolisis dapat digolongkan menjadi hidrolisis murni, hidrolisis katalis asam, hidrolisis katalis basa, gabungan alkali dengan air, dan hidrolisis dengan katalis enzim. Berdasarkan fase reaksi hidrolisis dikelompokkan menjadi hidrolisis fase cair dan fase uap.
= konstanta kecepatan difusi air ke fase -1 minyak, menit
- Kecepatan reaksi di fase minyak: …(2) rA = rB = k r CA1 CB Dengan : CA1 = konsentrasi air pada fase minyak CB
= konsentrasi minyak / trigliserida
Untuk mencari langkah yang mengontrol pada kinetika reaksi, disusun neraca massa air dan neraca massa minyak di fase minyak sebagai berikut : Neraca massa air dalam fase minyak :
Hidrolisis minyak nabati dapat dilakukan pada tekanan rendah tetapi reaksinya berlangsung lambat, sehingga memerlukan katalisator, misalnya H 2SO4. Katalisator tidak diperlukan jika hidrolisis dilakukan pada tekanan sangat tinggi yaitu o 700 psia dan 485 F (Groggins,1985) dan konversi yang dicapai lebih dari 90%. Pada proses hidrolisis, air memecah gugus alkil dalam trigliserida minyak menjadi asam lemak dan gliserol.
= k 1a (CA* - CA1) – k r CA1 CB
…(3)
Asumsi : dengan adanya pengadukan, kecepatan transfer massa pada persamaan di atas [k 1a (CA* - CA1)] dianggap jauh lebih besar daripada kecepatan reaksi kimia [k r CA1 CB] maka dianggap hanya kecepatan reaksi kimia saja yang menentukan kecepatan reaksi keseluruhan. Neraca massa minyak dalam fase minyak :
Pada reaksi dengan air, reaksi dimungkinkan terjadi pada fase cair dan fase minyak, akan tetapi menurut Lascaray (1949), reaksi pada fase minyaklah yang dominan, sehingga kinetika reaksi ditentukan oleh kecepatan difusi air ke dalam fase minyak dan reaksi antara air dan minyak di fase minyak yang dapat disajikan ke dalam persamaan matematik.
= – k r CA1 CB
…(4)
Bila jumlah air berlebihan dan transfer massa air ke fase minyak sangat cepat, maka fase minyak dianggap selalu * jenuh dengan air, maka C A1 = CA yang
bernilai konstan pada suhu tertentu, k 1 CA1 = k’ sehingga :
-rB = -k’ CB
= -k’ CB ∫ = - k’ ∫ = - k’ t ln
…(5) …(6)
= banyaknya trigliserida suatu saat = CB0 – banyaknya asam lemak bebas yang terjadi, mgrek/gr minyak
maka
= = (1 – X) X=
ln (1-X) = - k t
,
…(7) …(8) …(9)
Dengan: k
= konstanta kecepatan reaksi tingkat -1 satu, j
t
= waktu reaksi, j
Nilai konstanta kecepatan reaksi kimia sebagai fungsi suhu dapat dinyatakan dengan persamaan Arrhenius : k = Ae
-Ea/RT
Dengan : k
= konstanta kecepatan reaksi, j
T
= suhu K
o
Ea
= energi aktivasi
Minyak jarak merupakan minyak nabati yang diperoleh dengan cara pemerasan dari tanaman Ricinus communis, kegunaan langsung minyak jarak terbatas pada industri genteng, obat – obatan , minyak rem, minyak lincir.
CB0 = banyaknya trigliserida mula – mula , mgrek/gr minyak
Bila X =
= tetapan gas
Minyak Jarak
Dengan:
CB
R
-1
Sifat fisik dari minyak jarak adalah cairan tidak berwarna atau berwarna kuning pucat, bau lemak, rasa sedikit menggigit, viskositas tinggi dan bilangan asam akan tinggi sesuai dengan waktu yang ditandai dengan biji rusak dan cara pemerasan yang tidak baik. Sifat kimia dari minyak jarak adalah mengandung 46 – 53% minyak. Minyak jarak mengandung 80% gliserida, asam asinolat, stearat isoresinolat, dihidroksi stearat dan palmiat. Minyak jarak juga mengandung 20% protein, 0,2 alkaloid piridin beracun, risinin serta enzim lipase minyak jarak mengandung zat toksin risin.
Hidrolisis Minyak Jarak
Hidrolisis minyak jarak menjadi asam – asam lemak dan gliserol dilakukan dengan cara memanaskan campuran minyak jarak dan sedikit asam sulfat di dalam sebuah labu leher tiga. Pemanasan dilangsungkan sampai suhu yang diinginkan sebelum air panas dimasukkan. Contohnya diambil setiap waktu tertentu (10 menit) untuk dianalisis asam bebasnya, kecepatan hidrolisis terutama ditentukan oleh kecepatan reaksi antara air dan trigliserida di fase minyak. Penggunaan air yang berlebihan memungkinkan fase minyak selalu jenuh dengan air sehingga reaksi hidrolisis bertingkat satu semu terhadap konsentrasi gliserida.
Faktor-faktor yang Mempengaruhi Hidrolisis Minyak Jarak 1. Suhu Kenaikan suhu akan memperbesar nilai konstanta kecepatan reaksi. Suhu yang semakin tinggi akan memperbesar kelarutan air di dalam fase minyak, sehingga makin banyak pula trigliserida yang bereaksi. Menurut Rahayu (1999) hubungan antara konstanta kecepatan reaksi dengan suhu dapat dinyatakan dengan persamaan : 8 -8022/T
k = 1,2515 . 10 e Dengan:
= 1,2515 e
4. Perbandingan Zat Pereaksi Bila salah satu zat pereaksi berlebihan jumlahnya, kesetimbangan dapat bergeser ke sebelah kanan dengan baik. Begitu pula sebaliknya, jika produk diambil, reaksi akan bergeser ke kanan. Reaksi kimia hidrolisa minyak jarak dan rumus bangunnya
-15939/RT
k = konstanta kecepatan reaksi o
T = suhu absolut K o
R = tetapan gas = 1,987 cal/gmol K 2. Katalisator Katalisator yang dipakai dapat berupa enzim atau asam. Katalisator pada percobaan ini dipilih katalisator asam. Semakin banyak katalis asam yang ditambahkan, konversi akan semakin besar demikian juga terhadap konstanta kecepatan reaksinya. Bila katalisator makin banyak, makin banyak pula molekul – molekul trigliserida yang teraktifkan. Menurut Rahayu (1999) hubungan antara konstanta kecepatan reaksi (K c) dengan konsentrasi asam (c) mgmol H 2SO4 / gr minyak dapat dinyatakan dengan persamaan : 13
Kc = 0,14525 c Dengan c = mgmol H 2SO4 / grminyak 3. Pencampuran Agar zat dapat saling bertumbukan dengan baik, perlu adanya pencampuran. Untuk proses batch, hal ini dapat dicapai dengan bantuan pengaduk. Apabila prosesnya kontinyu, pengadukan dilakukan dengan cara mengatur aliran dalam reaktor agar terjadi olakan.
(Khairat;Syamsu Herman. 2004. “Kinetika Reaksi Hidrolisis Minyak Sawit dengan Katalisator Asam Klorida”. Jurnal Natur Indonesia 6(2): 118-121 (2004)ISSN 1410-9379) Emulsifier atau zat pengelmusi adalah zat untuk membantu menjaga kestabilan emulsi minyak dan air. Cara kerja emulsifier : Gugus non polar emulsifier akan mengikat minyak (partikel minyak dikelilingi) sedangkan air akan terikat kuat oleh gugus polar pengelmusi tersebut Bagian polar kemudian akan terionisasi menjadi muatan negatif, hal ini menyebabkan minyak juga menjadi bermuatan negatif Partikel minyak kemudian akan tolak menolak sehingga dua zat yang pada awalnya tidak dapat larut tersebut menjadi stabil http://id.wikipedia.org/wiki/Emulsifier
METODOLOGI PERCOBAAN Bahan dan Alat yang Digunakan
1. Bahan yang Digunakan Bahan yang digunakan dalam percobaan ini adalah minyak jarak, aquadest, katalis HCl (25%/Merck), NaOH teknis (PT. BRATACO CHEMIKA), alkohol (96%), surfaktan Sunlight (PT. UNILEVER Tbk) dan indikator titrasi yaitu PP. 2. Alat Percobaan Adapun alat yang dipakai adalah labu leher tiga, statif, klem, buret, heater, magnetic stirrer, thermometer, pendingin balik, waterbath, dan erlenmeyer.
Densitas Katalis Timbang picnometer kosong (m1), masukkan HCl teknis dilaboratorium kedalam picnometer yang telah diketahui volumenya (V), timbang beratnya (m2). Hitung densitas katalis HCl.
B. Analisa Kadar Asam Lemak dalam Bahan Baku Masukkan 5 mL minyak jarak ke dalam Erlenmeyer. Tambahkan 15 mL alkohol 96% dan panaskan sambil diaduk o pada suhu 60 C. Tambahkan 3 tetes indikator PP dan titrasi dengan NaOH sampai warna berubah menjadi merah muda. Catat kebutuhan titran.
Variabel Operasi
a. Variabel tetap Variabel tetap yang digunakan adalah basis campuran total sebanyak 300 ml, volume emulsifier 5 ml, interval waktu pengambilan sampel 5 menit, NaOH 0,1 N sebanyak 100 ml, alkohol, katalis HCl 0,2 N, perbandingan minyak:air = 1:3 b. Variabel berubah Sedangkan variabel berubahnya 0 adalah suhu operasi yaitu T 1= 65 C dan 0 T2=75 C. Respon Uji Hasil
Respon yang diambil berupa kadar asam lemak bebas yang terbentuk sebagai hasil dari hidrolisa minyak jarak, sehingga besarnya konversi dan konstanta kecepatan reaksi dapat ditentukan. Prosedur Percobaan
A. Menghitung densitas Densitas Minyak Jarak Timbang picnometer kosong (m1), masukkan minyak jarak kedalam picnometer yang telah diketahui volumenya (V), timbang beratnya (m2). Hitung densitas minyak jarak.
C. Hidrolisa Minyak Jarak Masukkan minyak jarak ke dalam labu leher tiga. Masukkan katalis HCl 0,2 N ke dalam labu leher tiga. Alirkan air pendingin selama proses hidrolisa. Panaskan o campuran tersebut sampai suhu 75 dan 65 C kemudian menambahkan aquadest yang telah dipanaskan ke dalam labu leher tiga dan emulsifier (sabun) 5 ml. Ambil sampel dalam selang waktu 5 menit untuk dianalisa asam lemak dan asam total selama 25 menit.
D. Penentuan Kadar Asam Lemak Bebas Masukkan 5 mL minyak jarak yang telah dihidrolisa ke dalam Erlenmeyer. Tambahkan alkohol 96% 15 mL dan dipanaskan sambil diaduk pada suhu o 60 C.Titrasi dengan NaOH: tambahkan 3 tetes indicator PP, kemudian dititrasi sampai warna merah muda. Mencatat kebutuhan titran
HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh Waktu dan Suhu terhadap konversi Hidrolisa 0.12 0.1 ) X ( i s r e v n o k
maka
0.08 0.06 suhu (T) = 75°C
0.04
suhu (T) = 65°C
0.02 0 0
5
10
15
20
25
waktu (menit)
Gambar 4.2.a Grafik Konversi(x) vs Waktu
Dari grafik 4. 2. a dapat dilihat bahwa secara keseluruhan nilai konversi (X) naik seiring dengan bertambahnya waktu, maka kemungkinan kontak antar reaktan semakin besar sehingga semakin banyak jumlah trigliserida yang bereaksi menjadi asam lemak bebas dan meningkatkan nilai konversinya. Hal ini dapat dijelaskan dengan persamaan:
Dari persamaan di atas bila t makin besar maka nilai x juga makin besar. Dengan kata lain bila semakin lama maka nilai konversi makin besar sampai seluruh minyak jarak habis bereaksi (karena air dibuat berlebih) Dari grafik 4.2.a juga dapat dilihat 0 bahwa nilai konversi pada T = 75 C lebih 0 besar dibanding dengan T = 65 C. Hal ini sesuai dengan teori bahwa kenaikan suhu akan menaikkan konstanta kecepatan reaksi, sehingga reaksi yang lebih cepat akan menaikkan nilai konversinya, sesuai dengan persamaan berikut: E/RT
k = A e –
.................(2)
Neraca massa air dalam fase minyak Dimana: k = konstanta kecepatan reaksi dCA dt = kLa C A* - CA1 - kr. CAi. CB
A = faktor tumbukan
Asumsi: dengan adanya pengadukan maka kecepatan transfer massa [kLA C A*CA1] dianggap jauh lebihbesar daripada kecepatan reaksi kimia (kr.C Ai.CB) maka dianggap hanya kecepatan reaksi kimia saja yang menentukan kecepatan reaksi keseluruhan. Persamaan menjadi dC Adt =kr.CAi.CB . Bila jumlah air berlebih dan transfer massa air ke fase minyak sangat cepat maka fase minyak dianggap selalu jenuh air. Maka C A1=CA* yang bernilai konstan pada suhu tertentu, k 1CA1=k* , maka:
E = energi
dimana,
R = ketetapan gas T = suhu Dapat disimpulkan bawa kenaikan suhu akan memperbesar nilai konstanta kecepatan reaksi dan bila dihubungkan dengan persamaan (1) semakin besar harga k maka nilai konversi makin besar.
Reff : Khairat dan Herman S. 2004. “Kinetika Reaksi Hidrolisis Minyak Sawit dengan Katalisator Asam Klorida”.
Pengaruh Suhu dengan Konstanta Kecepatan Reaksi 0.12
R
2
= 0.6223
0.1
R
2
Jika ∆HR bisa dianggap tidak dipengaruhi
= 0.959
0.08 ) X 1 (
=
oleh suhu (perubahan sangat kecil), maka
0.06
n l -
suhu (T) = 75°C 0.04 suhu (T) = 65°C 0.02
∆HR dianggap konstan
0 0
5
10
15
20
25
waktu (menit)
Gambar 4.2.b Grafik – ln(1-X) vs Waktu Dari grafik dapat dilihat bahwa pada 0 variable suhu 75 C nilai konstanta kecepatan -3 reaksinya adalah sebesaer k = 5,983 x 10 , 0 lebih besar daripada variabel suhu 65 C yang -3 hanya sebesar k = 5,119 x 10 . Hal ini sesuai dengan teori di mana kenaikan suhu akan memperbesar nilai konstanta kecepatan reaksi. Suhu yang semakin tinggi akan memperbesar kelarutan air di fase minyak, sehingga semakin banyak pula trigliserida yang bereaksi. Menurut Rahayu (1999) hubungan antara konstanta kecepatan reaksi dengan suhu dapat dinyatakan dengan persamaan: 8
-8022/T
k = 1,2515 x 10 e
= 1,2515 e
Dengan : k 1 = konstanta kesetimbangan pada suhu T1 k 0 = konstanta kesetimbangan pada suhu T0 T1 = suhu reaksi T0 = suhu standart ∆HR = Perubahan enthalpy reaksi
-15939/RT
Jika ∆HR mengalami perubahan cukup besar
Dengan, k = konstanta kecepatan reaksi
terhadap
0
T = suhu absolute K
suhu,
maka
∆HR
tidak
bisa
dianggap konstan, maka: 0
R = tetapan gas = 1,987 cal/gmol K
Reff: Khairat, S. H. 2003. Kinetika Reaksi Hidrolisis Minyak Sawit dengan Katalisator Asam Klorida
Nilai k sebanding dengan T, semakin besar
Pengaruh Suhu terhadap Konstanta
suhu maka nilai k juga semakin besar.
Kesetimbangan Reaksi
Nilai konstanta kesetimbangan (K) besarnya dipengaruhi oleh suhu. Pengaruh suhu terhadap konstanta keseimbangan dapat dinyatakan dengan persamaan:
Reff: Levenspiel, O. 1999. Chemical rd
Reaction Engineering 3 ed. Pg 211-212)
KESIMPULAN Dari percobaan yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa semakin lama hidrolisa maka konversi akan semakin besar. Semakin tinggi suhu operasi maka konversi semakin besar, begitu juga nilai konstanta kecepatan reaksi dan konstanta kesetimbangan reaksi juga semakin besar. Ucapan Terima Kasih
Terima kasih disampaikan kepada Dr. Istadi, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing dan asisten Laboratorium Proses Kimia, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro, Semarang. Referensi Agra, S. B. dan Warnijati S. 1972. “ Hidrolisa Minyak Kelapa dengan Katalisator Asam”. Forum Teknik. 2(1). Hal 31-40
Griflin, R. C. 1927. “Technical Method of Analysis”. 2nd ed. P. 307-311. Mc Graw Hill Book Company. Inc. New York. Khairat, S. H. 2003. “Kinetika Reaksi Hidrolisis Minyak Sawit dengan Katalisator Asam Klorida. Jurnal Nature Indonesia. Levenspiel, O. 1991. “Chemical Reaction rd Engineerting 3 edition. John Wiley and Sons Inc. New York, USA. Pp 211-213 Rahayu, S. 1999. “Hidrolisis Minyak Jarak dengan Katalisator Asam Sulfat”. Prosiding Seminar Nasional Rekayasa dan Proses. Sven, Tj and Chien, T. P. 1991. “Reaction Mechanism of The Acid Hydrolisis of Fatty Oils”. Ind. Eng. Chem, 33.1893
