Sintesis Surfaktan Metil Ester Sulfonat Minyak dari Biji Jarak
J atr opha cuca ucas L.) Pagar ( J
Makalah ini ditulis sebagai pengganti Ujian Akhir Semester mata kuliah Teknologi Kimia Hasil Hutan dan Kebun Dosen Pengampu : Wa Ode Cakra Nirwana, ST., MT.
Oleh : Alfonsina A. A. Torimtubun
115061100111027 115061100111027
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS BRAWIJAYA 2014
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan berkat dan pertolongan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan menyelesaikan penyusunan makalah yang berjudul “Sintesis Surfaktan Metil Ester Sulfonat Minyak Jarak dari Biji Jarak Pagar
J urcas L.)” ini. ( J atr opha curcas Makalah ini di tulis sebagai tugas pengganti Ujian Akhir Semester mata kuliah Teknologi Kimia Hasil Hutan dan Kebun. Tidak lu pa kami mengucapkan terima kasih kepada Ibu Wa Ode Cakra Nirwana selaku dosen pembimbing mata kuliah Teknologi Kimia Hasil Hutan dan Kebun dan kepada segenap pihak yang telah memberikan bimbingan serta arahan selama penulisan makalah ini. Makalah ini berisikan mengenai teknologi pengolahan dan produksi surfaktan metil ester sulfonat dari biji jarak pagar. Harapan penulis semoga makalah ini membantu menambah pengetahuan dan pengalaman bagi para pembaca. Penulis menyadari bahwa makalah ini masih banyak terdapat kekurangan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari para pembaca demi kesempurnaan makalah ini.
Malang, 11 Juni 2014
Penyusun
i
DAFTAR ISI
halaman KATA PENGANTAR.......................................................... ................................................................................ ............................................. ......................... ..i DAFTAR ISI ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. ................................ ......... ii DAFTAR GAMBAR..................................................... ........................................................................... ............................................. ................................ .........iv DAFTAR TABEL .......................................... ................................................................ ............................................ ............................................. ......................... ..v RINGKASAN............................................. .................................................................... ............................................. ............................................. ............................ .....1 BAB I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ............................................. ................................................................... ............................................ ................................ .......... 2 1.2 Tujuan Penulisan .................................................... .......................................................................... ........................................... .....................3 1.3 Manfaat Penulisan ....................................................... ............................................................................. ....................................... .................3 BAB II. PEMBAHASAN 2.1 Jarak Pagar ........................................... .................................................................. ............................................. ....................................... .................4 2.1.1 Morfologi ......................................... ............................................................... ............................................ .................................... .............. 4 2.1.2 Taksonomi................................................... ......................................................................... ............................................ ......................... ...5 2.1.3 Kandungan Kimia ........................................... .................................................................. ........................................... ....................5 2.1.4 Kegunaan Tumbuhan ..................................................... ............................................................................ ............................ ..... 6 2.2 Minyak Jarak .............................................................. ..................................................................................... ........................................ .................6 2.2.1 Sifat Fisis ......................................... ............................................................... ............................................ .................................... ..............7 2.2.2 Komposisi Kimia ............................................ ................................................................... ........................................... ....................7 2.2.3 Kegunaan ......................................... ............................................................... ............................................ .................................... .............. 8 2.3 Pengepresan Minyak Jarak ........................... ................................................. ............................................. ................................ .........9 2.3.1 Pengepresan Hidrolik .......................................... ................................................................. ....................................... ................9 2.3.2 Pengepresan Berulir .............................................................. ................................................................................... .....................10 2.4 Metil Ester ....................................................... .............................................................................. .............................................. ............................ ..... 11 11 2.4.1 Esterifikasi ........................................... ................................................................. ............................................ ................................ .......... 11 11 2.4.2 Transesterifikasi .......................................... ................................................................ ............................................ ......................... ... 12 2.5 Surfaktan Metil Ester Sulfonat (MES) ........................ .............................................. ....................................... .................13 2.5.1 Surfaktan .......................................... ................................................................ ............................................ .................................... ..............13 2.5.2 Tegangan Permukaan ............................................. .................................................................... .................................... .............15 2.6 Proses Sulfonasi ........................................... ................................................................. ............................................ ................................ ..........18 2.7 Produksi Metil Ester Sulfonat ............................................ ................................................................... ................................ .........21
ii
2.7.1 Produksi Metil Ester ..................................................................................21 2.7.2 Produksi Metil Ester Sulfonat ....................................................................23 BAB III. PENUTUP 3.1 Kesimpulan ........................................................................................................26 3.2 Saran .................................................................................................................. 26 DAFTAR PUSTAKA..........................................................................................................27
iii
DAFTAR GAMBAR halaman
Gambar 1. Morfologi jarak pagar ........................................................................................4 Gambar 2. Jatropha curcas L. .............................................................................................5 Gambar 3. Struktur molekul monogliserida, digliserida dan trigliserida ............................6 Gambar 4. Struktur umum molekul asam lemak bebas .......................................................7 Gambar 5. Struktur kimia minyak jarak pagar ....................................................................8 Gambar 6. Alat press hidrolik .............................................................................................9 Gambar 7. Diagram alir pengepresan biji jarak pagar ( Jatropha curcas L.).......................10 Gambar 8. Reaksi esterifikasi antara asam lemak dengan metanol .....................................11 Gambar 9. Reaksi transesterifikasi trigliserida dengan metanol .........................................13 Gambar 10. Gaya-gaya tarik-menarik yang tidak sama pada permukaan zat cair ..............16 Gambar 11. Mekanisme reaksi sulfonasi metil ester ...........................................................19 Gambar 12. Kemungkinan terikatnya reaksi kimia dalam proses sulfonasi........................ 20 Gambar 13. Sintesis metil ester sulfonat .............................................................................20 Gambar 14. Reaksi pembentukan garam (disalt ) ................................................................21 Gambar 15. Flowsheet sintesis metil ester dari reaksi transesterifikasi ..............................22 Gambar 16. Flowsheet sulfonasi metil ester ........................................................................24 Gambar 17. Flowsheet tahap netralisasi dari sintesis metil ester sulfonat .........................25 Gambar 18. Flowsheet tahap pengeringan dari sintesis metil ester sulfonat ....................... 25
iv
DAFTAR TABEL halaman
Tabel 1. Kandungan Kimia Biji Jarak Pagar .......................................................................5 Tabel 2. Komposisi Bahan Kimia Kulit dan Buah Jarak Pagar ..........................................6 Tabel 3. Sifat Fisik Minyak Jarak Pagar..............................................................................7 Tabel 4. Perbandingan Kandungan Minyak Beberapa Tanaman ........................................ 8 Tabel 5. Sifat fisikokimia metil ester bahan baku pembuatan surfaktan MES.................... 12 Tabel 6. Karakteristik surfaktan metil ester sulfonat (MES) ............................................... 17
v
RINGKASAN
Jarak pagar merupakan tumbuhan tropis berupa semak berkayu, salah satu komoditi hasil kebun yang mulai banyak ditanam di Indonesia untuk dimanfaatkan minyaknya. Minyak jarak didapat dari biji jarak pagar yang mengandung sekitar 50% minyak. Minyak jarak pagar ini, selain sebagai bahan baku biodiesel, memiliki potensi lain sebagai bahan dasar pembuatan metil ester sulfonat. Keunggulan minyak jarak sebagai bahan baku pembuatan surfaktan antara lain adalah bersifat terbarukan, lebih ramah lingkungan dalam proses produksi dan aplikasinya, memiliki tingkat detergensi yang baik, serta toleran terhadap ion Ca. Surfaktan merupakan senyawa aktif penurun tegangan permukaan yang dapat diproduksi melalui sintesis kimiawi maupun biokimiawi. Karakterisitik utama surfaktan adalah memiliki gugus polar dan non polar pada molekul yang menurunkan tegangan permukaan, tegangan antarmuka dan meningkatkan kestabilan sistem emulsi. Hal ini membuat surfaktan banyak digunakan dalam berbagai industri, seperti industri sabun, deterjen, produk kosmetika dan produk perawatan diri, farmasi, pangan, cat dan pelapis, kertas, tekstil, pertambangan dan industir perminyakan untuk Enhanced Oil Recovery (EOR). Salah satu surfaktan yang memiliki potensi untuk dikembangkan dari minyak jarak pagar adalah surfaktan Metil Ester Sulfonat (MES). MES dikelompokkan sebagai surfaktan anionik. MES diproduksi dari sulfonasi metil ester (ME) menggunakan agen pensulfonasi seperti asam sulfat, sulfit, NaHSO3, oleum, dan gas SO 3. Proses produksi MES dilakukan dalam 3 tahap yaitu pengepresan untuk mendapatkan minyak jarak dengan metode penekanan hidrolik, kedua yaitu pembentukan metil ester melalui reaksi transeterifikasi dan tahap ketiga adalah reaksi sulfonasi untuk membentuk MES dari metil ester. Transesterifikasi dilakukan untuk mengkonversi asam lemak bebas menjadi metil ester. Proses sulfonasi menggunakan agen sulfnoasi yaitu gas SO 3. Proses ini menghasilkan Methyl Ester Sulfonic Acid (MESA) sebagai produk antara sebelum akhirnya menjadi MES. Keunggulan gas SO 3 sebagai agen pensulfonasi antara lain bersifat lebih reaktif, tidak dihasilkan limbah pada prosesnya, serta proses dapat dilakukan secara kontinyu. Kata kunci : jarak pagar, surfaktan, metil ester sulfonat
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Jarak Pagar ( Jatropha curcas L.) merupakan tanaman tahunan yang belum banyak dibudidayakan secara komersial. Jarak pagar sangat berpotensi sebagai penghasil minyak nabati karena dapat diolah menjadi bahan bakar pengganti minyak bumi (biodiesel). Namun selama ini tanaman jarak pagar tidak mendapat perhatian khusus karena penerapan kebijakan subsidi yang sangat besar untuk bahan bakar minyak (BBM), sehingga mengolah minyak jarak tidak menguntungkan. Kini saatnya kita mulai memanfaatkan potensi jarak pagar lebih maksimal (Hikmah, 2010). Biji jarak terdiri dari 60% daging biji (kernel) dan 40% kulit. Daging biji jarak pagar mengandung sekitar 50% minyak sehingga dapat diekstraksi menjadi minyak jarak dengan cara mekanis ataupun ekstraksi dengan pelarut seperti heksana. Viskositas minyak jarak pagar lebih kecil dibandingkan minyak nabati lainnya. Komponen terbesar minyak jarak adalah trigliserida yang mengandung asam lemak oleat dan linoleat (Hambali, 2006). Trigliserida dalam minyak jarak dapat diolah menjadi metil ester yang dapat digunakan untuk membuat surfaktan Methyl ester sulfonat (MES) melalui proses sulfonasi metil ester (Foster, 1996). Surfaktan atau surface active agent merupakan senyawa aktif yang dapat menurunkan tegangan permukaan dan tegangan antarmuka yang dapat diproduksi melalui sintesis kimiawi maupun biokimiawi. Surfaktan memiliki banyak kegunaan antara lain sebagai
bahan
penggumpal,
pembasah,
pembusaan,
dan
emulsifier.
Surfaktan
dikelompokkan menjadi empat kelompok berdasarkan gugus hidrofiliknya yaitu surfaktan anionik, kationik, amfoterik, dan nonionik. Methyl ester sulfonic acid (MESA) termasuk dalam kelompok surfaktan anionik dan apabila dilakukan proses netralisasi dan bleaching terhadap MESA akan diperoleh surfaktan MES. Surfaktan MES banyak dimanfaatkan sebagai bahan aktif pada produk-produk pembersih karena MES memperlihatkan karakteristik dispersi dan sifat detergensi yang baik terutama pada air dengan tingkat kesadahan yang tinggi (hard water ), pada konsentrasi MES yang lebih rendah daya deterjensinya sama dengan petroleum sulfonat, toleransi yang lebih baik terhadap keberadaan kalsium, dan kandungan garam (disalt ) lebih rendah (Matheson 1996).
2
Jenis surfaktan yang paling banyak digunakan adalah surfaktan dari jenis anionik dan nonionik. Menurut Badan Pusat Statistik (2008) bahwa kelompok industri
yang
menggunakan surfaktan antara lain adalah industri sabun dan pembersih (85,93%), industri kimia dasar (4,64%), industri barang plastik lembaran (2,26%), industri kaca lembaran (1,02%) dan 34 kelompok industri lainnya sebanyak 4,04%. Surfaktan tersebut umumnya diproduksi dari minyak bumi sehingga bersifat tidak dapat diperbaharui serta kurang ramah terhadap lingkungan, berbeda dengan surfaktan MES yang sifatnya lebih ramah lingkungan. Oleh karena itu, melalui makalah ini, potensi dari jarak pagar dapat diketahui selain sebagai bahan baku biodiesel, dapat dimanfaatkan pula menjadi surfaktan yang ramah lingkungan dibandingkan dengan surfaktan yang telah ada sebelumnya.
1.2 Tujuan Penulisan
1. Mengetahui potensi lain jarak pagar selain sebagai bahan baku biodiesel 2. Mengetahui proses ekstraksi minyak jarak 3. Mengetahui dan memahami proses sintesis metil ester melaui reaksi transesterifikasi 4. Mengetahui dan memahami proses sintesis metil ester sulfonat
1.3 Manfaat Penulisan
Manfaat dari penulisan makalah ini adalah sebagai berikut : 1. Sebagai sumber informasi pemanfaatan minyak jarak pagar ( Jatropha curcas L.) sebagai bahan pembuatan surfaktan, selain bahan bakar minyak.
2. Memberikan sumbangan pengetahuan yang berguna bagi perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, khususnya pengembangan metil ester (biodiesel) berbasis minyak jarak menjadi metil ester sulfonat (surfaktan) sebagai produk di Indonesia yang tidak berdampak terhadap lingkungan dan dapat dimanfaatkan sebesar besarnya bagi kepentingan masyarakat 3. Memberikan informasi tentang adanya nilai tambah jika pabrik biodiesel dapat menghasilkan produk surfaktan yang kebutuhannya cukup banyak.
3
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Jarak Pagar ( J atropha curcas L.)
Jarak pagar merupakan tumbuhan semak berkayu yang banyak ditemukan di daerah tropik. Jarak pagar berasal dari Amerika Tengah, mulai banyak ditanam di Indonesia semenjak masa penjajahan Jepang, bijinya digunakan untuk bahan bakar bagi pesawat tempur Jepang (Satsuki, 1994). Tumbuhan ini dikenal sangat tahan kekeringan dan mudah
diperbanyak dengan stek. Walaupun telah lama dikenal sebagai bahan pengobatan dan racun, saat ini jarak pagar makin mendapat perhatian sebagai sumber bahan bakar hayati karena kandungan minyak bijinya dan semakin banyak pula yang memanfaatkan sebagai surfaktan (Nasution, 2005). Umur jarak pagar dapat mencapai 50 tahun dengan kondisi lingkungan hidupnya pada daerah dengan curah hujan 300-700 mm/tahun (Widodo, 2006). Meskipun demikian, jarak pagar tahan hidup di daerah sangat kering dengan curah hujan 48 – 200 mm/tahun. Jarak pagar dapat tumbuh pada ketinggian 0 – 800 m di atas permukaan laut, dengan suhu rata-rata 20oC – 35oC. pH tanah yang sesuai untuk tanama ini adalah 5,0 – 6,2 (Hanafi, 2010). Produksi biji sangat beragam, mulai dari 0,4 ton/ha/tahun sampai lebih dari 12,5 ton/ha/tahun. Faktor yang dapat mempengaruhi produktivitas antara lain varietas, umur tanaman, pengairan, iklim dan tanah. 2.1.1 Morfologi
Ciri-ciri dari tumbuhan jarak pagar yaitu : Habitus
: Semak, menahun, tinggi 1½-5 m
Batang
: Berkayu, bulat, bercabang, bergetah, putih kotor
Daun
: Tunggal, tersebar, bekas daun tampak jelas, bulat telur, bertoreh, pertulangan menjari, panjang 5-15 cm, lebar 6-16 cm, hijau
Bunga
: Mejemuk, bentuk malai, di ujung batang dan di ketiak daun, kelopak terdiri dari
Gambar 1. Morfologi jarak pagar
lima daun kelopak, bulat telur, panjang ± 4 mm, benang sari mengelompok pada pangkal, kuning, tangkai putik tiga, pendek, hijau, kepala putih 4
melengkung keluar, kuning daun mahkota lima, ungu. Buah
: Kotak, panjang 2-3 cm, hijau
Biji
: Bulat telur, coklat kehitaman
Akar
: Tunggang, putih kotor (Depkes dan Kesejahteraan Sosial RI, 2000).
2.1.2 Taksonomi
Adapun sistematika dari tumbuhan jarak pagar adalah: Kingdom
: Plantae
Divisi
: Spermatophyta
Sub Divisi : Angiospermae Kelas
: Dicotyledonae
Ordo
: Euphorbiales
Famili
: Euphorbiaceae
Genus
: Jatropha
Spesies
: Jatropha curcas L. (Depkes dan Kesejahteraan Sosial RI, 2000)
Gambar 2. Jatropha curcas L.
2.1.3 Kandungan Kimia
Prinsip pembuatan minyak mentah (crude oil ) jarak pagar adalah dengan memisahkan minyak dengan kandungan senyawa lain dalam daging biji atau inti biji dengan cara pengepresan. Kandungan minyak pada jarak pagar sebanyak 25% - 35% pada bijinya dan 50% - 60% pada dagingnya. Biji jarak selain mempunyai kandungan minyak, juga mengandung protein dan senyawa lain, seperti terlihat pada tabel berikut: Tabel 1. Kandungan Kimia Biji Jarak Pagar (Nasution, 2005) Senyawa
Kandungan (%)
Minyak/Lemak
38
Protein
18
Serat
15,5
Air
6,2
Abu
5,3
Karbohidrat
17
Sedangkan komposisi jarak pagar pada kulit dan buah jarak pagar dapat dilihat pada tabel berikut : 5
Tabel 2. Komposisi Bahan Kimia Kulit dan Buah Jarak Pagar (Tambun, 2007) Asam Lemak
Kulit
Buah
Protein kasar
4,3 – 4,5
56,4 – 63,8
Lemak
0,5 – 1,4
1,0 – 1,5
Abu
2,8 – 6,1
9,6 – 10,4
Serat detergen netral
83,9 – 89,4
8,1 – 9,1
Serat detergen asam
74,6 – 78,3
5,7 – 7,0
Lignin detergen asam
45,1 – 47,5
0,1 – 0,4
Jumlah energy (MJ kg-1)
19,3 – 19,5
18,0 – 18,3
2.1.4 Kegunaan Tumbuhan
Daun Jatropha curcas berkhasiat sebagai obat cacing, obat perut kembung dan obat luka. Untuk obat cacing dipakai ± 5 g daun segar Jatropha curcas, ditambah ½ sendok teh minyak kelapa, digerus sampai lumat, dioleskan di sekitar dubur pada waktu akan tidur. (Depkes dan Kesejahteraan Sosial RI, 2000). Bijinya menghasilkan minyak dengan kandungan 38% yang mengandung metil ester sehingga banyak dimanfaatkan sebagai bahan bakar nabati yaitu biodiesel (Tambun, 2005).
2.2 Minyak Jarak Unsur pokok dari minyak nabati adalah trigliserida. Minyak nabati terdiri dari 90-98% trigliserida, asam lemak bebas ( Free Fatty Acid atau biasa disingkat dengan FFA), sejumlah kecil monogliserida dan digliserida, serta beberapa komponen-komponen lain seperti phosphoglycerides, vitamin, mineral atau sulfur (Mittelbach, 2004). Trigliserida adalah triester atau tiga asam lemak dari satu gliserol, yaitu asam-asam karboksilat beratom karbon 6 – 30 yang mengandung sejumlah besar oksigen pada strukturnya. Selain trigliserida, terdapat juga monogliserida dan digliserida. Struktur dari ketiga macam gliserida tersebut dapat dilihat pada gambar 3.
Gambar 3. Struktur molekul monogliserida, digliserida dan trigliserida
6
Struktur asam lemak bebas (FFA) adalah asam lemak yang terpisahkan dari trigliserida, digliserida, monogliserida, dan gliserin bebas. Hal ini dapat disebabkan oleh pemanasan dan terdapatnya air sehingga terjadi proses hidrolisis. Oksidasi juga dapat meningkatkan kadar asam lemak bebas dalam minyak nabati. Dalam proses konversi trigliserida menjadi alkil esternya melalui reaksi transesterifikasi dengan katalis basa, asam lemak bebas harus dipisahkan atau dikonversi menjadi alkil ester terlebih dahulu karena asam lemak bebas akan mengkonsumsi katalis (Tambun, 2005).
Gambar 4. Struktur umum molekul asam lemak bebas
2.2.1 Sifat Fisis
Adapun sifat fisik dari minyak jarak yaitu : Tabel 3. Sifat Fisik Minyak Jarak Pagar (Hambali, 2006) Sifat Fisik
Satuan
Nilai
Titik nyala ( Flash point )
o
236
Densitas pada 15oC
g/cm3
0,9177
Viskositas pada 30oC
mm2/s
49,15
Residu karbon
% (m/m)
0,34
Kadar abu sulfat
% (m/m)
0,00
Titik tuang
o
C
-2,5
Kadar air
ppm
935
Kadar sulfur
ppm
<1
Bilangan Asam
mg KOH/g
4,75
Bilangan Iod
g iod/100 g minyak
96,5
C
2.2.2 Komposisi Kimia
Struktur kimia dari minyak jarak pagar terdiri dari trigliserida dengan rantai asam lemak yang lurus (tidak bercabang), dengan atau tanpa rantai karbon tak jenuh, mirip dengan CPO (Crude Palm Oil ). Struktur kimia dari minyak jarak pagar mempunyai cabang hidroksil, hal ini dapat dilihat pada gambar 5.
7
Gambar 5. Struktur kimia minyak jarak pagar Minyak jarak pagar mempunyai warna kuning terang dan mempunyai bilangan iodium yang tinggi (sekitar 105,2 mg iod/g), yang menunjukkan tingginya hidrokarbon tak jenuh. Hal ini dapat dibuktikan dari hasil uji komposisi asam lemak minyak jarak pagar. Jenis asam lemak minyak jarak pagar mirip dengan jenis minyak lainnya, namun kandungan asam oleat dan linoleatnya berkisar 90%. Perbandingan kemampuan produksi minyak jarak pagar dengan minyak nabati lain, dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4. Perbandingan Kandungan Minyak Beberapa Tanaman (Hambali, 2006)
Nama Tanaman Jagung Gandum Kapas Kedelai Wijen Jarak Kepyar Kemiri Jarak Pagar Alpukat Kelapa Kelapa sawit
Kandungan Minyak per Hektar Kilogram Liter 145 172 183 217 273 325 375 446 585 696 1188 1413 1505 1791 1590 1892 2217 2638 2260 2689 5000 8959
2.2.3 Kegunaan
Bahan kimia yang terkandung dalam tumbuhan jarak pagar diantaranya α-amirin, ampesterol , β -sitosterol , 7-ketosittosterol , dan HCN. Efek farmakologisnya diantaranya melancarkan peredaran darah, menghilangkan bengkak, menghentikan pendarahan, dan menghilangkan gatal (Depkes dan Kesejahteraan Sosial RI3, 2009). Selain itu, terdapat manfaat lain yang dapat dikembangkan yaitu sebagai bahan pembuatan sabun, bahan kimia, biodiesel dan bungkil/ampasnya untuk pupuk organik karena mengandung zat Nitrogen (N) dan bahan-bahan organik lainnya.
8
2.3 Pengepresan Minyak Jarak
Pengepresan mekanik merupakan cara pemisahan minyak dari bahan yang berupa biji-bijian. Cara ini paling sesuai untuk memisahkan minyak dari bahan yang kadar minyaknya tinggi, yaitu sekitar 30%-70%. Minyak jarak pagar terkandung dalam bahan yang berbentuk biji dengan kandungan minyak sekitar 30%-50%. Dengan demikian metode ekstraksi yang paling sesuai untuk biji jarak yaitu teknik pengepresan mekanik (Hambali, 2006). Dua cara yang umum digunakan pada pengepresan mekanik biji jarak yaitu pengepresan hidrolik (hydraulic pressing ) dan pengepresan berulir (expeller pressing ). Cara lain adalah kombinasi pengepresan mekanik dengan ekstraksi pelarut, tetapi cara ini jarang digunakan (Hambali, 2006). 2.3.1 Pengepresan Hidrolik
Pengepresan hidrolik adalah pengepresan dengan menggunakan tekanan. Tekanan yang dapat digunakan sekitar 140,6 kg/cm. Besarnya tekanan akan mempengaruhi minyak jarak yang dihasilkan. Pada teknik pengepresan hidrolik sebelum dilakukan pengepresan, biji jarak diberi perlakuan pendahuluan berupa pemberian s uhu panas atau pemasakan. Pemasakan dapat dilakukan dengan cara pemanasan di oven ataupun pengukusan dengan menggunakan uap air ( steam). Pemasakan biji jarak bertujuan untuk menggumpalkan protein dalam biji jarak. Penggumpalan protein ini diperlukan untuk efisiensi ekstraksi (Hambali, 2006).
Gambar 6. Alat press hidrolik Umumnya, pada pengepresan hidrolik jumlah minyak yang dapat diperoleh mencapai 80% dari kadar minyak yang terdapat pada daging biji (Hambali, 2006). Proses pengepresan biji jarak pagar dapat dilihat pada gambar 7.
9
Buah jarak berwarna hitam dijemur di bawah sinar matahari hingga cangkang mudah dilepas
kulit buah
biji jarak dalam cangkang dilepas dari cangkang
cangkang
biji jarak dihaluskan dengan blender dipanaskan dalam oven T oC = 105 oC, t = 30 menit dipress dalam alat press untuk memperoleh minyak
ampas
minyak dan pengotor ditampung dalam wadah disaring minyak jarak Gambar 7. Diagram alir pengepresan biji jarak pagar (N asution, 2005) 2.3.2 Pengepresan Berulir
Teknik pengepresan biji jarak dengan menggunakan ulir ( screw) merupakan teknologi yang lebih maju dan banyak digunakan di industri pengolahan minyak jarak saat ini. Dengan cara ini, biji jarak dipres dengan pengepresan berulir ( screw) yang berjalan secara kontinu. Pada teknik ini, biji jarak yang akan diekstraksi tidak perlu dilakukan perlakuan pendahuluan. Biji jarak kering yang akan diekstraksi dapat langsung dimasukkan kedalam screw press. Tipe alat pengepress berulir yang digunakan dapat berupa pengepres berulir tunggal ( single screw press) atau pengepres berulir ganda (twin screw press) (Hambali, 2006). Salah satu kelebihan pengepresan dengan menggunakan ulir adalah dapat dilakukan secara kontinu sehingga kapasitas produksi menjadi lebih besar. Biji jarak dapat
10
dimasukkan kedalam alat pengepres secara kontinu, lalu minyak akan mengalir keluar dari biji akibat pengepresan oleh ulir ( screw). Kemudian, minyak dapat keluar dan langsung terpisah dari ampas (bungkil) yang keluar pada bagian ujung ulir (Hambali, 2006).
2.4 Metil Ester
Metil ester termasuk bahan oleokimia dasar, turunan dari trigliserida (minyak atau lemak) yang dapat dihasilkan melalui proses esterifikasi dan transesterifikasi. Bahan baku pembuatan metil ester antara lain minyak sawit, minyak kelapa, minyak jarak, minyak kedelai, dan lainnya. Proses esterifikasi berfungsi untuk mengubah asam lemak bebas menjadi alkil ester sedangkan proses transesterifikasi berfungsi untuk mengubah trigliserida menjadi molekul ester. Tahapan konversi minyak atau lemak menjadi metil ester bergantung pada mutu awal minyak. Proses konversi dipengaruhi oleh kandungan asam lemak bebas dan kandungan air. Minyak yang mengandung
asam lemak bebas rendah, dapat langsung
dikonversi menjadi metil ester melalui transesterifikasi. Minyak yang mengandung asam lemak bebas tinggi serta mengandung air lebih dari 0,3% dapat menurunkan rendemen transesterifikasi minyak (Freedman et al . 1984). Minyak dengan asam lemak bebas tinggi akan lebih efisien jika melalui dua tahap reaksi 2.4.1 Esterifikasi
Esterifikasi adalah tahap konversi dari asam lemak bebas menjadi ester. Asam lemak bebas dalam minyak diesterifikasi dengan melibatkan katalis asam.
Reaksi
esterifikasi asam lemak dan alkohol mengkonversi asam lemak menjadi metil ester. Reaksi esterifikasi dapat dilihat pada Gambar 8. RCOOH
+ R’OH
Asam lemak
RCOOR’ + H2O
Alkohol
Alkil ester
Air
Gambar 8. Reaksi esterifikasi antara asam lemak dengan metanol (Hui 1996) Pada reaksi esterifikasi,
bila
asam
lemak
(asam
kaboksilat)
dan
alkohol
(metanol) dipanaskan dengan kehadiran katalis asam, kesetimbangan tercapai dengan ester dan air. Reaksi kesetimbangan ini dapat digeser ke kanan dengan penambahan alkohol berlebih. Air yang terbentuk berasal dari gugus hidroksil. Menurut Freedman et al. (1984), konsentrasi katalis alkali yang digunakan untuk transesterifikasi bervariasi dari 0,5 – 1,0% berdasarkan berat minyak. Jumlah katalis 11
lebih banyak dapat ditambahkan untuk minyak yang memiliki kandungan asam lemak bebas tinggi. Darnoko dan Cheryan (2000) telah melakukan proses transesterifikasi secara kontinyu menggunakan suhu proses 60 oC, waktu proses 1 jam dengan menggunakan katalis KOH 1% (w/w) terlarut dalam metanol dengan perbandingan rasio mol reaktan antara metanol dengan minyak sebesar 6:1 menghasilkan rendemen sebesar 95%.
Sifat fisikokimia metil ester yang baik digunakan sebagai bahan baku pembuatan
surfaktan MES dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5. Sifat fisikokimia metil ester bahan baku surfaktan MES (MacArthur et al , 1998) Karakteristik
BM (g/mol) Bilangan iod (cg I/g ME) Asam karboksil (% b/b) Bahan tak tersabunkan (% b/b) Bilangan asam (mg KOH/g ME) Bilangan penyabunan (mg KOH/g ME) Kadar air (% b/b) Komposisi asam lemak (% b/b) : < C12 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 > C18
C12-14 218 0,1 0,074 0,05 0,15 252
Metil Ester C16 281 0,39 0,25 0,27 0,5 197
C18 284 0,19 1,89 0,06 3,8 191
0,13
0,18
0,19
0,85 72,59 0,00 26,90 0,00 0,51 0,00 0,00 0,00
0,00 0,28 0,00 2,56 0,43 48,36 1,40 46,24 0,74
0,00 0,28 0,00 1,55 0,00 60,18 1,31 35,68 1,01
Esterifikasi biasa dilakukan untuk membuat metil ester dari minyak berkadar asam lemak tinggi (berangka asam ≥ 5 mg-KOH/g). Pada tahap ini, asam lemak bebas akan dikonversikan menjadi metil ester . Tahap esterifikasi biasa diikuti dengan tahap transesterfikasi.
Namun
sebelum
produk
esterifikasi
diumpankan
ke
tahap
transesterifikasi, air dan bagian terbesar katalis asam yang dikandungnya harus disingkirkan terlebih dahulu. 2.4.2 Transesterifikasi
Transesterifikasi (biasa disebut dengan alkoholisis) adalah tahap konversi dari trigliserida (minyak nabati) menjadi alkyl ester, melalui reaksi dengan alkohol, dan menghasilkan produk samping yaitu gliserol. Transesterifikasi merupakan suatu reaksi
12
kesetimbangan. Untuk mendorong reakis agar bergerak ke kanan perlu digunakan alkohol dalam jumlah berlebih. Reaksinya adalah sebagai berikut: O R 1
C
OCH2
HOCH2 O
O R 2
C
katalis OCH
+
3 CH3OH
HOCH
+
3R
C
OCH3
O R 3
C
HOCH2
OCH2
Trigliserida
Metanol
Gliserol
Metil ester
Gambar 9. Reaksi transesterifikasi trigliserida dengan metanol Proses transesterifikasi dipengaruhi oleh berbagai faktor tergantung kondisi reaksinya (Meher et al. 2004 ). Faktor tersebut diantaranya adalah kandungan asam lemak bebas dan kadar air minyak, jenis katalis dan konsentrasinya, perbandingan molar antara alkohol dengan minyak dan jenis alkoholnya, suhu dan lamanya reaksi, dan intensitas pencampuran.
2.5 Surfaktan Metil Ester Sulfonat (MES) 2.5.1 Surfaktan
Surfaktan merupakan senyawa aktif penurun tegangan permukaan ( surface active agent ) yang dapat diproduksi secara sintesis kimiawi atau biokimiawi. Surfaktan telah digunakan sebagai bahan penggumpal, pembasah, pembusaan, emulsifier, dan bahan penetrasi serta telah diaplikasikan dalam industri kimia, farmasi, kosmetika, dan industri pangan. Kehadiran gugus hidrofobik dan hidrofilik yang berada dalam satu molekul, menyebabkan surfaktan cenderung berada pada antar muka antara fasa yang berbeda derajat polaritas dan ikatan hidrogen seperti minyak dan air. Pembentukan film pada antar muka ini menurunkan energi antar muka dan menyebabkan sifat-sifat khas molekul surfaktan (Georgiou et al . 1992). Surfaktan atau surface active agent atau sering juga disebut emulsifier merupakan suatu molekul ampifilik yang mengandung gugus hidrofilik dan lipofilik dalam satu molekul yang sama. Senyawa ini akan meningkatkan kestabilan emulsi dengan menurunkan tegangan antar muka, antara fasa minyak dan air. Secara umum, kegunaan
13
surfaktan adalah untuk menurunkan tegangan antar muka, meningkatkan kestabilan partikel yang terdispersi dan mengontrol jenis formulasi emulsi (misalnya oil in water (O/W) atau water in oil (W/O)). Disamping itu, surfaktan akan terserap ke dalam permukaan partikel minyak atau air sebagai penghalang yang akan mengurangi atau menghambat penggabungan (coelscence) dari partikel yang terdispersi (Rieger, 1985). Peningkatan produksi surfaktan berbasis bahan alami saat ini sedang dilakukan. Surfaktan berbasis bahan alami dapat dibagi ke dalam empat kelompok dasar yaitu a) berbasis minyak-lemak, seperti monogliserida, digliserida, poligliserol ester, fatty alcohol sulfat, dan fatty alcohol etoksilat, b) berbasis karbohidrat, seperti alkil poliglukosida dan N-metil glukamida, c) ekstrak bahan alami, seperti lesitin dan saponin, serta
d) biosurfaktan yang diproduksi oleh mikroorganisme, seperti
rhamnolipid dan sophorolipid (Flider 2001). Flider (2001) menambahkan bahwa jutaan ton surfaktan digunakan setiap tahunnya pada beragam aplikasi yang berbeda. Walaupun pemakaian terbesar surfaktan adalah untuk aplikasi pencucian dan pembersihan (washing and cleaning applications), namun surfaktan banyak pula digunakan untuk produk pangan, pertambangan, cat dan pelapis, kertas,
tekstil, serta produk kosmetika dan produk perawatan diri ( personal care
products). Menurut Hui (1996) dan Matheson (1996) surfaktan dapat diklasifikasikan menjadi empat kelompok besar, yaitu anionik, kationik, nonionik, dan amfoterik.
Masing-
masing kelompok surfaktan tersebut memiliki struktur kimia dan perilaku yang berbeda. Surfaktan anionik adalah bahan aktif permukaan yang bagian hidrofobiknya berhubungan dengan gugus anion (ion negatif). Dalam media cair, molekul surfaktan anionik terpecah menjadi gugus kation yang bermuatan positif dan gugus anion yang bermuatan negatif.
Gugus anion merupakan pembawa sifat aktif permukaan pada
surfaktan anionik.
Contoh khas surfaktan anionik adalah alkohol sulfat dan ester
sulfonat. Surfaktan berbasis minyak-lemak (oleokimia) merupakan kelompok surfaktan berbasis bahan alami yang paling banyak dihasilkan. Minyak dan lemak yang biasanya digunakan untuk memproduksi surfaktan diantaranya yaitu tallow, tall oil , minyak biji bunga matahari, minyak kedelai, minyak kelapa dan minyak sawit. Umumnya bahan baku minyak dan lemak tersebut harus diproses terlebih dahulu menjadi senyawa oleokimia dasar sebelum digunakan untuk memproduksi surfaktan. Oleokimia dasar
14
yang dihasilkan dari minyak dan lemak adalah asam lemak, gliserol, metil ester, dan fatty alkohol. Kebutuhan untuk memproses minyak dan lemak terlebih dahulu sebelum memproduksi surfaktan tersebut berpengaruh nyata terhadap biaya produksi produk akhir (Flider 2001). Sifat-sifat surfaktan dipengaruhi oleh adanya bagian hidrofilik dan hidrofobik pada molekul surfaktan. Kehadiran gugus hidrofobik dan hidrofilik yang berada dalam satu molekul, menyebabkan pembagian surfaktan cenderung berada pada antarmuka antara fasa yang berbeda derajat polaritas dan ikatan hidrogen seperti minyak/air atau udara/air.
Pembentukan film pada antar muka ini mampu menurunkan energi
antarmuka dan menyebabkan sifat-sifat khas pada molekul surfaktan (Georgiou et al . 1992). 2.5.2 Tegangan Permukaan
Karakteristik utama surfaktan adalah pada aktivitas permukaannya.
Surfaktan
mampu meningkatkan kemampuan menurunkan tegangan permukaan dan antarmuka suatu cairan, meningkatkan kemampuan pembentukan emulsi minyak dalam air, mengubah kecepatan agregasi partikel terdispersi yaitu dengan menghambat dan mereduksi flokulasi dan penggabungan (coalescence) partikel yang terdispersi, sehingga kestabilan
partikel
yang
terdispersi
makin
meningkat.
Surfaktan
mempertahankan gelembung atau busa yang terbentuk lebih lama.
mampu Sebagai
perbandingan gelembung atau busa yang terbentuk pada air yang dikocok hanya bertahan beberapa detik.
Namun dengan menambahkan surfaktan maka gelembung
atau busa tersebut bertahan lebih lama (Bergenstahl 1997). Ditambahkan oleh Hui (1996) bahwa surfaktan merupakan komponen yang paling penting pada sistem pembersih, sehingga menjadi bahan utama pada deterjen. Tegangan antarmuka adalah gaya per satuan panjang yang terjadi antaramuka antara dua fase cair yang tidak dapat tercampur. Tegangan antarmuka lebih kecil dari tegangan muka sebab gaya adhesive antara dua fase cair yang membentuk anatarmuka lebih besar dari gaya adhesive antara fase cair dan fase gas yang membentuk antarmuka (Moechtar, 1989) Dalam zat cair, gaya kohesif antara molekul satu dengan molekul-molekul tetangganya besar pengaruhnya. Sebagai contoh tetesan zat cair yang tersuspensi dalam udara, maka molekul molekul di dalam tetesan tersebut dikelilingi oleh molekulmolekul lainnya dari segala jurusan yang mempunyai gaya tarik-menarik yang sama.
15
Gambar 10. Gaya-gaya tarik-menarik yang tidak sama pada permukaan zat cair Namun, molekul-molekul yang berada di permukaan tetesan akan menerima gaya kohesif yang sama dari molekul-molekul tetangganya. Akan tetapi mereka mengalami gaya tarik menarik adhesive dengan udara yang relatif kecil. Efek keseluruhannya ialah molekul-molekul di permukaan tersebut mengalami gaya ke dalam yang menyebabkan luas permukaan cair tersebut menjadi lebih kecil. Ga ya yang diberikan sejajar dengan permukaan untuk mengimbangi gaya ke dalam dinamakan tegangan muka. Menurut Swern (1979), panjang molekul sangat kritis untuk keseimbangan kebutuhan gugus hidrofilik dan lipofilik. Apabila rantai hidrofobik terlalu panjang, akan terjadi ketidakseimbangan, terlalu besarnya afinitas untuk gugus minyak atau lemak atau terlalu kecilnya afinitas untuk gugus air. Hal ini akan ditunjukkan oleh keterbatasan kelarutan didalam air.
Demikian juga sebaliknya, apabila rantai
hidrofobiknya terlalu pendek, komponen tidak akan terlalu bersifat aktif permukaan ( surface active) karena ketidakcukupan gugus hidrofobik dan akan memiliki keterbatasan kelarutan dalam minyak. Pada umumnya panjang rantai terbaik untuk surfaktan adalah asam lemak dengan 10-18 atom karbon. MES yang merupakan golongan baru dalam kelompok surfaktan anionik mulai dimanfaatkan sebagai bahan aktif pada produk-produk pencuci dan pembersih ( washing and cleaning products) (Hui 1996; Matheson 1996).
Pemanfaatan surfaktan MES
sebagai bahan aktif pada deterjen telah banyak dikembangkan karena prosedur produksinya
mudah,
memperlihatkan
karakteristik
dispersi
yang
baik,
sifat
detergensinya tinggi walaupun pada air dengan tingkat kesadahan yang tinggi ( hard water ) dan tidak adanya fosfat, mempunyai asam lemak C 16 dan C18 yang mampu memberikan tingkat detergensi yang terbaik, memiliki sifat toleransi terhadap ion Ca yang lebih baik, memiliki tingkat pembusaan yang lebih rendah dan memiliki stabilitas yang baik terhadap pH. Bahkan MES C 16-C18 memperlihatkan aktivitas permukaan
16
yang baik, yaitu sekitar 90 % dibandingkan linier alkil benzen sulfonat (LABS) (de Groot 1991; Hui 1996; Matheson 1996). Surfaktan metil ester sulfonat (MES) termasuk golongan surfaktan anionik, yaitu surfaktan yang bermuatan negatif pada gugus hidrofiliknya atau bagian aktif permukaan ( surface-active).
Struktur kimia metil ester sulfonat (MES) adalah sebagai berikut
(Watkins, 2001) : O R
CH
C
OCH3
SO3 Na
Menurut
Matheson
(1996),
metil
ester
sulfonat
(MES)
memperlihatkan
karakteristik dispersi yang baik, sifat detergensi yang baik terutama pada air dengan tingkat kesadahan yang tinggi (hard water ) dan tidak adanya fosfat, ester asam lemak C14, C16 dan C18 memberikan tingkat detergensi terbaik, serta bersifat mudah didegradasi ( good biodegradability). Dibandingkan petroleum sulfonat, surfaktan MES menunjukkan beberapa kelebihan diantaranya yaitu pada konsentrasi MES yang lebih rendah daya deterjensinya sama dengan petroleum sulfonat, dapat mempertahankan aktivitas enzim yang lebih baik, toleransi yang lebih baik terhadap keberadaan kalsium, dan kandungan garam (disalt ) lebih rendah. Menurut Hui (1996), MES dari minyak nabati yang mengandung atom karbon C 10, C12 dan C14 biasa digunakan untuk light duty dishwashing detergent , sedangkan MES dari minyak nabati dengan atom karbon C 16-18 dan tallow biasa digunakan untuk deterjen bubuk dan deterjen cair (liquid laundry detergent ). Karakteristik surfaktan MES dari metil ester asam lemak C12-14, C16, dan C 18 dapat dilihat pada Tabel 6. Menurut Sheats dan MacArthur (2002), ME memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan bahan baku pembuatan MES lainnya, antara lain yaitu, harga ME relatif lebih rendah dibandingkan dengan bahan baku lainnya, renewable, dan ramah lingkungan. Tiga bahan baku ME yang secara komersial digunakan adalah kelapa, stearin sawit, dan lemak tallow. Produk sulfonasi yang terbuat dari stearin umumnya digunakan pada formulasi bahan deterjen. Tabel 6. Karakteristik surfaktan metil ester sulfonat (MacArthur et al., 1998) Karakteristik
Metil Ester C12-14
C16
C18
17
Rendemen MES (% b/b)
70,7
80,3
78,4
Disodium karboksi sulfonat (di-salt), (% b/b)
2,1
5,5
4,8
Metanol (% b/b)
0,46
0,18
0,23
Hidrogen peroksida (% b/b)
0,10
0,04
0,02
Air (% b/b)
14,0
0,7
1,8
Petroleum ether extractable (PEX) (% b/b)
2,6
3,2
3,9
Sodium karboksilat (% b/b)
0,16
0,29
0,29
Sodium sulfat (% b/b)
1,99
2,07
2,83
Sodium metil sulfat dan lainnya (% b/b)
8,0
7,7
7,8
Ph
5,0
5,6
5,6
Warna Klett, 5% aktif (MES + di-salt)
11
35
79
2.6 Proses Sulfonasi
Sadi (1994) menyatakan bahwa surfaktan dapat disintesis dari minyak nabati melalui senyawa antara metil ester asam lemak dan fatty alkohol. menghasilkan surfaktan adalah proses
Salah satu proses untuk
sulfonasi untuk menghasilkan MES.
MES
termasuk golongan surfaktan anionik yaitu surfaktan yang bermuatan negatif pada gugus hidrofiliknya atau bagian aktif permukaan ( surface-active). Proses sulfonasi menghasilkan produk turunan yang terbentuk melalui reaksi kelompok sulfat dengan minyak, asam lemak ( fatty acid ), ester, dan alkohol lemak ( fatty alcohol ). Jenis minyak yang biasanya disulfonasi adalah minyak yang mengandung ikatan rangkap ataupun grup hidroksil pada molekulnya. Bahan baku minyak yang digunakan pada industri adalah minyak berwujud cair yang kaya akan ikatan rangkap (Bernardini 1983). Proses produksi surfaktan MES dilakukan dengan mereaksikan metil ester dengan agen sulfonasi. Menurut Bernardini (1983) dan Pore (1976), pereaksi yang dapat dipakai pada proses sulfonasi antara lain asam sulfat (H2SO4), oleum (larutan SO3 di dalam H2SO4), sulfur trioksida (SO3), NaHSO3, dan ClSO3H. Foster (1996) menambahkan bahwa untuk menghasilkan kualitas produk terbaik, beberapa perlakuan penting yang harus dipertimbangkan adalah rasio mol, suhu reaksi, konsentrasi grup sulfat yang ditambahkan, waktu netralisasi, jenis dan konsentrasi katalis, pH, dan suhu netralisasi. Menurut Roberts et al . (2008),
jika rasio mol SO3 dengan metil ester secara
signifikan lebih rendah dari 1,2 maka konversi metil ester (ME) menjadi metil ester 18
sulfonat (MES) secara penuh tidak dapat dicapai. Pada Gambar 11 disajikan mekanisme reaksi sulfonasi metil ester.
Gambar 11. Mekanisme reaksi sulfonasi metil ester
Proses sulfonasi dengan gas SO 3 menghasilkan produk dengan kualitas yang tinggi. Proses ini dilakukan secara kontinu dan volume produksi yang besar serta bersifat zero waste yaitu tidak dihasilkan limbah pada prosesnya. Proses ini memerlukan kontrol yang sangat ketat karena sifat SO3 bersifat sangat reaktif. Sulfur trioksida (SO 3) adalah bahan kimia elektrofilik yang agresif dan sangat reaktif terhadap komponen organik karena dapat mendonorkan gugus elektron. Reaksi bersifat eksotermik dan banyak komponen organik menjadi hitam setelah reaksi terbentuk. Reaksi juga menyebabkan adanya peningkatan kekentalan produk menjadi 15-300 kali lipat dibandingkan bahan organik itu sendiri. Kekentalan ini sering menyulitkan pendinginan sehingga dalam prosesnya dibutuhkan transfer panas yang tepat. Pengendalian terhadap perbandingan molar reaktan sangat diperlukan mengingat SO 3 yang berlebih dalam reaksi dapat menyebabkan terbentuknya by product yang tidak diiginkan (Foster 1996). Suhu dan rasio mol reaktan merupakan faktor penting dalam proses sulfonasi dimana peningkatan suhu dapat mempercepat laju reaksi dengan meningkatkan jumlah fraksi molekul yang mencapai energi aktivasi, sementara rasio mol reaktan harus dikendalikan dalam proses sulfonasi karena kelebihan reaktan (SO 3) akan menyebabkan pembentukan produk samping. Reaksi sulfonasi molekul asam lemak dapat terjadi pada tiga sisi yaitu : (1) gugus karboksil; (2) bagian α-atom karbon; (3) rantai tidak jenuh (ikatan rangkap). Gambar 4 menggambarkan sisi – sisi yang memungkinkan terjadinya sulfonasi. Pemilihan proses sulfonasi tergantung pada banyak faktor yaitu : (1) karakteristik dan kualitas produk akhir yang diinginkan, (2) kapasitas produksi yang disyaratkan, (3) biaya bahan kimia, (4) biaya peralatan proses, (5) sistem pengamanan yang diperlukan, dan (6) biaya pembuangan limbah hasil proses.
19
Gambar 12. Kemungkinan terikatnya reaksi kimia dalam proses sulfonasi (Jungermann 1979) Reaksi sintesis MES yang mungkin terjadi tersaji pada Gambar 12. Proses sulfonasi akan menghasilkan produk berwarna gelap, sehingga dibutuhkan proses pemurnian meliputi pemucatan dan netralisasi (Watkins 2001). Pemurnian MES bertujuan untuk mengurangi warna gelap akibat terbentuknya komponen warna dan menghasilkan MES yang memiliki daya kinerja yang lebih baik perlu dilakukan proses pemurnian. Beberapa faktor yang mempengaruhi warna MESA antara lain adalah kandungan bahan minor ME, rasio mol SO3 dan ME, waktu dan suhu aging, tingkat ketidak jenuhan ME, dan berat molekul ME (Sheats dan MacArthur 2008). Berikut merupakan reaksi sintesis metil eseter sulfonat :
Gambar 13. Sintesis metil ester sulfonat (MacArthur et al . 1998) 20
Tahap pemurnian MESA dilakukan dengan menambahkan larutan H 2O2 dan larutan metanol dan kemudian dilanjutkan dengan proses netralisasi dengan menambahkan larutan alkali (KOH atau NaOH). Metanol berfungsi
untuk mengurangi pembentukan disalt ,
mengurangi viskositas, dan mampu meningkatkan transfer panas dalam proses pemutihan. Menurut Sheats dan MacArthur (2008) dan Stein dan Baumann (1975), beberapa faktor yang mempengaruhi warna MES hasil pemurnian adalah jumlah penambahan agent pemucat, jumlah penambahan metanol, suhu dan lama pemucatan, dan suhu netralisasi. Metanol berfungsi mengurangi pembentukan garam disodium karboksi sulfonat. Pada umumnya, MES mengandung disalt sekitar 5% berdasarkan basis bahan aktif. Kehadiran garam mampu menurunkan kelarutan MES dalam air dingin, lebih sensitif terhadap air sadah, memiliki deterjensi 50% lebih rendah dan menurunkan daya simpan produk.
Dua kemungkinan reaksi pembentukan garam pada tahap netralisasi MES
disajikan pada Gambar 14. O (1) R
CH
(C
O OCH3):SO 3 (III) + 3NaOH
R CH
SO3 Na
Disalt
O CH
ONa + 2H2O + CH3OSO3 Na
SO3 Na
Senyawa intermediet III
(2) R
C
C
Sodium metil sulfat
O OCH3 + NaOH
SO3 Na
R CH
C
ONa + CH3OH
SO3 Na
Metil ester sulfonat
Disalt
Metanol
Gambar 14.Reaksi pembentukan garam (disalt ) (1) pada tahap netralisasi dan (2) akibat proses hidrolisis produk MES (Sheats dan MacArthur 2002)
2.7 Produksi Metil Ester Sulfonat 2.7.1 Produksi Metil Ester
Metil ester dari jarak pagar dapat dihasilkan melalui proses transesterifikasi trigliserida dari minyak jarak. Transesterifikasi (disebut juga alkoholisis) adalah reaksi antara lemak atau minyak nabati dengan alkohol untuk membentuk ester dan gliserol. Biasanya dalam reaksi ini digunakan katalis (umumnya basa) untuk meningkatkan laju reaksi dan jumlah yield produk. Karena reaksi ini adalah reaksi reversible, maka digunakan alkohol berlebih untuk menggeser kesetimbangan ke arah produk. Berikut adalah diagram alir proses transesterifikasi dengan katalis basa pada pembuatan metil ester dari minyak jarak :
21
Gambar 15. Flowsheet sintesis metil ester dari reaksi transesterifikasi (Zhang, 2003) Reaksi transesterifikasi berlangsung pada 600C dan 400kPa. Methanol murni, methanol daur ulang, dan NaOH dicampur menggunakan mixer lalu dipompa untuk dialirkan menuju tangki transesterifikasi. Minyak yang didapat dari proses esterifikasi dipanaskan dengan heat exchanger lalu dialirkan menuju tangki transesterifikasi. Pada tangki ini, terjadi reaksi antara minyak dan methanol dengan katalis NaOH. Proses ini menghasilkan FAME (Fatty Acid Methyl Ester) dan gliserol sebagi produk samping. Keluaran dari reaktor ini berupa metil ester, gliserol, dan sedikit methanol. Methanol ini dihilangkan dari metil ester dengan cara distilasi vakum bertingkat. Pada kolom distilasi vakum bertingkat, methanol yang masih tersisa di metil ester dihilangkan dengan cara didistilasi. Distilat methanol ini kemudian dicampur dengan methanol murni untuk dijadikan sebagai bahan baku pada proses transesterifikasi, sedangkan metil ester yang sudah tidak mengandung methanol didinginkan sampai suhu 600C dan dialirkan menuju kolom pencucian untuk pemisahan selanjutnya. Untuk memisahkan metil ester dari gliserol, methanol, dan katalis, maka dilakukan proses pencucian dengan menggunakan air sebagai agen pencucinya. metil ester yang sudah bebas dari gliserol lau dialirkan menuju kolom purifikasi untuk proses pemurnian.
22
Bottom stream yang berupa gliserol, methanol, dan NaOH dialirkan menuju kolom alkali removal untuk dihilangkan alkoholnya. Untuk menghilangkan basa NaOH dari bottom stream yang berupa gliserol, methanol, dan NaOH, maka dilakukan proses netralisasi dengan menambahkan asam pospat (H3PO4). Proses ini menghasilkan Na 3PO4 yang kemudian dihilangkan dengan gravity separator . Stelah NaOH dihilangkan, aliran bottom stream dengan komposisi gliserol besar dialirkan ke kolom distilasi untuk memisahkan methanol dan air dari gliserol sehingga didapat gliserol dengan kemurnian tinggi dan dapat digunakan sebagai produk samping.
2.7.2 Produksi Metil Ester Sulfonat
Produksi metil ester sulfonat dalam skala industri terdiri dari 4 (empat) tahap yaitu tahap sulfonasi, tahap pemucatan, tahap netralisasi, dan tahap pengeringan. 1. Tahap Sulfonasi MES diproduksi melalui proses sulfonasi metil ester dengan campuran SO 3/udara. Reaksi pengontakkan SO 3 dan bahan organik terjadi di dalam suatu falling film reactor . Gas dan organik mengalir di dalam tube secara co-current dari bagian atas reaktor pada temperatur 45oC dan keluar reaktor pada temperatur sekitar 30oC. Proses pendinginan dilakukan dengan air pendingin yang berasal dari cooling tower . Air pendingin ini mengalir pada bagian shell dari reaktor. Hal ini bertujuan untuk menjaga kestabilan temperatur reaksi akibat reaksi eksoterm yang berlangsung di dalam reaktor.
23
Gambar 16. Flowsheet sulfonasi metil ester (Roberts, 1985) Agar campuran MESA mencapai waktu yang tepat dalam reaksi sulfonasi yang sempurna, MESA harus dilewatkan kedalam digester yang memilki temperature konstan (~80oC) selama kurang lebih satu jam. Efek samping dari MESA digestion adalah penggelapan warna campuran asam sulfonat secara signifikan. Sementara itu, gas-gas yang meninggalkan reaktor menuju sistem pembersihan gas buangan ( waste gas cleaning system). 2. Tahap Pemucatan ( Bleaching ) Untuk mengurangi warna sampai sesuai dengan spesifikasi, digested MESA harus diukur didalam sistem kontinu acid bleaching , dimana dicampurkan dengan laju alir metanol yang terkontrol dan hidrogen peroksida sesudahnya. Reaksi bleaching lalu dilanjutkan dengan metanol reflux dan pengontrolan temperatur yang presisi. 3. Tahap Netralisasi Acid ester yang terbentuk dalam proses sulfonasi bersifat tidak stabil dan mudah terhidrolisis. Oleh karena itu, pencampuran yang sempurna antara asam sulfonat dan aliran basa dibutuhkan dalam proses netralisasi untuk mencegah lokalisasi kenaikan pH dan
temperatur
yang
dapat
mengakibatkan
reaksi
hidrolisis
yang
berlebih. Neutralizer beroperasi secara kontinu, mempertahankan komposisi dan pH dari pasta secara otomatis.
24
Gambar 17. Flowsheet tahap netralisasi dari sintesis metil ester sulfonat (Roberts, 1985) 4. Tahap Pengeringan Selanjutnya, pasta netral MES dilewatkan ke dalam sistem TurboTubeTM Dryer dimana metanol dan air proses yang berlebih dipisahkan untuk menghasilkan pasta terkonsentrasi atau produk granula kering MES, dimana produk ini tergantung pada berat molekul MES dan target aplikasi produk. Langkah akhir adalah merumuskan dan menyiapkan produk MES dalam komposisi akhir, baik itu dalam bentuk cair, batangan semi-padat atau granula padat, dengan menggunakan teknologi yang tepat.
Gambar 18. Flowsheet tahap pengeringan dari sintesis metil est er sulfonat (Robert, 1985)
25
BAB III PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Jarak pagar dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku surfaktan metil ester sulfonat yang merupakan surfaktan anionik ramah lingkungan di samping sebagai bahan baku biodiesel yang umum digunakan. Minyak jarak pagar dapat diambil dari proses mekanik yaitu pengepresan menggunakan alat press hidrolik. Minyak jarak pagar kemudian diproses menjadi metil ester melalui reaksi transesterifikasi tanpa reaksi esterifikasi karena minyak jarak pagar tidak memiliki kadar asam lemak bebas tinggi. Metil ester yang dihasilkan diproses lanjut pada proses sulfonasi menggunakan agen sulfonasi SO 3 untuk didapatkan surfatkan metil ester sulfonat.
3.2 Saran
Diharapkan pemanfaatan jarak pagar menjadi surfaktan metil ester sulfonat ini menjadi alternatif untuk pabrik biodiesel untuk menghasilkan produk samping bernilai tambah berupa surfaktan metil ester sulfonat yang ramah lingkungan.
26
DAFTAR PUSTAKA
Bergenstahl B. 1997. Physicochemical Aspects of an Emulsifier Functionality. In : Food Emulsifier and Their Applications. G.L. Hasenhuettl dan R.W. Hartel (Eds.). Chapman & Hall, New York. Bernardini E. 1983. Vegetable Oils and Fats Processing . Volume II. Rome: Interstampa. Darnoko D dan M Cheryan. 2000. Kinetcs of Palm Oil Transesterification in a Batch Reactor . J of Am Oil Chem Soc 77: 1263 – 1267. Depkes dan Kesejahteraan Sosial RI. (2000). Inventaris Tanaman Obat Indonesia I . Jilid I. Badan Penelitian dan Pengembangan Kesehatan. Hal 139-140. Flider FJ.
2001.
Commercial Considerations and Markets for Naturally Derived
Biodegradable Surfactants. Inform 12 (12) : 1161 – 1164. Formo MW. 1954. Ester Reaction of Fatty Materials. dalam Mittelbach M dan C Remschmidt. 2006. Biodiesel The Comprehensive Handbook. Martin Mittelbach Publisher. Am Blumenhang. Austria. Foster NC. 1996. Sulfonation and Sulfation Processes. In: Spitz, L. (Ed). Soap and Detergents: A Theoretical and Practical Review. AOCS Press, Champaign, Illinois. Freedman B, EH Pryde dan TL Mounts. 1984. Variable Affecting the Yield of Fatty Ester form Transesterified Vegetable Oil. In: Mittelbach, M dan C. Remschmidt. 2006. Biodiesel The Comprehensive Handbook. Martin Mittelbach Publisher. Am Blumenhang. Austria. Georgeiou G, C Lsung dan MM Shara.
1992.
Surface Active Compounds from
Microorganism. Biotech. 10:60-65. Hambali E, S Mujdalipah, Armansyah HT and Abdul Waries P. 2006. Teknologi Bioenergi. Agromedia Pustaka, Jakarta. Hanafi, Imam. 2010. Pabrik Biodiesel Beroperasi Jika Subsidi BBM Dicabut, Online. Diakses 5 April 2010, http://www.antara-sumbar.com Hikmah, Maharani Nurul dan Zulyani. 2010. Pembuatan Biodiesel dari Minyak Dedak dan Metanol dengan Proses Esterifikasi dan Transesterifikasi. Semarang : UNDIP. Hui YH. 1996. Bailey’s Industrial Oil and Fat Products. Edisi ke-5, volume ke-2. New York: John Willey & Sons, Inc. Jungermann E. 1979. Bailey’s Industrial Oil and Fat Products. Edisi ke-4, Vol.1. New York: John Willey and Son.
27
