Prosiding Seminar Nasional Fundamental dan Aplikasi Teknik Kimia 2011
Makalah No. XXX‐XXX
Transesterifikasi Minyak Kelapa Sawit dengan Menggunakan Katalis Padat dari Cangkang Keong Mas (Pomacea sp.) Henry Sanaga Prastyo, Yosephine Yulia Margaretha, Aning Ayucitra,Suryadi Ismadji* Jurusan Teknik Kimia, Universitas Widya mandala, Surabaya, Indonesia *E-mail:
[email protected]
ABSTRAK Katalis padat kalsium oksida (CaO) yang dikalsinasi pada suhu 900oC menunjukan aktifitas yang tinggi pada reaksi transesterifikasi antara minyak kelapa sawit dengan metanol menjadi biodiesel. CaO alami dari cangkang Pomacea sp. ini mudah didapatkan, tidak korosif, mudah proses pemisahan produknya, serta dapat digunakan beberapa kali untuk reaksi transesterifikasi minyak kelapa sawit dengan bantuan metanol. Penelitian ini dibagi menjadi dua tahap: persiapan dan karakterisasi katalis padat serta transesterifikasi minyak kelapa sawit. Cangkang Pomacea sp. dikalsinasi pada suhu 900oC selama 2 jam untuk mengkonversi CaCO3 menjadi CaO. Reaksi transesterifikasi dilakukan dengan variasi perbandingan mol minyak dan metanol 1:5 sampai 1:9 dan jumlah katalis 1% sampai 5% berat minyak untuk mendapatkan kondisi operasi yang maksimal. Biodiesel yang dihasilkan dianalisa dengan menggunakan Gas Chromatography (GC) sedangkan bahan baku serta katalis padat dikarakterisasi dengan menggunakan Fourrier Transform Infrared (FTIR), X‐Ray Diffraction (XRD), dan X‐Ray Flourescence (XRF). Dari hasil percobaan, didapatkan yield maksimum percobaan sebesar 94,43% dengan kondisi operasi: suhu reaksi 60oC, perbandingan mol minyak dan metanol 1:7, waktu pemanasan 4 jam, dan jumlah katalis 4% berat minyak. Kata kunci: biodiesel; katalis heterogen;katalis padat yang minimum. Reaksi transesterifikasi baik pada 1. Pendahuluan minyak sayur ataupun lemak hewan harus dilakukan pada suhu dan tekanan yang tinggi serta Penggunaan minyak bumi yang sangat luas untuk membutuhkan waktu yang panjang. Kondisi inilah berbagai aktifitas telah menyebabkan semakin yang menyebabkan biaya produksi biodiesel menipisnya persediaan minyak bumi, oleh karena menjadi tinggi. Katalis yang biasa digunakan untuk itu harus dicari alternatif lain sebagai pengganti produksi biodiesel dikategorikan menjadi beberapa minyak bumi. Salah satu bahan bakar alternatif tipe, yaitu: katalis homogen (NaOH, KOH, H2SO4, yang telah dikembangkan selama bertahun‐tahun dan lainnya) [1], katalis heterogen (cation‐exchange ialah biodiesel. Biodiesel dipilih sebagai bahan bakar resin, hydrotalcites, dan lainnya) [2], dan enzim. alternatif karena dapat diperbaharui serta gas Katalis homogen memiliki kelemahan yaitu tidak buangnya mengandung sedikit CO dan tidak dapat direcovery dan di regenerasi, serta mengandung SOx [1]. dihasilkannya limbah cair berbahaya [3]. Sekarang ini banyak dikembangkan penelitian Katalis heterogen sekarang ini mulai dilirik untuk mendapatkan biodiesel dengan cara untuk pembuatan biodiesel karena mempermudah transesterifikasi minyak sayur atau lemak hewan proses pemisahan dan pemurnian biodiesel [2]. dengan hasil yang optimum dan biaya produksi
yang digunakan dalam industri karena lebih efektif dan sangat efisien [8].
2. Tinjauan Pustaka
2.3. Katalis Heterogen Katalis heterogen ialah katalis yang sukar larut dalam metanol, sehingga tidak menjadi satu fase dengan metanol [2]. Contoh katalis heterogen ialah metal oxides, metal complexes, active metals, zeolit, resin, membran, dan lipase [4]. Katalis heterogen dibagi menjadi 2 tipe yaitu asam dan basa [11]. Asam berarti katalis yang digunakan berupa padatan yang bersifat asam. Katalis basa yang dapat digunakan untuk biodiesel salah satunya ialah dari campuran senyawa kalsium (CaO, Ca(OH)2, CaCO3) yang tersedia dengan melimpah di alam dengan harga yang murah, karenanya katalis ini sangat diminati untuk digunakan dalam industri biodiesel. Katalis kalsium ini berfungsi sebagai katalis basa dalam reaksi transesterifikasi biodiesel. Menurut penelitian, CaO merupakan katalis yang paling aktif dibandingkan Ca(OH)2 dan CaCO3 [2]. CaO memiliki tingkat alkalinitas yang tinggi, kelarutan yang rendah, harga yang relatif lebih murah dibandingkan KOH ataupun NaOH, serta mudah proses pemisahannya dari produk [9]. CaO dapat diperoleh dengan kalsinasi serbuk batuan kapur pada suhu 900oC selama 1,5 jam [4] atau disintesis dari mikropartikel CaCO3 yang dikalsinasi pada suhu 1000oC selama 2 jam [10]. Salah satu bahan yang dapat digunakan sebagai katalis adalah cangkang keong mas. Di area persawahan, keong mas merupakan salah satu musuh terbesar petani karena keong mas memakan tanaman yang ada di sawah tersebut, sehingga hal ini merugikan para petani. Tetapi tidak selamanya keong mas merugikan, karena daging keong mas dapat dikonsumsi atau digunakan untuk pakan ternak karena memiliki nilai gizi yang cukup tinggi. Dengan semakin banyaknya konsumsi daging dari keong mas maka limbah yang berupa cangkang keong mas tidak memiliki nilai tambah. Limbah yang berupa cangkang keong mas dapat dimanfaatkan sebagai katalis padat untuk pembuatan biodiesel karena cangkang tersebut mengandung CaCO3 yang nantinya dapat dikonversi menjadi CaO. CaO dapat digunakan sebagai katalis yang aktif untuk pembuatan biodiesel [3].
2.1. Biodiesel Biodiesel dengan rumus kimia Fatty Acid Methyl Ester (FAME) adalah senyawa alkil ester yang diproduksi melalui reaksi transesterifikasi antara trigliserida dengan metanol dan bantuan katalis. Biodiesel merupakan bahan bakar yang dapat diperbarui. Biodiesel diharapkan dapat mengganti keberadaan petroleum diesel karena biodegradable dan ramah lingkungan karena menghasilkan emisi SOx yang rendah serta senyawa hidrokarbon yang tidak terbakar [4]. Penggunaan biodiesel dapat mengurangi emisi CO2 hingga 78% dibandingkan dengan petroleum diesel. Dengan emisi hasil penggunaan biodiesel yang sedikit, siklus karbon dapat terjadi sehingga lebih ramah lingkungan. CO2 yang dilepaskan ke atmosfer oleh mesin diesel pada saat biodiesel dibakar dapat di daur ulang kembali oleh tanaman [5]. 2.2. Reaksi Transesterifikasi Transesterifikasi atau alkoholisis adalah reaksi pertukaran gugus alkohol dari suatu ester dengan ester lain. Kehadiran katalis (asam, basa, biokatalis, dan katalis heterogen) akan mempercepat pembentukan ester. Transesterifikasi dapat dikatalisis oleh asam‐asam Brönsted, lebih sering digunakan sulfonat dan asam sulfat [3]. Secara umum reaksi transesterifikasi antara trigliserida dan alkohol (metanol) dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar. 1 –Reaksi pada Proses Transesterifikasi [6] Reaksi antara minyak atau lemak dengan alkohol merupakan reaksi yang bersifat bolak‐balik. Oleh sebab itu alkohol harus ditambahkan berlebih untuk membuat reaksi berjalan ke arah kanan [7]. Proses transesterifikasi dapat dilakukan tanpa bantuan katalis, tetapi yield yang dihasilkan pada suhu 350C sangat rendah dan karena itulah diperlukan suhu yang tinggi. Dari kebanyakan proses transesterifikasi, hanya proses alkali (basa)
3. Metode Penelitian 3.1 Bahan dan Persiapan Katalis Cangkang keong mas yang diperoleh dari daerah Godong, Jawa Tengah, pertama‐tama dihancurkan,
dicuci untuk menghilangkan pengotor dan sisa protein. Cangkang dikeringkan di dalam oven pada suhu 110oC selama 24 jam kemudian dikalsinasi pada suhu 900oC selama 2 jam. Dilakukan pengecilan ukuran pada cangkang yang telah dikalsinasi hingga berukuran 170 mesh. Minyak kelapa sawit yang diperoleh dari pasar tradisional memiliki kandungan % palmitat. Metanol analitis diperoleh dari Merck, Jerman.
3.2 Karakterisasi Katalis
Analisa X‐Ray Diffraction (XRD) dilakukan untuk mengetahui kristalinitas dari CaO pada cangkang keong mas dengan alat Philips X’Pert diffractometer menggunakan radiasi CuKα pada o2theta antara 8.19‐72.4o. Konsentrasi CaO diketahui dengan menggunakan X‐Ray Flourescence (XRF).
3.3 Reaksi Transesterifikasi Pengujian efektifitas katalis dijalankan di dalam 500 mL labu leher tiga dilengkapi dengan pemanas serta condenser. Sebanyak 125 mL minyak kelapa sawit, 1:5 mol minyak:mol metanol, serta 1% massa katalis CaO dimasukkan ke dalam labu leher tiga, reaksi dijalankan pada suhu 60oC selama 4 jam dengan kecepatan pengadukan 700 rpm. Perbandingan mol minyak:metanol divariasikan mulai dari 1:5 sampai dengan 1:9 dengan range variasi 2. Persen massa katalis padat divariasikan mulai dari 1% berat sampai dengan 5% berat dengan range variasi 1.
Gambar. 2 – Hasil XRD pada Cangkang Keong Mas (a) dan setelah kalsinasi (b) Sedangkan peak yang lain pada o2theta 17.9, 28.6, 34.1, 46.9, dan 50.7 menunjukkan fase Ca(OH)2. Hal ini menunjukkan bahwa hidrasi pada CaO tidak dapat dihindari selama proses aktivasi katalis. Pada hasil XRD cangkang keong mas setelah kalsinasi tidak menunjukkan adanya unsur CaCO3, sehingga semua CaCO3 terkonversi menjadi CaO dan Ca(OH)2. Hasil X‐Ray Flourescence ditunjukkan pada gambar 3, CaO dari cangkang keong menunjukkan konsentrasi CaO sebanyak 96,83%.
4. Hasil dan Pembahasan 4.1 Karakterisasi Katalis Katalis padat dari cangkang keong mas dikarakterisasi menggunakan X‐Ray Diffraction (XRD) untuk mengetahui struktur dari katalis. Hasil XRD pada cangkang keong mas sebelum dan sesudah kalsinasi menunjukkan peak yang bebeda, hal ini menunjukkan bahwa cangkang keong mas yang belum dikalsinasi memiliki struktur yang berbeda dengan yang sudah dikalsinasi. Hasil analisa dapat dilihat pada gambar 2. Berdasarkan gambar 2 (a) dapat terlihat pada peak o2theta 26.1, 38.2, 45.8, 52.1 merupakan X‐Ray Diffractograms dari CaCO3, hal ini menunjukkan bahwa cangkang keong mas sebelum kalsinasi mengandung CaCO3. Hasil dari XRD dari cangkang keong mas setelah kalsinasi dapat dilihat pada gambar 2 (b) . Gambar tersebut menunjukkan peak pada o2theta 32.1, 37.3, 53.9 merupakan X‐ Ray Diffractograms dari CaO.
Gambar. 3 – Hasil XRD pada Cangkang Keong Mas (a) dan setelah kalsinasi (b)
hingga 3% massa katalis, namun mengalami penurunan pada 4% dan 5% massa katalis. Hal ini dapat terjadi karena metanol berlebih bereaksi dengan senyawa Ca yang juga berlebih dan membentuk Ca(CH3O)2. Oleh karena itu kondisi yang paling menguntungkan untuk memproduksi biodiesel dengan katalis cangkang Pomacea sp. ialah pada perbandingan 1:5 mol minyak banding mol metanol dengan jumlah % massa katalis sebanyak 5% massa (yield = 91,39%). Kondisi ini dipilih karena penggunaan metanol yang relatif lebih sedikit dan yield yang dihasilkan tidak jauh berbeda dengan yield maksimum yang didapatkan pada percobaan ini (94.43%), meskipun katalis yang digunakan dalam jumlah yang cukup banyak, tetapi hal ini tidak menjadi masalah karena bahan dasar katalis padat yang berupa cangkang keong sawah merupakan limbah.
4.2 Reaksi Transesterifikasi Transesterifikasi dengan katalis basa seperti alkali‐ alkoksida/hidroksida seperti kalsium oksida lebih cepat daripada menggunakan asam serta tidak korosif. Mekanisme transesterifikasi trigliserida menjadi metil ester dengan alkohol terdiri dari beberapa step. Pertama, ketika CaO dan metanol dicampurkan ke dalam labu leher tiga, terjadi reaksi antara basa dan alkohol menghasilkan alkoksida dan katalis terprotonasi. Kedua, setelah ditambahkan minyak kelapa sawit ke dalam campuran metanol‐katalis, nukleofilik akan ”menyerang” alkoksida pada gugus karbonil di trigliserida sehingga menjadi intermediet tetrahedral. Ketiga, pembentukan metil‐ester. Step terakhir adalah deprotonasi katalis menghasilkan molekul bermuatan positif yang akan bereaksi dengan molekul‐molekul alkohol untuk kembali dalam siklus katalitik.
96 100
94 92
yield biodiesel (%)
yield biodiesel (%)
80
60
40
90 88 86 84
20 1:5 1:7 1:9
0
82 80 0
0
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
6
Jumlah penggunaan (kali)
6
Gambar.5 – Penggunaan berulang CaO pada reaksi transesterifikasi Terlihat pada Gambar 5, bahwa CaO dari cangkang keong sawah masih menghasilkan yield di atas 80% hingga penggunaan ke‐5.
massa katalis (w/w%)
Gambar. 4 – Pengaruh perbandingan katalis dan jumlah methanol Yield biodiesel dari variasi % massa katalis serta perbandingan jumlah metanol dapat dilihat pada gambar 4. Untuk masing‐masing variasi % massa katalis yang digunakan, dari 1%, 2%, 3%, 4%, dan 5%, yield tertinggi dapat tercapai pada perbandingan mol metanol berturut‐turut 1:9 (83.45%), 1:7 (81.42%), 1:9 (88.47%), 1:7 (94.43%), dan 1:5 (91.39%). Dari hasil yang telah didapat, yield tertinggi bisa tercapai dengan kondisi jumlah % massa katalis sebanyak 4% dengan perbandingan mol metanol 1:7. Untuk perbandingan 1:5, yield biodiesel akan terus meningkat seiring dengan bertambahnya % massa katalis yang digunakan. Pada perbandingan 1:7, yield biodiesel juga mengalami peningkatan seiring dengan bertambahnya % massa katalis, tetapi pada % massa katalis 5% mengalami penurunan. Sama halnya dengan perbandingan 1:9. Yield biodiesel mengalami peningkatan pada 1%
5. Kesimpulan Dari percobaan yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa cangkang keong mas dapat digunakan sebagai katalis yang efektif untuk pembuatan biodiesel dari minyak kelapa sawit. Hasil maksimal yang diperoleh adalah sebesar 94,43%.
Daftar Pustaka [1] Ngamcharussrivichai, Chawalit et al. 2008. Ca and Zn Mixed Oxide as a Heterogenous Base Catalyst for Transesterification of Palm Kernel Oil, Applied Catalysis A: General 341 (2008) 77– 85
[2] Arzamedi, G. et al. 2008. Alkaline and alkaline‐ earth metals compounds as catalysts for the metanolysis of sunflower oil. Catalysis today 133‐135 (2008) 305‐313 [3] Viriya‐empikul, N. et al. 2010. Waste Shell of Mollusk and Egg as Biodiesel Production Catalyst. Bioresource Technology 101 (2010) 3765–3767 [4] Kouzu, Masato et al. 2008. Calcium oxide as a solid base catalyst for transesterification of soybean oil and its application to biodiesel production. Fuel 87 (2008) 2798‐2806 [5] The National Biodiesel Board. 2010. America’s First Advanced biodiesel. http://www.biodiesel.org/resources/faqs/. [6] Sahid, M., Budi Saroso, Mukani dan Buadi. 2000. Diversifikasi hasil, pengolahan hasil utama dan hasil samping tanaman kapuk. Prosiding Pertemuan Komisi Penelitian Pertanian Bidang Perkebunan 220‐227. [7] Anonim. 2007. Gambar transesterifikasi. Biodiesel Production and Quality. http://www.biodiesel.org/pdf_files/ fuelfactsheets/prod_quality.pdf. [8] Istadi. Transesterifikasi. 2010. Transesterifikasi Biodiesel. Medan: Universitas Sumatera Utara. [9] C. Reddy, V. Reddy, R. Oshel and J. G. Verkade, Room‐temperature Conversion of Soybean Oil and Poultry Fat to Biodiesel Catalyzed by Nanocrystalline Calcium, Energy and Fuels, 20, 2006, 1310–1314. [10] B. Hai‐Xin and S. Xiao‐zhen, Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 19, 2009. 674‐677. [11] Kansedo, Jibrail et al. 2009. Biodiesel production from palm oil via heterogeneous transesterification. biomass and bioenergy 33 (2009) 271–276
