BAB I PENGANTARetd.repository.ugm.ac.id/downloadfile/73137/potongan/S1-2014... · Bahan bakar...

Prarancangan Pabrik Biodiesel Berbahan Baku Tanaman Non-Pangan Biji Kemiri Sunan dengan Kapasitas 100.000 ton/tahun

Danu Purwanugraha 10/301213/TK/36869 1

BAB I

PENGANTAR

Latar Belakang

Bahan bakar minyak yang berasal dari fosil masih menjadi pilihan utama

untuk pemenuhan kebutuhan bahan bakar kendaraan bermotor di Indonesia.

Beberapa alasan untuk hal tersebut adalah mengenai kemudahan, dan

familiaritasnya. Sayangnya, hal ini tidak didukung oleh ketersediaan cadangan bahan

bakar fosil yang memadai. Menurut kepala SKK Migas, cadangan minyak yang

Indonesia miliki saat ini hanya akan bertahan sampai tahun 2025 tanpa ditemukan

sumur minyak baru. Itu berarti pilihan yang ada selanjutnya adalah melakukan

eksplorasi sumber miyak baru atau impor minyak mentah. Akan tetapi dengan harga

minyak mentah yang terus melonjak di pasar internasional, penggunaan bahan bakar

terbarukan untuk menggantikan bahan bakar minyak perlu untuk mulai

dipertimbangkan dengan lebih serius. Kondisi ini mendorong berbagai pihak

meningkatkan penggunaan energi terbarukan dan ramah lingkungan.

Biodiesel merupakan salah satu energi terbarukan yang banyak

dikembangkan. Biodiesel adalah campuran multikomponen mono-alkil ester berantai

panjang yang tersusun dari asam asam lemak turunan dari minyak nabati dan lemak

hewan (Herbinet et al., 2007). Biodiesel memberikan solusi dalam bentuk

mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil. Selain itu, biodiesel memiliki

banyak kelebihan, diantaranya ramah lingkungan karena tidak menghasilkan emisi

sulfur, mengurangi pemanasan global, bisa meningkatkan kinerja mesin tanpa

merubah mesin, meningkatkan nilai ekonomi dari produksi minyak nabati dan lemak

hewani, dapat dihancurkan oleh mikroorganisme, dan tidak beracun (Fan, X. dan

Burton J., 2009).

Permasalahan energi nasional jangka panjang menyangkut hal yang berkaitan

dengan security of supply dan keberlanjutan penyediaan energi, sehingga dapat

mendukung pembangunan dan kebutuhan seluruh rakyat Indonesia dalam jangka

panjang. Penyediaan energi jangka panjang mempertimbangkan berbagai aspek lain,

seperti lingkungan, ekonomi, dan aspek sosial kemanusiaan. Penerapan teknologi

yang maju memerlukan edukasi dan informasi yang cukup agar dapat diterima



sebagai bagian budaya masyarakat yang belum pernah berinteraksi dengan berbagai

teknologi baru EBT (Energi Baru dan Terbarukan) maupun dampak pemanfaatannya

pada sosial kemanusiaan (BPPT, 2010). Biodiesel penting digunakan sebagai bahan

bakar ramah lingkungan untuk transportasi dan energi, keduanya diperoleh selaras

dengan hal-hal seperti isu ramah lingkungan, daur ulang dan aspek ekonomi. Salah

satu bahan baku potensial untuk dijadikaan bahan baku biodiesel adalah tanaman

kemiri sunan yang tidak berkompetisi dengan sektor ketahanan pangan.

Dengan didirikannya pabrik biodiesel berbahan baku tanaman non-pangan ini

diharapkan dapat menunjang ketersediaan energi nasional dan menjadi pelopor

penciptaan energi yang ramah lingkungan.

Tinjauan Pustaka

Bahan Baku

Tanaman Kemiri Sunan (Reutealis trisperma (Blanco) Airy Shaw)

merupakan tanaman non-pangan yang dapat menghasilkan biji dengan kandungan

minyaknya dapat mencapai 50% sehingga potensial untuk dijadikan sebagai sumber

bahan baku biodiesel. Tanaman Kemiri Sunan merupakan tanaman konservasi yang

bisa dikembangkan di lahan kritis dan bisa menghasilkan minyak nabati sebanyak

115 liter/pohon/tahun atau 18000 liter/ha/tahun ( Herman et al., 2009). Produktivitas

pohon Kemiri Sunan berdasarkan umur pohon disajikan dalam tabel 1.

Tabel 1. Produksi Biodiesel Kemiri Sunan Per Hektar



Analisis fisiko-kimia yang telah dilakukan oleh beberapa peneliti maupun

perseorangan yang tertarik dengan kemiri sunan menyebutkan bahwa kandungan

minyak yang terdapat dalam kernel mencapai 50-60 %, dengan komposisi asam

lemak seperti tercantum dalam tabel 2.

Tabel 2. Komposisi Asam Lemak Kemiri Sunan

Jenis Asam Lemak Komposisi (%)

Asam Stearat 9

Asam Palmitat 10

Asam Oleat 12

Asam Linoleat 19

Asam Α-Oleostearic 50

(Sudrajat, 1983)

Kandungan asam α-oleostearic yang mencapai 50 % inilah yang

menyebabkan biji kemiri sunan sangat beracun, sehingga tidak dapat dikonsumsi.

Karakteristik minyak yang diekstrak dari kernelnya memiliki berat jenis (25°C) 0,89;

bilangan iod 160; bilangan asam 1,7; bilangan penyabunan 192-200; titik leleh2-

4°C; dan titik beku - 6,5°C.

Selain minyak kemiri sunan, bahan utama dalam proses pembuatan biodiesel

ini adalah methanol. Methanol adalah senyawa alkohol dengan satu atom karbon dan

satu gugus hidroksil. Methanol biasa digunakan sebagai bahan baku pembuatan

biodiesel karena relatif lebih murah jika dibandingkan dengan ethanol.



Penentuan Kapasitas Perancangan

Penentuan kapasitas perancangan pabrik biodiesel dari kemiri sunan ini

dilakukan dengan meninjau berbagai macam aspek, yaitu sebagai berikut :

1. Ketersediaan Bahan Baku

Staf Khusus Presiden Bidang Pangan dan Energi tahun 2012

menginformasikan data sebaran pohon kemiri sunan di Indonesia yang tercantum

dalam tabel 2 berikut :

Tabel 3. Persebaran Kemiri Sunan di Indonesia

No Kota Populasi Pohon Kemiri Sunan (pohon)

1 Jakarta 3.500

2 Bekasi 30.000

3 Kuningan 10.000

4 Majalengka 10.000

5 Jati Gede 10.000

6 Bandung 3.000

7 Ngawi 40.000

8 Lamongan 13.000

9 Nusa Penida Bali 15.000

10 Lombok 14.500

Jumlah 149.000

Populasi pohon di daerah Jawa Barat sebanyak 63.000 pohon. Apabila 50%

pohon kemiri sunan produktif maka tersedia bahan baku kemiri sunan yang bisa

menghasilkan minyak kemiri sunan sebanyak 3,450 juta/tahun. Data tersebut

menunjukan bahwa ketersediaan bahan baku bisa menjamin kelangsungan

operasional pabrik.

2. Kebutuhan Biodiesel

Kebutuhan biodiesel Indonesia semakin meningkat dari tahun ke tahun. Hal

ini sejalan dengan kebijakan pemerintah untuk meningkatkan penggunaan energi



terbarukan yang ramah lingkungan. Perkembangan penggunaan biodiesel di

Indonesia dapat dilihat pada tabel berikut :

Tabel 4. Neraca Biodiesel Indonesia

Tahun Kapasitas (kl) Produksi (kl) Export (kl) Domestik

2006 214.943 40.000 35.000 5.000

2007 1.719.195 60.000 39.000 21.000

2008 3.137.931 110.000 75.000 35.000

2009 3.528.092 350.000 200.000 150.000

2010 3.936.138 455.000 235.000 220.000

2011 3.936.138 1.450.000 1.092.000 385.000

2012 4.280.000 2.110.000 1.440.000 670.000

2013 4.280.000 2.200.000 1.300.000 800.000

Kebutuhan biodiesel di Indonesia mencapai 385 juta liter pada tahun 2011

dan meningkat menjadi 670 juta liter pada tahun 2012. Hal ini terjadi karena

adanya peningkatan batas pencampuran dari 5% pada 2011 menjadi 7,5% pada

2012. Data ESDM menunjukkan bahwa konsumsi biodiesel untuk transportasi

Januari-17 Juni 2013 hampir mencapai 350 juta liter. Pada tahun 2015

diperkirakan penggunaan biodiesel mencapai 8,8 juta kiloliter sehingga

Indonesia kekurangan biodiesel sekitar 6,6 juta kiloliter. Pada tahun 2014-2015

PT Pertamina akan mengadakan lelang pengadaan biodiesel, maka terbuka

peluang untuk dapat memasok kebutuhan domestik. Dengan peningkatan

penggunaan biodiesel maka akan mengurangi impor solar, sehingga defisit

perdagangan indonesia akan menurun secara signifikan.



3. Sekala komersil pabrik yang menguntungkan

Dalam menentukan kapasitas pabrik, perlu dipilih skala komersil produksi

pabrik yang menguntungkan. Berikut ini adalah daftar perusahaan biodiesel

yang beroperasi di Indonesia beserta kapasitas produksinya :

Tabel 5. Data Pabrik Biodiesel di Indonesia beserta Kapasitas Produksinya.

Nama Perusahaan Kapasitas

PT. Pelita Agung Agri Industries 400.000 MT/tahun

PT. Petro Andalan Nusantara 150.000 kl/tahun

PT. Cemerlang Energi Perkasa 400.000 MT/tahun

PT. Indo Biofuels Energy 60.000 Kl/tahun

PT. Eternal Buana Chemichal Industri 40.000 MT/tahun

PT. Damai Sejahtera Sentosa 120.000 MT/tahun

PT. Pasadena Biofuel Mandiri 10.240 Kl/tahun

PT. Multi Kimia Inti Pelangi 14.000 Kl/tahun

PT. Primanusa Palma Energi 24.000 Kl/tahun

PT. Eterindo Nusa Graha 40.000 MT/tahun

PT. Anugerah Inti Gemanusa 40.000 MT/tahun

PT. Bioenergy Pratama Jaya 66.000 MT/tahun

PT. Oil Tangking 504.000 MT/tahun

PT. Wilmar Bioenergy Indonesia 1.050.000 MT/tahun

PT. Musim Mas 420.000 MT/tahun

PT. Cilandra 250.000 MT/tahun

PT. Sintong Abadi 35.000 Kl/tahun

PT. Energi Alternatif 7.000 MT/tahun

PT. Darmex Biofuels 150.000 MT/tahun

Berdasarkan pertimbangan tersebut, dimana biodiesel mempunyai potensi

pasar yang jelas dan luas dengan ketersediaan bahan baku yang cukup, maka



kapasitas produksi pabrik biodiesel berbahan baku kemiri sunan ini dipilih

100.0000 ton/tahun. Pemilihan kapasitas sebesar 100.0000 ton/tahun ini

dimaksudkan bahwa pabrik ini berada di skala menengah tetapi masih bisa

bersaing dengan pabrik lain dan bahan baku yang ada membuat pabrik ini aman

dari segi operasionalnya. Pabrik ini diharapkan bisa memberikan kontribusi yang

nyata dalam pemenuhan kebutuhan energi nasional dan meningkatkan

perekonomian nasional.

Penentuan Lokasi Pabrik

Lokasi pabrik merupakan salah satu hal yang krusial terhadap lancarnya

kegiatan industri. Agar pemilihan lokasi pabrik tepat secara teknis dan ekonomis

maka lokasi harus memenuhi beberapa pertimbangan. Pabrik biodiesel direncanakan

akan didirikan di Kawasan Industri Mitra, Karawang, Jawa barat dengan

pertimbangan :

1. Dekat dengan bahan baku

Bahan baku yang digunakan pada pabrik ini adalah biji kemiri sunan.

Berdasarkan data Staf Khusus Presiden Bidang Pangan dan Energi tahun 2012, Jawa

Barat adalah provinsi dengan populasi pohon kemiri sunan yang tertinggi di

Indonesia, populasinya mencapai 60 ribu pohon. Selain itu pemerintah daerah di

Jawa Barat sedang mengembangkan tanaman kemiri Sunan dengan melakukan

penanaman bibit di Kabupaten Garut dan Majalengka. Selain Kemiri Sunan, bahan

baku lain yang dibutuhkan, yaitu methanol didapat dari PT Kaltim Methanol

Industri.

2. Kemudahan transportasi

Karawang memiliki sarana dan prasarana transportasi yang memadai sehingga

memudahkan distribusi bahan, baik bahan baku ataupun produk. Selain itu,

Karawang berjarak 60 km dari pelabuhan yang memudahkan dalam pendistribusian

bahan baku dari pelabuhan.



3. Utilitas dan bahan bakar

Karawang berada di kawasan industri sehingga kebutuhan utilitas dengan

mudah bisa terpenuhi karena faslitas telah lengkap tersedia, terutama untuk utilitas

listrik. Sedangkan suplai bahan bakar gas diperoleh dari PT. PGN. Tbk

4. Kesediaan tenaga kerja

Tenaga kerja baik tenaga kerja biasa ataupun tenaga kerja ahli tersedia dalam

jumlah yang cukup, karena pabrik terletak di pulau Jawa dimana banyak terdapat

Universitas yang siap menyuplai tenaga kerja ahli.

5. Iklim dan gempa

Karawang merupakan daerah yang aman, karena tidak termasuk daerah yang

rawan bencana, baik itu bencana banjir atau gempa bumi.

6. Regulasi dan perijinan

Posisi Karawang yang terletak dalam kawasan industri, memberikan kemudahan

dalam mendapatkan segala macam perijinan dari pemerintah setempat. Adanya

dorongan dari pemerintah daerah dalam pengembangan industri juga diharapkan

dapat memberikan keuntungan tersendiri bagi pabrik ini.

Berikut ini adalah Peta Lokasi Kawasan Industri Mitra, Karawang, Jawa Barat :

Gambar 1. Peta Lokasi Pendirian Pabrik Biodiesel Berbahan Baku Kemiri Sunan.



Pemilihan Proses

Proses pembuatan biodiesel dari minyak nabati atau lemak yang paling layak

dilakukan menurut Thanh et al adalah sebagai berikut :

1. Mechanical Stirring Method

Transesterifikasi antara trigliserida dan alkohol dengan bantuan katalis

biasanya dilakukan dalam reactor batch. Langkah pertama, reaktan dipanaskan

sampai suhu yang diinginkan, lalu dicampur sempurna dengan pengaduk

mekanik. Reaksi transesterifikasi ini menhasilkan Fatty Acid Methyl Ester

(FAME) yang merupakan biodiesel. Hasil biodiesel yang diperoleh tergantung

dari berbagai macam parameter, seperti jumlah katalis, suhu reaksi, rasio

alcohol dan minyak, kecepatan pengadukan dan lain-lain. Dalam praktiknya,

produksi biodiesel banyak yang menggunakan Continous Stirred Tank Reactor

(CSTR) untuk mencapai kapasitas produksi yang besar serta untuk mendapatkan

ukuran reactor yang lebih kecil. Metode produksi biodiesel dengan

menggunakan pengadukan mekanik ini adalah metode yang paling banyak

digunakan dan cocok untuk katalis homogeny ataupun heterogen.

1.1 Homogeneous Base-Catalyst Transesterification

Reaksi transesterifikasi dengan katalis basa seperti senyawa hidoksida dan

metoksida memberikan hasil yang bagus ketika minyak yang digunakan

berkualitas tinggi (FFA < 1 wt.% and moisture < 0.5 wt.%). Reaksi dijalankan

pada suhu 60–65 °C dan tekanan atmosferis dengan jumlah alcohol yang

berlebih, biasanya methanol. Rasio molar alcohol terhadap minyak yang paling

sering digunakan adalah 6:1 atau lebih. Jika digunakan NaOH atau KOH

dibutuhkan beberapa jam untuk menyelesaikan reaksi. Basa alkoksi seperti

alkaline alkoxides adalah katalis yang paling reaktif karena bisa menghasilkan

FAME lebih dari 98% dengan waktu reaksi yang lebih singkat, yaitu 30 menit.

Selain itu, katalis metoksida tidak seperti katalis hidroksida yang pemurniannya

sulit. Basa hidroksida lebih murah daripada basa alkoksi, tetapi kurang reaktif.

Kelemahan utama dari katalis basa adalah tidak bisa digunakan secara

langsung pada minyak atau lemak yang mengandung banyak FFA (>1 wt.%).

Apabila FFA dinetralisasi oleh basa membentuk sabun dan air maka aktivitas

katalis akan menurun. Pembentukan sabun ini menghambat proses pemisahan

gliserol dari campuran dan pemurnian FAME dengan air. Penghilangan katalis

yang tersabunkan sangat sulit dan memberikan biaya tambahan yang besar

dalam produksi biodiesel. Biodiesel yang diperoleh dimurnikan dengan cara

pencucian dengan air atau distilasi pada suhu tinggi dan tekanan yang lebih

rendah.



Pada minyak nabati atau lemak dengan kandungan FFA yang rendah,

transesterifikasi dengan katalis basa lebih cepat daripada transesterifikasi

dengan katalis asam sehingga secara umum lebih banyak digunakan secara

komersial dalam skala industry.

1.2 Homogeneous Acid-Catalyst Transesterification

Pada umumnya kandungan terbesar minyak nabati dan minyak hewani adalah

trigliserida dan sisanya dalam bentuk asam lemak bebas (Free Fatty Acid/FFA).

Oleh karena itu, reaksi yang dominan adalah reaksi transesterifikasi. Sedangkan

reaksi esterifikasi dibutuhkan untuk minyak nabati yang memiliki kadar FFA

tinggi (>1%). Jika kadar FFA terlalu tinggi maka dapat menyebabkan

pembentukan sabun yang bisa membentuk emulsi sehingga akan mengganggu

proses transesterifikasi. Adanya sabun pada reaksi transesterifikasi akan

menghambat pembentukan produk (metil ester) sehingga hasil yang didapat

tidak menunjukkan kenaikan yang signifikan. Sabun pada hasil transesterifikasi

akan meningkatkan viskositas dari biodiesel dan mengganggu pemisahan

gliserol. Selain itu, dengan adanya sabun maka ada sebagian biodiesel yang

terbawa oleh fase air (gliserol)

Bahan baku yang mengandung FFA tinggi seperti limbah minyak goreng,

Jatropha curcas, rubber, tobacco oils biasanya lebih sering digunakan katalis

asam yang berupa asam kuat seperti asam sulfat, asam klorida atau asam fosfat

daripada katalis basa karena reaksi yang terjadi tidak menghasilkan sabun.

Walaupun katalis asam sangat sensitif terhadap kandungan air dari bahan baku.

Dilaporkan bahwa jumlah air yang sedikit (0.1 wt.%) dalam campuran reaksi

sangat berpengaruh terhadap jumlah FAME yang dihasilkan oleh

transesterifikasi minyak dengan methanol. Jika konsentrasi air 5 wt% maka

reaksi akan seluruhnya terhambat. Canakci dan Gerpen melakukan esterifikasi

dan transesterifikasi secara simultan dengan katalis asam dimana hasil FAME

yang diperoleh lebih dari 90% dengan kandungan air di bawah 0.5 wt% dan

kondisi reaksi pada suhu 600C, rasio molar methanol dengan minyak adlah 6:1,

asam sulfat sebanyak 3 wt% dan waktu reaksi 96 jam.

Kekurangan dari katalis asam adalah dibutuhkan suhu yang lebih tinggi dan

reaksi yang lebih lama dan bisa menyebabkan korosi pada peralatan. Selain itu,

untuk meningkatkan konversi dari trigliserida dibutuhkan jumlah methanol

berlebih yang besar, sehingga harus digunakan rasio molar methanol dengan

minyak lebih dari 12:1. Oleh karena itu, untuk mengurangi waktu reaksi, proses

dengan katalis asam diadopsi sebagai pretreatment step ketika dibutuhkan untuk

mengkonversi FFA menjadi ester. Secara umum, transesterifikasi dengan katalis

asam dilakukan pada kondisi rasio molar yang tinggi antara methanol dengan

minyak yaitu 12:1, suhu tinggi 80–100 °C dan asam kuat seperti asam sulfat.



Patil et al melakukan produksi biodiesel dari minyak Jatropha curcas dengan

dua langkah dan memberikan hasil maksimum 95% dengan kondisi reaksi :

pertama esterifikasi asam, rasio molar methanol dengan minyak 6:1, asam sulfat

0.5 wt%, suhu reaksi 40 ± 5 °C dan dilanjutkan transesterifikasi basa, rasio

molar methanol dengan minyak 9:1, KOH 2 wt% dan suhu reaksi 600C.

1.3 Heterogeneous Solid-Catalyst Transesterification

Kelemahan transesterifikasi basa homogen adalah konsumsi energy yang

besar, biaya pemisahan katalis dari campuran reaksi dan pemurnian biodiesel

mahal. Oleh karena itu, untuk menurunkan biaya proses pemurnian digunakan

katalis padat seperti metal oxides, zeolites, hydrotalcites, dan γ-alumina karena

katalis ini mudah dipisahkan dari campuran reaksi dan dapat digunakan

kembali. Kebanyakan katalis ini adalah basa atau basa oksida yang ditopang

material dengan luas permukaan yang besar. Seperti katalis homogeny, katalis

basa padat lebih aktif daripada katalis asam padat.

Oksida kalsium dan magnesium teraktivasi.

Di alam, CaO dan MgO tersedia dalam jumlah yang melimpah dan secara

luas telah digunakan. Ngamcharussrivichai et al. mengkalsinasi domomite yang

kandungan utamanya CaCO3 dan MgCO3 pada 8000C selama 2 jam untuk

membuat katalis CaO dan MgO untuk transesterifikasi minyak kelapa sawit.

Kondisi optimal yang diperoleh adalah jumlah katalis 6wt% terhadap minyak,

rasio molar methanol dengan minyak 30:1, waktu reaksi 3 jam dan suhu reaksi

600C dan hasil FAME 98%. Setelah selesai reaksi, katalis diperoleh kembali

dengan sentrifugasi dan dicuci dengan methanol dan digunakan kembali untuk

proses selanjutnya. Hasil FAME lebih dari 90% diperoleh sampai pemakaian

katalis 7 kali. Huaping et al melakukan transesterifikasi minyak Jatropha

curcas dengan methanol dan katalis CaO. Hasil FAME yang diperoleh lebih

dari 93% dengan jumlah katalis 1.5 wt%, suhu 700C, rasio molar 9:1 dan waktu

reaksi 3,5 jam.

Aktivitas katalis padat tergantung dari bagian aktif permukaan CaO atau

MgO. Jika permukaan logam oksida tersebut mudah teracuni oleh absorpsi CO2

dan air di udara membentuk karbonat dan hidroksida, maka aktivitas katalis

tersebut menurun seiring berjalannya waktu. Aktivitas katalis tersebut bisa

diperbaiki dengan kalsinasi untuk menghilangkan CO2 dan air pada suhu tinggi.



Katalis Padat Basa Bahan

Baku

FAME

yield, %

Jumlah

katalis, wt%

Rasio molar

methanol

dengan minyak

Suhu Reaksi, 0C

Waktu Reaksi, menit Keterangan

Activated Oxides of Calcium

and Magnesium

Palm

kernel oil

98 6 30:1 60 3x60 Penggunaan katalis

bisa 7 kali dengan

FAME yield lebih

dari 90%

Alkaline Modified Zirconia,

ex Sr/ZrO2

waste

cooking

oil

79.7 2.7 29:1 115.5 169

Tri-Potassium Phosphate

(K3PO4)

waste

cooking

oil

97.3 4 60 120 FAME yield 88%

jika digunakan

katalis yang telah

diregenerasi

Metal Oxides Supported on

Silica, ex ZS/Si

waste

cooking

oil (15

wt.%

FFA)

98 3 18:1 200 600 rpm, katalis

bisa digunakan

kembali tanpa ada

pengurangan

aktivitas

Mixed Oxides of TiO2–MgO waste

cooking

oil

92.3 10 50:1 160 6x60 MT-1-923

comprising a

Mg/Ti molar ratio

of 1, aktivitas

katalis menurun

perlahan



Katalis padat asam memberikan hasil yang kurang baik jika dibandingkan dengan

katalis padat basa.

1.4 Transesterifikasi dengan katalis enzim

Enzim yang biasanya digunakan dalam produksi biodiesel adalah lipase.

Kelemahan proses katalisis dengan enzim adalah mahalnya harga lipase. Selain

itu, ketidakaktifan enzim yang menyebabkan penurunan hasil FAME sebagian

besar dibatasi oleh kelarutan enzim dalam methanol. Aplikasi di industri masih

jarang karena aspek kelayakan dan tantangan teknisnya. Kondisi reaksi

optimum dari transesterifikasi tallow adalah suhu 450C, kecepatan pengadukan

200 rpm, konsentrasi enzim 12.5-25% terhadap trigliserida, rasio molar

methanol dengan air 3:1, waktu reaksi 4-8 jam (untuk alcohol primer) dan 16

jam (untuk alcohol sekunder). Lipozyme, i.e., IM 60 paling efektif dengan

konversi 95% dengan alcohol primer dan lipase dari C. antarctica and P.

cepacia (PS-30) paling efisien dengan konversi 90% dengan alcohol sekunder.

2. Ultrasonic Irradiation Method

Karena sifat kimia dan fisika minyak nabati sangat berbeda dengan methanol

maka tidak saling melarutkan (immiscible). Transfer massa antar reaktan

tersebut adalah parameter paling penting yang mempengaruhi hasil FAME.

Ultrasonic Irradiation sangat berguna untuk meningkatkan transfer massa pada

system liquid-liquid heterogen. Dengan meningkatnya transfer massa, minyak

dan methanol mudah bercampur. Ketika gelombang suara dengan frekuensi

yang cocok ditransmisikan secara efektif dari transduser ke cairan minyak dan

alkohol, sejumlah gelembung kavitasi terbentuk dalam cairan. Pembentukan dan

hancurnya gelembung kavitasi ini mengganggu batas fase dalam sistem cairan

dua fase tersebut. Dengan begitu alcohol dan minyak dengan mudah

membentuk emulsi yang bagus dimana ukuran tetesan minyak dan methanol

dalam micrometer. Sebagai hasilnya, luas permukaan tetesan alcohol dan

minyak meningkat dan kemudian reaksi transesterifikasi berjalan dengan

efektif. Dengan Ultrasonic Irradiation transesterifikasi dapat dilakukan pada

suhu yang lebih rendah dengan jumlah katalis dan methanol lebih sedikit jika

dibandingkan dengan metode pengadukan mekanik.

Karena frekuensi rendah ultrasound memberikan efisiensi pencampuran yang

tinggi, frekuensi ini diadopsi dalam proses produksi biodiesel yaitu dari 20

sampai 40 kHz. Transesterifikasi ultrasonic bisa dilakukan secara batch atau

continuous, tetapi untuk industry skala besar yang bisa digunakan adalah

continuous. Pada proses continuous biasanya digunakan horn type high power

transducer dengan kapasitas 1-3 kW dan tranducer ini dihubungkan ke reactor

yang bervolume 1-3L. Thanh et al mendesain pilot plant menggunakan horn



type transducer dengan kapasitas 1 kW dan frekuensi 20kHz untuk

memproduksi biodiesel dari minyak canola dan methanol. Sistem ini dijalankan

dengan sister sirkulasi menggunakan tangki 100L. Hasil FAME yang diperoleh

lebih dari 99% dengan kondisi rasio molar 5:1, katalis KOH sebanyak 0.7 wt%,

waktu reaksi 1 jam pada suhu lingkungan. Bagaimanapun sangat sulit untuk

dilakukan scale up sampai ratusan atau ribuan liter karena methanol dan gliserol

terpisah dari ampuran reaksi dan membuat campuran tidak seragam pada tangki

sirkulasi.

3. Supercritical Alcohol Method

Transesterifikasi tanpa katalis bisa dilakukan dengan metode ini pada tekanan

tinggi (sekitar 80 atm) dan suhu tinggi (300-4000C) pada reactor kontinyu. Pada

kondisi superkritis, campuran reaktan menjadi satu fase dan reaksi berjalan

sangat cepat dan spontan. Jika dibandingkan dengan proses berkatalis, metode

superkritis ini memiliki 3 kelebihan, yaitu :

a. Proses ini ramah lingkungan karena tidak menggunakan katalis dalam

reaksi, oleh karena itu tidak diperlukan proses pemisahan katalis dan

sabun yang terbentuk.

b. Reaksi super kritis membutuhkan waktu reaksi yang singkat, yaitu 2-

4 menit dan laju konversi lebih cepat.

c. Adanya FFA ataupun air tidak mempengaruhi reaksi pada metode ini.

FFA dikonversi menjadi FAME, bukan sabun. Oleh karena itu proses

ini dapat diaplikasikan secara luas untuk bermacam-macam bahan

baku.

Kelemahan metode ini adalah dibutuhkan tekanan dan suhu tinggi dan juga

rasio molar methanol dengan minyak tinggi (biasanya 42:1) yang membuat

biaya produksinya mahal. Demirbas menjalankan transesterifikasi dengan

metode ini dengan bahan baku sunflower dan methanol dengan katalis CaO.

Hasilnya adalah reaksi selesai dalam waktu 6 menit dengan CaO 3 wt%, rasio

molar methanol dengan minyak 41:1 pada suhu 525 K, bukan di atas 600K

tanpa katalis.

4. Co-Solvent Method

Untuk mendapatkan reaksi satu fase co-solvents seperti tetrahydrofuran

(THF), 1,4-dioxane and diethyl ether telah diteliti. Dari list tersebut, THF adalah

solven pertama yang digunakan dalam transesterifikasi. Rasio molar methanol

dengan minyak 6:1 penambahan THF sebanyak 1.25 volume methanol ke

minyak menghasilkan system satu fase dimana proses transesterifikasi

dipercepat. Selain itu, THF dipilih karena titik didihnya (670C) hanya 2

0C di

atas methanol. Oleh karena itu, kelebihan methanol dan THF bisa didistilasi dan

direcycle.



Transesterifikasi soybean oil dengan methanol dilakukan dengan variasi

konsentrasi NaOH dengan menggunakan co-solvent THF. Hasil FAME adalah

82.5, 85, 87 dan 96% diperoleh dengan konsentrasi katalis 1.1, 1.3, 1.4 dan 2.0

wt.% dan waktu reaksi 1 menit. Transesterifikasi coconut oil dengan

menggunakan rasio volum THF/methanol 0.87 dengan NaOH 1wt% konversi

yang diperoleh adalah 99% dalam waktu 1 menit.

5. Continuous Method Using a Gas-Liquid Reactor

Proses ini dilakukan dengan atomisasi minyak/lemak lalu dimasukkan ke

reaction chamber yang berisi uap methanol dan katalis basa dengan aliran

counter current. Proses atomisasi ini meningkatkan area kontak methanol

minyak dengan menghasilkan tetesan berukuran mikro yaitu 100–200 μm dan

meningkatkan transfer panas dan transfer massa yang menjadi kunci kecepatan

reaksi. Proses ini memerlukan kelebihan methanol yang besar karena tidak

seperti proses batch yang metanolnya bisa direcycle kembali ke reactor tanpa

membutuhkan proses pemisahan dan kebutuhan energy yang mahal.

Transesterifikasi soybean oil dengan methanol dilakukan dengan continuous

gas-liquid reactor pada kondisi optimum yaitu NaOH 5–7 g L−1

dalam

methanol, methanol 17.2 L h−1

, minyak 10 L h−1

dan suhu 100–120 °C. Dengan

kondisi ini konversi trigliserida yang diperoleh sebesar 94–96%.

Pemilihan Reaktor :

Batch : cocok untuk produksi skala kecil, digunakan untuk memproduksi

produk dengan variasi grade dalam satu alat,

Continous : biaya produksi lebih murah jika dibandingkan dengan batch,

biasa dipilih untuk produksi skala besar

Stirred tank reactor : cocok untuk reaksi dengan transfer massa yang

bagus dan dibutuhkan perpindahan panas. Cocok untuk zat-zat dengan

viskositas tinggi dan cairan yang tidak saling melarutkan. Daya yang

dibutuhkan untuk pengadukan sedang 0.2 kW/m3 dan intense mixing 2

kW/m3. Karakteristik CISTR (continuous ideal stirred tank reactor)

didekati dengan waktu tinggal rata-rata 5-10 kali waktu pengadukan

sampai diperoleh campuran yang homogen.

Dengan mempertimbangkan kelebihan dan kekurangan masing-masing proses

produksi biodiesel di atas maka dipilih Mechanical Stirring Method dengan

menggunakan Continous Stirred Tank Reactor (CSTR). Proses produksi biodiesel

dilakukan dengan menggunakan dua buah CSTR. Kapasitas pabrik besar sehingga

dipilih CSTR yang bisa memberikan kapasitas besar dan lebih hemat reaktor jika



dibandingkan dengan Batch. Kapasitas reaktor batch juga kecil sehingga kurang

feasible untuk dipakai dalam pabrik ini.

Reaktor pertama digunakan untuk pretreatment dengan reaksi esterifikasi

minyak kemiri sunan yaitu mengkonversi FFA dalam minyak menjadi FAME

sehingga kandungan FFA yang tersisa menjadi sangat kecil (<1 wt%). Kondisi

operasi reaktor pertama adalah suhu reaksi 600C, katalis H2SO4 5wt% terhadap FFA

(basis asam oleat), rasio molar metanol dengan minyak 60:1, kecepatan pengadukan

600 rpm dan waktu reaksi 2 jam. Selanjtunya minyak dengan fraksi terbesarnya

berupa trigliserida masuk ke reaktor kedua. Reaksi esterifikasi FFA ditunjukkan oleh

gambar 2 berikut :

Gambar 2. Reaksi pembentukan biodiesel dengan esterifikasi

Di reaktor kedua, terjadi reaksi transesterifikasi dimana trigliserida direaksikan

dengan methanol dengan kondisi operasi suhu reaksi 600C, katalis NaOCH3 1wt%

terhadap minyak, rasio molar metanol dengan minyak 6:1, kecepatan pengadukan

600 rpm dan waktu reaksi 80 menit. Pada reaksi transesterifikasi 1 mol trigliserida

bereaksi dengan 3 mol methanol menghasilkan 1 mol gliserol dan 3 mol biodiesel

(FAME). Reaksi ini melalui 3 tahapan reaksi reversible, yaitu molekul trigliserida

menjadi digliserida , digliserida menjadi monogliserida, dan monogliserida menjadi

gliserol. Reaksi yang terjadi dalam keadaan kesetimbangan, sehingga untuk

meningkatkan produk yang dihasilkan maka methanol dibuat berlebih dari

kebutuhan stoikiometrinya sehingga menggeser kesetimbangan ke arah produk atau

dengan mengambil salah satu produk, contohnya penghilangan air dengan destilasi

atau dengan asam sulfat.

Reaksi transesterifikasi keseluruhan ditunjukkan oleh gambar 3 berikut :

Gambar 3. Reaksi pembentukan biodiesel dengan transesterifikasi



Fatty acid methyl esters (FAME) lebih banyak diproduksi daripada fatty acid ethyl

esters (FAEE) karena methanol lebih ekonomis jika dibandingkan dengan etanol

sehingga dalam pabrik ini alkohol yang digunakan adalah methanol.

Alasan pemilihan masing-masing parameter adalah sebagai berikut :

a. Dipilih katalis homogen daripada katalis heterogen karena :

Katalis homogen memberikan konversi lebih tinggi dan kecepatan reaksi

yang lebih cepat.

Katalis homogen tidak sensitif terhadap keberadaan FFA dan air.

Teknologi penerapan katalis heterogen masih belum banyak dikembangkan

dan diaplikasikan di skala industri.

Katalis heterogen memerlukan suhu operasi yang lebih tinggi.

Selain harganya yang mahal, katalis heterogen juga sangat sensitif terhadap

keberadaan air, karena beberapa katalis dapat terdeaktivasi karena adanya

air. Oleh karena itu jika ingin menggunakan katalis heterogen maka

diperlukan bahan baku minyak dengan kualitas tinggi.

b. Pada reaktor pertama untuk esterifikasi dipilih katalis asam daripada katalis

basa karena katalis asam memberikan beberapa keuntungan, yaitu :

Katalis asam tidak menyebabkan terbentuknya sabun.

Sangat cocok untuk minyak dengan kandungan FFA tinggi karena dapat

mengkonversi FFA menjadi FAME dengan yield yang besar.

Asam yang dipilih adalah asam kuat, yaitu H2SO4 yang sudah well prove.

c. Pada reaktor kedua untuk transesterifikasi dipilih katalis basa daripada katalis

asam karena katalis basa memberikan beberapa keuntungan, yaitu :

Bisa dijalankan pada kondisi operasi sedang yaitu 1 atm, 60-65 0 C.

Rasio molar methanol dengan minyak rendah sekitar 1% dari jumlah

minyak nabati.

Waktu reaksi lebih cepat dibanding asam yaitu sekitar 1 jam.

Memberikan efek korosi yang lebih rendah.

d. Katalis basa yang dipilih adalah Natrium Metoksida karena :

Katalis Natrium Metoksida tidak seperti katalis basa lain seperti NaOH dan

KOH yang bisa menghasilkan air ketika dicampur dengan methanol . Air

ini bisa meningkatkan kadar FFA dan mendorong terjadinya penyabunan

sehingga keberadaan air sangat dihindari.

Ktalis metoksida lebih reaktif daripada katalis hidroksida.

Katalis metoksida memberikan yield yang lebih besar daripada katalis

hidroksida.



Katalis berbasis Kalium menghasilkan pembentukan sabun yang lebih

tinggi daripada katalis berbasis Natrium.( KOH >> KOCH3 > NaOH >

NaOCH3)

Pelarutan senyawa hidroksida dalam methanol bersifat eksotermis,

sehingga untuk sekala besar suhu dapat meningkat melebihi titik didih

methanol dan hal ini berpotensi menimbulkan kebakaran ataupun explosion

hazard.

BAB I PENGANTARetd.repository.ugm.ac.id/downloadfile/73137/potongan/S1-2014... · Bahan bakar...

Documents

Transcript of BAB I PENGANTARetd.repository.ugm.ac.id/downloadfile/73137/potongan/S1-2014... · Bahan bakar...