Esterifikasi

BIODIESEL

    

PENDAHULUAN

Dalam mata kuliah proses industry kimia organic menitik beratkan pada konversi perubahan suatu bahan (raw material) menjadi produk yang berguna atau mempunyai nilai-tambah, serta produk tersebut dapat digunakan secara langsung oleh konsumen sebagai pengguna akhir dan produk tersebut disebut dengan produk-akhir, selain itu produk dari industri tersebut dapat juga digunakan sebagai bahan baku oleh industri lain, yang disebut juga sebagai produk-antara. Proses konversi ini berlangsung dengan proses kimia (unit proses) maupun proses fisika (unit operation). Salah satu konversi yang berlangsung melalui proses kimia yang dipelajari mahasiswa adalah esterifikasi.

1.1.       Definisi esterifikasi

Esterifikasi sendiri adalah reaksi pembentukan ester. Bisa dikatakan esterifikasi adalah reaksi antara asam organic atau anorganic dengan alkohol (ester dibentuk oleh kondensasi asam dan alkohol).

1.2.       Penggolongan esterifikasi

Penggolongan esterifikasi berdasarkan pada zat-zat yang ikut ambil bagian dalam proses esterifikasi :

1.1.1.      Esterifikasi alcohol + asam

            Dalam proses esterifikasi ini digunakan asam pekat supaya ionisasi H⁺ sukar. H pembentuk H₂O berasal dari alcohol dan OH berasal dari asam.

1.1.2.      Esterifikasi turunan asam organic

            Terbagi menjadi 4 jenis:

a.      Asidolisa

Ester  +  Asam à Ester baru + Asam baru

b.      Interesterifikasi

Ester + Ester àEster baru + Ester baru

c.      Alkoholisa

Ester + Alkohol à  Ester baru + Alkohol baru

d.     Esterifikasi terhadap asam anhydride

Anhidrid + Alkohol   à    Ester  + Asam

1.1.3.      Esterifikasi terhadap senyawa tak jenuh

            Proses berlangsung secara adisi dan terbagi menjadi:

a.      Acethylene

b.      ketene

1.1.4.      Esterifikasi terhadap asam anorganik

Sejumlah ester dibuat berasal dari asam anorganik seperti nitrat, sulfon dan phosphor.

  

ESTERIFIKASI DALAM INDUSTRI

Esterifikasi dalam industry yang berkembang dengan pesat akhir-akhir ini adalah esterifikasi minyak nabati menjadi biodiesel. Bertambahnya jumlah populasi di dunia dan meningkatnya jenis kebutuhan manusia seiring dengan berkembangnya zaman, mengakibatkan kebutuhan akan energi semakin meningkat sehingga persediaan energi (khususnya energi dari bahan bakar fosil yang tidak dapat diperbaharui) semakin menipis, bahkan semakin lama akan habis. Untuk mengurangi ketergantungan pada sumber  bahan bakar fosil (minyak/gas bumi dan batu bara) sebagai sumber energi yang tidak terbarukan dengan segala permasalahannya, Bahan bakar fosil mempunyai banyak kelemahan dalam banyak segi terutama harga yang cenderung naik (price escalation) sebagai akibat dari faktor-faktor seperti berkurangnya cadangan sementara permintaan terus meningkat serta  dampak lingkungan yang ditimbulkan olehnya yang mana sangat berpengaruh terhadap pemanasan global (global warming). Indonesia dan beberapa negara kini berusaha untuk mencari sumber-sumber energi lainnya sebagai bahan bakar alternatif. Alternatif ini harus mengoptimalkan potensi sumber daya lokal supaya harganya lebih murah dan terjangkau.

2.1.            Sejarah Biodiesel

Transesterifikasi minyak sayur dilakukan pada awal 1853 oleh ilmuwan E. Duffy and J. Patrick, pada tahun sebelumnya mesin diesel ditemukan. Adalah mesin milik Rudolf Diesel's yang dijadikan model utama, sebuah mesin berukuran 10 ft (3 m) silinder besi dengan roda gaya pada bagian dasar, melaju pada saat pengoperasian pertama di Augsburg, Germany, 10 Agustus 1893. Mesin ini dijadikan prototipe Diesel's vision karena menggunakan tenaga minyak kacang tanah. Sebuah bahan bakar yang bukan termasuk biodiesel, karena tidak diproses secara transesterifikasi. Tetapi karena penggunaan petrodiesel dinilai lebih menguntungkan pada saat itu. Perkembangan biodiesel dari minyak nabati kurang berkembang.

Pada akhir tahun 1970-an minyak nabati di Eropa telah digunakan sebagai bahan bakar motor diesel menggantikan minyak solar. Namun karena masalah teknis yang sulit diatasi, sekalipun dengan memodifikasi motor yang akhirnya hanya menambah biaya, minyak nabati kemudian diolah menjadi biodiesel dan mulai dikembangkan sejak pertengahan tahun 1980-an. Terutama di Jerman dan Austria, biodiesel diproduksi dari minyak rapeseed. Akan tetapi, sampai pertengahan tahun 1990-an produksi biodiesel dari rapeseed di Jerman dinilai masih belum ekonomis. Tanpa subsidi dari pemerintah, biodiesel di Jerman tidak mampu bersaing dengan minyak solar (yang sebenarnya sudah dikenai pajak hampir 200%). Sejak itu, mulailah dikembangkan biodiesel dari minyak goreng jelantah (used frying oil) dan dari sisa lemak hewani.

Saat ini biodiesel dari minyak goreng jelantah telah di produksi di negara Eropa, Amerika dan Jepang. Biodiesel dari minyak goreng jelantah di Austria dikenal dengan nama AME (Altfett Methyl Ester), sedang di Jerman selain dikenal dengan AME juga mendapat nama Fritten diesel, sedangkan di Jepang dikenal dengan e-oil. Berikut dapat dilihat grafik presentase konsumsi biodiesel dunia.

Indonesia dengan keanekaragaman sumber daya alamnya memiliki potensi yang sangat tinggi dalam memenuhi pasokan biodiesel dunia. Dan sebagai penghasil minyak sawit terbesar kedua setelah Malaysia dengan produksi CPO sebesar 8 juta ton pada tahun 2002 dan akan menjadi penghasil CPO terbesar di dunia pada tahun 2012. Dengan mempertimbangkan aspek kelimpahan bahan baku, teknologi pembuatan, dan independensi Indonesia terhadap energi diesel, maka selayaknya potensi pengembangan biodiesel merupakan potensi pengembangan biodiesel sebagai suatu alternatif yang dapat dengan cepat diimplementasikan.

Meskin terkesan masih lambat tapi jelas terlihat upaya pemerintah dalam menangani sector industry biodiesel. Hal ini dapat dilihat pada tabel berikut :

Tabel 1. Rencana investasi industry biodiesel di Indonesia, 2007- 2008.

Perusahaan                             Kapasitas(MT/tahun)

EW Group                              120.000

Platinum Resin Industri         50.000

Indo Biofuels Energy             160.000

Energi Alternatif Industri      300

Ganesha Energy                     5.000

Wilmar Bioenergi                   700.000

Sumi Asih Group                   200.000

Musim Mas                             300.000

Multi Kimia                            5.000

Jumlah                                    1.540.300

Sumber: Asosiasi Produsen Biodiesel Indonesia (2007).

2.2.            Spesifikasi biodiesel

Biodiesel berbentuk cairan berwarna kuning cerah sampai kuning kecoklatan. Biodiesel tidak dapat bercampur dengan air, mempunyai titik didih tinggi dan mepunyai tekanan uap yang rendah. biodiesel terdiri dari senyawa campuran methyl ester dari rantai panjang asam-asam lemak dari minyak tumbuh-tumbuhan yang memiliki flash point 150 °C (300 °F), density 0.88 g/cm³,dibawah density air. Biodiesel tidak memiliki senyawa toksik dan tidak mengandung sulfur serta biodegradable, sehingga penanganannya jauh lebih mudah dan lebih sederhana dibandingkan bahan solar minyak bumi. Dapat dilihat dengan lebih spesifik pada tabel berikut:

2.3.            Keuntungan menggunakan biodiesel diantaranya adalah :

a.    Merupakan sumber energy biodegradable dan ketersediaan bahan bakunya terjamin.

b.    Cetane number tinggi (bilangan yang menunjukkan ukuran baik tidaknya kualitas solar berdasar sifat kecepatan bakar dalam ruang bakar mesin).

c.    Memiliki viscositas tinggi sehingga mempunya sifat pelumasan yang lebih baik dari solar, hal ini dapat membantu memperpanjang umur mesin.

d.   Dapat diproduksi secara local dan skala kecil.

e.    Mempunyai kandungan sulfur yang rendah

f.     Menurunkan tingkat opasiti asap

g.    Menurunkan emisi gas buang

h.    Pencampuran dengan petroleum diesel mampu meningkatkan biodegrability petroleum diesel sampai 500%.

i.      Minyak nabati sebagai sumber bahan baku dapat dipenuhi oleh berbagai jenis tumbuhan.

2.4.        Proses pembuatan Biodiesel

Metil ester dapat dibuat dari minyak lemak nabati dengan reaksi esterifikasi atau transesterifikasi atau gabungan keduanya.

(i) Reaksi Esterifikasi

Reaksi esterifikasi merupakan reaksi antara asam lemak bebas dengan alkohol membentuk ester dan air. Reaksi yang terjadi merupakan reaksi endoterm, sehingga memerlukan pasokan kalor dari luar. Temperatur untuk pemanasan tidak terlalu tinggi yaitu 55-60 ^oC (Kac, 2001). Secara umum reaksi esterifikasi adalah sebagai berikut :

        Asam lemak bebas               alkohol                               ester alkil                    air

Reaksi esterifikasi dapat dilakukan sebelum atau sesudah reaksi transesterifikasi. Reaksi esterifikasi biasanya dilakukan  sebelum reaksi transesterifikasi jika minyak yang diumpankan mengandung asam lemak bebas tinggi (>0.5%). Dengan reaksi esterifikasi, kandungan asam lemak bebas dapat dihilangkan dan diperoleh tambahan ester.

 (ii) Reaksi Transesterifikasi

Reaksi Transesterifikasi sering disebut reaksi alkoholisis, yaitu reaksi antara trigliserida dengan alkohol menghasilkan ester dan gliserin. Alkohol yang sering digunakan adalah metanol, etanol, dan isopropanol. Berikut ini adalah tahap-tahap reaksi transesterifikasi :

                   trigliserida              alkohol                   digliserida                      ester 

                     digliserida            alkohol                       monogliserida            ester 

                  monogliserida         alkohol                         gliserin                    ester

 Secara keseluruhan reaksi transesterifikasi adalah sebagai berikut :

                    Trigliserida             3 (alkohol)                  gliserin              3 (ester)

Trigliserida bereaksi dengan alkohol membentuk ester dan gliserin. Kedua produk reaksi ini membentuk dua fasa yang mudah dipisahkan. Fasa gliserin terletak dibawah dan fasa ester alkil diatas. Ester dapat dimurnikan lebih lanjut untuk memperoleh biodiesel yang sesuai dengan standard yang telah ditetapkan, sedangkan gliserin dimurnikan sebagai produk samping pembuatan biodiesel. Gliserin merupakan senyawaan penting dalam industri. Gliserin banyak digunakan sebagai pelarut, bahan kosmetik, sabun cair, dan lain-lain.

 (iii) Flow chart proses pembuatan biodiesel

Proses diawalin dengan esterifikasi untuk menghilangkan asam lemak bebas sekaligus menambah perolehan biodiesel. Reaksi esterifikasi dapat dilakukan dengan katalis homogen maupun heterogen. Esterifikasi dengan katalis homogen menghasilkan produk yang bersifat asam sehingga sebelum reaksi transesterifikasi, kelebihan asam ini harus dinetralkan terlebih dahulu. Penetralan dapat dilakukan dengan penambahan basa atau menggunakan resin penukar anion. Penetralan menggunakan basa menghasilkan garam yang dapat menjadi pengotor, hal ini tidak terjadi pada penetralan menggunakan penukar ion.

Reaksi esterifikasi menghasilkan produk samping berupa air.  Air harus dipisahkan sebelum reaksi transesterifikasi. Pemisahan ini dapat dilakukan dengan penguapan atau menggunakan absorber.

Umpan masuk reaktor transesterifikasi berupa trigliserida, ester, dan pengotor. Trigliserida direaksikan dengan metanol menghasilkan ester dan gliserin. Reaksi transesterifikasi dapat dilakukan dua tahap untuk mendapatkan konversi tinggi. Pada reaksi dua tahap, pemisahan gliserin dilakukan diantara kedua reaksi. Pemisahan gliserin ini berguna untuk menggeser kesetimbangan ke kanan sehingga konversinnya menjadi lebih tinggi.

Reaksi transesterifikasi menghasilkan produk samping berupa gliserin. Ester dan gliserin tidak saling larut sehingga dapat dipisahkan dengan dekantasi. Fasa ester dimurnikan lebih lanjut untuk mendapatkan biodiesel yang sesuai dengan standard mutu yang disyaratkan. Fasa ester masih mengandung pengotor-pengotor, seperti : sisa katalis, garam, metanol, dan pengotor lainnya. Pemurnian fasa ester alkil dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu pencucian dengan air atau menggunakan penukar ion.

(iv) Contoh proses produksi esterifikasi

Salah satu factor keunggulan biodiesel, selain dapat diproses dalam skala industry besar juga dapat diproses dalam skala kecil/ industry kecil. Untuk mempermudah proses pemahaman dalam hal ini kami mengambil contoh pengolahan minyak jelantah menjadi biodiesel.

a.       Tambahkan bleaching earth ke dalam minyak jelantah sebanyak 5% dari berat minyak, kemudian aduk hingga merata. Tunggu  sekitar 1 jam hingga kotoran minyak jelantah mengendap, kemudian saring minyak jelantah dengan kertas saring. Fungsi darii bleaching earth adalah sebagai koagulan, sehingga kotoran mudah mengendap.

b.      Timbang NaOH padat sebanyak 1% dari berat minyak jelantah . NaOH berfungsi sebagai katalis reaksi trans esterifikasi.

c.       Ukur volume methanol yang akan digunakan sebesar 30% dari volume minyak jelantah.

d.      Reaksikan methanol dengan NaOH, dan diaduk hingga merata.

e.       Reaksikan methanol+NaOH dengan minyak jelantah dan dijaga suhunya sekitar 60-65 C selama 1 jam,aduk secara cepat dengan  menggunakan magnetic stirrer/mixer selama reaksi berlangsung agar reaksinya homogen. Suhu operasi  jangan sampai melebihi 70 C karena reaksi yang terjadi bukan lagi reaksi trans esterifikasi melainkan reaksi penyabunan.

f.         Setelah reaksi  terjadi akan terbentuk 2 lapisan. Lapisan atas adalah Fatty acid methyl ester (FAME) atau biodiesel, sedangkan lapisan bawah adalah gliserin. Pisahkan kedua lapisan dengan menggunakan corong pemisah.

g.        Cuci biodiesel dengan menggunakan air untuk menghilangkan ekses methanol, kemudian pisahkan di dalam corong pemisah.

2.5.            Tinjauan thermodinamika

Selama proses esterifikasi dan transesterifikasi reaksi berlangsung dalam kondisi endotherm. Karena membutuhkan panas dari luar, selama proses digunakan heater dan turbin pengaduk pada reactor.

2.6.            Tinjauan kinetika reaksi

•      Asam lemak bebas dalam minyak lemak nabati direaksikan dengan basa membentuk sabun. Semua asam lemak bebas dikonversi menjadi sabun, sehingga minyak nabati yang masuk reaktor transesterifikasi bebas asam lemak bebas.

•      Reaksi transesterifikasi dapat dilakukan satu tahap atau dua tahap, pada reaksi dua tahap dilakukan pemisahan gliserin di tengah-tengah reaksi, hal ini dilakukan agar kesetimbangan reaksi bergeser ke kanan, sehingga konversi yang diperoleh lebih tinggi.

•      Katalis asam berguna untuk mempercepat reaksi

•      Semakin tinggi suhu yang diterima akan semakin mempercepat reaksi. Tetapi batas suhu maksimum yang diperbolehkan hanya sampai 70⁰C, sebab apabila suhu pada saat reaksi melebihi 70⁰C. yang terbentuk bukan reaksi esterifikasi dan transesterifikasi, melainkan reaksi penyabunan.

  

KESIMPULAN

Cara mengolah minyak nabati menjadi biodiesel melalui proses esterifikasi dan transesterifikasi. Proses tersebut selain menghasilkan metal ester/ biodiesel juga menghasilkan hasil sampingan glyiserin yang juga memiliki nilai ekonomis yang tinggi. Alur proses bisa didahului dengan esterifikasi lalu transesterifikasi ataupun sebaliknya.

Produk yang dihasilkan yaitu biodiesel merupakan produk yang sangat menjanjikan dibandingkan dengan solar. Selain memiliki keunggulan lebih juga yang paling penting bahan bakar ini lbih ramah lingkungan. Hal ini sangat mengusung gerakan go green dan mengenai isu-isu lingkungan yang sedang digalakkan diseluruh dunia.

Indonesia memiliki potensi yang sangat besar sebagai penghasil biodiesel. Jika hal ini berhasil diimplementasikan dan diterapkan. Hal ini akan mampu menjadi salah satu pendongkrak ekonomi negara kita.

DAFTAR PUSTAKA

1.      Diktat Proses industry kimia organic, Dr,Ir, Ismiyati, MT, 2011.

2.      Pra perancangan pembuatan biodiesel berbahan baku limbah padatdan limbah cair kelapa sawit, Meutia Nurfahasdi, Universitas Sumatera Utara, 2009.

3.      Status pengembangan industry biodiesel September 2006, symposium Biodiesel Indonesia.

4.      Biodiesel, http://en.wikipedia.org, 05-05-2008

5.      Biodiesel, http://biodieselindonesia.com

6.      Gambaran sekilas industry kelapa sawit di Indonesia, www.kemenperin.go.id/.../Paket-Informasi-Komoditi-Minyak-Kelapa..

7.      Biodiesel, Prawito, http://chemical-engineer.digitalzones.com/biodiesel.html

8.      Esterifikasi, http://en.wikipedia.org/wiki/Esterification#Preparation

9.      Reaksi pengesteran (esterifikasi), http://www. Chem-Is-Try.Org