PROSES DAN PEMODELAN PROSES PRODUKSI BIODIESEL

DARI MINYAK SAWIT SECARA KONTINYU

DENGAN REACTIVE-DISTILLATION

MENGGUNAKAN KATALIS KALIUM DALAM KARBON AKTIF

Tesis

Program Studi Teknik Kimia

Kelompok Bidang Ilmu Teknik

diajukan oleh:

YANO SURYA PRADANA

11/341547/PTK/08518

kepada

PROGRAM PASCASARJANA

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS GADJAH MADA

YOGYAKARTA

2013

TESIS

PROSES DAI\T PEMODEI,AI\T PROSES PRODUKSI BIOI}IESEL DARI MIII{YAI(SAWIT SECARA KONTIITTU DENGAN RWICTIW-DISTILLATIONMENGGT.INAKAI{ KATALIS KALIUM DALAM KARBON AKTIF

dipersiapkan dan disusun olehYAI{O ST}RYAPRADANA

1ffJ41547/PTKlll85t8

Telah dipertahankan di depan Dewan PengujiPada tanggal 3 Mei 2013

Susunstr Ilewan Pe$gtrii

tama Anggota Dewan Penguji t^ain

N"T-Ir. Panut lfrulyono, M.Eng., D.Eng.Budiman, M.S., D.Eng. Prof.

Pembimbing Pendamping

P/*"'*-t_/

Agus hasetya, M.Eng.Sc.,AhnadD-Eng.

urrahman Y., S.T., M.T.,Ir. Ph.D.

Tesis ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan

Untuk memperoleh gelar Magister

rangsr...BJ....!Yle!..*9]?-Pengelola Pmgnm Studi : Teknik Kimia

Prof. S.U., Ph.D.

NrP. 19550216 198103 I 002

hlengetahui,Ketua Jurusan Teknik hogram Studi S2/S3 TeknikKimia

NIP. 19650918 199103 1002

{**.1a- 2S\fl {*it\P'K\K

PER}TYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa di dalam tesis ini tidak terdapat karya yang

pemah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi

dan sepanjang pengetahuan saya tidak terdapal karya atau pendapat yang pernah

ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secaftt tertulis diacu dalam

naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 13 Mei 2013

7wYano Surya Pradana

lii

iv

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, segala puji syukur ke hadirat Alloh SWT atas limpahan

rahmat dan kuasa-Nya sehingga penulis berhasil menyelesaikan penelitian dan

tesis ini sebagai prasyarat untuk memperoleh gelar sarjana strata dua pada

Magister Teknik Kimia, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas

Gadjah Mada, Yogyakarta.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak

Prof. Ir. Arief Budiman, M.S., D.Eng. selaku pembimbing utama, Bapak Ir. Agus

Prasetya, M.Eng.Sc., Ph.D. selaku pembimbing pendamping, Bapak Prof. Ir.

Panut Mulyono, M.Eng., D.Eng. dan Bapak Ahmad Tawfiequrrahman Y., S.T.,

M.T., D.Eng. sebagai penguji yang telah memberikan bimbingan dan saran.

Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada keluarga, teman dan semua pihak

yang telah bersedia mencurahkan pikiran dan waktu untuk membantu dalam

penyelesaian penelitian dan tesis ini.

Akhir kata semoga penelitian ini dapat memberikan manfaat dan menjadi

referensi tambahan bagi bidang penelitian terkait.

Yogyakarta, 13 Mei 2013

Penulis

Yano Surya Pradana

v

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ......................................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................... ii

PERNYATAAN ................................................................................................ iii

KATA PENGANTAR ....................................................................................... iv

DAFTAR ISI ...................................................................................................... v

DAFTAR LAMBANG ....................................................................................... viii

DAFTAR TABEL ............................................................................................... xiii

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xvi

INTISARI .......................................................................................................... xvii

ABSTRACT ...................................................................................................... xviii

BAB I. PENDAHULUAN .................................................................................. 1

1.1. Latar Belakang .................................................................................... 1

1.2. Tujuan Penelitian ................................................................................ 5

1.3. Keaslian Penelitian .............................................................................. 6

1.4. Manfaat Penelitian .............................................................................. 7

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................... 8

2.1. Tinjauan Pustaka ................................................................................. 8

2.1.1. Minyak Sawit .......................................................................... 8

2.1.2. Biodiesel ................................................................................. 9

2.1.3. Reactive-distillation ................................................................ 13

2.1.4. Katalis Basa Heterogen ........................................................... 16

vi

2.1.5. Katalis Kalium (Potassium) yang Diembankan dalam

Karbon Aktif ........................................................................... 19

2.1.6. Kinetika Reaksi Transesterifikasi pada Produksi Biodiesel

dengan Katalis Padat ................................................................ 20

2.2. Landasan Teori .................................................................................... 23

2.3. Hipotesis ............................................................................................. 35

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN .......................................................... 37

3.1. Rangkaian Alat Penelitian ................................................................... 37

3.2. Bahan Penelitian ................................................................................. 38

3.3. Prosedur Penelitian ............................................................................. 39

3.3.1. Tahap produksi biodiesel dengan reactive-distillation ............ 39

3.3.2. Tahap pemisahan gliserol dan metil ester dari proses

produksi biodiesel ................................................................... 40

3.3.3. Tahap analisis kadar gliserol umpan dan biodiesel ................. 40

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN .......................................................... 41

4.1. Pengaruh Perbandingan Molar Pereaksi ............................................. 43

4.2. Pengaruh Suhu Reaksi ........................................................................ 48

4.3. Pemodelan Proses Produksi Biodiesel dengan Reactive Distillation .. 50

4.3.1. Kinetika Reaksi secara Batch .................................................. 50

4.3.1.1. Variasi Perbandingan Molar Pereaksi ....................... 50

4.3.1.2. Variasi Suhu Reaksi .................................................. 52

4.3.2. Pemodelan Proses Variasi Perbandingan Pereaksi ................. 59

4.3.3. Pemodelan Proses Variasi Suhu Reaksi .................................. 66

vii

BAB V. KESIMPULAN .................................................................................... 72

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 74

LAMPIRAN ....................................................................................................... 80

xvii

INTISARI

Biodiesel adalah bahan bakar alternatif yang dihasilkan dari sumber daya

alam terbarukan dan ramah lingkungan. Namun, saat ini harga biodiesel masih

relatif tinggi karena tingginya harga bahan baku dan biaya operasi teknologi

proses. Salah satu cara mengatasi permasalahan tersebut adalah menggunakan

teknologi proses dengan biaya operasi yang rendah dan ramah lingkungan.

Reactive-distillation menggunakan katalis padat adalah inovasi teknologi proses

yang menggabungkan proses reaksi kimia dan distilasi dalam satu unit dengan

katalis padat serta mengurangi limbah sisa katalis. Dengan melihat teknologinya,

reactive-distillation dapat diterapkan sebagai teknologi proses produksi biodiesel.

Pada penelitian ini, dipelajari teknologi proses produksi biodiesel dari

minyak sawit secara kontinyu dengan reactive-distillation menggunakan katalis

kalium dalam karbon aktif. Proses produksi dilakukan pada reactive-distillation

column yang berisi katalis padat dan dilengkapi dengan pre-mixer dan reboiler.

Penelitian ini mempelajari pengaruh perbandingan molar pereaksi metanol

terhadap minyak sawit (4:1-8:1) dan suhu reaksi (50-60oC) terhadap konversi

trigliserida.

Teknologi proses produksi biodiesel dari minyak sawit dengan reactive-

distillation menggunakan katalis kalium dalam karbon aktif dapat meningkatkan

konversi trigliserida dari teknologi proses konvensional. Dari data penelitian

diperoleh kondisi optimum pada perbandingan molar metanol terhadap minyak

sawit 6:1 dan suhu reaksi 60oC dengan konversi trigliserida mencapai 0,8269.

Sedangkan pemodelan proses produksi biodiesel dengan reactive-distillation

menggunakan katalis kalium dalam karbon aktif pada keadaan steady state dapat

didekati dengan laju reaksi keseimbangan order dua ke arah produk dan orde dua

ke arah reaktan serta perpindahan massa dikendalikan oleh mekanisme secara

konveksi.

Kata kunci: Biodiesel, reactive-distillation, katalis padat, kalium dalam karbon

aktif, pemodelan proses.

xviii

ABSTRACT

Biodiesel is an alternative fuel produced from renewable sources and

environmentally friendly. However, the current price of biodiesel is still relatively

high due to the high price of virgin vegetable oil and operating cost of process

technology. The possible way to overcome these problems is by using low

operating cost and environmentally friendly of process technology. Reactive-

distillation using solid catalyst is innovation of process technology by combining

chemical reaction and distillation process in a single unit using solid catalyst and

reducing catalyst residual waste. Therefore, it can be applied as low operating cost

and environmentally friendly of process technology for biodiesel production.

Process technology of continuously biodiesel production from palm oil

with reactive distillation using potassium in activated carbon catalyst has been

studied. The production process was carried out on reactive-distillation column

containing solid catalyst and completed by pre-mixer and reboiler. The effect of

reaction condition such as molar ratio of methanol to palm oil (4:1-8:1) and

reaction temperature (50-60oC) was also investigated.

Process technology of biodiesel production from palm oil with reactive-

distillation using potassium in activated carbon catalyst could increase

triglyceride conversion compared to conventional process technology. Molar ratio

of methanol to palm oil 6:1 and reaction temperature of 60oC with triglyceride

conversion 0.8269 were the optimum condition obtained. The process modeling

of biodiesel production with reactive-distillation using potassium in activated

carbon catalyst in steady state condition could be approximated by a second order

heterogeneous reaction mechanism toward product and second order toward

reactant and convection mass transfer mechanism.

Keywords: Biodiesel, reactive-distillation, solid catalyst, potassium in activated

carbon, process modeling.

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Energi adalah salah satu kebutuhan penting bagi kehidupan manusia.

Energi digunakan manusia untuk beraktivitas dan sarana pendukung aktivitas.

Saat ini, masyarakat Indonesia menggantungkan sebagian besar kebutuhan

energi dari bahan bakar berbasis minyak bumi yang bersifat tidak terbarukan.

Sementara itu, cadangan minyak bumi yang semakin menipis mengakibatkan

harga minyak bumi terus naik dan akibatnya terjadi fluktuasi stabilitas energi

nasional. Harga minyak mentah dunia yang dirilis International Energy

Agency (IEA) pada Gambar 1 menunjukkan bahwa nilainya naik setiap

tahunnya.

Gambar 1. Kecenderungan harga minyak mentah dunia (By

International Energy Agency)

2

Di sisi lain, grafik produksi dan konsumsi minyak mentah Indonesia

yang dirilis US Department of Energy pada Gambar 2 menunjukkan bahwa

konsumsi minyak semakin meningkat, tetapi produksi semakin menurun.

Bahkan sejak tahun 2004, Indonesia mengalami defisit sehingga perlu

perhatian dalam pengendalian konsumsi minyak mentah.

Gambar 2. Produksi dan konsumsi minyak bumi Indonesia

Peningkatan konsumsi minyak bumi Indonesia merupakan hal yang

wajar karena adanya peningkatan populasi penduduk Indonesia dan

peningkatan jumlah pabrik dengan teknologi-teknologi baru. Solusi yang

perlu dicari adalah mengoptimalkan potensi sumber energi fosil dan

mengembangkan teknologi untuk mendapatkan sumber energi alternatif

sebagai pengganti sumber energi fosil. Terkait dengan hal tersebut,

pemerintah telah menetapkan peraturan melalui Peraturan Presiden Nomor 5

Tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional yang mengamanatkan bahwa

target bauran energi primer yang optimal tahun 2025 adalah 20% energi total

3

dari minyak bumi, 30% dari gas alam, 33% dari batubara, 5% dari biofuel,

5% dari panas bumi, 5% dari energi baru dan terbarukan serta 2% dari coal

liquefaction. Salah satu pengembangan bahan bakar yang dilakukan

pemerintah adalah biofuel dan perhatian khusus ditujukan pada

pengembangan biodiesel.

Biodiesel adalah mono alkil ester asam lemak dari sumber daya alam

terbarukan yang dapat menggantikan bahan bakar diesel dari minyak bumi.

Biodiesel dapat dibuat dari minyak nabati, minyak hewani atau minyak

goreng bekas yang direaksikan dengan alkohol menggunakan katalis. Reaksi

yang terjadi adalah transesterifikasi untuk bahan baku trigliserida dan

esterifikasi untuk bahan baku asam lemak bebas. Pada umumnya, katalis

yang digunakan untuk reaksi transesterifikasi adalah bersifat basa dan katalis

untuk reaksi esterifikasi adalah bersifat asam.

Biodiesel diharapkan dapat menggantikan solar sebagai bahan bakar

mesin diesel. Kelebihan biodiesel dibanding dengan solar adalah angka

setana biodiesel lebih tinggi dan kandungan sulfur biodiesel lebih rendah

sehingga gas hasil pembakaran biodiesel lebih ramah lingkungan. Sementara

itu, kelemahan biodiesel adalah biodiesel dapat melarutkan beberapa jenis

karet yang digunakan dalam mesin dan volatilitas rendah. Oleh karena itu,

pengembangan biodiesel terus dilakukan pada bahan baku dan teknologi

proses produksi.

Bahan baku dan teknologi proses produksi biodiesel merupakan hal

penting dalam pembuatan biodiesel yang akan menentukan kualitas dan harga

4

dari biodiesel. Saat ini, harga biodiesel masih tinggi dan belum dapat

bersaing dengan harga solar dari minyak bumi. Bahan baku pembuatan

biodiesel yang dipakai saat ini adalah minyak sawit, minyak jarak dan

minyak nyamplung. Bahan baku tersebut terbukti menghasilkan biodiesel

dengan konversi tinggi.

Perlu diketahui bahwa saat ini produksi biodiesel dijalankan dengan

proses batch menggunakan katalis cair. Proses batch memang sangat

ekonomis untuk skala kecil, akan tetapi menjadi tidak ekonomis untuk skala

produksi yang besar karena memerlukan biaya produksi yang tinggi.

Sementara itu, penggunaan katalis cair mempunyai kelemahan mengganggu

lingkungan saat dilakukan pencucian sisa katalis.

Pada penelitian ini akan dipelajari teknologi proses produksi biodiesel

secara kontinyu dengan reactive-distillation. Sedangkan katalis padat yang

digunakan berupa kalium yang diembankan dalam karbon aktif. Penggunaan

katalis padat ini diharapkan menyederhanakan proses pemurnian dan

memenuhi spesifikasi bahan bakar mesin diesel.

5

1.2. Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan untuk :

1. Mempelajari teknologi proses produksi biodiesel dari minyak sawit yang

beroperasi secara kontinyu dengan reactive-distillation menggunakan

katalis kalium dalam karbon aktif.

2. Mencari perbandingan molar pereaksi metanol terhadap minyak sawit

optimum pada teknologi proses produksi biodiesel dengan reactive-

distillation menggunakan katalis kalium dalam karbon aktif yang

ditunjukkan dengan peningkatan konversi trigliserida yang signifikan jika

perbandingan molar pereaksi metanol terhadap minyak sawit

ditingkatkan.

3. Mencari suhu reaksi optimum pada teknologi proses produksi biodiesel

dengan reactive-distillation menggunakan katalis kalium dalam karbon

aktif yang ditunjukkan dengan harga parameter konstanta laju reaksi dan

koefisien transfer massa komponen.

4. Membuat pemodelan proses produksi biodiesel dengan reactive-

distillation dan melakukan verifikasi dengan data eksperimen.

6

1.3. Keaslian Penelitian

Penelitian tentang produksi biodiesel dari minyak sawit menggunakan

katalis KOH telah dilakukan oleh beberapa peneliti antara lain dengan katalis

homogen KOH secara batch (Shahbazi et al., 2012), katalis heterogen KOH

yang diembankan dalam alumina dan zeolite “Y” secara batch (Noiroj et al.,

2009), katalis heterogen KOH dalam bentonit secara batch (Soetaredjo et al.,

2011), katalis heterogen KOH dalam zeolite alam dari Pacitan secara batch

(Kusuma et al., 2012) dan katalis homogen KOH secara kontinyu dengan

reactive-distillation column (Mueanmas et al., 2010; Zahara, 2012).

Sedangkan penelitian tentang model kinetika reaksi transesterifikasi

heterogen katalitik juga telah dilakukan pada minyak jarak pagar dengan

katalis zirkonia tersulfatasi (Rustamaji, 2010), minyak sawit dengan katalis

CaO/γ-Al2O3 (Savitri et al., 2012) dan minyak kanola dengan katalis

KOH/MgO (Ilgen and Akin, 2012).

Penelitian ini mempelajari produksi biodiesel dari minyak sawit

secara kontinyu dengan reactive-distillation column menggunakan katalis

KOH yang diembankan dalam karbon aktif. Keaslian penelitian ini adalah

teknologi dan pemodelan proses produksi biodiesel secara kontinyu dengan

reactive-distillation column menggunakan katalis padat serta jenis

pengemban katalis kalium.

7

1.4. Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini antara lain :

1. Memberikan informasi teknologi proses produksi biodiesel dari minyak

sawit secara kontinyu dengan reactive-distillation menggunakan katalis

padat.

2. Memberikan informasi perbandingan molar pereaksi metanol terhadap

minyak sawit optimum pada teknologi proses produksi biodiesel dengan

reactive-distillation menggunakan katalis kalium dalam karbon aktif yang

ditunjukkan dengan peningkatan konversi trigliserida yang signifikan jika

perbandingan molar pereaksi metanol terhadap minyak sawit

ditingkatkan.

3. Memberikan informasi suhu reaksi optimum pada teknologi proses

produksi biodiesel dengan reactive-distillation menggunakan katalis

kalium dalam karbon aktif yang ditunjukkan dengan harga parameter

konstanta laju reaksi dan koefisien transfer massa komponen.

4. Memberikan informasi pemodelan proses produksi biodiesel dengan

reactive-distillation yang bisa digunakan untuk merancang produksi

biodiesel skala industri.