BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Jarak Pagar (Jatropha curcas) Tanaman jarak pagar ini berasal dari Amerika Tengah, mulai banyak ditanam di Indonesia semenjak masa penjajahan Jepang, bijinya digunakan untuk bahan bakar bagi pesawat tempur Jepang (Nurcholis.M, 2007 ) Istilah tumbuhan ini dikenal dengan berbagai nama di Indonesia sesuai dengan daerahnya antara lain : jarak kosta, jarak budge (Sunda); jarak gundul, jarak pager (Jawa); kalekhe paghar (Madura) ; jarak pager (Bali) ; lulu mau, paku kase, jarak pageh (Nusa Tenggara); kuman nema (Alor); jarak kosta, jarak wolanda, bindalo, bintalo, tondo utomene (Sulawesi); ai huwa kama, balacai, kadoto (Maluku) Gambar 2.1. Pohon Jarak Pagar Tanaman (Jatropha curcas) Jarak pagar berupa pohon kecil atau perdu, umurnya dapat mencapai 50 tahun, tinggi tanaman 1,5 – 5 meter. Jarak pagar tumbuh pada kondisi lingkungannya sesuai, dengan curah hujan 300 –700 mm/tahun (Bramasto.Y, 2003), meskipun demikian, jarak pagar tahan hidup didaerah sangat kering dengan curah hujan 48-200 mm/tahun. Jarak pagar dapat tumbuh pada daerah Universitas Sumatera Utara
29
Embed
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Jarak Pagar (Jatropha curcasrepository.usu.ac.id/bitstream/123456789/28551/4/Chapter II.pdf · BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Jarak Pagar (Jatropha curcas)
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Jarak Pagar (Jatropha curcas)
Tanaman jarak pagar ini berasal dari Amerika Tengah, mulai banyak ditanam di
Indonesia semenjak masa penjajahan Jepang, bijinya digunakan untuk bahan
bakar bagi pesawat tempur Jepang (Nurcholis.M, 2007 ) Istilah tumbuhan ini
dikenal dengan berbagai nama di Indonesia sesuai dengan daerahnya antara lain :
jarak kosta, jarak budge (Sunda); jarak gundul, jarak pager (Jawa); kalekhe paghar
(Madura) ; jarak pager (Bali) ; lulu mau, paku kase, jarak pageh (Nusa Tenggara);
kuman nema (Alor); jarak kosta, jarak wolanda, bindalo, bintalo, tondo utomene
(Sulawesi); ai huwa kama, balacai, kadoto (Maluku)
Gambar 2.1. Pohon Jarak Pagar Tanaman (Jatropha curcas)
Jarak pagar berupa pohon kecil atau perdu, umurnya dapat mencapai 50
tahun, tinggi tanaman 1,5 – 5 meter. Jarak pagar tumbuh pada kondisi
lingkungannya sesuai, dengan curah hujan 300 –700 mm/tahun (Bramasto.Y,
2003), meskipun demikian, jarak pagar tahan hidup didaerah sangat kering
dengan curah hujan 48-200 mm/tahun. Jarak pagar dapat tumbuh pada daerah
Universitas Sumatera Utara
8
ketinggian 0 – 800 m diatas permukaan laut, dengan suhu rata-rata 20 oC – 35oC
PH tanah yang sesuai untuk tanaman ini adalah 5,0 – 6,2 ( Hamdi.A, 2005) Jarak
pagar dapat digunakan sebagai penahan erosi tanah oleh air dan deflasi pasir di
bukit pasir (wind barrier). 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.
Gambar 2.2. Buah/Biji Pohon Jarak Pagar Tanaman
Jarak pagar mudah dibudidayakan dan dapat tumbuh dengan cepat.
Kandungan minyak pada jarak pagar sebanyak 25 % – 35 % pada bijinya dan
50% – 60% pada dagingnya.
Tabel 2.1 Komposisi Kandungan Zat pada Biji Jarak Pagar Tanaman
Kandungan Zat Komposisi (dalam %)
air 20Protein 18Lemak 38karbohidrat 17serat 15,5abu 5,3
2.2 Bioenergi
Bioenergi adalah bahan bakar alternatif terbarukan yang prospektif untuk
dikembangkan, tidak hanya karena harga minyak bumi dunia melonjak naik
seperti sekarang ini, tetapi juga karena terbatasnya produksi minyak bumi
Indonesia saat ini, sehingga pengembangan bioenergi semakin mendesak untuk
Universitas Sumatera Utara
9
segera dilaksanakan. Ketersediaan energi fosil yang diramalkan tidak akan
berlangsung lama lagi memerlukan solusi yang tepat, yakni dengan mencari
sumber energi alternatif. Sekarang ini tersedia beberapa jenis energi pengganti
minyak bumi yang ditawarkan, antara lain tenaga baterai (fuel cells), panas bumi
(geo-thermal), tenaga laut (ocean power), tenaga matahari (solar power), tenaga
angin (wind power), batu bara, nuklir, gas, fusi dan biofuel. Di antara jenis-jenis
energi alternatif tersebut, bioenergi dirasa cocok untuk mengatasi masalah energi
karena beberapa kelebihannya. Kelebihan bioenergi, selain bisa diperbaharui,
adalah bersifat ramah lingkungan, dapat terurai, mampu mengeliminasi efek
rumah kaca, dan kontinuitas bahan bakunya terjamin. Bioenergi dapat diperoleh
dengan cara yang cukup sederhana, yaitu melalui budi daya tanaman penghasil
Biodiesel bahan bakar tersusun atas ratusan rantai hidrokarbon yang berbeda
yaitu pada rentang 12 sampai 18 rantai karbon, didapat pada fraksi distilasi pada suhu
antara 250oC - 370oC. Hidrokarbon yang terdapat dalam minyak diesel meliputi
parafin, naftalena, olefin, dan aromatik (mengandung 24% aromatik berupa benzena,
toluena, xilena, dan lain-lain), dimana temperatur penyalaannya akan menjadi lebih
tinggi dengan adanya hidrokarbon volatil yang lebih banyak. Tabel berikut
menunjukkan standar sifat-sifat biodiesel yang sesuai dengan standar ASTM
Universitas Sumatera Utara
19
Tabel 2.7 Standar ASTM Untuk Bahan Bakar Biodiesel
Parameter TesMetode Analisa ASTM
Nilai Satuan
Gravitasi Spesifik D1298 0,86 - 0,90 g/cm3 (150C)Gross Heating Value D2382 17.65 min Btu/lbCloud Point D2500 Report to
customerF
Pour Point D97 28 max FFlash Point D93 100 min 0CViskositas Kinematik 400C D445 1,9 – 6,0 cstAir dan endapan D2709 0,05 max % volCopper strip corrosion D130 No. 3 b max Deg. Of
CorrosionSulfur D2622 0,05 max % massResidu carbon D4530 0,05 max % massCetane number D613 40 minAbu sulfat D482 0,02 max % massNeutralization/Acid number D664 0,80 max mg/gMetanol GC 0,20 max % massGliserol bebas GC 0,02 max % massGliserol total GC 0,24 max % massEster minyak GC 97,50 min % mass
(Kep.Dirjend Migas No.004/P/DM/1979)
Sifat-sifat bahan bakar diesel yang penting antara lain meliputi :
1. Viskositas (kekentalan)
Viskositas yang tepat suatu bahan bakar diperlukan untuk operasi yang tepat
pula dari suatu mesin. Pelumasan, gesekan di antara bagian-bagian yang
bergerak, serta keausan mesin bergantung pada sifat ini. Sifat ini penting
bagi aliran minyak ketika melewati pipa saluran dan penyuntik alat
pemercik. Viskositas yang terlalu rendah akan menimbulkan kebocoran pada
pipa injeksi, menyulitkan penyebaran bahan bakar, sehingga minyak tidak
akan segera terbakar, menghasilkan asap yang kotor karena kelambatan
aliran dan akan sulit mengalami atomisasi (Purwono.S.dkk, 2003). Proses
atomisasi yang efektif dari suatu bahan bakar di dalam silinder memerlukan
tingkat viskositas yang lebih rendah untuk menghindari tekanan pompa yang
berlebihan.
Universitas Sumatera Utara
20
Viskositas suatu fluida merupakan ukuran ketahanan suatu fluida terhadap
deformasi atau perubahan bentuk. Tegangan geser dinyatakan dengan
dy
duμτ (2.1)
Tegangan geser dinyatakan dengan satuan N m-2 (Pa) dan gradien kecepatan
dy
dudalam (m/s) /m, karena itu satuan SI untuk viskositas dinamik adalah
N s m-2 atau Pa s
Sedangkan viskositas kinematik ( ) menyatakan perbandingan antara
viskositas dinamik (absolute) dengan densitas (rapat massa) fluida.
ρ
μ (2.2)
= viskositas kinematik (m2/s) satuan yang umum di pakai centi Stokes
= viskositas dinamik ( Pa.s) ,satuan yang umum dipakai Poise
ρ = rapat massa (kg m-3)
Viskositas kinematik dapat diukur dengan Viscometer Oswald. Persamaan
untuk menentukan viskositas kinematik dengan Viscometer Oswald:
k.t (2.3)
dengan,
= viskositas kinematik
k = konstanta viscometer Oswald
t = waktu mengalir fluida didalam pipa viskometer (detik)
2. Kerapatan (Densitas)
Kerapatan(densitas) adalah jumlah atau kwantitas suatu zat pada suatu unit
volume
Densitas dapat dinyatakan dalam tiga bentuk :
a. Mass density () satuan dalam SI adalah (kg.m-3 )
Massa jenis menunjukkan perbandingan massa persatuan volume,
karakteristik ini berkaitan dengan nilai kalor dan daya yang dihasilkan
oleh mesin diesel persatuan volume bahan bakar.
Universitas Sumatera Utara
21
Kerapatan suatu fluida ( ρ ) dapat dirumuskan dengan :
V
mρ (2.4)
dengan
ρ = densitas ( rapat massa ) satuan kg.m-3
m = massa zat ( kg)
V = volume zat ( m3)
b. Berat spesifik (specific weight)
= g (2.5)
Dalam SI satuannya adalah N/m3 dimana g = gravitasi bumi (m s-2)
c. Spesifik gravity (sg) merupakan perbandingan antara density dengan
berat spesifik suatu zat terhadap density atau berat spesifik suatu
standard zat (umumnya terhadap air). Jadi spesifik gravity tidak
mempunyai satuan.
3 Titik tuang ( Pour Point)
Titik tuang adalah temperatur yang paling rendah di mana bahan bakar
masih dapat mengalir. Titik tuang menunjukkan kemampuan bahan bakar
untuk masih dapat mengalir pada temperatur tertentu. Hal ini sangat penting,
khususnya pada daerah dengan temperatur yang rendah, sehingga bahan
bakar tidak akan menggumpal dengan mudah. Titik tuang yang terlalu tinggi
akan menghambat penyalaan bahan bakar (Hardjono.A , 2000). Titik tuang
digunakan sebagai syarat kualitas kontrol atau sebagai penunjuk penanganan
suhu (temperature) rendah bagi penyimpanan bahan bakar dalam skala besar
pada tangki-tangki dan pipa saluran kilang dan pangkalan minyak.
4 Titik Kabut (Cloud Point)
Titik kabut adalah temperature saat bahan bakar mulai tampak berkeruh
bagaikan kabut ( berawan = cloudy). Hal ini terjadi karena munculnya
Kristal-kristal (padatan) didalam bahan bakar. Meski bahan bakar masih
dapat mengalir pada suhu ini, keberadaan Kristal dalam bahan bakar dapat
mempengaruhi kelancaran aliran bahan bakar di dalam filter, pompa dan
injektor. Titik kabut dipengaruhi oleh bahan baku biodiesel.
Universitas Sumatera Utara
22
5 Titik Nyala (Flash Point)
Titik nyala adalah temperatur bahan bakar terendah, di mana campurannya
dengan udara masih dapat menyala. Jika penyalaan terjadi dengan kontinu,
maka temperaturnya disebut ‘titik api’. Sifat ini menunjukkan adanya materi
materi yang volatil dan mudah terbakar. Titik nyala secara tidak langsung
terkait dengan kerja mesin. Namun ini sangat berkaitan dengan keamanan,
khususnya pada penanganan dan penyimpanan (ASTM, 1958). Titik nyala
yang tinggi akan memudahkan penyimpanan bahan bakar, karena minyak
tidak akan mudah terbakar pada temperatur ruang. Namun titik nyala yang
rendah akan berbahaya dalam hal penyimpanannya karena resiko penyalaan,
dan ini akan menimbulkan terjadinya denotasi sebelum bahan bakar
memasuki ruang perapian (Hardjono.A, 2000). Titik nyala digunakan untuk
menaksir keseluruhan materi yang mempunyai resiko mudah terbakar.
6 Bilangan Jodium
Bilangan Jodium menunjukkan tingkat ketidakjenuhan atau banyak ikatan
rangkap asam lemak penyusun biodiesel. Kandungan senyawa asam lemak
tak jenuh meningkatkan performansi biodiesel pada temperature rendah
karena senyawa ini memiliki titik leleh ( melting point) yang lebih rendah
(Knote.G, 1997), sehingga berkorelasi terhadap cloud point dan pour point
yang rendah. Namun disisi lain banyak senyawa lemak tak jenuh di dalam
biodiesel memudahkan senyawa tersebut bereaksi dengan oksigen
diatmosfer .Biodiesel dengan kandungan bilangan jodium yang tinggi akan
mengakibatkan tendensi polimerisasi dan pembentukan deposit pada
injector noozle dan cincin piston pada saat mulai pembakaran (Panjaitan. F,
2008). Nilai maksimum harga bilangan jodium yang diperbolehkan untuk
biodiesel yaitu 115 (g I2/100g) berdasarkan standard biodiesel Indonesia.
7 Conradson Carbon Residue
Residu karbon berhubungan dengan jumlah deposit karbon pada ruang
pembakaran. Residu karbon yang tinggi menyebabkan silinder mengalami
kerusakan dengan cepat, membuat endapan kokas dan bahan elastis pada
piston dan silinder. Ini akan menyebabkan lekatnya ring piston dan sistem
Universitas Sumatera Utara
23
valve (Maleev.L, 1954). Deposit karbon akan menghambat saluran bahan
bakar. Ini juga akan menghambat pengoperasian mesin, dan semua bagian
pada pipa injeksi bahan bakar akan rusak dengan cepat. Jadi, semakin
rendah residu karbon, efisiensi mesin juga akan semakin baik (Azis.I, 2005).
8 Nilai Kalor
Nilai kalor adalah ukuran energi yang tersedia di dalam suatu bahan bakar,
dan menentukan tingkat konsumsi bahan bakar tiap satuan waktu. Semakin
tinggi nilai kalor, maka semakin ekonomis bahan bakar tersebut
(Setyawardhani.A.S, 2003). Namun sampai saat ini belum ada standar
khusus untuk menentukan nilai kalor yang harus dimiliki oleh bahan bakar
diesel.
Tabel 2.8 Masalah Kinerja dan Kemungkinan Penyebabnya
Masalah Kinerja Mesin Kemungkinan Penyebab Berhubungan dengan Bahan Bakar
Pembakaran yang buruk,asap Angka setana yang kurangKontaminasi airTitik tuang yang tidak tepatLebih banyak kontaminasi bahan bakar
Keausan silinder Terlalu cairnya bahan bakarKandungan sulfur yang tinggiKontaminasi silikon
Penyumbatan mulut pipa penyuntik
Kontaminasi logam yang dapat larutPengotor yang berlebihan Pembentukan kembali getah pengotor
Buruknya Pompa Penyuntik Tingginya kandungan sulfur dan hetero atomPengotor berlebihanViskositas rendah
Penyumbatan Saringan Kontaminasi airPengotor bahan bakarTitik tuang yang tidak tepat
Deposit Mesin yang Berlebihan Terlalu banyak pengotorAngka setana rendahKandungan sulfur/hetero atom yang lebih tinggi
(Srivasta.A ,1998)
Universitas Sumatera Utara
24
9 Kadar Air
Kadar air dalam minyak merupakan salah satu tolak ukur mutu minyak.
Makin kecil kadar air dalam minyak maka mutunya makin baik, hal ini
dapat memperkecil kemungkinan terjadinya reaksi hidrolisis yang dapat
menyebabkan kenaikan kadar asam lemak bebas. Kandungan air dalam
bahan bakar dapat juga menyebabkan turunnya panas pembakaran, berbusa
dan bersifat korosif jika bereaksi dengan sulfur karena membentuk asam.
Tabel 2.9 Sifat-sifat Fisis Minyak Diesel dan pengaruhnya pada Mesin
SifatBahan Bakar
Pengaruhnya Pada Mesin
Angka setana Ukuran kualitas penyalaan mesin dieselAngka setana yang tinggi menunjukkan pendeknya kelambatan penyalaan dan kemungkinan menimbulkan ketukan Alkana dengan berat molekul yang lebih tinggi mempunyai angka setana yang tinggi pulaMempengaruhi emisi partikel dan gas
Spesifik Gravitasi
Diperlukan pada pengukuran index setana
Pengotor (air/endapan )
Menyebabkan korosi pada peralatanMenyebabkan masalah pada kinerja mesin
Korosi kepingan tembaga
Ukuran untuk menilai tingkat korosi pada peralatanMengindikasi adanya komponen sulfur
Zat partikulat Mengindikasi kemungkinan adanya emisi zat-zat partikulatMengandung terutama partikel karbonPartikel arang (partikel karbon yang terbentuk dari proses fase gas) menyerap dan membawa materi-materi karsinogenik kelingkungan sebagai bahan buangan dan dapat menyebabkan penyakit pada manusia. Partikel arang yang berlebihan memungkinkan penyumbatan pada katup knalpot
Abu Dihasilkan dari minyak, komponen logam yang larut air ataupadatan asing, seperti kotoran dan karat
Sulfur Diatur untuk memperkecil kemungkinan terjadinya korosipada mesinMenyebabkan masalah lingkungan dari hasil pembakaranproduknyaBersifat korosif dan menyebabkan masalah fisik terhadapbagian-bagian mesin
(Srivasta. A,1998)
Universitas Sumatera Utara
25
10 Bilangan Cetana
Bilangan cetana menunjukkan seberapa cepat bahan bakar diesel yang dapat
di injeksikan keruang bahan bakar agar terbakar sempurna secara spontan.
Bilangan cetana di pengaruhi oleh struktur hidrokarbon dari penyusun
biodiesel.
11 Warna
Warna dari suatu bahan bakar tidak secara langsung terkait dengan kerja
mesin diesel. Namun jika warnanya terlalu terang, terdapat kemungkinan
untuk menambahkannya dengan beberapa warna lain, sehingga standar
warna dapat terpenuhi. Penggunaan zat warna yang mengandung material
korosif akan mempengaruhi performance mesin.
2.7 Biodiesel
Biodiesel diperkenalkan di Afrika Selatan sebelum Perang Dunia II untuk
bahan bakar kenderaan berat. Biodiesel merupakan bahan bakar diesel pengganti
yang diproduksi dari sumber yang bias diperbaharui, seperti minyak tumbuhan ,
lemak hewan, dan daur ulang minyak goreng. Secara kimia, biodiesel
didefenisikan sebagai monoalkil ester pada asam lemak rantai panjang.
Biodiesel diproduksi melalui reaksi dari minyak sayur atau lemak hewan dengan
alkohol untuk menghasilkan gliserol dan biodiesel ( secara kimia disebut metil
atau etil ester)
Biodiesel merupakan bahan bakar transportasi yang bisa dibiodegradasi,
sehingga tidak menghasilkan karbondioksida ke atmosfer, serta emisi partikulat
yang rendah. Bahan bakar alternatif ini tidak menggunakan modifikasi mesin
tertentu untuk penggunaannya, dan menghasilkan energi yang sama .
2.7.1 Sifat-Sifat Biodiesel
Biodiesel dapat digunakan sebagai sumber energi alternatif pengganti
bahan bakar minyak bumi yang cepat atau lambat pasti akan habis persediaannya.
Sudah selayaknya biodiesel memiliki sifat yang lebih baik atau sekurang
Universitas Sumatera Utara
26
kurangnya sama dengan bahan bakar minyak bumi. Sifat-sifat biodiesel tersebut
berdasarkan ASTM D-6751 antara lain:
1. Densitas pada suhu 40oC = 0,85 – 0,89 gr/cm3
2. Viskositas pada suhu 40 oC = 2,3 – 6,0 cST
3. Angka setana minimal 48
4. Titik nyala minimal 100 oC ( 212oF)
5. Kandungan debu 0,02 % massa total
6. Memiliki sifat yang identik dengan bahan bakar diesel sehingga dalam
penggunaannya dapat dicampur dengan solar dalam berbagai takaran.
7. Emisi yang dihasilkan dari proses pembakarannya rendah
2.7.2 Keuntungan–Keuntungan dari Biodiesel
Biodiesel sebagai bahan alternatif memiliki beberapa keuntungan, antara
lain:
1. Biodiesel merupakan satu-satunya bahan bakar alternatif yang dapat
digunakan dalam berbagai kondisi tanpa harus memodifikasi mesin diesel.
2. Biodiesel mempunyai sifat ramah lingkungan karena dapat berasal dari
tumbuhan sehingga dapat dibuat terus-menerus.
3. Penghilangan emisi sulfur dioksida ( Biodiesel tidak mengandung sulfur )
sehingga hujan asam tidak akan terjadi. Sulfur yang dihasilkan dari
pembakaran minyak yang berasal dari fosil, akan bereaksi dengan air hujan
akan menghasilkan asam.
4. Penggunaan biodiesel mengurangi emisi secara teratur. Hasil riset
mengindi-kasikan bahwa bahan partikulat ( secara spesifik karbon atau
fraksi yang tidak terlarut), hidrokarbon, dan karbon monoksida berkurang.
5. Biodiesel dapat digunakan tanpa atau dengan campuran solar dalam
berbagai takaran.
6. Biodiesel memberikan penurunan yang signifikan pada tingkat kekotoran
serta karbon monoksida.
7. Biodiesel dapat mengurangi tingkat CO2 di atmosfer, dimana kadar CO2
yang tinggi akan menaikkan temperatur bumi.
Universitas Sumatera Utara
27
8. Biodiesel dapat mengawetkan mesin diesel karena memiliki sifat melumasi
yang lebih besar dari pada solar.
9. Biodiesel aman untuk digunakan dan dan diangkut karena memiliki
tingkat biodegradasi sama dengan gula dan mengandung racun 10 kali
lebih kecil dibandingkan dengan garam dapur.
10. Biodiesel aman digunakan dan disimpan karena memiliki titik nyala yang
tinggi ( > 100 oC).
11. Industri biodiesel juga berdampak baik terhadap faktor ekonomi.
Keuntungan ekonomi dari industri biodiesel adalah jumlah lapangan
pekerjaan yang bertambah, penambahan pajak pengoperasian pabrik dan
pajak pendapatan, dan penanaman modal pada pabrik dan peralatannya.
Selain itu, dengan adanya industri biodiesel dapat meningkatkan
pendapatan dasar para pekerja.
2.7.3 Emisi Biodiesel
Penggunaan biodiesel untuk mesin diesel pada umumnya dapat
mengurangi jumlah hidrokarbon yang tidak terbakar,karbonmonoksida , dan
bahan-bahan partikulat. Penggunaan biodiesel meningkatkan fraksi padatan
karbon dari bahan partikulat (oksigen dalam biodiesel memungkinkan
pembakaran sempurna menjadi CO2), menggantikan sulfat ( sehingga tidak ada
sulfur dalam bahan bakar). Oleh karena itu, biodiesel bekerja baik dengan
teknologi baru seperti katalis ( yang mengurangi fraksi yang dapat larut pada
partikulat biodiesel tapi tidak fraksi padatan karbon)
Biodiesel merupakan bahan bakar alternatif yang mempunyai evaluasi yang
lengkap tentang emisi yang dihasilkan dan pengaruhnya terhadap kesehatan.
Sebuah lembaga di Amerika Serikat, U.S.Environmental Protection Agency
(EPA) mencatat penurunan potensi pencemaran udara pada penggunaan biodiesel
dibandingkan dengan petrodiesel.
Perbandingan emisi yang dikeluarkan biodiesel dengan petroleum diesel
tertera dalam tabel berikut ini:
Universitas Sumatera Utara
28
Tabel 2.10 Perbandingan Emisi Biodiesel dengan Petroleum Diesel
No Type emisi B100 B20
1 Hidrokarbon tak terbakar Turun hingga 93 % Turun hingga 30 %
2 Karbonmonoksida Turun hingga 50 % Turun hingga 20 %
3 Massa partikulat Turun hingga 30 % Turun hingga 22 %
4 Senyawa NOx Turun hingga 13 % Turun hingga 2 %
5 Senyawa SOx Turun hingga 100 % Turun hingga 20 %
6 nPAH Turun hingga 90 % Turun hingga 50 %
Sumber : U.S. Environmental Protection Agency (EPA)
Keterangan :
B20 : Campuran 20 % Biodiesel dan 80 % Petrodiesel
Penggunaan biodiesel sebagai bahan bakar alternatif atau aditif dapat mereduksi
polutan yang dikeluarkan oleh petroleum diesel.
Riset yang dimulai oleh Southwest Research Institute pada mesin Cummnis
N14 mengindikasikan bahwa buangan biodiesel memiliki pengaruh bahaya yang
kecil pada kesehatan manusia dibandingkan dengan petrodiesel. Emisi biodiesel
memiliki semua tingkat hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) dan bahan
campuran nitrit PAH yang lebih kecil dibandingkan dengan buangan petroleum
diesel. PAH dan bahan campuran nPAH telah diidentifikasi sebagai bahan
penyebab kanker yang potensial.
2.8 Proses Pembuatan Biodiesel
2.8.1 Esterifikasi
Esterifikasi adalah tahap konversi dari asam lemak bebas menjadi ester.
Esterifikasi mereaksikan minyak lemak dengan alkohol. Katalis-katalis yang
cocok adalah zat berkarakter asam kuat dan, karena ini, asam sulfat, asam sulfonat
organik atau resin penukar kation asam kuat merupakan katalis-katalis yang biasa
terpilih dalam praktek industrial (Soerawidjaja.T, 2006). Untuk mendorong agar
reaksi bisa berlangsung ke konversi yang sempurna pada temperatur rendah
(misalnya paling tinggi 120°C), reaktan metanol harus ditambahkan dalam jumlah
yang sangat berlebih (biasanya lebih besar dari 10 kali nisbah stoikiometrik) dan
Universitas Sumatera Utara
29
air produk ikatan reaksi harus disingkirkan dari fasa reaksi, yaitu fasa minyak.
Melalui kombinasi-kombinasi yang tepat dari kondisi-kondisi reaksi dan metode
penyingkiran air, konversi sempurna asam-asam lemak ke ester metilnya dapat
dituntaskan dalam waktu 1 sampai beberapa jam. Reaksi esterifikasi dapat dilihat
pada Gambar 2.7.
RCOOH + CH3OH RCOOCH3 + H2O
Gambar 2.7 Reaksi esterifikasi dari asam lemak menjadi metil ester
Esterifikasi biasa dilakukan untuk membuat biodiesel dari minyak berkadar asam
lemak bebas 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.
2.8.2 Transesterifikasi
Transesterifikasi adalah tahap konversi dari trigliserida menjadi alkil ester,
melalui reaksi dengan alkohol, dan menghasilkan produk samping yaitu gliserol.
Di antara alkohol-alkohol monohidrik yang menjadi kandidat sumber/pemasok
gugus alkil, metanol adalah yang paling umum digunakan, karena harganya murah
dan reaktifitasnya paling tinggi (sehingga reaksi disebut metanolisis). Sebagian
besar dunia ini, biodiesel praktis identik dengan ester metil asam-asam lemak
(Fatty Acids Metil Ester, FAME). Reaksi transesterifikasi trigliserida menjadi
metil ester dapat dilihat pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Reaksi Transesterifikasi dari Trigliserida menjadi Metil Ester
Universitas Sumatera Utara
30
Transesterifikasi juga menggunakan katalis dalam reaksinya. Tanpa adanya
katalis, konversi yang dihasilkan maksimum namun reaksi berjalan dengan lambat
(Mittlebatch.M, 2004). Katalis yang biasa digunakan pada reaksi transesterifikasi
adalah katalis basa, karena katalis ini dapat mempercepat reaksi.
Gambar 2.9 Tiga Tahapan Reaksi Transesterifikasi
Gambar 2.9 diatas menunjukkan reaksi transesterifikasi sebenarnya berlangsung
dalam 3 tahap yaitu sebagai berikut:
1. Tahap pertama yaitu konversi trigliserida menjadi digliserida
2. Tahap kedua yaitu konvesri digliserida menjadi monogliserida
3. Tahap ketiga yaitu konversi monogliserida menjadi gliserol yang
menghasilkan satu molekul metal ester dari setiap gliserida
Produk yang diinginkan dari reaksi transesterifikasi adalah ester metil asam-asam
lemak.
Universitas Sumatera Utara
31
Faktor–faktor yang berpengaruh pada proses transesterifikasi diantaranya sebagai
berikut:
1. Suhu awal minyak (sebelum proses transesterifikasi)
Menurut Lele.S (2005), peningkatan suhu awal minyak, berpengaruh terhadap
peningkatan konversi pembentukan biodiesel. Namun jika pemanasan pada
minyak yang melebihi 60oC, akan menyebabkan hilangnya metanol karena
penguapan metanol.
2. Suhu reaksi
Laju reaksi sangat dipengaruhi oleh suhu reaksi. Secara umum, reaksi akan
mendekati titik didih methanol pada tekanan atmosfer. Yield ester terbentuk
pada suhu antara 60oC 80oC, dengan perbandingan molar alkohol dengan
minyak sebesar 6 : 1. Kecepatan reaksi secara kuat dipengaruhi oleh
temperatur reaksi. Pada umumnya reaksi ini dapat dijalankan pada suhu
mendekati titik didih metanol (60 oC 70 oC) pada tekanan atmosfer.
Kecepatan reaksi akan meningkat sejalan dengan kenaikan temperatur.
Semakin tinggi temperatur, berarti semakin banyak energi yang dapat
digunakan oleh reaktan untuk mencapai energi aktivasi. Ini akan
menyebabkan tumbukan terjadi lebih sering diantara molekul-molekul
reaktan untuk kemudian melakukan reaksi (Rahayu, 2003), sehingga
kecepatan reaksi meningkat. Setyawardhani (2003) menggunakan temperatur
reaksi 60oC pada reaksi transesterifikasi untuk menghindari menguapnya
methanol yang bertitik didih 65oC. Darnoko dan Cheryan (2000) juga
menggunakan suhu 60oC untuk reaksi. Arhenius mengatakan bahwa
hubungan antara konstanta kecepatan reaksi dengan temperatur mengikuti
persamaan:
K = A exp ( -E/RT) (2.6)
K = Konstanta kecepatan reaksi
R = Konstanta gas
A = Faktor frekuensi
T =Temperatur absolut
E = Energi aktivasi
Universitas Sumatera Utara
32
3. Rasio alkohol terhadap minyak.
Variable lain yang berpengaruh besar terhadap yield pada biodiesel adalah
perbandingan molar alkohol terhadap minyak (Lele.S, 2005). Umumnya
dalam proses industri digunakan perbandingan molar 6 : 1 untuk
menghasilkan yield biodiesel sampai lebih besar terhadap minyak akan
berpengaruh pada pemisahan gliserol. Ini menunjukkan bahwa rasio yang
lebih rendah akan membutuhkan waktu yang lebih lama untuk
menghasilkan biodiesel dengan yield yang tinggi. Dengan perbandingan
molar yang lebih besar akan meningkatkan konversi tetapi akan
mempersulit proses pemisahan gliserol yang terbentuk dari hasil samping
reaksi.
4. Katalis
Katalis berfungsi untuk mempercepat reaksi dengan menurunkan energi
aktivasi reaksi namun tidak menggeser letak kesetimbangan. Tanpa katalis,
reaksi transesterifikasi baru dapat berjalan pada suhu sekitar 250oC.
Penambahan katalis bertujuan untuk mempercepat reaksi dan menurunkan
kondisi operasi. Katalis yang dapat digunakan adalah katalis asam, basa,
ataupun penukar ion. Dengan katalis basa reaksi dapat berjalan pada suhu
kamar, sedangkan katalis asam pada umumnya memerlukan suhu reaksi
diatas 100oC (Kirk dan Othmer,1992). Katalis yang digunakan dapat berupa
katalis homogen maupun heterogen. Katalis homogen adalah katalis yang
mempunyai fase yang sama dengan reaktan dan produk, sedangkan katalis
heterogen adalah katalis yang fasenya berbeda dengan reaktan dan produk.
Katalis homogen yang banyak digunakan adalah alkoksida logam seperti
KOH dan NaOH dalam alkohol. Selain itu, dapat pula digunakan katalis asam
cair, misalnya asam sulfat, asam klorida, dan asam sulfonat (Kirk.R.E dan
Othmer.D.F, 1992). Penggunaan katalis homogen mempunyai kelemahan,
yaitu: bersifat korosif, sulit dipisahkan dari produk, dan katalis tidak dapat
digunakan kembali (Nijhuis.T.A et al., 2002). Saat ini banyak industri
menggunakan katalis heterogen yang mempunyai banyak keuntungan dan
sifatnya yang ramah lingkungan, yaitu tidak bersifat korosif, mudah
Universitas Sumatera Utara
33
dipisahkan dari produk dengan cara filtrasi, serta dapat digunakan
berulangkali dalam jangka waktu yang lama (Yadav.G.D, 2002). Selain itu
katalis heterogen meningkatkan kemurnian hasil karena reaksi samping dapat
dieliminasi (Altiokka.M.R, 2003). Contoh-contoh dari katalis heterogen
adalah zeolit, oksida logam, dan resin ion exchange. Katalis basa seperti
KOH dan NaOH lebih efisien dibanding dengan katalis asam pada reaksi
transesterifikasi. Konsentrasi katalis basa divariasikan antara 0,51% dari
massa minyak untuk menghasilkan 9499% konversi minyak nabati menjadi
ester. Lebih lanjut, peningkatan konsentrasi katalis tidak meningkatkan
konversi dan sebaliknya menambah biaya karena perlunya pemisahan katalis
dari produk. Penambahan katalis yang berlebihan menyulitkan dalam
proses pemisahan pada akhir reaksi transesterifikasi untuk memisahkan
produk biodiesel dari katalisnya.
5. Pengadukan dan intensitas Pencampuran
Pada reaksi transesterifikasi, reaktan-reaktan awalnya membentuk system
cairan dua fasa. Reaksi dikendalikan oleh difusi diantara fase-fase yang
berlangsung lambat. Seiring dengan terbentuknya metil ester, ia bertindak
sebagai pelarut tunggal yang dipakai bersama oleh reaktan-reaktan dan sistem
dengan fase tunggal pun terbentuk. Dampak pengadukan ini sangat signifikan
selama reaksi. Sebagaimana sistem tunggal terbentuk, maka pengadukan
menjadi tidak lagi mempunyai pengaruh yang signifikan. Pengadukan
dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan campuran reaksi yang
bagus.Setelah penambahan metanol dan katalis pada minyak 5–10 menit
pengadukan akan meningkatkan konversi. Pengadukan yang tepat akan
mengurangi hambatan antara massa. Untuk reaksi heterogen, ini akan
menyebabkan lebih banyak reaktan mencapai tahap reaksi. Sofiyah (1995)
menggunakan pengadukan 1425 rpm (rotation per minutes), Setyawardhani