BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Katalis Katalis merupakan suatu

BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Katalis
Katalis merupakan suatu senyawa yang dapat meningkatkan laju reaksi tetapi tidak
terkonsumsi oleh reaksi. Katalis digunakan secara luas baik di alam, laboratorium dan
industri. (Shriver, D. & Atkins, P., 1999 )
Katalis yang berada pada fase yang sama (liquid) dengan reaktan disebut sebagai
katalis homogen. Sedangkan katalis yang berada pada fase yang berbeda dengan reaktannya
(dapat berupa padatan, cairan yang tidak dapat bercampur ataupun gas) disebut sebagai
katalis heterogen (Helwani, Z. 2009).
2.1.1 Katalis Homogen
Katalis homogen terdiri atas dua jenis yaitu katalis asam homogen dan katalis basa homogen.
Katalis
yang
umum
digunakan
dalam
reaksi
transesterifikasi
yaitu
KOH
dan
NaOH.Penggunaan katalis ini menimbulkan masalah pada proses pemisahan produk reaksi
sehingga menghasilkan limbah pencucian dalam jumlah yang besar. Di samping itu, katalis
basa bekerja dengan baik pada batas asam lemak bebas (ALB) < 0,5%. Jika bahan baku
mengandung ALB tinggi, akan terjadi reaksi antara katalis dengan asam lemak bebas
membentuk sabun. (Shu, 2010). Katalis asam homogen yang digunakan dalam reaksi
transesterifikasi misalnya H2SO4, HCl, dan H3PO4. Akan tetapi penggunaan katalis ini
memerlukan waktu reaksi yang lama, menyebabkan korosi pada reaktor yang digunakan,
rasio molar alkohol dengan minyak harus besar serta memerlukan suhu yang tinggi (Helwani,
2009).
Universitas Sumatera Utara
2.1.2. Katalis Heterogen
Katalis heterogen terdiri atas dua jenis yaitu katalis heterogen yang bersifat asam dan katalis
heterogen yang bersifat basa. Beberapa katalis heterogen telah disintesis baik yang bersifat
asam maupun basa. Katalis basa heterogen yang paling umum digunakan adalah senyawa
oksida logam seperti logam alkali, alkali tanah sebagai katalis transesterifikasi minyak nabati.
Oksida logam alkali tanah (MgO, CaO, SrO, dan BaO) dikenal sebagai oksida logam tunggal
(single metal oxides) (Endalew, A., 2011). Veljkovic (2009) telah menggunakan CaO pada
reaksi transesterifikasi minyak bunga matahari dengan yield 98%.
Katalis basa heterogen juga dapat berupa pencampuran atau pendopingan oksida
logam untuk meningkatkan kebasaannya seperti logam Na, Li, dan K yang didoping pada
CaO, MgO dan BaO pada reaksi tranesterifikasi minyak lobak dengan yield 96,7% (D’Cruz,
2007) dan oksida campuran antara Na, Li, dan La2O3 untuk transesterifikasi minyak kacang
tanah menghasilkan metil ester asam lemak dengan yield> 99% (Singh dan Fernando 2009).
Selain katalis basa heterogen, katalis asam heterogen juga telah banyak digunakan
untuk mengkatalisis reaksi transesterifikasi. Drelinkiewicz, A (2014) telah mensintesis asam
polianilin sulfonat sebagai katalis transesterifikasi dan esterifikasi menghasilkan biodiesel
yang menunjukkan kereaktifan dan kestabilan katalis yang tinggi (Drelinkiewicz, A.,
2014).Garcia, C (2008) telah berhasil menggunakan zirkonium sulfat sebagai katalis
transesterifikasi miyak kacang kedelai dengan metanol dan etanol dengan yield98,6%
(metanolisis) dan 92% (etanolisis). Katalis senyawa karbon dengan basis sulfonat menjadi
katalis yang paling diminati saat ini karena memiliki gugus –SO3H dengan kerangka karbon
yang stabil sehingga mudah dipisahkan dari sistem reaksi (Kang, S., 2013).
Katalis heterogen memiliki keuntungan dibandingkan dengan katalis homogen yaitu:
mudah dipisahkan dari produk reaksi, lebih tahan terhadap asam lemak bebas yang
terkandung di dalam bahan baku tanpa melalui reaksi saponifikasi sehingga memungkinkan
untuk melakukan reaksi transesterifikasi dan esterifikasi sekaligus dengan bahan baku yang
mengandung kadar asam lemak bebas yang tinggi, baik bahan baku yang berasal dari hewan
maupun yang berasal dari tumbuhan. (Drelinkiewicz, A., 2014)
Universitas Sumatera Utara
2.1.3. Katalis Enzim
Reaksi transesterifikasi secara enzimatis mencegah terbentuknya sabun, reaksi terjadi pada
pH netral, suhu reaksi yang lebih rendah sehingga lebih bersifat ekonomis. Beberapa metode
secara enzimatis bertujuan untuk memecah ikatan kovalen, ikatan silang (cross linking) dan
enkapsulasi mikro. Lipase merupakan enzim yang paling banyak digunakan pada reaksi
transesterifikasi, karena harganya lebih murah dibandingkan dengan enzim yang lain dan
mampu mengkatalisis baik reaksi hidrolisis maupun transesterifikasi trigliserida dalam
kondisi biasa untuk menghasilkan biodiesel (Semwal, S., 2010).
Macario (2009) telah melakukan enkapsulasi enzim lipase (Rhizomucor miehe lipase).
Enzim tersebut dienkapsulasi di dalam fase micellar dari surfaktan yang mengandung silika.
Biokatalis yang dienkapsulasi telah digunakan untuk reaksi transesterifikasitriolein dengan
metanol dalam kondisi bebas pelarut. Metil ester asam lemak yang dihasilkan dengan
yield77% dengan waktu reaksi selama 96 jam dan suhu 400C (Macario, 2009).
Penggunaan katalis enzim dalam reaksi transesterifikasi memiliki permasalahan yaitu
selain harga enzim yang mahal juga adanya asam lemak bebas pada bahan baku yang
bereaksi dengan alkohol rantai pendek (seperti metanol dan etanol) menyebabkan enzim
terdenaturasi. Gliserol sebagai salah satu produk reaksi, memberi efek negatif pada enzim
yang digunakan (Lou, 2008).
2.2 Reaksi Transesterifikasi
Reaksi transesterifikasi merupakan reaksi dari minyak atau lemak dengan alkohol untuk
membentuk ester dan gliserol. Transesterifikasi terdiri dari tiga reaksi reversibel yaitu
konversi
trigliserida
menjadi
digliserida,
digliserida
menjadi
monogliserida
dan
monogliserida menjadi metil ester dan gliserol (Chouhan, 2011). Reaksi ini dibagi atas tiga
jenis yaitu:
a. Interesterifikasi
yaitu pembentukan alkil ester dari ester dengan ester
b. Alkoholisis
yaitu pembentukan alkil ester dari suatu ester dengan alkohol
Universitas Sumatera Utara
c. Asidolisis
yaitu reaksi antara suatu ester dengan asam karboksilat (Frank, G., 2004).
Reaksi transesterifikasi meliputi pengubahan lemak/minyak menjadi senyawa metil
ester. Umumnya pada reaksi transesterifikasi diperlukan adanya katalis berdasarkan reaksi di
bawah ini :
Trigliserida
Metanol
Gliserol
Metil Ester
Gambar 1.2. Skema Reaksi Transesterifikasi
Proses transesterifikasi dipengaruhi oleh beberapa faktor penting antara lain :
a. Suhu Reaksi
Pengaruh suhu terhadap reaksi transesterifikasi menghasilkan metil ester dengan
bahan baku trigliserida dapat dilakukan dalam berbagai suhu reaksi. Konwar, L
(2013) telah melakukan reaksi transesterifikasi minyak jarak dengan variasi suhu
reaksi 50 sampai 100
0
C. Peningkatan suhu menghasilkan peningkatan laju
transesterifikasi. Meskipun demikian, suhu yang paling tepat untuk transesterifikasi
adalah 80 0C dengan tidak adanya kandungan asam lemak bebas di dalam bahan baku
(Konwar, L., 2013).
b. Perbandingan Molar Alkohol dengan Minyak
Perbandingan molar antara metanol dengan minyak merupakan salah satu faktor yang
sangat penting dengan adanya asam lemak bebas yang terkandung di dalam bahan
Universitas Sumatera Utara
baku minyak maupun lemak. Karena transesterifikasi merupakan reaksi yang
setimbang, maka dibutuhkan alkohol berlebih agar kesetimbangan mengarah pada
pembentukan ester asam lemak. Yao, J (2010) telah melakukan reaksi transesterifikasi
minyak biji kapas dengan variasi mol alkohol dengan minyak yaitu 3 : 1 ; 9 : 1 ; 12 : 1
(mol / mol) dengan metil ester maksimal yang diperoleh pada perbandingan 12 : 1
(mol / mol)
c. Konsentrasi Katalis
Konsentrasi katalis yang digunakan bergantung pada bahan baku yang digunakan.
Dalam katalis asam heterogen, konsentrasi katalis mengacu pada banyaknya gugus
sulfonat yang terikat pada katalis tersebut yang bersifat polar sehingga mampu
menkonversi asam lemak bebas dalam bahan baku yang digunakan. Penelitian
sebelumnya menggunakan konsentrasi katalis sebesar 2 – 6,5% (berat) untuk
transesterifikasi minyak jarak dengan asam lemak bebas 8,17% (Konwar, L., 2013).
d. Waktu Reaksi
Semakin lama waktu reaksi transesterfikasi maka semakin besar yield yang diperoleh
dari reaksi tersebut. Yao, J (2010) telah melakukan reaksi transesterifikasi minyak biji
kapas dengan variasi waktu 1-5 jam. Diperoleh hasil bahwa metil ester meningkat
pada waktu reaksi 1 dan 2 jam sedangkan pada 3-5 jam peningkatan kadar metil ester
yang terjadi tidak terlalu signifikan (Yao, J., 2010).
2.3. Industri Oleokimia
Oleokimia saat ini mewakili satu dari kemungkinan-kemungkinan utama terhadap tantangan
besar ilmu kimia pada produk-produk yang terperbarukan. Semua teknologi yang diperlukan
untuk penghancuran biji, pemurnian minyak, transformasi dan fraksionasi bahan kimia telah
tersedia dan diketahui.Berbicara secara umum mengenai sistem industri, maka terdapat empat
unit proses (penghancuran, pemurnian, fraksionasi, dan transformasi bahan kimia) yang
dilakukan dengan berbagai aktor tumbuhan yang berbeda (Bondioli, P., 2003).
Industri oleokimia seperti industri kelapa sawit merupakan industri yang berkembang
pesat di Indonesia dan merupakan sumber material terperbaharui yang sangat potensial untuk
Universitas Sumatera Utara
dikembangkan. Kandungan asam lemak jenuh seperti miristat, palmitat, dan stearat serta
asam lemak tidak jenuh yaitu asam oleat dan linoleat menjadi bahan baku yang diproses
menjadi senyawa baru seperti metil ester asam lemak dan alkohol asam lemak (Roesyadi, A.,
Hariprajitno, D., Nurjannah, N., dan Savitri, S.D., 2012). Secara sederhana, kegunaan non
makanan dari minyak kelapa sawit dan minyak inti kelapa sawit serta produknya dibagi
menjadi dua kategori, yaitu produk yang dibuat secara langsung dari bahan minyak (rute
langsung) dan produk yang diperoleh melalui rute oleokimia, yaitu senyawa-senyawa kimia
yang diturunkan dari minyak atau lemak (Fereidoon, S., 2004).
Salah satu produk oleokimia yang dapat diperoleh dari minyak sawit adalah asam
lemak. Bagi Indonesia, kebutuhan akan asam lemak ini akan semakin meningkat pada tahuntahun mendatang, karena asam lemak ini banyak dipakai pada berbagai industri seperti
industri ban, kosmetik, plastik, cat, farmasi, detergen dan sabun, serta alternatif bahan bakar
biodiesel (Tambun, R., 2002).
2.4. Kimia Hijau
Secara luas telah diakui bahwa terdapat peningkatan kebutuhan akan proses-proses yang
lebih ramah lingkungan dalam industri kimia. Hal ini selanjutnya dikenal sebagai ‘Kimia
Hijau’ atau ‘Teknologi Berkelanjutan’ yang mengharuskan terjadinya pergeseran pandangan
dari konsep tradisional mengenai efisiensi proses menjadi nilai ekonomi untuk
menghilangkan atau mengurangi limbah dan menghindari pemakaian zat-zat beracun
dan/atau berbahaya (Sheldon, 2007).
Beberapa tahun belakangan ini, proses reaksi yang ramah lingkungan telah dipelajari
secara mendalam sebagai salah satu nilai dari kimia hijau. Sebagai contoh reaksi oksidasi
dilakukan dengan menggunakan udara atau di dalam air, superkritis fluida dan penggunaan
cairan ionik sebagai pelarut untuk sintesis kimia organik (Rajendran, 2010).
Dalam prakteknya, kimia hijau melingkupi persoalan-persoalan yang lebih luas dari
definisi yang diberikan. Meskipun demikian, dengan ditingkatkannya perhatian terhadap
proteksi lingkungan, pencegahan polusi, dan teknologi produksi yang bersih dan ramah
lingkungan, maka akan terdapat ketertarikan tinggi dan tantangan yang besar bagi ahli kimia
untuk mengembangkan produk baru serta prosesnya (Sharma, S. & Mudhoo, A., 2011).
Universitas Sumatera Utara
Bahan-bahan kimia organik yang banyak digunakan saat ini diturunkan dari minyak bumi dan
gas alam yang tidak terperbarukan, dan juga beberapa bahkan masih dibuat dari batu bara
menghasilkan gas CO2 yang merupakan gas rumah kaca penyebab pemanasan global.
(Matlack, A.S., 2001)
2.5. Minyak dan Lemak
Minyak dan lemak merupakan senyawa yang sangat melimpah di alam dalam bentuk lipida.
Minyak dan lemak berbentuk triester dari reaksi kondensasi antara tiga molekul asam lemak
dengan sebuah molekul gliserol. Triester tersebut umumnya dikenal dengan trigliserida.
Lemak dan minyak yang dijumpai di alam terdiri dari trigliserida campuran yang
merupakan ester dari asam lemak rantai panjang. Trigliserida dapat berwujud padat atau cair.
Pada umumnya minyak berwujud cair pada suhu kamar karena mengandung sejumlah besar
asam lemak tak jenuh seperti oleat, linoleat, dan linolenat. Sedangkan lemak umumnya
berwujud padat pada suhu kamar karena mengandung sejumlah besar asam lemak jenuh
seperti stearat, palmitat, dan laurat. Minyak dapat diperoleh dari tumbuh-tumbuhan dan
lemak dapat diperoleh dari hewan. Ada beberapa reaksi penting pada minyak dan lemak yaitu
hidrolisa, oksidasi, hidrogenasi, dan esterifikasi / transesterifikasi (Ketaren, S., 1986).
Minyak dan lemak yang diperdagangkan merupakan campuran-campuran dari lipid,
mayoritas tersusun atas triasilgliserol (umumnya >95%) bersama dengan diasilgliserol,
monoasilgliserol dan asam lemak bebas. Namun, minyak dan lemak juga mengandung
fosfolipida, sterol bebas dan ester-ester sterol, tokols (tokoferol dan tokotrienol), triterpen
alkohol, hidrokarbon dan vitamin-vitamin yang terlarut dalam minyak.
Kebanyakan minyak dan lemak biasanya dinamai berdasarkan sumber biologisnya
(seperti minyak kedelai) tetapi masing-masing minyak dan lemak memiliki rentang parameter
fisika, kimia, dan komposisinya sehingga dapat dikenali (Gunstone, F.D., 2004).
Universitas Sumatera Utara
2.6. Asam Lemak
Asam lemak terdiri atas unsur-unsur seperti karbon, hidrogen dan oksigen yang
tersusun sebagai rangka rantai karbon linier dengan beragam panjang rantai dan mempunyai
sebuah gugus karboksil pada salah satu ujung rantainya. Asam-asam lemak dapat berupa
saturated (tidak memiliki ikatan rangkap), monounsaturated (memiliki sebuah ikatan
rangkap), atau polyunsaturated (memiliki dua atau lebih ikatan rangkap) (Chow, C.K., 2008).
2.7. Metil Ester
Metil ester merupakan salah satu senyawa turunan lemak/minyak nabati yang
dihasilkan dari reaksi transesterifikasi. Metil ester merupakan bahan baku yang dibutuhkan
dalam industri oleokimia. Densitas metil ester adalah salah satu hal ynag perlu diperhatikan,
biasanya faktor yang mempengaruhi densitas metil ester adalah kandungan gliserol, dimana
semakin banyak kandungan gliserol dalam metil ester maka penggunaannya akan kurang
baik. Untuk itu dilakukan cara yang dapat mengubah karakteristik lemak menyerupai solar
yaitu menghasilkan metal ester asam lemak yang pemanfaatannya jauh lebih besar.
2.8. Biodiesel
Biodiesel merupakan salah satu jenis bahan bakar yang berasal dari sumber energi
terbarukan dari minyak tumbuhan yang dipercaya akan menjadi bahan bakar yang digunakan
pada alat transportasi untuk menggantikan bahan bakar yang berasal dari minyak bumi
sehingga menyebabkan banyaknya polusi udara. Biodiesel dapat dibuat dari minyak murni
tumbuhan, limbah minyak setelah pemakaian maupun minyak yang berasal dari lemak
hewan. Minyak tumbuhan dapat diklasifikasi menjadi dua jenis yaitu edibel dan non edibel.
Beberapa jenis minyak baik edibel maupun non edibel seperti minyak bunga matahari,
minyak kelapa sawit, dan minyak kemiri telah ditransesterifikasi untuk menghasilkan
biodiesel. ( Semwal, 2011 )
Biodiesel menjadi penting di Indonesia karena sejak tahun 2005, Indonesia telah
berubah statusnya dari eksportir menjadi net importer bahan bakar minyak yang pada tahun
2005 defisit sekitar 100 juta liter. Ditambah lagi krisis minyak dunia menjadikan harga
minyak global meningkat dari sebelumnya sekitar US$ 22/barel menjadi US$ 72/barel ( April
Universitas Sumatera Utara
2006 ). Dampaknya, biodiesel yang semula sulit bersaing dengan bahan bakar minyak dari
segi harga, kini bias dimunculkan di pasar sebagai bahan bakar alternative pengganti bahan
bakar minyak.
( Sudradjat, 2006 )
2.9. Reaksi Sulfonasi
Sulfonasi adalah suatu reaksi yang dilakukan untuk memodifikasi bahan polimer yang
memiliki cincin aromatic sebagai rantai utamanya. Sulfonasi merupakan salah satu reaksi
elektrofilik. Reaksi sulfonasi dari senyawa polimer aromatis dapat menjadi reaksi yang sangat
kompleks karena sifat reversibilitas dari reaksi tersebut. Senyawa seperti H2SO4 dan SO3
adalah bahan pensulfonasi yang paling umum digunakan untuk berbagai senyawa polimer
aromatis misalnya polistirena. ( Pinto, B. P. 2006 )
Sulfonasi terhadap senyawa aromatis seperti benzena bersifat mudah balik dan
menunjukkan efek isotop kinetik dimana ion benzenonium sebagai zat antara dalam sulfonasi
dapat kembali menjadi benzena atau langsung menjadi asam benzenasulfonat dengan
mekanisme yang sama. Gugus sulfonat dapat dengan mudah digantikan oleh berbagai jenis
gugus yang lain. Dengan reaksi sulfonasi tersebut, asam aril sulfonat merupakan zat antara
yang bermanfaat dalam sintesis untuk menghasilkan senyawa tertentu.(Fessenden, R. J. dan J.
S. Fessenden. 1986)
Universitas Sumatera Utara