Bab 2 Bio Oil (punya Siti Rahmah, St)

5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Tongkol Jagung Jagung (Zea mays L.) merupakan salah satu tanaman pangan dunia yang terpenting, selain gandum dan padi. Sebagai sumber karbohidrat utama di Amerika Tengah dan Selatan, jagung juga menjadi alternatif sumber pangan di Amerika Serikat. Penduduk beberapa daerah di Indonesia (misalnya di Madura dan Nusa Tenggara) juga menggunakan jagung sebagai pangan pokok. Selain sebagai sumber karbohidrat, jagung juga ditanam sebagai pakan ternak (hijauan maupun tongkolnya), diambil minyaknya (dari bulir), dibuat tepung (dari bulir, dikenal dengan istilah tepung jagung atau maizena), dan bahan baku industri (dari tepung bulir dan tepung tongkolnya).

Gambar 2.1 Tongkol Jagung Tongkol jagung biasanya oleh masyarakat dibuang begitu saja dan biasa dijadikan makanan ternak. Dengan di olah secara pyrolisis tongkol jagung sebenarnya bisa di manfaatkan menjadi bio oil yang berguna untuk masyarakat. Asap cair dari tongkol jagung bisa di gunakan untuk berbagai macam kebutuhan pangan. Jagung merupakan salah satu jenis tanaman pangan biji-bijian dari keluarga rumput-rumputan. Jagung adalah sumber pangan kedua setelah padi. Hampir 70% dari produksinya dimanfaatkan untuk konsumsi dan sisanya untuk berbagai keperluan, baik sebagai pakan ternak maupun bahan industry (Elly LR 1992). Selain sebagai sumber karbohidrat, jagung juga ditanam sebagai pakan ternak

6

(daun dan tongkol), diambil minyaknya (dari biji), dibuat tepung (dari biji, dikenal dengan istilah tepung jagung atau maizena), furfural, bioetanol, dan bahan baku industri (dari tepung biji dan tepung tongkolnya). Tongkol jagung kaya akan pentosa yang dipakai sebagai bahan baku pembuatan furfural. Furfural banyak digunakan sebagai pelarut dalam industri pengolahan minyak bumi, pembuatan pelumas, dan pembuatan nilon. Selain itu berfungsi

sebagai

senyawa

antara

untuk

pembuatan

furfuril

alkohol,

tetrahidrofuran, herbisida, dan aplikasi pada pewangi (Ace 2003). Inti biji jagung juga banyak dimanfaatkan sebagai penghasil minyak jagung. Tongkol jagung sebagian besar tersusun oleh selulosa (41%), hemiselulosa (36%), lignin (6%), dan senyawa lain sebesar 17% yang umum terdapat dalam tumbuhan. Hal ini mengindikasikan kandungan karbon yang cukup tinggi. Arang yang berasal dari tongkol jagung diaktivasi secara fisik dan kimia. Aktivasi secara kimia dengan larutan asam dan basa mengarah untuk perbesaran pori arang aktif. 2.2. Zeolit Alam Zeolit alam adalah suatu mineral alam yang tersusun dari senyawa silikaalumina yang berbentuk kristal. Karakteristik zeolit yang unik antara lain sangat stabil dengan kemampuan adsorpsi yang sangat tinggi dan selektif serta mempunyai struktur pori (mikroporus) aktif yang banyak sehingga memiliki luas permukaan spesifik yang tinggi. Kerangka dasar struktur zeolit terdiri dari unitunit tetrahedral AlO4 dan SiO4 yang saling berhubungan melalui atom O Gambar 2.2 dengan rumus empiris : M2nO. Al2O3. xSiO2. yH2O Dimana: M = Kation alkali atau alkali tanah n = Valensi logam alkali x = Bilangan tertentu (2 s/d 10) y = Bilangan tertentu (2 s/d 7)

7

Gambar 2.2 Struktur Dasar Kristal Zeolit (Mustain, 1997) Zeolit alam banyak bercampur dengan materi pengotor (impurities) selain zeolit. Oleh karena itu, zeolit alam perlu diaktivasi dan dimodifikasi guna meningkatkan karakternya terutama aktivitas katalitiknya (Trisunaryanti dkk, 2005). Zeolit merupakan kristal yang memiliki sifat stabil terhadap panas. 2.3. Silinap Thermo-oil yang digunakan adalah silinap, sebagai medium pemanas dalam reaksi pirolisis. Silinap adalah pelumas untuk aplikasi silinder mesin uap dengan suhu kerja antara 260-344°C dan roda

gigi putaran rendah yang tidak

memerlukan sifat extreme pressure (Pertamina, 2008). Silinap M series terdiri atas 3 jenis yaitu : a. Silinap 160 M dipergunakan untuk pelumasan silinder mesin uap dengan suhu kerja antara 170-260 °C b. Silinap 220 M untuk suhu kerja antara 260-344 °C c. Silinap 280 M untuk suhu kerja di atas 360 °C Thermo-oil yang digunakan adalah silinap, sebagai medium pemanas dalam reaksipirolisis. Pemilihan ini karena perpindahan panas antara padatan/biomassa dan liquid/thermo-oil relatif besar dan diperkirakan konsumsi energi menjadi kecil dan yield produk menjadi lebih besar. Proses pencairan langsung menggunakan thermo-oil tersebut lebih menjanjikan karena relatif sederhana (Awaludin, 2007). 2.4. Biomassa Biomassa adalah bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintetik, baik berupa produk maupun buangan. Contoh biomassa antara lain adalah tanaman, pepohonan, rumput, ubi, limbah pertanian atau perkebunan, limbah hutan, tinja dan kotoran ternak. “Kandungan biomassa yang terdiri dari

8

karbon dan hidrogen dapat dijadikan dasar sebagai kandungan yang terdapat dalam bahan bakar (Quebec, 2004). Biomassa merupakan produk fotosintesa yang menyerap energi matahari dan mengkonversi karbon dioksida dengan air menjadi senyawa karbon, hidrogen dan oksigen. Senyawa ini digunakan sebagai suatu penyerapan energi yang dapat dikonversi menjadi produk lain. Biomassa dapat diperoleh dari limbah organik yang terdapat pada limbah pertanian, limbah hutan, dan limbah perkotaan. Biomassa hutan dapat berupa ranting kayu, sisa penebangan, serbuk kayu, kulit kayu, dan limbah hutan lainnya. Sedangkan biomassa pertanian berasal dari limbah yang dihasilkan setelah panen dan limbah dari perkebunan dan biomassa perkotaan berasal dari sampah perkotaan, perdagangan dan limbah industri. Dari sudut pandang kimia, biomassa terdiri dari serangkaian hidrokarbon rantai panjang dengan kelompok-kelompok fungsional seperti hydroxyls dan carboxyls (Sukiran, 2008). Berdasarkan komponen kimia yang terdapat dalam biomassa tersebut, maka terdapat sejumlah fraksi yang diidentifikasi terdapat pada bio-oil. Beberapa bahan kimia penting yang terdapat dalam bio-oil yaitu hidroksiasetaldehid, levoglukosan, levoglucosenone, campuran fenol, furfural dan air. Dengan kandungan fenol yang dihasilkan lebih dari 50% maka bio-oil dapat digunakan sebagai bahan bakar alternatif untuk masa yang akan datang (Irfan, 2010). Biomassa secara struktural terdiri dari selulosa, hemiselulosa dan lignin . 1. Selulosa Selulosa adalah polymer glukosa yang tidak bercabang. Bentuk polimer ini memungkinkan selulosa saling menumpuk atau terikat menjadi bentuk serat yang sangat kuat. Rumus empiris selulosa adalah (C 6H10O5)n. Berdasarkan struktur kimia, selulosa termasuk polimer-polimer alam paling sederhana dalam artian terdiri dari unit ulang tunggal, D-glukosa, yang terikat melalui karbon 1 dan 4 oleh ikatan β. Dekomposisi Selulosa terjadi pada suhu 260-300ºC.

9

Gambar 2.3 Struktur Selulosa (Azizah, 2009) 2. Hemisellulosa Hemiselulosa merupakan polisakarida dengan rumus molekul (C 5H8O4)n, mengelilingi serat selulosa dan masuk kedalam selulosa melalui pori-pori. Hemiselulosa terdiri dari rantai pendek, sekitar 200 unit gula dengan berat molekul antara 7000-15000. Dekomposisi hemiselulosa terjadi pada suhu 200260ºC.

Gambar 2.4 Struktur Hemiselulosa (Isroi, 2008) 3. Lignin Lignin merupakan senyawa kimia kompleks dengan rumus molekul (C10H12O3)n yang umumnya ditemukan pada kayu dan bagian dari dinding sel pada tanaman. Dekomposisi lignin terjadi diatas suhu 300ºC dan menghasilkan gualakol, 2 metoksi fenol, methanol, aseton dan asam asetat.

Gambar 2.5 Struktur Lignin (Cotton, 2009)

10

2.5. Pyrolisis Pyrolisis adalah proses konversi dari suatu bahan organik pada suhu tinggi dan terurai menjadi ikatan molekul yang lebih kecil. Proses ini menghasilkan uap organik, gas pyrolisis dan arang. Uap organik yang dihasilkan mengandung karbon monoksida, metana, karbon dioksida, tar yang mudah menguap dan air. Uap organik kemudian dikondensasikan menjadi cairan. Cairan hasil pyrolisis dikenal sebagai bio-oil (Awaluddin, 2007). Pyrolisis berasal dari kata Pyro (Fire/Api) dan Lyo (Loosening/Pelepasan) untuk dekomposisi termal dari suatu bahan organik. Jadi pyrolisis adalah proses konversi dari suatu bahan organik pada suhu tinggi dan terurai menjadi ikatan molekul yang lebih kecil atau pendegradasian panas pada biomassa tanpa oksigen. Pyrolisis juga merupakan proses konversi dari suatu bahan organik pada suhu tinggi dan terurai menjadi ikatan molekul yang lebih kecil. Pyrolisis menguraikan bahan organik secara kimia melalui pemanasan dengan mengalirkan nitogen sebagai gas inert. Proses ini menghasilkan uap organik, gas pyrolisis dan arang. Uap organik yang dihasilkan mengandung karbon monoksida, metana, karbon dioksida, tar yang mudah menguap dan air. Uap organik kemudian dikondensasikan menjadi cairan. Cairan hasil pyrolisis dikenal sebagai bio-oil (Awaluddin, 2008). Selain dengan pyrolisis, biomassa dapat diproses dengan pembakaran langsung dan gasifikasi. Jika dibandingkan dengan pembakaran langsung dan gasifikasi, produk yang lebih banyak terbentuk dihasilkan dari pyrolisis. Tabel 2.1 Perbandingan Produk dari Konversi Biomassa secara Termokimia Proses Liquid Arang Gas Pyrolisis 75% 12% 13% Pembakaran Langsung

30%

35%

35%

Gasifikasi

5%

10%

85%

Sumber : (Innovative Natural Resource Solutions LLC, 2004) Pada dasarnya produk yang dihasilkan tergantung pada suhu proses dan bahan baku yang digunakan. Semakin tinggi suhu untuk proses pyrolisis cepat

11

akan menghasilkan gas yang semakin meningkat, air yang dihasilkan rata-rata konstan dan arang yang dihasilkan akan turun dengan meningkatnya suhu.

Be rikut ini reaksi pyrolisis secara umum :

.6

Bio Oil Selain biodiesel, bioetanol ataupun biogas yang belakangan ini menjadi

buah bibir bahan bakar alternatif pengganti BBM terdapat juga bio oil, yang merupakan salah satu jenis bioenergi. Istilah ini mungkin terdengar sedikit asing dibandingkan dengan jenis-jenis bioenergi lainnya. Bio oil adalah bahan bakar cair berwarna gelap, beraroma seperti asap dan diproduksi dari biomassa seperti tongkoljagung, kayu, kulit kayu, kertas atau biomassa lainnya melalui teknologi pirolisa atau pirolisa cepat (fast pyrolysis). Bio oil merupakan oxygenated molecule dan bersifat water soluble. Di Indonesia sendiri pengembangan bio oil sangat minim sekali. Hal ini dikerenakan kebanyakan untuk bioenergi modern yang lebih dikenal dan sudah berkembang adalah bioetanol, biodiesel dan biogas. Dengan kata lain bio oil kalah populer dibandingkan dengan ketiga bioenergi modern tersebut. Padahal jika ditinjau dari ketersediaan bahan baku dan nilai jual bio oil, bioenergi ini tidak kalah bagusnya dibanding dengan tiga bioenergi alternatif yang telah disebutkan sebelumnya.

12

Gambar 2.6 Rumus Bangun bio oil Bio oil bersifat larut sempurna dalam alkohol, seperti dalam methanol dan etanol. Pencampuran bio oil dalam alkohol dapat meningkatkan stabilitas dan menurunkan nilai viskositas bahan bakar. Bio oil bersifat tidak larut dalam diesel, tetapi bisa diemulsikan dengan diesel. Emulsi 10-30 % bio oil dalam diesel dapat memperbaiki stabilitas bahan bakar, memperbaiki viskositas, mengurangi tingkat korosifitas dan meningkatkan nilai bilangan setana. Gambar bio-oil ditunjukkan pada gambar 2.7

Gambar 2.7 Bio-Oil (Godi, 2010) Bio oil adalah bahan bakar cair berwarna gelap beraroma seperti asap dan diproduksi dari biomassa seperti kayu, kulit kayu, kertas atau biomassa lainnya melalui teknologi pirolisa atau pirolisa cepat. Bio oil adalah oxygenated molecule dan bersifat water soluble. Di Indonesia sendiri pengembangan bio oil sangat minim sekali. Hal ini dikerenakan kebanyakan untuk bioenergi modern yang lebih dikenal dan sudah berkembang adalah bioetanol, biodiesel dan biogas. Dengan kata lain bio oil kalah populer dibandingkan dengan ketiga bioenergi modern tersebut. Padahal jika ditinjau dari ketersediaan bahan baku dan nilai jual bio oil, bioenergi ini tidak kalah bagusnya dibanding dengan biodiesel, bioetanol ataupun biogas yang telah disebutkan sebelumnya. Produksi bio oil sangat menguntungkan karena dengan pengorvensian bio oil maka akan didapatkan produk berupa bahan bakar minyak bio, misalnya: biokerosene, biodiesel dan lain-lain.

13

Tabel 2.2. Rendemen Bio Oil yang Dihasilkan dari Beberapa Jenis Bahan Baku Kulit Bagas dan Kelobot Limba Bahan Kayu Kayu Tongkol dan Kertas h Baku (%wt) (%wt) Jagung (%wt) (%wt) (%wt) Rendemen : Bio Oil 71-80 60-67 75-81 71-76 71-93 Arang 12-20 16-28 12-14 7-14 4-20 Gas 5-12 8-17 5-10 10-17 2-12 Sumber: (www.dynamotive.com) Bahan Baku untuk bio oil pada dasarnya bahan yang mengandung selulosa berpotensi untuk dijadikan bahan baku bio oil. Bahan baku tersebut diantaranya tongkol jagung, kayu, kulit kayu, kertas, bagasse dan bahan-bahan lain dengan rendemen bervariasi tergantung dari komposisi bahan bakunya. Bahan yang memiliki kandungan lignin yang tinggi seperti kulit kayu cenderung menghasilkan rendemen bio oil yang rendah (60-65%). Sedangkan bahan baku dengan kandungan selulosa yang tinggi, cenderung menghasilkan rendemen bio oil yang lebih tinggi (75-93 %). Komponen organik yang terdapat di dalam bio-oil (Goyal dkk, 2006) : 1. 2. 3. 4.

Asam-asam : Formiat, asetat, propanoat, heksanoat, benzoat dan lain-lain. Ester : Metil format, metil propanoat, butirolaktona dan lain-lain. Alkohol : Metanol, etanol, 2-propana-1-ol, isobutanol dan lain-lain. Keton : Aseton, 2-butanon, 2-pentanon, 2-siklopentanon, sikloheksanon

5. 6. 7. 8.

dan lain-lain. Aldehid : Formaldehid, asetaldehid, 2-butenal, pentanal dan etanadial. Fenol : Fenol, 2-metil fenol dan lain-lain. Alkena : 2-metil propena, dimetil siklo pentena, dan lain-lain. Senyawa-senyawa aromatik : Benzen, toluene, xilen, naftalen, krisena dan

lain-lain. 9. Furan : Furan, furfural, furfural alkohol, 2-furanone dan lain-lain. 10. Guaiacols : 2-metoksifenol, 4-metil guaiacol, dan eugenol. 11. Gula : Levoglukosan, glukosa, fruktosa, d-xilosa, d-arabinosa dan lainlain. 12. Macam-macam

oksigenat:

Hidroksi-asetaldehid,

hidroksiaseton,

dimetilasetal, asetal, dan lain-lain. 21.1 Sumber Bahan Baku Bio Oil Yang Prospektif Di Indonesia

14

Ada berbagai macam bahan baku bio oil yang dapat di peroleh di Indonesia, diantaranya yaitu: 1. Limbah Pertanian Jagung Jagung termasuk ke dalam famili rumput-rumputan. Tanaman jagung tumbuh tegak dengan tinggi bervariasi. Pada varietas tertentu tinggi tanaman jagung saat dewasa kurang dari 60 cm dan tipe yang lain dapat mencapai 2 m atau lebih. Produk pertanian yang satu ini memiliki peranan tersendiri dalam negeri. Permintaan terhadap komoditas ini semakin meningkat setiap tahunnya. Hal ini dapat kita lihat dari jumlah luasan area pertanian jagung yang semakin meningkat. Dalam kegiatan industri jagung, limbah yang dihasilkan adalah kelobot dan tongkol jagung (corn cob). Kelobot adalah kulit pembungkus buah jagung. Kelobot jagung mempunyai permukaan yang kasar dan berwarna hijau muda hingga hijau tua. Semakin ke dalam warna kelobot semakin berwarna hijau muda dan akhirnya berwarna putih. Jumlah rata-rata kelobot dalam tongkol jagung adalah 12-15 lembar. Semakin tua umur jagung semakin kering kelobotnya. Bobot rata-rata kelobot jagung manis 59 gram (25,76 %) dan jagung pioneer 108 gram (30,08 %). Batang jagung (corn stover) merupakan limbah lainnya. Setelah masa produktif jagung habis, limbah batang jagung yang dihasilkan cukup besar. Hampir dari setengah tanaman jagung terdiri dari corn stover tersebut. Selama ini pemanfaatan limbah batang jagung hanya terbatas sebagai pakan ternak. Kandungan serat yang tinggi dalam batang jagung sangat berpotensi untuk dimanfaatkan sebagai bahan baku bio oil. Tabel 2.3 Komposisi organik limbah Jagung Kandungan (%wt) Batang Jagung Tongkol Jagung Selulosa 53 32 Hemiselulosa 15 44 Lignin 16 13 Komponen lainnya 16 11 Sumber : (Laporan Teknis Intern Balai Besar Selulosa dalam Pratiwi, 1987) Komponen

2. Bagas

15

Industri gula merupakan kegiatan agroindustri yang cukup berperan vital dalam perekonomian masyarakat Indonesia. Seiring dengan pertambahan jumlah penduduk dan perubahan gaya hidup masyarakat, kebutuhan gula terus meningkat karena selain sebagai salah satu bahan pangan, gula berfungsi sebagai bahan baku industri. Bagas adalah ampas tebu yang dihasilakn dari nira tebu sebagai suatu residu dalam industri pengolahan gula. Jumlah ampas tebu yang dihasilkan dalam pengolahan nira tebu cukup besar, yaitu sekitar 35-40 % dari bobot tebu (wt %) dengan moisture content (kandungan air) 48-52 %, kandungan gula 2,5-6 % dan serat 44-48 %. Komposisi bahan penyusun serat tebu terdiri dari selulosa, hemiselulosa, lignin dan komponen lainnya. Umumnya limbah ampas tebu yang dihasilkan dalam proses pengolahan nira tebu masih dimanfaatkan, sebelum dimanfaatkan sebagai bahan bakar pabrik gula sendiri, ampas tebu dimanfaatkan sebagai bahan baku industri pulp dan kertas. Kandungan serat yang tinggi dan ketersediaan limbah ampas tebu yang besar menjadikan alternatif pemanfaatan bagas sebagai bahan baku bio oil cukup strategis dan menjanjikan. 3. Tandan Kosong Kelapa Sawit Dalam industri perkelapasawitan, Indonesia termasuk dalam daftar negara terbesar kedua penghasil kelapa sawit setelah Malaysia. Industri perkelapasawitan Indonesia selama periode 2001-2005 terus mengalami peningkatan. Produksi CPO Indonesia selama tahun 2001-2005 mengalami peningkatan dari 9200 ribu ton menjadi 15000 ribu ton. Tentu saja hal ini diiringi dengan meningkatnya limbah industri pengolahan kelapa sawit. Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKS) merupakan limbah terbesar yang dihasilkan oleh perkebunan kelapa sawit. Jumlah tandan kosong kelapa sawit mencapai 30-35 % dari berat tandan buah segar setiap pemanenan. Namun hingga saat ini pemanfaatan limbah tandan kosong kelapa sawit belum dilakukan secara optimal. Tandan kosong kelapa sawit mengandung serat yang tinggi. Kandungan utama TKS adalah selulosa dan lignin. Selulosa dalam TKS dapat mencapai 2227%.

16

21.2 ASTM Bio-Oil Test Composition Nitrogen Carbon Hydrogen pH Phosphorus Ash Viscosity at 20 degree celcius Viscosity at 40 degree celcius Viscosity at 60 degree celcius Flashpoint P.M Silicon Potassium Magnesium Calcium

Tabel 2.4 ASTM Bio-Oil >EFB bio-oil Methode Unit

Result

pH meter I.C.P ASDM D 482

%m %m %m pH unit mg/kg %m

0,5 40,7 8,1 3,4 6 0,12

ASTM D 482

mm2/s

0,12

ASTM D 445

mm2/s

13,50

ASTM D 445

mm2/s

2,970

Degree celcius mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg

55,0 380 230 15 33

micro S/em

40

%m %m %m

32 0,07 0,07

ASTM D 5291

I.C.P I.C.P I.C.P I.C.P I.C.P Conductivity Conductivity meter Water ASTM D 6304 Chlorine ( Total ) ASTM D 808 Sulphur ASTM D 129m Sumber : (Rovision, 2011)

21.3 Kegunaan Bio-oil Bio-oil dapat digunakan pada beberapa aplikasi sebagai berikut (Goyal dkk, 2006): 

Digunakan sebagai pembangkit generator.



Produksi bahan-bahan kimia dan resin.



Dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk transportasi dan sangat baik sebagai pengganti bahan bakar.



Dapat digunakan sebagai asap cair.



Produksi gula anhidrous seperti levoglukosan.

17



Digunakan sebagai bahan pengawet seperti pengawet kayu.



Campuran yang cocok cairan pyrolisis dengan minyak diesel akan digunakan sebagai bahan bakar mesin diesel.



Digunakan sebagai bahan perekat.