Peran Ekstrak Pinang (Areca Catechu) Pada Minyak Nabati Sebagai Biodiesel

Wardoyo, Wardoyo and Prof. Ir. I. N. G. Wardana, M.Eng., Ph.D. and Agung Sugeng Widodo, S.T., M.T., Ph.D. and Dr. Eng. Widya Wijayanti, S.T., M.T. (2022) Peran Ekstrak Pinang (Areca Catechu) Pada Minyak Nabati Sebagai Biodiesel. Doktor thesis, Universitas Brawijaya.

Abstract

Kebutuhan minyak nabati sebagai sumber energi alternatif meningkat seiring dengan menipisnya cadangan sumber energi fosil. Solusi dari persoalan ini adalah mencari sumber energi baru yang ramah lingkungan, dapat diperoleh dengan mudah dalam jumlah besar di dalam negeri dan biaya produksinya murah. Minyak nabati yang dipilih sebagai bahan baku pengganti solar memiliki keterbatasan nilai viskositas yang tinggi. Viskositas tinggi ini menghasilkan atomisasi yang tidak ideal, laju penguapan rendah, pembakaran tidak sempurna, dan memperpendek umur saringan bahan bakar. Minyak nabati tersusun atas senyawa gliserol dan rantai asam lemak. Minyak nabati diubah menjadi biodiesel dengan cara memisahkan gliserol dari asam lemak melalui proses degumming, esterifikasi, Trans- esterifikasi, hydrogenasi, dan catalytic cracking. Semua proses ini membutuhkan biaya yang besar, sehingga harga biodiesel menjadi lebih mahal 10% hingga 50% dari pada solar. Penelitian ini membahas proses di balik penurunan viskositas minyak nabati dengan aditif alami ekstrak pinang pada tingkat molekuler. Medan magnet pada molekul ekstrak pinang memberi energi elektromagnet pada elektron dalam orbit molekul minyak nabati, menyebabkan momen dipol dan polaritas minyak berkurang. Selain itu, gerakan elektron minyak nabati semakin gesit menyebabkan gaya London terdispersi. Pada saat yang sama, elektron yang aktif melemahkan molekul, membentuk kofigurasi baru yang lebih lebih acak, menyebabkan jarak antar molekul menjadi berjauhan. Ekstrak pinang sebagai aditif alami menurunkan vikositas minyak nabati melalui tiga cara, yaitu: menurunkan polaritas minyak, melemahkan gaya London, dan merenggangkan konfigurasi molekul Ekstrak pinang dibuat dengan cara memanen buang pinang yang matang, diiris tipis- tipis, dikeringkan di bawah sinar matahari selama tiga hari, digiling dan diayak dengan saringan mesh 200. Setelah itu, serbuk pinang diekstraksi dengan metode maserasi menggunakan pelarut methanol kualitas analis. Komposisi ekstrak pinang diuji menggunakan LC-MS-MS metabolomic. Ekstrak pinang mengandung guvacoline, arecoline, choline, epicatechin, trigonelline, dan molekul lainnya dalam jumlah kecil. Epicatechin adalah salah satu molekul yang dapat mengikat minyak nabati. Epicatechin memiliki hidroksil bermuatan positif, yang menarik karbonil bermuatan negatif dalam minyak nabati. Gaya tarik ini membuat epicatechin tersebar merata melekat pada molekul minyak nabati. Ekstrak pinang ditambahkan ke dalam minyak nabati dengan dosis 0 ppm, 250 ppm, 500 ppm, 750 ppm, 1000 ppm, dan 1250 ppm. Selanjutnya minyak nabati dengan aditif diaduk menggunakan magnetic steering pada kecepatan 500 rpm pada suhu 50°C selama 60 menit. Kemudian diendapkan selama 12 jam untuk mengendapkan molekul-molekul yang tidak dapat bercampur dengan baik. Sampel uji yang digunakan dalam penelitian ini adalah minyak nabati dengan aditif yang telah tercampur secara stabil. Selanjutnya, viskositas minyak nabati dengan aditif diukur menggunakan metode ASTM D 445. Simulasi dinamika molekuler disederhanakan hanya melibatkan satu molekul epicatechin dan satu molekul trigliserida. Momen dipol dan mobilitas elektron diperoleh dengan menggunakan pendekatan semi empiris menggunakan pendekatan CNDO dan algoritma gradien konjugasi Polak-Ribiere. Simulasi dilakukan pada syarat batas konvergensi 0,01, iterasi 50, waktu pemanasan 0,1 ps, run time 0,3 ps, langkah waktu 0,0005 ps, suhu awal 100 K, suhu simulasi 300 K, dan langkah suhu 30 K Viskositas minyak nabati dipengaruhi oleh tiga gaya antarmolekul. Pertama, momen dipol minyak nabati menunjukkan kualitas polarisasi sebuah molekul. Polarisasi elektron yang tinggi cenderung memperkuat energi ikatan antar molekul dan menghambat mobilitas elektron. Kedua, mobilitas elektron yang tinggi meningkatkan energi kinetik molekul. Mobilitas elektron yang tinggi meningkatkan transfer momentum antara dipol sesaat dan dipol induksi dari dua molekul yang berbeda. Akhirnya, transfer momentum yang besar memperkuat energi ikatan antar molekul. Ketiga, bentuk molekul yang tersusun rapi dan rapat meningkatkan transfer momentum antar molekul, juga akan meningkatkan energi antar molekul. Ekstrak pinang sebagai aditif telah berhasil menurunkan viskositas minyak nabati dengan menurunkan momen dipol dan melemahkan transfer momentum antar molekul. Ekstrak pinang yang mengandung epicatechin dengan delokalisasi elektron pada cincin aromatiknya, menghasilkan medan magnet yang menginduksi spin elektron pada orbitalnya, sehingga meningkatkan mobilitas elektron dalam minyak nabati. Selanjutnya, mobilitas elektron yang meningkat menyebabkan elektron menjauh dari pusat orbital, dan menyebabkan momen dipol melemah. Energi kinetik menunjukkan mobilitas elektron dalam minyak nabati. Energi kinetik yang tinggi meningkatkan intensitas pembentukan ikatan antara dipol sementara dan dipol induksi, mempercepat gaya London. Selain itu, aditif menyebabkan geometri molekul trigliserida menjadi semakin keriting, sehingga sulit untuk diatur dengan rapi. Bentuknya yang tidak beraturan menyebabkan jarak antar molekul bertambah besar, membatasi intensitas tumbukan elektron antar molekul. Pengurangan transfer momentum antar molekul menghambat perkembangan gaya London. Melemahnya gaya London, dikombinasikan dengan penurunan momen dipol yang cukup besar, menyebabkan energi total van der Waals turun dan mengurangi nilai viskositas. Penurunan viskositas paling signifikan terjadi pada konsentrasi aditif 250 ppm. Viskositas CCO menurun 21,53%, RPO 12,82%, dan RCO 8,80. Intensitas penurunan viskositas menurun dengan penambahan zat aditif berturut-turut dari konsentrasi 500 ppm, 750 ppm, 1000 ppm, dan 1250 ppm, yaitu 3,83%, 1,60%, 1,22%, dan 0,71%. Dengan demikian, ekstrak pinang sebagai bahan aditif alami telah berhasil menurunkan viskositas minyak nabati dengan konsentrasi optimum 250 ppm.

English Abstract

The need for vegetable oil as an alternative energy source increases with the depletion of fossil energy reserves. The solution to this problem is finding new environmentally friendly energy sources that can be obtained easily in large quantities domestically and cheaply produced. Vegetable oil selected as a substitute for diesel fuel has a limited high viscosity value. This high viscosity results in non-ideal atomization, low evaporation rate, incomplete combustion, and shortens the fuel filter's life and quickly causes scale on the injector so that it clogs. Vegetable oils are composed of glycerol compounds and fatty acid chains. Vegetable oil is converted into biodiesel by separating glycerol from fatty acids through degumming, esterification, trans-esterification, hydrogenation, and catalytic cracking processes. All of these processes require high costs so that the price of biodiesel becomes 10% to 50% more expensive than diesel. This research discusses the process of decreasing the viscosity of vegetable oil with natural additives of areca nut extract at the molecular level. The additive magnetic field energizes the electrons rotating in the molecular orbits of the vegetable oil, causing the dipole moment and polarity of the oil to decrease. In addition, the movement of the electrons is getting more nimble, causing the London force to be dispersed. At the same time, the active electrons relax the molecules, forming new, more random configurations, causing the molecules to be farther apart. Areca nut extract as a natural additive reduces the viscosity of vegetable oils through these three factors (oil polarity, London forces, and molecular configuration). Ripe betel nuts were sliced thinly, dried in the sun for three days, ground and sieved through a 200 mesh sieve. After that, the areca nut powder was extracted using analytical quality methanol as solvent by the maceration method. Areca nut extract tested using metabolomic LC-MS-MS. Areca nut extract contains small guvacoline, arecoline, choline, epicatechin, trigonelline, and other molecules. Epicatechin is one of the molecules that can bind vegetable oil. Epicatechin has a positively charged hydroxyl, which attracts the negatively charged carbonyl in vegetable oils. This pulling force allows epicatechin to be evenly dispersed in the vegetable oil. Areca nut extract was added to vegetable oil at a dose of 0 ppm, 250 ppm, 500 ppm, 750 ppm, 1000 ppm, and 1250 ppm. Furthermore, the vegetable oil with stirring was stirred using magnetic steering at a speed of 500 rpm at a temperature of 50°C for 60 minutes. Then it is deposited for 12 hours to precipitate the molecules that do not mix well. The test sample used in this study is vegetable oil with additives that have been mixed stably—Furthermore, the viscosity of vegetable oil with the addition of size using the ASTM D 445 method. The simplified molecular dynamics simulation involves only one epicatechin molecule and one triglyceride molecule. The dipole moment and electron transfer were obtained using a semi-empirical approach using CNDO calculations from the Polak-Ribiere conjugate gradient method. The simulation was carried out at a convergence limit of 0.01, an iteration limit of 50, a heat time of 0.1 ps, a run time of 0.3 ps, a time step of 0.0005 ps, an initial temperature of 100 K, a simulation temperature of 300 K, and a temperature step of 30 K. Oil viscosity is affected by three intermolecular forces. The first, the dipole moment of vegetable oil, shows the quality of polarization. High electron polarization tends to strengthen intermolecular energy and electron mobility connectivity. Second, the high electron mobility increases the molecular kinetic energy. The high electron mobility increases the momentum transfer between the instantaneous dipole and the induced dipole of two different molecules. Finally, the enormous transfer of momentum amplifies the intermolecular energy. Third, the neat shape of the molecule increases the momentum transfer between molecules. Areca nut extract as an additive has decreased the viscosity of vegetable oils by lowering the dipole moment and weakening the momentum transfer between molecules. Areca nut extract containing epicatechin with electron delocalization on its aromatic ring generates a magnetic field that induces electron spin in its orbital, increasing electron mobility in vegetable oil. Furthermore, the increased electron displacement causes the electrons to move away from the centre of the orbital, causing the dipole moment to weaken. Its kinetic energy indicates the transfer of electrons in vegetable oil. The high kinetic energy increases the intensity between the transient and induced dipole, accelerating the London force. In addition, the additive causes the triglyceride molecular geometry to become increasingly curly, making it challenging to arrange neatly. The irregular shape causes the distance between molecules to increase, limiting the intensity of electron collisions between molecules. The reduction in intermolecular transfer momentum hinders the development of the London force. A negligible increase in the London force, combined with a considerable decrease in the dipole moment, causes the total van der Waals energy to contract, reducing the viscosity. The most significant decrease in viscosity occurred at the additive concentration of 250 ppm. The viscosity of CCO decreased by 21.53%, RPO 12.82%, and RCO 8.80. The intensity of the decrease in viscosity decreased with the addition of additives, respectively, from concentrations of 500 ppm, 750 ppm, 1000 ppm, and 1250 ppm, namely 3.83%, 1.60%, 1.22%, and 0.71%. Thus, areca nut extract as a natural additive has succeeded in reducing the viscosity of vegetable oil with an optimum concentration of 250 ppm.

Item Type:	Thesis (Doktor)
Identification Number:	0622070010
Uncontrolled Keywords:	Minyak nabati, ekstrak pinang, viskositas, polaritas, gaya london. .- Vegetable oil, areca nut extract, viscosity, polarity, london forces.
Subjects:	600 Technology (Applied sciences) > 621 Applied physics > 621.8 Machine engineering
Divisions:	S2/S3 > Doktor Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Depositing User:	Endang Susworini
Date Deposited:	13 Apr 2023 06:42
Last Modified:	13 Apr 2023 06:42
URI:	http://repository.ub.ac.id/id/eprint/198280

Text (DALAM MASA EMBARGO) WARDOYO.pdf Restricted to Registered users only until 31 December 2024. Download (8MB)

Actions (login required)

View Item