PERANCANGAN PROSES PEMBUATAN SELULOSA ASETAT DARI SELULOSA MIKROBIAL UNTUK MEMBRAN ULTRAFILTRASI. Oleh : DESIYARNI

Transkripsi

1 PERANCANGAN PROSES PEMBUATAN SELULOSA ASETAT DARI SELULOSA MIKROBIAL UNTUK MEMBRAN ULTRAFILTRASI Oleh : DESIYARNI SEKOLAH PASCA SARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2006

2 PERANCANGAN PROSES PEMBUATAN SELULOSA ASETAT DARI SELULOSA MIKROBIAL UNTUK MEMBRAN ULTRAFILTRASI Oleh DESIYARNI P Disertasi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2006

3 Judul Disertasi : Perancangan Proses Pembuatan Selulosa Asetat dari Selulosa Mikrobial untuk Membran Ultrafiltrasi Nama : Desiyarni Nrp : P Program studi : Teknologi Industri Pertanian Menyetujui, 1. Komisi pembimbing Prof. Dr. Ir. H. Abdul Aziz Darwis, MSc Ketua Prof. Dr. Ir.Hj. Tun Tedja Irawadi, MS Anggota Dr. Ir.Hj. Erliza Noor Anggota Dr. Ir. Ani Suryani, DEA Anggota Dr. Ir. Kaseno, M.Eng Anggota Mengetahui, 2. Ketua Program Studi 3. Dekan Pascasarjana Teknologi Industri Pertanian Dr. Ir. Irawadi Jamaran Dr. Ir. Khairil Anwar Notodiputro, MS Tanggal lulus :

4 Desiyarni, P Perancangan Proses Pembuatan Selulosa Asetat dari Selulosa Mikrobial untuk Membran Ultrafiltrasi. Dibawah bimbingan A. Aziz Darwis, Tun Tedja Irawadi, Erliza Noor, Ani Suryani dan Kaseno. =========================================================== ABSTRAK Selulosa asetat merupakan salah satu jenis polimer yang banyak digunakan untuk industri, salah satunya sebagai polimer pada pembuatan membran ultrafiltrasi. Selulosa asetat secara umum dibedakan atas dua jenis yaitu selulosa triasetat (selulosa asetat primer) dan selulosa diasetat (selulosa asetat sekunder). Selulosa asetat primer dibuat melalui reaksi esterifikasi (asetilasi) selulosa dengan pereaksi anhidrida asetat, sedangkan selulosa asetat sekunder dibuat dengan cara menghidrolisis selulosa asetat primer. Secara komersial selulosa asetat dibuat dengan menggunakan bahan baku pulp kayu berkualitas tinggi. Salah satu masalah dalam produksi selulosa asetat dari pulp kayu adalah rendahnya kualitas dan kemurnian selulosa kayu karena pulp kayu masih mengandung hemiselulosa dan lignin. Selulosa mikrobial adalah jenis selulosa yang dihasilkan oleh mikroorganisme. Selulosa mikrobial bersifat renewable (dapat diperbarui), mempunyai karakteristik yang unik dan relatif lebih murni dibandingkan dengan selulosa kayu. Selulosa mikrobial merupakan salah satu alternatif sebagai sumber selulosa pada pembuatan selulosa asetat. Membran ultrafiltrasi (UF) selulosa asetat merupakan salah satu jenis membran yang banyak digunakan pada proses pemisahan makromolekul. Membran UF mempunyai ukuran pori berkisar 0,1 0,001µm. Membran UF selulosa asetat umumnya dibuat dengan metoda inversi fasa menggunakan pelarut yang sesuai dengan jenis selulosa asetat yang digunakan Penelitian ini bertujuan untuk (1) mendapatkan kondisi proses (konsentrasi asam sulfat, rasio anhidrida asetat dengan selulosa, waktu dan suhu reaksi) yang optimum pada proses asetilasi selulosa mikrobial menjadi selulosa triasetat (2) mendapatkan kondisi proses (rasio air terhadap selulosa mikrobial, konsentrasi asam sulfat, waktu dan suhu reaksi) yang optimum pada proses hidrolisis selulosa triasetat menjadi selulosa diasetat kadar asetil % dan (3) mendapatkan karakteristik (MWCO) membran ultrafiltrasi yang dihasilkan. Penelitian ini dilakukan secara bertahap yang terdiri atas 3 tahap yaitu (1) optimasi proses asetilasi pada pembuatan selulosa triasetat dari selulosa mikrobial (2) optimasi proses hidrolisis selulosa triasetat menjadi selulosa diasetat dan (3) pembuatan dan karakterisasi membran ultrafiltrasi dari selulosa diasetat mikrobial. Penentuan kondisi optimum proses asetilasi dan hidrolisis dilakukan dengan menggunakan Metoda Permukaan Respon-Rancangan Komposit Pusat (Response Surface Methodology-Central Composite Design. Pembuatan membran UF dilakukan dengan dengan metode inversi fasa presipitasi immersi, dengan pelarut dimetilformamida dan non pelarut berupa air. Selulosa diasetat mikrobial yang digunakan mempunyai kadar asetil berkisar 37% 40 %, konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak berkisar 12-20% dan suhu air koagulasi berkisar 2-26 o C. Karakteristik membran UF yang diamati meliputi fluks dan rejeksi membran dengan menggunakan umpan Bovin Serum Albumin bobot molekul 67 kda dan dekstran bobot molekul 37 kda dan MWCO membran.

5 Hasil optimasi proses asetilasi pada pembuatan selulosa triasetat dari selulosa mikrobial menunjukkan kondisi optimum proses asetilasi terjadi pada konsentrasi asam sulfat 1,5% (v/b), rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial 3,35, suhu 50 o C, dan waktu asetilasi 323 menit dengan hasil perolehan maksimum selulosa triasetat sebesar 1,79 (b/b) dan kadar asetil selulosa triasetat sebesar 45,78 %. Perlakuan rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial dan waktu asetilasi berpengaruh nyata terhadap terhadap perolehan dan kadar asetil selulosa triasetat yang dihasilkan sedangkan konsentrasi asam sulfat dan suhu asetilasi tidak berpengaruh nyata. Pengaruh rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial (X 1 ) dan waktu asetilasi (X 2 ) terhadap perolehan (Y per STA ) dan kadar asetil selulosa triasetat (Y kasetil STA ) pada proses asetilasi selulosa mikrobial dapat dinyatakan seperti persamaan berikut: Y per STA =1, ,1659 X 1 + 0,0773X 2 0,1230 X 1 2 0,0200 X 1 X 2 0,1205 X 2 2 Y kasetil STA = 45, ,2321X1 + 0,2147X2 0,2777X1 2 0,0508X1X2 0,3528 X 2 2 Hasil optimasi proses hidrolisis selulosa triasetat menjadi selulosa diasetat menunjukkan kondisi optimum hidrolisis terjadi pada konsentrasi asam sulfat 1% (v/b), rasio air terhadap selulosa mikrobial 1,066 dan suhu 50 o C. Perlakuan rasio air terhadap selulosa mikrobial, konsentrasi asam sulfat, waktu dan suhu hidrolisis berpengaruh nyata terhadap kadar asetil selulosa diasetat. Pengaruh faktor rasio air terhadap selulosa mikrobial (X1), waktu (X2), konsentrasi asam sulfat (X3) dan suhu (X 4 ) terhadap kadar asetil selulosa diasetat (Y ka SDA ) yang dihasilkan pada proses hidrolisis selulosa triasetat menjadi selulosa diasetat dapat dinyatakan seperti persamaan berikut: Y ka SDA = 41,5200-0,2198X 1-1,5915X 2-0,6582X 3-1,6582X 4-0,6255X 1 2-0,1330X 3 2-0,2940X 2 X 3-0,2040X 1 X 4-0,7028X 2 X 4-0,1760X 3 X 4 Selulosa diasetat mikrobial yang dihasilkan (kadar asetil 37-42%) dapat digunakan sebagai polimer pada pembuatan membran. Membran ultrafiltrasi yang dibuat dari selulosa diasetat kadar asetil 37,21% (konsentrasi selulosa diasetat da lam larutan cetak 14%, 16%, 18%, 20%) dan membran yang dibuat dari selulosa diasetat kadar asetil 38,11% (konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak 12% dan 14%) merupakan membran ultrafiltrasi dengan MWCO sebesar 67 kda. Membran yang dibuat dari selulosa diasetat kadar asetil 38,11% (konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak 18%, 20%) dan membran yang dibuat dari SDA kadar asetil 39,19% (konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak 12%, 14%, 16%,18%) serta membran yang dibuat dari selulosa diasetat kadar asetil 40,22% (konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak 12%, 14%) merupakan membran ultrafiltrasi dengan MWCO sebesar 60 kda

6 PRAKATA Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan hidayah-nya penulis dapat menyelesaikan penelitian dan menuliskan hasilnya dalam disertasi yang berjudul Perancangan Proses Pembuatan Selulosa Asetat dari Selulosa Mikrobial untuk Membran Ultrafiltrasi. Disertasi ini dibuat sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada program studi Teknologi Industri Pertanian (TIP) pada Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sangat tulus dan mendalam kepada yang terhormat Prof. Dr. Ir. H. Abdul Aziz Darwis, MSc sebagai ketua komisi pembimbing dan Prof. Dr. Ir. Hj. Tun Tedja Irawadi, MS, Dr. Ir. Hj. Erliza Noor, Dr. Ir. Ani Suryani, DEA dan Dr. Ir. Kaseno, M.Eng masing-masing sebagai anggota komisi pembimbing yang dengan tulus ikhlas telah membimbing penulis hingga disertasi ini terwujud. Penghargaan dan ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Dr. Ir. Hj. Liesbetini Hartato, MS dan Dr. Ir. H. Amril Aman atas kesediaannya menjadi dosen penguji luar komisi pada ujian tertutup penulis. Penghargaan dan ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Direktur Akademi Teknologi Industri Padang Departemen Perindustrian yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk melanjutkan pendidikan di Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Dekan Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor, Dekan Fakultas Teknologi Industri Pertanian, Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian dan seluruh staf pengajar Sekolah Pascasarjana IPB khususnya Pogram Studi Teknologi Industri Pertanian (TIP) yang telah memberi ilmu pengetahuan dan bimbingan kepada penulis selama menimba ilmu pengetahuan di Institut Pertanian Bogor.

7 Penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih kepada Bagian Proyek Pengkajian dan Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Terapan, Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional Republik Indonesia yang telah memberikan dukungan finasia l bagi pelaksanaan penelitian melalui Penelitian Hibah Bersaing IX. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Ibu Rini Purnawati atas bantuannya selama melaksanakan penelitian. Kepada yang mulia Ayahanda H. Ahmad dan Ibunda Hj. Rosni, Ayah Mertua H. Bahar (alm) dan Ibu mertua Hj. Ratna penulis persembahkan terima kasih tak terhingga atas segala doa, dukungan, bimbingan dan nasehat yang tiada hentihentinya diberikan kepada penulis. Kepada suami tercinta M. Arifin SE, MM dan anak-anakku tersayang Faiz Rahman Arifin, Hanif Rahman Arifin dan Azzahra Arifin penulis ucapkan terima kasih tak terhingga atas dukungan, kesabaran, pengorbanan dan iringan doa yang tulus ikhlas. Kepada kakanda Afrizal dan Ardiamsyah, adinda Novi Erni, Susi, Mayesti, Arsil, Yosi Septriani, dan Aulia Rahim penulis ucapkan terima kasih tak terhingga atas doa dan dukungannya. Akhir kata, kepada semua pihak yang telah membantu penulis yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, penulis ucapkan terima kaih. Semoga Allah SWT membalasnya berlipat ganda. Bogor, Agustus 2006 Desiyarni

8 PENDAHULUAN Latar belakang Selulosa asetat merupakan salah satu jenis polimer yang penting dan banyak digunakan pada industri antara lain sebagai polimer pada industri plastik cetakan (moulding), film fotografi dan membran. Selulosa asetat secara umum dibedakan atas dua jenis yaitu selulosa triasetat (selulosa asetat primer) dan selulosa diasetat (selulosa asetat sekunder). Selulosa asetat primer dibuat melalui reaksi esterifikasi (asetilasi) selulosa dengan pereaksi anhidrida asetat, sedangkan selulosa asetat sekunder dibuat dengan cara menghidrolisis selulosa asetat primer. Secara komersial selulosa asetat dibuat dengan menggunakan bahan baku berupa kapas dan pulp kayu berkualitas tinggi. Salah satu masalah dalam produksi selulosa asetat dari pulp kayu adalah rendahnya kualitas dan kemurnian selulosa kayu karena pulp kayu masih mengandung hemiselulosa dan lignin. Hemiselulosa dan lignin merupakan senyawa yang tidak diinginkan terdapat dalam bahan baku produksi selulosa asetat. Hemiselulosa yang terdapat dalam pulp kayu seperti xylan dan glukomanan akan berubah menjadi xylan asetat dan glukomanan asetat selama reaksi esterifikasi. Kedua senyawa ini akan menyebabkan kekeruhan dan viskositas palsu pada selulosa asetat yang dihasilkan. Selulosa mikrobial adalah jenis selulosa yang dihasilkan oleh mikroorganisme. Selulosa mikrobial merupakan jenis selulosa non kayu yang

9 2 sedang dikembangkan antara lain untuk diafragma speaker mutu tinggi (high fidelity audio speaker diaphragma), bahan pembuatan kertas sangat kuat (ultrahigh strength paper), campuran pada produk perawat luka (wound care products), sumber selulosa pada pembuatan mikrokristalin selulosa (MCC) dan sebagai bahan penyerap (diaper). Selulosa jenis ini bersifat dapat diperbarui (renewable). Disamping itu selulosa mikrobial mempunyai beberapa keunggulan antara lain (1) relatif murni sehingga tidak membutuhkan proses delignifikasi, (2) sifat hidrofilik yang sangat tinggi dan (3) dapat diproduksi dari berbagai macam substrat yang relatif mudah dan murah. Berdasarkan keunggulan yang dimiliki tersebut maka selulosa jenis ini merupakan alternatif sebagai sumber selulosa yang relatif murni pada produksi selulosa asetat. Penelitian pembuatan selulosa asetat dari selulosa mikrobial telah dilakukan antara lain oleh Tabuchi et al. (1998), Safriani (2000) dan Darwis et al. (2003). Tabuchi et al. (1998) menyatakan bahwa selulosa triasetat yang dibuat dari selulosa mikrobial mempunyai derajat polimerisasi yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan selulosa triasetat yang dibuat pulp kayu. Safriani (2000) telah meneliti pembuatan selulosa asetat dari selulosa mikrobial berbahan baku kedelai (nata de soya) dan menggunakan selulosa asetat yang dihasilkan sebagai polimer pada pembuatan edible coating. Darwis et al. (2003) telah meneliti pembuatan selulosa triasetat dari selulosa mikrobial berbahan baku air kelapa (nata de coco) dan menggunakan selulosa triasetat yang dihasilkan sebagai polimer pada pembuatan membran mikrofiltrasi. Meskipun pembuatan selulosa triasetat dari selulosa

10 3 mikrobial telah berhasil dilakukan namun kondisi optimum pembuatannya belum diketahui. Tahapan yang paling penting pada proses pembuatan selulosa triasetat adalah asetilasi. Pada pembuatan selulosa triasetat secara komersial terdapat beberapa faktor penting yang mempengaruhi kecepatan reaksi asetilasi dan kualitas selulosa triasetat yang dihasilkan antara lain karakteristik bahan baku, rasio anhidrida asetat dengan selulosa, jenis dan konsentrasi katalis serta suhu dan lama asetilasi. Kondisi proses asetilasi dan karakteristik selulosa asetat primer yang dihasilkan oleh Tabuchi et al. (1998), Safriani (2000) dan Darwis et al. (2003) berbeda-beda dan belum diketahui kondisi optimumnya. Agar dapat dihasilkan selulosa triasetat yang berkualitas baik dari selulosa mikrobial maka perlu dilakukan optimasi proses pembuatannya sehingga dapat diperoleh informasi faktor-faktor yang berpengaruh pada proses asetilasi selulosa mikrobial dan kondisi optimumnya. Karakteristik selulosa asetat yang terpenting adalah kemampuannya larut dalam pelarut tertentu dan derajat polimerisasinya. Selulosa diasetat mempunyai beberapa sifat yang berbeda dari selulosa triasetat terutama kemampuannya larut dalam pelarut organik tertentu. Kelarutan selulosa asetat dalam pelarut organik dipengaruhi oleh kadar asetilnya. Selulosa diasetat mempunyai kadar asetil sekitar % dan bersifat larut dalam aseton, sedangkan selulosa triasetat mempunyai kadar asetil sekitar 42 46% dan tidak larut dalam aseton. Pengaturan kadar asetil selulosa diasetat dilakukan melalui reaksi hidrolisis. Proses hidrolisis dilakukan dengan menambahkan sejumlah air ke dalam larutan selulosa triasetat dengan atau tanpa

11 4 menggunakan katalis. Proses hidrolisis dilakukan selama waktu tertentu hingga diperoleh selulosa diasetat sesuai kadar asetil yang diinginkan. Salah satu masalah pada proses hidrolisis adalah penentuan kondisi hidrolisis dan lama hidrolisis yang tepat untuk bisa menghasilkan selulosa diasetat sesuai kadar asetil yang diinginkan. Pada pembuatan selulosa diasetat secara komersial, penentuan lama proses hidrolisis dilakukan dengan cara pengambilan contoh pada selang waktu tertentu untuk mengetahui kelarutan atau kadar asetil selulosa asetat yang telah dicapai. Pengukuran kadar asetil selulosa asetat yang dihasilkan pada proses hidrolisis dengan metoda titrasi (ASTM D ) membutuhkan waktu yang relatif lama yaitu sekitar 3 4 hari. Hal ini menyebabkan pengambilan keputusan untuk menentukan lama hidrolisis relatif sulit. Penelitian tentang faktor-faktor yang berpengaruh dan penentuan kondisi optimum hidrolisis pada proses pembuatan selulosa diasetat dari selulosa triasetat mikrobial hingga saat ini belum pernah dilakukan. Diharapkan dari penelitian ini dapat diperoleh informasi tentang faktor-faktor yang berpengaruh pada proses hidrolisis dan kondisi optimum proses pembuatan selulosa diasetat dari selulosa triasetat mikrobial. Membran polimer merupakan salah satu jenis membran yang banyak digunakan pada berbagai jenis proses pemisahan (filtrasi). Berbagai jenis polimer dapat digunakan sebagai material pembentuk membran seperti antara lain polisulfon, polietersulfon, poliakrilonitril, selulosa asetat dan poliamida. Dibandingkan dengan jenis polimer lain, selulosa asetat memiliki beberapa kelebihan

12 5 antara lain pembuatan membran relatif lebih mudah, bahan dasarnya dapat diperbarui (renewable) dan memiliki sifat hidrofilik serta dapat digunakan untuk membuat berbagai jenis membran. Meskipun demikian terdapat juga kekurangannya yaitu penggunaan membran yang dihasilkan terbatas pada suhu sekitar 30 o C, ph antara 2-8 dan tidak tahan terhadap serangan mikroorganisme. Membran berbasis selulosa merupakan tipe membran yang relatif murah. Membran ultrafiltrasi selulosa asetat merupakan salah satu jenis membran yang dewasa ini banyak digunakan pada proses pemisahan makromolekul. Pembuatan membran ultrafiltrasi selulosa asetat umumnya dilakukan dengan metoda inversi fasa. Pada pembuatan membran polimer dengan metoda inversi fasa terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi morfologi membran yang dihasilkan antara lain jenis polimer, pelarut dan non pelarut yang digunakan, konsentrasi polimer dalam larutan cetak, komposisi cairan dalam bak koagulasi. Pembuatan membran ultrafiltrasi dari selulosa diasetat mikrobial belum pernah dilakukan. Agar dapat diperoleh selulosa diasetat mikrobial yang berkualitas baik untuk membran ultrafiltrasi maka perlu dilakukan kajian perancangan proses pembuatan selulosa asetat yang meliputi optimasi kondisi proses asetilasi pada pembuatan selulosa triasetat dari selulosa mikrobial dan optimasi kondisi proses hidrolisis selulosa triasetat menjadi selulosa diasetat serta pembuatan membran ultrafiltrasi dari selulosa diasetat mikrobial yang dihasilkan.

13 6 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk (1) mendapatkan kondisi proses (konsentrasi asam sulfat, rasio anhidrida asetat dengan selulosa, waktu dan suhu reaksi) yang optimum pada proses asetilasi selulosa mikrobial menjadi selulosa triasetat dan mengetahui pengaruh konsentrasi asam sulfat, rasio anhidrida asetat dengan selulosa, waktu dan suhu asetilasi terhadap perolehan dan kadar asetil selulosa triasetat yang dihasilkan, (2) mendapatkan kondisi proses (rasio air terhadap selulosa mikrobial, konsentrasi asam sulfat, waktu dan suhu reaksi) yang optimum pada proses hidrolisis selulosa triasetat menjadi selulosa diasetat kadar asetil % dan mengetahui pengaruh rasio air dengan selulosa mikrobial, konsentrasi asam sulfat, waktu dan suhu hidrolisis terhadap kadar asetil selulosa diasetat yang dihasilkan dan (3) mendapatkan karakteristik (MWCO) membran ultrafiltrasi yang dihasilkan. Hipotesis Rasio anhidrida asetat dengan selulosa mikrobial, konsentrasi asam sulfat, waktu dan suhu asetilasi diduga berpengaruh nyata terhadap perolehan dan kadar asetil selulosa triasetat yang dihasilkan karena semakin tinggi rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial, konsentrasi asam sulfat, waktu dan suhu asetilasi akan meningkatkan perolehan dan kadar asetil selulosa triasetat yang dihasilkan. Rasio air terhadap selulosa, konsentrasi asam sulfat, waktu dan suhu hidrolisis diduga berpengaruh nyata terhadap kadar asetil selulosa diasetat yang

14 7 dihasilkan karena semakin tinggi rasio air terhadap selulosa mikrobial, konsentrasi asam sulfat, waktu dan suhu hidrolisis akan menurunkan kadar asetil selulosa diasetat yang dihasilkan. Terdapat perbedaan karakteristik membran ultrafiltrasi yang dibuat dari selulosa diasetat kadar asetil % pada konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak (dope) berkisar % dan suhu air koagulasi 2-26 o C karena diduga peningkatan kadar asetil selulosa diasetat dan konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak serta peningkatan suhu air koagulasi akan menyebabkan ukuran pori membran semakin kecil. Ruang Lingkup Penelitian Pembuatan selulosa triasetat dari selulosa mikrobial (nata de coco) dilakukan secara heterogen, dengan media asetilasi asam asetat, pereaksi anhidrida asetat dan katalis asam sulfat. Penentuan kondisi optimum proses asetilasi (respon perolehan dan kadar asetil selulosa triasetat) dilakukan dengan menggunakan Metoda Permukaan Respon-Rancangan Komposit Pusat (Response Surface Methodology- Central Composite Design). Pembuatan selulosa triasetat dari selulosa diasetat mikrobial (hidrolisis) dilakukan secara homogen dengan pereaksi air dan katalis asam sulfat. Penentuan kondisi optimum proses hidrolisis (respon kadar asetil selulosa diasetat) dilakukan dengan menggunakan Metoda Permukaan Respon-Rancangan Komposit Pusat (Response Surface Methodology-Central Composite Design.

15 8 Pembuatan membran ultrafiltrasi dilakukan dengan metode inversi fasa presipitasi immersi, pelarut dimetilformamida dan non pelarut berupa air. Selulosa diasetat mikrobial yang digunakan mempunyai kadar asetil berkisar %, konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak berkisar 12-20% dan suhu air koagulasi berkisar 2-26 o C. Karakteristik membran ultrafiltrasi yang diamati meliputi fluks dan rejeksi membran dengan menggunakan umpan berupa Bovin Serum Albumin yang berbobot molekul 67 kda dan dekstran berbobot molekul 37 kda. Pengamatan terhadap morfologi membran dilakukan dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM).

16 METODOLOGI Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan mulai Desember 2003 hingga Juni Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Teknologi Kimia dan Laboratorium Pengawasan Mutu Departemen TIN - FATETA IPB, Laboratorium Kimia dan Fisika Terapan LIPI Bandung. Bahan dan Alat Bahan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri atas (1) bahan untuk pembuatan selulosa triasetat (STA) dan selulosa diasetat (SDA) dan (2) bahan untuk pembuatan membran ultrafiltrasi selulosa diasetat mikrobial. Bahan untuk pembuatan selulosa triasetat dan selulosa diasetat terdiri atas lembaran selulosa mikrobial (nata de coco ), NaOH, asam asetat (CH 3 COOH) (Merck), anhidrida asetat (J.T Baker), asam sulfat (H 2 SO 4 ) (Merck), HCl, alkohol dan magnesium karbonat (MgCO 3 ). Bahan-bahan untuk analisis selulosa asetat terdiri atas etanol 75%, HCl 0,5 N, NaOH 0,5 N, aseton, indikator fenolftalein dan metil merah. Bahan untuk pembuatan membran ultrafiltrasi adalah selulosa diasetat mikrobial dan selulosa asetat komersial, dimetil formamida (DMF), aseton, Bovin Serum Albumin dengan bobot molekul 67 kda, dekstran dengan bobot molekul 37 kda. Bahan-bahan untuk analisis membran terdiri atas H2SO 4, fenol, CuSO 4.5H 2 O, Na 2 CO 3 -anhidrat, NaOH, Na-K-tartarat dan folin ciocalteu.

17 32 Alat-alat untuk pembuatan selulosa asetat yang digunakan adalah alat-alat gelas, mesin penghancur (grinder), penekan hidrolik (hydraulic press), pengaduk bermagnetik, termometer, penangas air bergoyang, oven dan sentrifus. Alat-alat untuk pembua tan membran yang digunakan adalah alat-alat gelas, pengaduk bermagnet, lembaran kaca, aplikator, termometer dan bak koagulasi. Alat-alat untuk karakterisasi membran terdiri atas alat-alat gelas, modul penyaringan aliran silang (crossflow filtration), spektrofotometer dan Scanning Electron Microscope. Metode Penelitian Penelitian ini dilakukan secara bertahap yang terdiri atas 3 tahap yaitu: 1. Optimasi proses asetilasi pada pembuatan selulosa triasetat (STA) dari selulosa mikrobial (penentuan kondisi aktivasi selulosa mikrobial, penentuan faktor -faktor yang berpengaruh pada asetilasi, pembentukan dan pengujian persamaan regresi perolehan dan kadar asetil STA dan penentuan kondisi optimum asetilasi). 2. Optimasi proses hidrolisis selulosa triasetat menjadi selulosa diasetat (SDA) (penentuan faktor-faktor yang berpengaruh pada hidrolisis, pembentukan dan pengujian persamaan regresi kadar asetil selulosa diasetat dan penentuan kondisi optimum hidrolisis). 3. Pembuatan dan karakterisasi membran ultrafiltrasi dari selulosa diasetat (pengaruh kadar asetil selulosa diasetat berkisar 37,21% 40,22% dan konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak berkisar 12% 20 % (v/b), pengaruh suhu air koagulasi berkisar 2-26 o C) Skema tahapan penelitian dapat dilihat pada Gambar 4.

18 33 Optimasi Proses Asetilasi pada Pembuatan Selulosa Triasetat dari Selulosa Mikrobial - Penentuan kondisi aktivasi selulosa mikrobial terbaik (suhu dan lama aktivasi) - Penentuan faktor-faktor yang berpengaruh pada asetilasi yaitu (1) rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial (2) konsentrasi H2SO 4, (3) waktu dan (4) suhu asetilasi - Pembentukan dan pengujian persamaan regresi perolehan dan kadar asetil - Penentuan kondisi proses asetilasi yang optimum Respon : Perolehan dan kadar asetil selulosa triasetat Optimasi Proses Hidrolisis Selulosa Triasetat menjadi Selulosa Diasetat - Penentuan faktor -faktor yang berpengaruh pada hidrolisis yaitu (1) rasio air terhadap selulosa mikrobial, (2) konsentrasi H 2 SO 4, (3) waktu dan (4) suhu hidrolisis - Pembentukan dan pengujian persamaan regresi kadar asetil selulosa diasetat - Penentuan kondisi proses hidrolisis yang optimum Respon : Kadar asetil selulosa diasetat Pembuatan dan Karakterisasi Membran Ultrafiltrasi dari Selulosa Diasetat - Pengaruh kadar asetil selulosa diasetat (37% 40%) dan konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak (12% 20% v/b) - Pengaruh suhu air koagulasi 2-26 o C Karakterisasi membran : Fluks air, fluks dan rejeksi larutan Bovin serum albumin 67 kda, dekstran 37 kda, Molecular Weight Cutt Off, morfologi membran Gambar 4. Skema tahapan penelitian

19 34 Penelitian I. Optimasi Proses Asetilasi pada Pembuatan Selulosa Triasetat dari Selulosa Mikrobial Selulosa mikrobial yang digunakan sebagai sumber selulosa pada penelitian optimasi proses asetilasi ini adalah serbuk selulosa mikrobial kering berukuran 10 mesh. Pembuatan selulosa mikrobial kering dari lembaran selulosa mikrobial basah dilakukan dengan cara membersihkan selulosa mikrobial basah dari sisa media kultivasi dan bakteri (modifikasi Yamanaka et al., 1989). Kondisi aktivasi selulosa mikrobial yang digunakan pada penelitian pembuatan selulosa triasetat ini adalah kondisi aktivasi terbaik yang diperoleh pada tahap penentuan kondisi aktivasi selulosa mikrobial (modifikasi Malm dan Tanghe, 1953). Proses asetilasi selulosa mikrobial dilakukan secara heterogen dengan menggunakan anhidrida asetat sebagai pereaksi, asam sulfat pekat sebagai katalis dan asam asetat sebagai media asetilasi (Malm dan Tanghe, 1953). Penelitian optimasi proses asetilasi dilakukan dengan menggunakan Metoda Permukaan Respon- Rancangan Komposit Pusat (Response Surface Methodology-Central Composite Design). Pengolahan data yang dihasilkan dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak SAS dan Statistica. Pembuatan Selulosa Mikrobial Kering (modifikasi Yamanaka et al., 1989) Selulosa mikrobial yang digunakan pada penelitian ini dibuat dari lembaran basah selulosa mikrobial hasil kultivasi diam selama 7 hari dengan media utama air kelapa, isolat bakteri Acetobacter campuran. Lembaran basah selulosa mikrobial dipotong-potong dan dicuci. Setelah itu direndam dalam larutan NaOH 1% selama 24 jam pada suhu kamar, kemudian dilanjutkan dengan

20 35 perendaman dalam larutan asam asetat 1%. Selanjutnya potongan nata dicuci bersih dengan air, dikempa dengan penekan hidrolik dan dikeringkan pada suhu sekitar 40 o C selama 6 jam. Lembaran selulosa mikrobial kering yang diperoleh dihancurkan dengan menggunakan mesin penghancur (grin der) dan disaring dengan penyaring berukuran 10 mesh. Diagram alir pembuatan serbuk selulosa mikrobial kering (modifikasi Yamanaka et al., 1989) dapat dilihat pada Gambar 5. Selulosa Mikrobial Basah (20 kg) Larutan NaOH 1% (20 L) Perendaman (24 jam, suhu kamar ) Cairan NaOH Larutan Asam Asetat 1% (20 L) Air Perendaman (24 jam, suhu kamar) Pencucian Pengempaan (press) Cairan asam Air Pengeringan (40 o C, 6 jam) Penghancuran dan Penyaringan (ukuran saringan 10 mesh) Serbuk Selulosa Mikrobial Kering (10 mesh) Gambar 5. Diagram alir pembuatan serbuk selulosa mikrobial kering (modifikasi Yamanaka et al., 1989)

21 36 Penentuan Kondisi Aktivasi Selulosa Mikrobial Terbaik (modifikasi Malm dan Tanghe, 1953) Penelitian penentuan kondisi aktivasi selulosa mikrobial bertujuan untuk mendapatkan kondisi aktivasi selulosa mikrobial terbaik yang selanjutnya akan digunakan pada tahap asetilasi selulosa mikrobial. Kondisi aktivasi yang terbaik adalah kondisi aktivasi yang dapat menghasilkan perolehan selulosa triasetat tertinggi pada proses asetilasi selulosa mikrobial. Perolehan selulosa triasetat dihitung sebagai perbandingan antara bobot kering selulosa triasetat dengan bobot kering selulosa mikrobial yang digunakan. Media aktivasi yang digunakan adalah asam asetat glasial dengan rasio asam asetat terhadap selulosa mikrobial yang digunakan adalah 8:1 (v/bk). Proses aktivasi dilakukan dengan cara sebanyak 5 gram serbuk selulosa mikrobial kering dan 40 ml asam asetat glasial dimasukkan kedalam labu erlenmeyer. Aktivasi dilakukan dengan menggunakan penangas air (water bath) pada suhu air 50 o C selama 0, 2, 4, 6, 8 jam dan suhu kamar selama 4, 8, 12, 16 jam. Setelah proses aktivasi selesai selanjutnya dilakukan proses asetilasi selulosa mikrobial menjadi selulosa triasetat (modifikasi Malm dan Tanghe, 1953). Proses asetilasi dilakukan dengan rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial kering yang digunakan sebesar 3 : 1. Sebanyak 15 ml anhidrida asetat, 22,5 ml asam asetat glasial dan 0,05 ml asam sulfat ditambahkan kedalam labu erlenmeyer yang berisi selulosa mikrobial yang sudah diaktivasi. Campuran diaduk hingga rata dengan menggunakan pengaduk bermagnet. Setelah diperoleh campuran yang rata dilanjutkan proses asetilasi di dalam penangas air bergoyang dengan kecepatan 150 rpm pada suhu 50 o C selama 4 jam.

22 37 Selama proses asetilasi akan terjadi reaksi antara selulosa mikrobial dengan anhidrida asetat sehingga terbentuk selulosa triasetat. Selulosa triasetat yang terbentuk akan larut dalam media asetilasi sedangkan serbuk selulosa mikrobial yang tidak bereaksi akan mengendap. Setelah proses asetilasi selesai dilakukan pemisahan selulosa mikrobial yang tidak terkonversi dari media asetilasi. Pemisahan selulosa mikrobial yang tidak terasetilasi dilakukan dengan cara sentrifugasi. Sisa serbuk selulosa mikrobial akan mengendap sedangkan selulosa triasetat terdapat dalam supernatan. Campuran hasil asetilasi disentrifus pada suhu 20 o C selama 15 menit dengan kecepatan 3000 rpm. Selulosa triasetat yang larut dalam supernatan selanjutnya dipisahkan dengan cara menuangkannya kedalam larutan asam asetat 10%. Endapan selulosa triasetat yang diperoleh disaring dan direndam dalam larutan magnesium karbonat 1% selama 2 jam untuk menghilangkan sisa asam. Selanjutnya endapan selulosa triasetat dicuci bersih dengan air, dan dikeringkan dengan oven pada suhu 50 o C selama 6 jam. Selulosa triasetat kering yang diperoleh selanjutnya ditimbang dan diukur kadar airnya. Perolehan selulosa triasetat dihitung sebagai perbandingan antara bobot kering selulosa triasetat dengan bobot kering selulosa mikrobial yang digunakan (Lampiran 1g). Diagram alir proses aktivasi dan proses asetilasi pada tahap penentuan kondisi aktivasi selulosa mikrobial terbaik dapat dilihat pada Gambar 6.

23 38 Serbuk kering selulosa mikr obial (5 gram) Asam Asetat glasial (40 ml) Aktivasi (50 o C 0, 2,4,6,8 jam) (suhu kamar, 8,12,16 jam) Anhidrida asetat 15 ml Asam asetat 22,5 ml Asam sulfat 0,05 ml Asetilasi ( 4 jam, 50 o C ) Sentrifugasi (3000 rpm, 15 menit, 20 o C ) Asam asetat (10%) Pengendapan Cairan asam Lar. MgCO 3 1% Perendaman (suhu kamar, 2 jam) Cairan Air Pencucian Cairan Pengeringan (6 jam, 50 o C) Pengukuran kadar air perolehan Selulosa Triasetat Gambar 6. Diagram alir penentuan kondisi aktivasi selulosa mikrobial terbaik pada pembuatan selulosa triasetat (modifikasi Malm dan Tanghe, 1953)

24 39 Penentuan Faktor yang Berpengaruh pada Proses Asetilasi Proses asetilasi selulosa mikrobial dilakukan secara heterogen dengan menggunakan anhidrida asetat sebagai pereaksi, asam sulfat pekat sebagai katalis dan asam asetat sebagai media asetilasi (Malm dan Tanghe, 1953). Terdapat 4 variabel bebas yang diujikan pada tahap asetilasi selulosa mikrobial yaitu (1) rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial yang digunakan (2) konsentrasi katalis H 2 SO 4, (3) waktu reaksi dan (4) suhu asetilasi. Variabel respon yang diamati adalah perolehan dan kadar asetil selulosa triasetat yang dihasilkan. Sebelum dilakukan proses asetilasi terlebih dahulu dilakukan proses aktivasi selulosa mikrobial. Aktivasi selulosa mikrobial dilakukan berdasarkan kondisi aktivasi terbaik yang diperoleh pada tahap penentuan kondisi aktivasi selulosa mikrobial yaitu sebanyak 5 gram selulosa mikrobial kering (ukuran 10 mesh) dimasukkan kedalam labu erlenmeyer. Kemudian ditambahkan 40 ml asam asetat glasial dan dibiarkan selama 6 jam pada suhu 50 o C. Selanjutnya dilakukan proses asetilasi. Asetilasi dilakukan dengan cara menambahkan anhidrida asetat, asam asetat dan asam sulfat kedalam selulosa mirobial teraktivasi. Anhidrida asetat ditambahkan sebanyak 2, 3, dan 4 kali jumlah selulosa mikrobial yang digunakan atau 10 ml, 15 ml dan 20 ml untuk setiap 5 g selulosa mikrobial kering yang digunakan. Asam asetat glasial ditambahkan sebanyak 22,5 ml. Katalis asam sulfat ditambahkan sebanyak 0,025 ml, 0,050 ml dan 0,075 ml atau 0,5%, 1%, dan 1,5%. Proses pencampuran anhidrida asetat, asam sulfat dan asam asetat dengan selulosa mikrobial teraktivasi dilakukan dengan menggunakan pengaduk

25 40 bermagnet. Setelah diperoleh campuran yang rata dilanjutkan proses asetilasi di dalam penangas air bergoyang dengan kecepatan 150 rpm pada suhu 40, 50, dan 60 o C selama 240, 300, dan 360 menit. Setelah proses asetilasi selesai, campuran selulosa triasetat yang diperoleh segera didinginkan dan disentrifus pada suhu 20 o C selama 15 menit dengan kecepatan 3000 rpm. Selulosa mikrobial yang tidak bereaksi akan terdapat pada bagian endapan sedangkan selulosa triasetat yang terbentuk terdapat pada supernatan. Pemisahan selulosa triasetat yang larut dalam supernatan dilakukan dengan cara pengendapan. Pengendapan selulosa triasetat dilakukan dengan cara menuangkan supernatan kedalam larutan asam asetat 10%. Endapan selulosa triasetat yang diperoleh selanjutnya disaring dan direndam dalam larutan magnesium karbonat 1% untuk menghilangkan sisa asam. Selanjutnya selulosa triasetat dicuci bersih dengan air, dan dikeringkan dengan oven pada suhu 50 o C selama 6 jam. Selulosa triasetat kering yang diperoleh selanjutnya ditimbang dan diukur kadar airnya untuk mengetahui bobot kering selulosa triasetat yang dihasilkan. Perolehan selulosa triasetat dihitung sebagai perbandingan antara bobot kering selulosa triasetat dengan bobot kering selulosa mikrobial yang digunakan (Lampiran 1g). Selanjutnya dilakukan pengukuran kadar asetil selulosa triasetat. Kadar asetil selulosa triasetat yang dihasilkan dihitung dengan metoda titrasi ASTM D (Lampiran 1e). Diagram alir proses asetilasi dapat dilihat pada Gambar 7.

26 41 Serbuk selulosa mikrobial (ukuran 10 mesh, 5 g) Asam Asetat glasial (40 ml) Aktivasi (50 o C, 6 jam) Anhidrida asetat 10, 15, 20 ml As. Sulfat 0.025, 0.05, ml Asam asetat 22.5 ml Asetilasi ( 240, 300, 360 menit ) ( 40, 50, 60 o C ) Sentrifugasi (3000 rpm, 15 menit, 20 o C ) Asam asetat 10 % 200 ml Pengendapan Cairan asam Lar. MgCO3 1% Perendaman (suhu kamar, 2 jam) Cairan Air Pencucian Cairan Pengeringan (6 jam, 50 o C) Selulosa Triasetat Karakterisasi: - perolehan - kadar asetil Gambar 7. Diagram alir proses pembuatan selulosa triasetat dari selulosa mikrobial (modifikasi Malm dan Tanghe, 1953)

27 42 Selanjutnya dilakukan penentuan pengaruh variabel bebas terhadap respon perolehan dan kadar asetil. Penentuan faktor-faktor yang berpengaruh dilakukan dengan menggunakan uji analisis keragaman untuk masing-masing respon yang diamati. Variabel yang berpengaruh nyata selanjutnya digunakan sebagai variabel bebas pada tahap pembentukan model. Pembentukan dan Pengujian Model Model yang dibuat dalam penelitian ini adalah model empiris berupa model regresi. Terdapat dua model regresi yang dibuat pada penelitian ini yaitu model regresi perolehan selulosa triasetat dan model regresi kadar asetil selulosa triasetat yang dihasilkan pada proses asetilasi. Pengujian terhadap model regresi yang dihasilkan meliputi uji penyimpangan model atau lack of fit, uji determinan (R 2 ), uji signifikansi model, dan uji asumsi residual (Box et al., 1978; Box dan Draper, 1987 ; Gaspersz, 1995). Penentuan Kondisi Optimum Proses Asetilasi Penentuan kondisi optimum proses asetilasi pada pembuatan selulosa triasetat dari selulosa mikrobial dilakukan dengan menggunakan analisis kanonik, analisis permukaan respon, analisis plot kontur dan ridge analysis. Kondisi proses optimum yang diperoleh selanjutnya diverifikasi di laboratorium. Rancangan Percobaan Percobaan dilakukan dengan menggunakan Metoda Permukaan Respon- Rancangan Komposit Pusat. Terdapat 4 variabel bebas yang dicobakan pada

28 43 proses asetilasi yaitu (1) konsentrasi H2SO4 pekat (katalis) yang dikodekan sebagai X 1, (2) rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial yang digunakan yang dikodekan sebagai X 2, (3) waktu asetilasi yang dikodekan sebagai X 3, dan (4) suhu asetilasi yang dikodeka n sebagai X 4. Faktor, kode dan taraf kode yang dicobakan pada proses asetilasi dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4. Faktor, kode dan taraf kode pada percobaan asetilasi No Faktor Kode Taraf kode rendah -1 tengah 0 tinggi +1 1 Katalis H 2 SO 4 pekat (% v/bk) (K) X Rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial (%v/bk) (P) X Waktu,menit (W) X Suhu ( o C) (S) X Nilai faktor yang dikodekan dihitung dengan cara seperti be rikut : X 1 = (K 1,5) X 2 = (P - 3) X 3 = (W- 300) X 4 = (W-50) 0, X 1 = nilai kode konsentrasi katalis X 2 = nilai kode rasio pereaksi X 3 = nilai kode waktu reaksi K = nilai konsentrasi katalis aktual (%v/bk) P = nilai rasio pereaksi aktual (%v/bk) W = nilai waktu reaksi aktual (menit) X 4 = nilai kode suhu reaksi S = nilai suhu reaksi aktual ( o C) Terdapat dua respon yang diamati pada proses asetilasi yaitu perolehan selulosa triasetat dan kadar asetil selulosa triasetat. Pada tahap penentuan faktor yang berpengaruh dilakukan percobaan faktorial terdiri dari 16 unit percobaan

29 44 faktorial dan 4 unit percobaan titik pusat. Pembuatan model regresi linier perolehan dan kadar asetil selulosa triasetat dilakukan dengan menggunakan respon pada percobaan faktorial dan titik pusat. Matriks rancangan percobaan dengan 4 faktor ini dapat dilihat pada Tabel 5. Percobaan Faktorial Titik pusat Tabel 5. Matriks rancangan percobaan 4 faktor proses asetilasi No Konsentrasi Asam sulfat (%) Rasio Pereaksi Waktu (menit) Suhu ( o C) Nilai kode X1 X2 X3 X4 X1 X2 X3 X Respon Pada percobaan pembuatan model kuadratik dengan 2 variabel bebas dilakukan percobaan dengan nilai faktor dapat putar α sebesar ± 1,414. Proses asetilasi dilakukan pada konsentrasi katalis tetap yaitu 1,5% dan suhu 50 o C. Pada tahap pembuatan model kuadratik terdapat 4 satuan percobaan faktorial, 4 satuan percobaan titik pusat dan 4 satuan percobaan titik bintang. Faktor, kode dan

30 45 taraf kode pada percobaan asetilasi dengan 2 faktor dapat dilihat pada Tabel 6, sedangkan matriks percobaannya dapat dilihat pada Tabel 7. Tabel 6. Faktor, kode dan taraf kode pada proses asetilasi dengan 2 faktor No Faktor Kode Taraf kode -1, ,414 1 Rasio Anhidrida Asetat X 1 2,293 2,5 3 3,5 3,707 terhadap selulosa mikrobial (v/bk) 2 Waktu (menit) X 2 215, ,84 No Tabel 7. Matriks rancangan percobaan 2 faktor proses asetilasi Taraf faktor aktual Rasio pereaksi X 1 Waktu(menit) 1 2, X 2 Taraf fraktor Respon yang dikodekan X 1 X 2 2 3, , , , , , , , , , ,

31 46 Penelitian II. Optimasi P roses Hidrolisis Selulosa Triasetat menjadi Selulosa Diasetat Penelitian optimasi proses hidrolisis selulosa triasetat menjadi selulosa diasetat dilakukan dengan menggunakan Metoda Permukaan Respon - Rancangan Komposit Pusat. Pengolahan data yang dihasilkan dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak SAS dan Statistica. Proses hidrolisis selulosa triasetat dilakukan dengan menggunakan air sebagai pereaksi dan asam sulfat sebagai katalis (modifikasi Malm dan Tanghe, 1953). Terdapat 4 variabel bebas yang dicobakan pada tahap hidrolisis yaitu rasio air terhadap selulosa mikrobial, konsentrasi asam sulfat (katalis), waktu dan suhu proses hidrolisis. Variabel respon yang diamati adalah kadar asetil selulosa diasetat yang dihasilkan. Larutan selulosa triasetat yang akan dihidrolisis dibuat berdasarkan kondisi optimum proses pembuatan selulosa triasetat yang diperoleh pada penelitian tahap pertama yaitu sebanyak 5 gram serbuk selulosa mikrobial direndam dalam 40 ml asam asetat pada suhu 50 o C selama 6 jam. Selanjutnya ditambahkan anhidrida asetat sebanyak 16,75 ml, asam asetat 22,5 ml dan asam sulfat 0,075 ml. Proses asetilasi dilakukan pada suhu 50 o C selama 323 menit. Penentuan Taraf Faktor Suhu dan Waktu Hidrolisis Sebelum dilakukan optimasi proses hidrolisis dengan menggunakan Metoda Permukaan Respon - Rancangan Komposit Pusat terlebih dahulu dilakukan percobaan untuk menentukan nilai taraf rendah, tengah dan tinggi untuk faktor suhu dan waktu hidrolisis. Percobaan dilakukan dengan cara menghidrolisis selulosa triasetat pada suhu 40, 50, 60, 70 o C selama 2, 4, 6, 8

32 47 dan 10 jam. Katalis asam sulfat ditambahkan sebanyak 0,075 ml (1,5 % dari bobot kering selulosa mikrobial yang digunakan) sedangkan air ditambahkan sebanyak 5 ml (rasio air terhadap selulosa mikrobial sebesar 1). Pengukuran kadar asetil selulosa diasetat yang dihasilkan dilakukan dengan metoda ASTM D (Lampiran 1g). Selulosa diasetat yang diharapkan dapat diperoleh pada penelitian ini adalah selulosa diasetat yang mempunyai kadar asetil berkisar 37 42%. Penentuan nilai taraf rendah dan tinggi dilakukan berdasarkan nilai kadar asetil selulosa diasetat yang diperoleh yaitu kondisi hidrolisis yang dapat menghasilkan selulosa diasetat de ngan kadar asetil berkisar 37 42%. Proses Hidrolisis Selulosa Triasetat (modifikasi Malm dan Tanghe, 1953) Sebanyak 5 g serbuk selulosa mikrobial direndam dalam 40 ml asam asetat glasial pada suhu 50 o C selama 6 jam. Selanjutnya ditambahkan anhidrida asetat sebanyak 16,75 ml (rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial sebesar 3,35), asam asetat 22,5 ml dan asam sulfat 0,075 ml (konsentrasi katalis 1,5%). Proses asetilasi dilakukan pada suhu 50 o C selama 323 menit. Larutan selulosa triasetat yang diperoleh selanjutnya dihidrolisis. Proses hidrolisis selulosa triasetat dilakukan dengan cara menambahkan air sebanyak 1,70, 3,35, 5, 6,65, 8,30 ml (rasio air dengan selulosa mikrobial sebesar 0,34, 0,67, 1, 1,33, 1.66). Pencampuran air de ngan larutan selulosa triasetat tidak dapat dilakukan secara langsung tetapi dilakukan setelah terlebih dahulu air dicampur dengan asam asetat dengan perbandingan antara air dengan asam asetat sebesar 1:2 atau hingga diperoleh larutan asam asetat 66,67%. Katalis asam sulfat ditambahkan sebanyak 0,025, 0,050, 0,075, 0,100, 0,125 ml (0,5%,

33 48 1%, 1,5%, 2%, 2,5%). Pencampuran air dan katalis dengan larutan selulosa triasetat dilakukan dengan menggunakan pengaduk bermagnet. Selanjutnya proses hidrolisis selulosa triasetat dilakukan dalam penangas air bergoyang pada suhu 30, 40, 50, 60, dan 70 o C selama 120, 360, 600, 840 dan 1080 menit. Penghentian proses hidrolisis dilakukan dengan menambahkan 20 ml larutan MgCO 3 1% dalam asam asetat. Selanjutnya dilakukan sentrifugasi terhadap cairan hasil hidrolisis pada kecepatan 3000 rpm selama 15 menit pada suhu 20 o C. Untuk memisahkan selulosa diasetat dari larutannya dilakukan proses pengendapan dengan cara menuangkan larutan hasil hidrolisis kedalam larutan asam asetat 10 % diatas pengaduk bermagnet. Gumpalan selulosa diasetat yang diperoleh selanjutnya direndam dalam larutan MgCO3 1%. Perendaman dilakukan selama 2 jam pada suhu kamar. Selanjutnya selulosa diasetat dicuci dengan air hingga bersih dan dikeringkan pada suhu 50 o C selama 6 jam. Selulosa diasetat kering yang diperoleh disimpan dalam wadah yang tertutup rapat. Pengukuran kadar asetil selulosa diasetat hasil hidrolisis dilakukan dengan metoda ASTM D (Lampiran 1g). Diagram alir proses pembuatan selulosa diasetat dapat dilihat pada Gambar 8. Penentuan Faktor yang Berpengaruh Terdapat 4 variabel bebas yang dicobakan pada tahap hidrolisis ini yaitu 1. Rasio air terhadap selulosa mikrobial dengan taraf 0,34, 0,67, 1, 1,33, 1,66 2. Konsentrasi asam sulfat (katalis) dengan taraf 0,5%, 1%, 1,5%, 2%, 2,5% 3. Waktu hidrolisis dengan taraf 120, 360, 600, 840, 1080 menit 4. Suhu hidrolisis dengan taraf 30, 40, 50, 60, 70 o C. Variabel respon yang diamati adalah kadar asetil selulosa diasetat.

34 49 Serbuk selulosa mikrobial (ukuran 10 mesh, 5 g) Asam Asetat glasial (40 ml) Anhidrida asetat 16,75 ml As. Sulfat ml Asam asetat 22.5 ml Air 1,70, 3,35, 5, 6,65, 8,30 ml (Rasio dg selulosa 0,34, 0,67, 1, 1,33, 1,66) Asam sulfat 0,5%, 1%, 1,5%, 2%, 2,5% 20 ml larutan MgCO 3 1% dalam asam asetat Aktivasi (50 o C, 6 jam) Asetilasi (323 menit, 50 o C ) Larutan selulosa triasetat dalam asam asetat Hidrolisis Suhu 30, 40, 50, 60, 70 o C Waktu 120,360, 600, 840,1080 menit Penghentian hidrolisis Sentrifugasi (3000 rpm, 15 menit Asam asetat encer (10 %) Pengendapan Cairan asam Lar. MgCO 3 1% dalam air Perendaman (suhu kamar, 2 jam) Air Pencucian Pengeringan (6 jam, 50 o C) Selulosa Diasetat Pengukuran kadar asetil Gambar 8. Diagram alir penelitian pembuatan selulosa diasetat (modifikasi Malm dan Tanghe, 1953)

35 50 Pembentukan dan Pengujian Model Model regresi kadar asetil selulosa diasetat dibuat berdasarkan data kadar asetil selulosa diasetat yang dihasilkan pada proses hidrolisis. Pada tahap pertama dilakukan pembentukan model linier dengan menggunakan data kadar asetil hasil hidrolisis pada rancangan titik faktoria l dan titik pusat. Tahap kedua dilakukan pembentukan model kuadratik dengan menggunakan tambahan data pada titik bintang. Pengujian terhadap model regresi yang dihasilkan meliputi uji penyimpangan model (lack of fit), uji R 2, uji signifikan model, da n uji asumsi residual (Box et al., 1978 ; Box dan Draper, 1987 ; Gaspersz, 1995 ; Montgomery et al., 2001 ; Edgar et al., 2001). Penentuan Kondisi Optimum Proses Hidrolisis Penentuan kondisi optimum proses hidrolisis dilakukan dengan menggunakan analisis kanonik dan analisis plot kontur permukaan respon. Kondisi optimum proses hidrolisis selulosa triasetat yang diperoleh selanjutnya diverifikasi di laboratorium. Rancangan Percobaan Percobaan hidrolisis dilakukan dengan menggunakan Metoda Permukaan Respons Rancangan Komposit Pusat. Terdapat 4 variabel bebas yang dicobakan yaitu (1) rasio air terhadap selulosa mikrobial yang dikodekan sebagai X 1, (2) waktu hidrolisis yang dikodekan sebagai X 2, (3) jumlah H 2 SO 4 pekat (katalis) yang dikodekan sebagai X 3, dan (4) suhu hidrolisis yang

36 51 dikodekan sebagai X4. Faktor, kode dan taraf kode yang dicobakan dapat dilihat pada Tabel 8. Tabel 8. Faktor, kode dan taraf kode pada proses hidrolisis No Faktor Kode Taraf kode -a -2 rendah -1 tengah 0 tinggi +1 +a +2 1 Rasio air dengan selulosa X mikrobial (v/bk) (P) 2 Waktu (menit) (W) X Konsentrasi H2SO4 pekat (% v/bk) (K) X Suhu ( o C) (S) X Konversi nilai taraf aktual menjadi nilai taraf kode dilakukan dengan cara seperti berikut : X 1 = (P -1) X 2 = (W-600) X 3 = (K- 1.5) X 4 = (S-50) ,5 10 X 1 = nilai kode rasio pereaksi X 2 = nilai kode waktu reaksi P = rasio air aktual (v/bk) W = waktu reaksi aktual (menit) X 3 = nilai kode konsentrasi katalis K = konsentrasi katalis aktual (%v/bk) X4 = nilai kode suhu reaksi S = suhu reaksi aktual ( o C) Pada tahap pemilihan faktor yang berpengaruh dilakukan percobaan dengan rancangan titik faktorial 4 faktor dan titik pusat sebanyak 3 ulangan. Rancangan percobaan untuk pendugaan model linier terdiri dari 16 unit percobaan faktorial dan 6 unit percobaan titik pusat (center points). Untuk pembentukan model kuadratik dilanjutkan percobaan rancangan titik bintang (star

37 52 point) dengan faktor dapat putar (a) sebesar ±2 k/4 dimana k adalah jumlah faktor. Matriks rancangan percobaan dengan 4 faktor ini dapat dilihat pada Tabel 9. Tabel 9. Matriks rancangan percobaan 4 faktor pada proses hidrolisis Rancangan percobaan Titik Faktorial Titik pusat Titik Bintang Rasio air terhadap selulosa (v/bk) Waktu (menit) Kons. Asam sulfat (%v/bk) Suhu ( o C) Nilai kode Kadar asetil Selulosa Disetat No X 1 X 2 X 3 X 4 X 1 X 2 X 3 X 4 (%)