HASIL DAN PEMBAHASAN. Tabel 6. Komposisi kimia batang dan daun jagung.

Transkripsi

1 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. KARAKTERISASI BAHAN BAKU 1. Sifat Fisik-Kimia Batang dan Daun Jagung Batang dan daun jagung yang digunakan dalam penelitian ini dikeringkan terlebih dahulu untuk menurunkan kadar air bahan. Pengeringan dilakukan dengan sinar matahari selama 1-2 hari, kemudian bahan diperkecil ukurannya dengan hammer mill hingga berukuran sekitar 1,5-2,5 mm. Pengecilan ukuran merupakan pre-treatment yang penting untuk konversi energi biomassa. Pengecilan ukuran bahan baku bisa meningkatkan luas permukaan, ukuran pori-pori bahan dan luas kontak antar partikel dalam proses pengompakan sehingga mempercepat proses pirolisis. Sebelum pirolisis, batang dan daun diukur kadar air, kandungan serat (selulosa, hemiselulosa, dan lignin) dan silika. Komposisi kimia batang dan daun jagung disajikan pada Tabel 6. Tabel 6. Komposisi kimia batang dan daun jagung. Analisis Kadar Air (%b/b) Batang Daun Selulosa (g/100 g) Hemiselulosa (g/100 g) Lignin (g/100 g) Silika (g/100 g) Batang dan daun jagung 13,0 ± 0,05 10,2 ± 0,05 29,86 12,91 4,85 2,28 Berdasarkan Tabel 6, batang dan daun jagung yang digunakan memiliki kualitas yang cukup baik. Salah satu parameter yang penting dalam pirolisis adalah kadar air. Batang memiliki kadar air sebesar 13% dan daun sebesar 10,2%. Kadar air yang tinggi akan memperlambat proses pembakaran dan penguapan kadar air pada bahan sehingga mengurangi jumlah asap yang dihasilkan. Asap tersebut dikondensasi menjadi cairan pirolisis. Hasil analisis kadar air untuk batang dan daun 20

2 jagung telah sesuai dengan standar kadar air bahan dimana menurut Bridgwater (2003), kadar air bahan yang akan dipirolisis sebaiknya 10% hingga 15%. Kadar lignin batang dan daun jagung adalah 4,85 g per 100 g bahan. Nilai tersebut menyatakan kandungan lignin yang kecil. Menurut Fengel dan Wegener (1984), jumlah lignin yang terkandung di dalam tumbuhan sangat bervariasi. Pada spesies kayu, kandungan lignin berkisar antara 20%-40%, sedangkan kadar selulosa pada kayu sebesar 40%-50%. Hasil analisis kadar selulosa batang dan daun jagung hanya sekitar 29,86 g per 100 g bahan, lebih kecil dari kandungan selulosa kayu. Menurut Hardjo dan Indrasti (1989), kandungan hemiselulosa cukup besar yaitu 10-40% dari kandungan karbohidrat dan lignin sebagai residu kehutanan dan pertanian. Kadar hemiselulosa batang dan daun jagung yang dihasilkan sebesar 12,91%. Kandungan silika pada campuran batang dan daun jagung sebesar 2,28 g/100g. Ravendran et al. (1996) menyatakan silika pada abu tidak mempengaruhi kerja katalis tetapi berpengaruh terhadap struktur arang yang dihasilkan serta reaktivitasnya. 2. Penentuan Suhu Pirolisis Pirolisis merupakan penghilangan massa bahan pada suhu yang cukup tinggi tanpa atau dengan oksigen yang terbatas. Suhu yang digunakan pada pirolisis ditentukan dengan analisis termogravimetrik. Menurut Jindarom et al. (2003), analisis termogravimetrik digunakan untuk menentukan karakteristik suhu degradasi bahan, suhu susut bahan maksimum atau puncak suhu degradasi dan suhu dekomposisi akhir yaitu suhu dimana 90% massa bahan telah hilang. Analisis termogravimetrik ini dilakukan dengan Perkin-Elmer Thermo Balance, model TGA 7 yang dilengkapi dengan komputer. Bahan seberat 10 mg dimasukkan ke tabung dan dialirkan gas nitrogen dengan tekanan 20 cm 3 /menit. Nitrogen ini berfungsi untuk mengusir oksigen yang terdapat di dalam tabung. Sampel bahan dipanaskan pada suhu 105ºC selama 12 menit untuk menurunkan kadar air. Kemudian dipanaskan 21

3 sampai suhu 1000ºC untuk mengetahui reaksi dekomposisi bahan. Hasil analisis termogravimetrik batang dan daun jagung seperti terlihat pada Gambar 8 dan Gambar 9. Gambar 8. Analisis termogravimetrik batang jagung Gambar 9. Analisis termogravimetrik daun jagung 22

4 Gambar 8 menunjukkan suhu dekomposisi batang jagung yang dibakar hingga suhu 1000ºC selama 60 menit. Terdapat tiga zona pada analisis termogravimetrik batang. Zona pertama batang mulai terbakar pada suhu ºC dimana terjadi penurunan kadar air bahan. Devolatilisasi mulai terjadi pada suhu 139,28ºC dan perubahan senyawa volatil berakhir pada suhu 981ºC dengan mengakibatkan weight loss sebesar 83,867%. Puncak devolatilisasi ada dua yaitu pada zona kedua antara suhu ºC dimana maksimumnya terjadi pada suhu 350ºC. Senyawa volatil ringan yang terdegradasi mencapai 41,86%. Zona ketiga yang merupakan devolatilisasi kedua yaitu pada range suhu ºC dimana titik maksimum terjadi pada suhu 800ºC. Senyawa volatil berat yang terdegradasi sebesar 32,08%. Pada analisis termogravimetrik daun jagung juga didapat karakteristik suhu dekomposisi yang hampir sama dimana daun mulai terdegradasi pada suhu 28ºC dan berakhir pada suhu 978ºC dengan weight loss mencapai 85,32%. Daun dengan kadar air yang lebih rendah daripada batang jagung akan lebih cepat terdegradasi sehingga pada suhu 209,06-611,76 o C daun telah terdegradasi sebanyak 67% dengan titik maksimum suhu 350ºC dan 600ºC. Pada suhu 611,76-978,55ºC daun yang terdegradasi hanya meningkat 6,55% dari suhu dibawah 611,76ºC. Analisis termogravimetrik ini menunjukkan reaksi utama pirolisis dimana terjadi depolimerisasi, dekarboksilasi dan pemecahan senyawa pada rentang suhu pirolisis. Pada suhu rendah puncak TGA pada batang dan daun jagung menunjukkan evaporasi kadar air pada suhu 150ºC, kemudian pada suhu tinggi puncak TGA menunjukkan degradasi hemiselulosa dan selulosa pada suhu 170ºC hingga 370ºC. Dekomposisi selulosa dan hemiselulosa menyebabkan pembentukan senyawa volatil organik, sedangkan devolatilisasi lignin pada suhu tinggi membakar senyawa volatil berat dan membentuk arang. Lignin terdekomposisi mulai dari suhu 200ºC hingga 700ºC, tetapi daerah utama yang menghasilkan weight loss paling besar yaitu pada suhu tinggi. Pada suhu di atas 800ºC 23

5 arang akan bereaksi dengan karbondioksida dan menghasilkan abu pada suhu 900ºC. Menurut Yang et al. (2007) yang menganalisis suhu pirolisis komponen selulosa, hemiselulosa dan lignin, hemiselulosa terdekomposisi lebih mudah dan paling awal yaitu pada suhu 220ºC hingga 315ºC dimana maksimum laju massa bahan yang hilang 0,95 %/ o C pada suhu 268ºC. Dekomposisi selulosa pada suhu yang cukup tinggi ( ºC) dengan maksimum laju weight loss (2,84 %/ºC) pada suhu 355ºC. Di antara ketiga komponen tersebut, lignin merupakan komponen yang paling sulit terdekomposisi. Dekomposisi lignin terjadi sangat lambat dari suhu rendah sampai 900ºC dengan laju massa yang hilang di bawah 0,14 %/ºC. Perbedaan struktur dan sifat kimia selulosa, hemiselulosa dan lignin menentukan proses dekomposisi. Hemiselulosa terdiri dari beberapa sakarida (xilosa, manosa, glukosa, galaktosa dan lain-lain), tampak acak, berstruktur amorf (tak berbentuk) dan memiliki banyak cabang sehingga sangat mudah memecahkan struktur intinya dan mendegradasi senyawa volatil pada suhu rendah. Selulosa berbeda dengan hemiselulosa dimana terdiri dari polimer glukosa yang panjang tanpa cabang, struktur tersusun rapi dan sangat kuat serta memiliki stabilitas panas yang tinggi sehingga terdekomposisi pada suhu yang lebih tinggi, sedangkan lignin terdegradasi pada range suhu yang luas dan lebih tinggi ( ºC). Hal ini dikarenakan struktur lignin terdiri dari cincin aromatik dengan beberapa cabang serta aktivitas ikatan kimianya yang tertutup dan sangat kuat. Batang dan daun jagung yang memiliki karakteristik yang hampir sama, suhu degradasi senyawa-senyawanya juga terjadi pada suhu yang relatif sama. Berdasarkan hasil analisis termogravimetrik batang dan daun jagung yang terdegradasi dari suhu 28ºC dan berakhir pada 980ºC diperoleh suhu untuk pirolisis batang dan daun jagung yaitu 150, 250, 350, 450, 550, dan 650ºC. 24

6 B. HASIL PIROLISIS BATANG DAN DAUN JAGUNG Pirolisis merupakan proses dekomposisi bahan yang mengandung karbon, baik yang berasal dari tumbuhan, hewan, maupun barang tambang menghasilkan arang (karbon) dan asap yang dapat dikondensasikan menjadi destilat (Paris et al., 2005). Proses pirolisis melibatkan beberapa proses reaksi yaitu dekomposisi, oksidasi, polimerisasi dan kondensasi. Reaksi-reaksi yang terjadi selama pirolisis adalah penghilangan air pada suhu ºC, pirolisis hemiselulosa pada suhu ºC, pirolisis selulosa pada suhu ºC dan pirolisis lignin pada suhu 400ºC. Pirolisis pada suhu 400ºC ini menghasilkan senyawa yang mempunyai kualitas organoleptik yang tinggi dan pada suhu yang lebih tinggi lagi akan terjadi reaksi kondensasi pembentukan senyawa baru dan oksidasi produk kondensasi diikuti kenaikan linier senyawa tar dan hidrokarbon polisiklis aromatis (Girrard, 1992 dan Maga, 1988). Pirolisis batang dan daun jagung dilakukan menggunakan enam titik suhu yaitu 150, 250, 350, 450, 550, dan 650ºC. Perlakuan lain yang dilakukan yaitu adanya penambahan atapulgit sebagai katalis. Katalis yang ditambahkan sebanyak 1,5% bobot awal bahan. Selain itu proses pirolisis ini dialirkan gas nitrogen cm 3 /menit yang berfungsi untuk mengusir kandungan oksigen di dalam reaktor sehingga diharapkan dapat mengurangi jumlah air dan karbondioksida yang dihasilkan dari proses pirolisis. Pirolisis batang dan daun jagung menghasilkan arang dan gas yang terkondensasi dan tidak terkondensasi. Gas yang terkondensasi akan menjadi cairan, sedangkan yang tidak terkondensasi akan terlepas ke udara. Arang yang dihasilkan pada proses pirolisis ini merupakan daun dan batang jagung yang tersisa dari pembakaran dan massa bahan yang hilang dari proses pirolisis ini disebut weight loss(%). 25

7 1. Total Bahan yang Hilang Selama Pirolisis Pirolisis menghasilkan produk berupa gas, cairan dan padatan. Jumlah produk-produk tersebut ditentukan oleh beberapa faktor, salah satunya adalah suhu. Suhu yang diamati pada pirolisis batang dan daun jagung ini adalah 150, 250, 350, 450, 550, dan 650ºC. Dari Gambar 10 dapat dilihat bahwa peningkatan suhu pada reaktor akan melepaskan senyawa volatil dari partikel-partikel biomasa sehingga meningkatkan jumlah gas yang dihasilkan dan mengurangi jumlah arang. Jumlah arang yang tinggi terdapat pada pirolisis suhu rendah, sedangkan jumlah gas akan meningkat pada suhu di atas 500ºC. Arang yang dihasilkan pada suhu tinggi memiliki reaktivitas yang tinggi sehingga dapat meningkatkan kandungan abu pada biomassa hasil pirolisis. Menurut Cao et al. (2004), pirolisis tongkol jagung pada reaktor tipe pipa, jumlah arang paling tinggi dan gas yang paling rendah terdapat pada suhu rendah. Jumlah cairan akan meningkat pada suhu ºC. Perbandingan jumlah produk dari pirolisis batang dan daun jagung pada suhu 350ºC tanpa katalis dan dengan penambahan katalis disajikan pada Tabel 7. Tabel 7. Perbandingan jumlah produk dari pirolisis batang dan daun jagung pada suhu 350 o C tanpa katalis dan dengan penambahan katalis Produk pirolisis batang Pirolisis dan daun jagung Arang (g) Weight loss (%) Cairan (g) Tanpa katalis 37,18 29,36 17,035 Penambahan katalis 26,09 51,18 9,62 Tabel 7 menunjukkan arang yang dihasilkan dari pirolisis tanpa atapulgit lebih tinggi daripada yang menggunakan atapulgit. Selain itu cairan pirolisis tanpa atapulgit lebih banyak daripada cairan yang ditambah atapulgit pada suhu 350ºC. Pada suhu ini dihasilkan cairan yang paling maksimum untuk semua perlakuan. 26

8 Jumlah arang yang dihasilkan berkaitan erat dengan weight loss bahan. Semakin tinggi jumlah arang yang dihasilkan maka semakin rendah total bahan yang hilang karena pirolisis. Sebaliknya, semakin rendah jumlah arang yang dihasilkan makan total bahan batang dan daun jagung yang hilang juga semakin banyak. Grafik hubungan weight loss (%) dengan suhu pirolisis batang dan daun seperti terlihat pada Gambar 10. Gambar 10. Grafik hubungan weight loss (%) dengan suhu pirolisis Hal ini dapat dilihat pada Gambar 10, dimana weight loss pada batang dan daun jagung tanpa menggunakan atapulgit meningkat sesuai dengan peningkatan suhu pirolisis. Pada suhu 350ºC, bahan yang terdegradasi sebesar 29,36%, meningkat tajam dibandingkan pada suhu 250ºC. Kemudian juga terjadi peningkatan cukup tinggi pada suhu 450ºC sebesar 48,93% dan pada suhu 650ºC weight loss batang dan daun jagung tanpa menggunakan atapulgit menjadi sebesar 52,79%. Pada pirolisis batang dan daun jagung menggunakan atapulgit suhu 150ºC bahan mulai terdegrasi sebesar 5,28%. Kemudian meningkat menjadi 11,11% pada suhu 250ºC. Pada suhu 350ºC massa bahan yang terdegradasi meningkat sangat tajam dibandingkan suhu 250ºC yaitu 51,16%. Kemudian degradasi bahan meningkat secara bertahap dan perlahan hingga pada suhu akhir 650ºC weight loss batang dan daun jagung yang dihasilkan yaitu 62,81%. 27

9 Berdasarkan hasil tersebut diketahui bahwa pirolisis batang dan daun jagung dengan atapulgit menghasilkan weight loss yang lebih tinggi daripada yang tidak memakai atapulgit. Hal ini dikarenakan atapulgit sebagai katalis berfungsi mempercepat terjadinya reaksi sehingga pembakaran pada pirolisis batang dan daun jagung dengan atapulgit lebih cepat pada suhu yang sama dibandingkan pirolisis tanpa atapulgit. Weight loss yang meningkat pada suhu 350ºC memperlihatkan bahwa batang dan daun yang mengandung hemiselulosa dan selulosa yang cukup banyak telah terdegradasi, sesuai dengan penelitian yang dilakukan Rubro et al. (1998) dimana hemiselulosa terdegradasi pada suhu ºC dan selulosa yang terdegradasi pada suhu ºC. Kandungan lignin yang sedikit pada batang dan daun jagung terdegradasi pada suhu lebih dari 360ºC ditunjukkan dengan peningkatan weight loss yang bertahap pada Gambat 10. Pada suhu di atas 350ºC selain lignin yang terdegradasi juga terdapat hemiselulosa dan selulosa yang belum terdegradasi pada suhu awal. Dari Gambar 10 juga dapat dilihat jumlah arang yang semakin sedikit dipengaruhi peningkatan suhu pada reaktor. Senyawa volatil yang terkondensasi dari biomassa pindah dari tempat reaksi akibat adanya aliran nitrogen. Kemudian senyawa volatil tersebut akan keluar dari reaktor sebagai fase gas sehingga meningkatkan jumlah gas yang dihasilkan. Aliran nitrogen mempengaruhi waktu tinggal fase uap yang dihasilkan pada pirolisis dimana aliran gas yang tinggi menyebabkan produk keluar lebih cepat dari reaktor, sehingga dapat mengurangi pembentukan arang. Gas pirolisis keluar akibat dorongan aliran gas nitrogen yang cukup tinggi yang dapat menyebabkan terjadinya kondensasi dan menghasilkan cairan. Suhu yang semakin tinggi akan membakar lebih banyak bahan sehingga mengurangi bobot bahan tersebut. Ini juga diperlihatkan dengan perubahan warna pada bahan yang semula berwarna kuning kecoklatan menjadi hitam sejalan dengan meningkatnya suhu pirolisis. Semakin tinggi suhu pirolisis maka semakin hitam arang yang dihasilkan. Arang 28

10 hasil pirolisis pada beberapa suhu pirolisis ditampilkan pada Gambar 11 dan Gambar ºC 250ºC 350ºC 450ºC 550ºC 650ºC Gambar 11. Arang hasil pirolisis tanpa katalis pada beberapa suhu pirolisis 150ºC 250ºC 350ºC 450ºC 550ºC 650ºC Gambar 12. Arang hasil pirolisis dengan katalis pada beberapa suhu pirolisis. Dari Gambar 11 dan Gambar 12 dapat dilihat perbedaan dan perubahan warna batang dan daun jagung setelah pirolisis. Warna bahan pada suhu 150ºC tidak berbeda jauh dengan warna bahan yang belum dipirolisis. Kemudian bahan mulai terbakar sehingga terjadi perubahan warna dan kehilangan komponen-komponen bahan. Dan pada suhu 450ºC sebagian besar bahan telah terbakar dan berubah warna menjadi hitam. Batang dan daun jagung terbakar semuanya pada suhu 650ºC. 29

11 2. Cairan Hasil Pirolisis Proses pirolisis menghasilkan abu, cairan dan gas. Menurut Cao et al. (2004), jumlah cairan yang dihasilkan pada pirolisis yaitu sebesar 27-40,96% (wt%). Cairan pirolisis dihasilkan dengan cara pembakaran yang melibatkan reaksi dekomposisi konstituen polimer menjadi senyawa organik dengan berat molekul rendah karena pengaruh panas yang meliputi rekasi oksidasi, polimerisasi dan kondensasi. Media pendingin yang digunakan pada kondensor adalah air yang dialirkan melalui pipa inlet yang keluar dari hasil pembakaran kemudian dialirkan melewati kondesor dan dikondensasikan menjadi destilat asap. Komposisi kimia cairan pirolisis disajikan pada Tabel 8. Tabel 8. Komposisi kimia cairan pirolisis* Komposisi kimia Kandungan (%) Air Fenol 0,2-2,9 Asam 2,8-4,5 Karbonil 2,6-4,6 Ter 1-17 * Maga (1988) Cairan yang dihasilkan pada pirolisis batang dan daun jagung berasal dari kondensasi gas-gas yang merupakan hasil degradasi dari komponen-komponen volatil biomassa. Cairan yang dihasilkan memiliki kadar air yang tinggi. Grafik hubungan rendemen cairan dengan suhu pirolisis seperti terlihat pada Gambar

12 Gambar 13. Grafik hubungan rendemen cairan dengan suhu pirolisis Berdasarkan Gambar 13 terdapat pengaruh suhu terhadap jumlah produk yang dihasilkan pada pirolisis batang dan daun jagung, dimana semakin tinggi suhu maka akan meningkatkan jumlah gas yang dihasilkan dan mengurangi cairan hasil pirolisis (Demirbas, 2006; Esin, 2007; dan Ioannidou, 2009). Cairan yang dihasilkan pirolisis batang dan daun jagung berbanding lurus dengan peningkatan suhu dan mencapai puncaknya pada suhu 350ºC kemudian turun pada suhu yang lebih tinggi yaitu 450ºC. Pirolisis tanpa atapulgit pada suhu 150ºC dihasilkan cairan rata-rata sebesar 3,43 g cairan, kemudian meningkat tajam pada suhu 350ºC sebesar 17,03 g. Pada suhu ini dihasilkan jumlah cairan yang paling tinggi. Pada suhu 450ºC jumlah cairan yang dihasilkan menurun menjadi 7,17 g dan semakin menurun jumlahnya pada suhu 650ºC menjadi 2,38 g. Data jumlah arang dan cairan hasil pirolisis terdapat pada Lampiran 2. Cairan hasil pirolisis dengan katalis juga semakin meningkat dengan meningkatnya suhu dan mencapai puncaknya pada suhu 350ºC kemudian menurun hingga suhu 650ºC. Pada suhu 150ºC cairan yang dihasilkan rata-rata sebanyak 0,19 g. Hasil ini sangat sedikit jika dibandingkan dengan cairan hasil pirolisis tanpa atapulgit pada suhu yang sama. Kemudian pada suhu 350ºC, cairan hasil pirolisis dengan atapulgit 31

13 mencapai titik maksimumnya yaitu rata-rata sebesar 9,62 g. Jumlah cairan yang dihasilkan menurun pada suhu 450ºC menjadi sebesar 4,89 g dan pada suhu 650ºC hanya menghasilkan 2,17 g. Hasil di atas sesuai dengan penelitian-penelitian pirolisis lainnya. Demirbas (2006) melakukan penelitian tentang pengaruh suhu terhadap produk pirolisis kulit kacang dan menyatakan bahwa terjadi penurunan jumlah arang dan peingkatan fraksi gas serta jumlah cairan paling banyak terjadi pada suhu antara ºC, sesuai dengan tipe bahan baku yang digunakan. Cao et al. (2004) mempelajari tentang pirolisis tongkol jagung dengan reaktor tipe pipa juga menemukan jumlah arang maksimum dan sedikit gas pada suhu rendah. Jumlah cairan yang dihasilkan pada penelitian ini menurun dengan peningkatan suhu antara ºC. Lee et al. (2006) mempelajari perhitungan gas yang dihasilkan pada proses pirolisis, membagi empat zona pirolisis sebagai berikut: 1. T < 340ºC : CH 1.69 O C H 2 O + 0.2CH CO < T < 560ºC : CH 1.69 O C H 2 O CH H CO < T < 900ºC : CH 1.69 O C H CO H 2 O CO CH 4 4. T > 900ºC : CH 1.69 O C H CO Dari reaksi gas yang dihasilkan pada penelitian Lee et al. (2006), dapat diketahui senyawa-senyawa yang dihasilkan dari tiap reaksi empat zona suhu pirolisis tersebut. Semakin tinggi suhu, maka jumlah koefisien H 2 O, karbon dan CH 4 akan semakin menurun, tetapi jumlah CO 2 meningkat. Dan pada reaksi di atas suhu 900ºC hanya terdapat karbon, hidrogen, dan karbon monoksida yang merupakan gas yang sulit terkondensasi. Dari hasil reaksi ini dapat diketahui, suhu yang semakin tinggi akan meningkatkan jumlah gas tak terkondensasi sehingga akan menurunkan jumlah cairan hasil pirolisis. Hal ini sesuai dengan penelitian pirolisis batang dan daun jagung yang dilakukan dimana semakin tinggi suhu (setelah suhu 350ºC), jumlah 32

14 cairan akan semakin menurun, tetapi jumlah gas semakin meningkat. Rendemen cairan pirolisis pada penelitian ini lebih rendah dibandingkan dengan hasil cairan yang diperoleh Tranggono et al. (1996) pada pirolisis beberapa jenis kayu dengan kisaran suhu 350ºC hingga 400ºC yang menghasilkan cairan dengan rendemen rata-rata 49,1%. Jumlah rendemen cairan yang dihasilkan pada proses pirolisis sangat bergantung dengan jenis bahan baku yang digunakan. Persentase rendemen yang digunakan juga sangat bergantung dengan sistem kondensasi yang dipakai. Kondisi ini sesuai dengan yang dikemukakan Tranggono et al. (1996), yang menyatakan pembentukan cairan hasil pirolisis memerlukan air sebagai medium pendingin agar proses pertukaran panas dapat terjadi dengan cepat. Pirolisis pada suhu yang terlalu tinggi dan waktu yang terlalu lama akan menyebabkan pembentukan cairan berkurang karena suhu dalam air pendingin semakin meningkat sehingga gas yang dihasilkan tidak terkondensasi sempurna. Proses kondensasi akan berlangsung optimal apabila air di dalam sistem pendingin dialiri secara kontinyu sehingga suhu di dalam sistem tidak meningkat. Hal ini sesuai dengan pernyataan Demirbas (2005) bahwa cairan hasil pirolisis bahan kayu dapat dihasilkan secara maksimum jika proses kondensasinya berlangsung secara sempurna. Suhu kondensasi yang dipakai pada pirolisis batang dan daun jagung berkisar antara 9ºC hingga 21ºC. Hasil cairan yang cukup jauh berbeda antara cairan hasil pirolisis batang dan daun jagung yang menggunakan katalis dan yang tidak menggunakan katalis dimana cairan hasil pirolisis tanpa katalis menghasilkan cairan yang lebih banyak. Samolada et al. (2000) menganalisis flash pyrolysis dengan katalis komersial Fe/Cr alumina dan H-ZSM-5 pada suhu 500ºC di dalam reaktor piston dimana katalis yang dicampur dengan bahan baku disebut in-bed mode dan yang menggunakan tempat katalis di dalam sistem disebut ex-bed mode. Mereka menyatakan bahwa katalis di dalam biomassa yang dipirolisis menghasilkan cairan yang lebih sedikit dan jumlah gas yang semakin 33

15 meningkat. Uzun dan Nuri (2009) juga menemukan hasil yang sama pada penelitian mereka dimana jumlah cairan yang dihasilkan pada pirolisis batang jagung dengan beberapa jenis katalis lebih sedikit daripada cairan hasil pirolisis tanpa katalis. Hal ini sama dengan yang dihasilkan pada pirolisis batang dan daun jagung pada penelitian ini dimana pirolisis tanpa katalis lebih banyak menghasilkan cairan tetapi gas yang dihasilkan lebih sedikit. Katalis yang digunakan dalam penelitian ini adalah atapulgit yang masih dalam bentuk dasarnya yaitu berupa non koloid atau bubuk. Dengan bentuk seperti ini diharapkan atapulgit dapat masuk ke dalam struktur bahan sehingga dapat menghasilkan cairan yang lebih banyak. Tetapi batang dan daun jagung memiliki stuktur bahan yang lebih padat karena mengandung beberapa lapisan sehingga katalis tidak dapat masuk ke dalam bahan dan hanya berada di permukaan batang dan daun saja. Sehingga atapulgit tidak dapat bereaksi dengan bahan dan tidak menghasilkan cairan yang lebih banyak daripada pirolisis tanpa katalis. Selain itu salah satu sifat dari katalis yaitu selektiviti, menentukan produk yang akan dihasilkan. Produk yang terbentuk dari pirolisis dengan katalis ini lebih banyak menghasilkan gas yang tidak terkondensasi dan mengurangi jumlah cairan dan arang. C. ANALISIS GAS CHROMATOGRAPHY-MASS SPECTROSCOPY (GC-MS) Gas Chromatography- Mass Spectroscopy (GC-MS) merupakan suatu metode yang menggabungkan gas chromatography dengan massspectrometry yang dapat digunakan untuk mengetahui jumlah komponen yang terkandung dalam sampel, misalnya mendeteksi obat-obatan, investigasi kebakaran, analisis lingkungan, investigasi bahan peledak dan identifikasi bahan yang tidak diketahui. Prinsip analisa kromatografi gas adalah pemisahan berdasarkan perbedaan laju gerak komponen-komponen yang akan diidentifikasi. Berat molekul dan polaritas komponen adalah faktor-faktor yang akan 34

16 mempengaruhi perbedaan laju gerak tersebut. Komponen yang akan menguap pada waktu awal pemisahan komponen adalah komponen dengan berat molekul rendah dan polaritas yang rendah pula. Analisa MS yang dilakukan dalam penelitian ini menggunakan database Wiley 7n.1, Wiley8th.L dan Wiley dan Nist.L. Semakin banyak database yang digunakan akan lebih mengakurasikan hasil komponen dari kromatogram gas. Pirolisis batang dan daun jagung yang dilakukan pada penelitian ini menggunakan dua faktor yaitu suhu dan katalis. Berdasarkan rendemen hasil pirolisis didapatkan bahwa cairan pirolisat paling banyak terdapat pada rentang suhu 250, 350, dan 450ºC. Cairan hasil pirolisis pada ketiga suhu tersebut yang kemudian di analisa dengan GCMS untuk diketahui komponen apa saja yang terkandung di dalam cairan tersebut. Cairan pirolisis a)tanpa katalis dan b)dengan penambahan katalis berturut-turut pada suhu 250, 350, dan 450ºC disajikan pada Gambar 14. a Gambar 14. Cairan pirolisis a) tanpa katalis dan b) dengan penambahan katalis berturut-turut pada suhu 250, 350, dan 450ºC Beberapa fraksi komponen organik larut dalam khlorometan sehingga dapat dianalisis dengan GC-MS. Cairan hasil pirolisis terdiri dari fraksi yang mengandung komponen organik pada cairannya baik semipolar maupun nonpolar, misalnya fenol dan hidrokarbon yang ditemukan sekitar 17% dan 18% pada biomassa. Fase air dan komponen yang larut dalam air yang dihasilkan dari proses pirolisis tidak dianalisis dengan GC-MS. b 35

17 1. Golongan Senyawa Cairan Pirolisis Nakai et al. (2006) menyatakan kualitas cairan hasil pirolisis sangat bergantung pada komposisi senyawa-senyawa kimia yang dikandungnya. Senyawa-senyawa kimia yang terdapat di dalam cairan sangat bergantung pada kondisi pirolisis dan bahan baku yang digunakan. Di samping itu, proses pirolisis suatu bahan yang tidak berlangsung sempurna dapat menyebabkan komponen-komponen kimia yang dihasilkan dalam cairan kurang lengkap. Komponen kimia yang telah diidentifikasi pada cairan antara lain senyawa golongan fenol, karbonil, asam karboksilat, hidrokarbon dan alkohol (Girard, 1992). Jumlah cairan yang dihasilkan sangat bergantung pada karakteristik bahan baku yang digunakan dan suhu yang dicapai selama proses. Hal ini sesuai dengan Djatmiko et al. (1985) yang mengemukakan keberadaan senyawa-senyawa kimia dalam cairan dipengaruhi oleh kandungan kimia dari bahan baku yang digunakan dan suhu yang dicapai pada proses pirolisis. Berkaitan dengan hal tersebut, Byrne dan Nagle (1997) menyatakan penguapan, penguraian atau dekomposisi komponen kimia kayu pada proses pirolisis terjadi secara bertahap, yaitu pada suhu 100ºC hingga 150ºC hanya terjadi penguapan molekul air; pada suhu 200ºC mulai terjadi penguraian hemiselulosa; pada suhu 240ºC selulosa mulai terdekomposisi menjadi pirolignat, gas CO, CO 2, dan sedikit ter; pada suhu 240ºC hingga 400ºC terjadi proses dekomposisi selulosa dan lignin menjadi larutan pirolignat, gas CO, CH 4, H 2, dan ter lebih banyak; dan pada suhu di atas 400ºC terjadi pembentukan lapisan aromatik. Data kromatogram GCMS cairan hasil pirolisis yang dihasilkan pada penelitian ini ditunjukkan pada Lampiran 3 hingga Lampiran 8. Pemisahan komponen kimia cairan pirolisis batang dan daun jagung ditunjukkan pada puncak-puncak kromatogram. Puncak-puncak tersebut muncul sesuai dengan waktu resistensinya. Senyawa yang diidentifikasi merupakan senyawa yang memiliki qual di atas 90 yang berarti tingkat keyakinan senyawa tesbut berdasarkan database yang digunakan di atas 90%. 36

18 Dari Gambar 15, dapat dilihat kandungan cairan hasil pirolisis batang dan daun jagung tanpa katalis. Pada suhu 250ºC terdapat dua belas senyawa yang diidentifikasi dan memiliki nilai qual lebih dari 90 yang terdiri dari enam senyawa (50%) golongan asam, satu senyawa (8,33%) golongan ester, dan lima senyawa (41,67%) golongan hidrokarbon. Dari data tersebut terdapat senyawa yang memiliki jumlah yang cukup tinggi dari golongan asam yaitu asam dodecanoic atau asam laurat sebesar 5,07%. Pada suhu 350ºC, terdapat jumlah senyawa yang paling banyak diantara cairan hasil pirolisis lainnya yaitu dua puluh dua senyawa yang terdiri dari empat senyawa (18,18%) golongan asam dan golongan aldehida, serta empat belas senyawa (63,64%) golongan fenol. Pada suhu ini golongan fenol memiliki jumlah yang paling besar dengan luas area sebesar 57,21. Pada suhu 450ºC hanya terdapat dua jenis golongan dari sebelas senyawa yang terdapat di dalam cairan hasil pirolisis, yaitu sembilan senyawa (81,82%) golongan fenol dan dua senyawa (18,18%) dari golongan aldehid. Data golongan senyawa cairan hasil pirolisis batang dan daun jagung pada suhu 250, 350 dan 450ºC disajikan pada Lampiran 9. Golongan asam pada pirolisis tanpa katalis diantaranya asam dodekanoik, asam palmitat, asam stearat, asam oleat, asam hexanedioik, asam cinnamic, nonadecane, hexadecane dan cysteaminesul fonic. Senyawa ester pada suhu 250 o C berupa di-n-octo phtalate. Golongan fenol berupa p-cresol, dimetoxy phenol, pyrocatechol, guaiacol, p-ethylphenol, p-vinylguaiacol dan lain sebagainya. Golongan hidrokarbon berupa eicosane, heneicosane, docosane, tricosane dan chloronitropropane. Senyawa yang terdapat pada golongan aldehid yaitu vanillin dan syringaldehyde. Grafik hubungan suhu dengan golongan senyawa pada proses pirolisis tanpa katalis ditampilkan pada Gambar

19 Gambar 15. Grafik hubungan suhu dengan golongan senyawa pada proses pirolisis tanpa katalis Pada pirolisis batang dan daun jagung tanpa katalis lebih banyak menghasilkan senyawa dari golongan fenol. Menurut Ku et al. (2006), perbedaan kandungan fenol dikarenakan perbedaan perbandingan S/G (S: syringol dan G: guaiacol). Senyawa fenol yang dihasilkan sebagian besar merupakan hasil dekomposisi lignin dan jenis cyclopentenolones yang merupakan derivate dari selulosa. Lignin akan menghasilkan turunan berupa syringol yang merupakan golongan fenol. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 15 dimana golongan fenol tidak terdapat pada suhu 250ºC tetapi ada pada cairan pirolisis suhu 350ºC dan 450ºC. Ini dikarenakan lignin terdekomposisi pada suhu yang cukup tinggi yaitu di atas suhu 360ºC. Grafik hubungan suhu dengan golongan senyawa pada proses pirolisis dengan penambahan katalis seperti terlihat pada Gambar

20 Gambar 16. Grafik hubungan suhu dengan golongan senyawa pada proses pirolisis dengan penambahan katalis Dari Gambar 16 dapat diketahui cairan pirolisis suhu 250ºC lebih banyak kandungannya. Pada suhu ini terdapat tujuh belas senyawa yang terdiri dari delapan senyawa (47,06%) golongan asam, dua senyawa (11,76%) golongan ester, satu senyawa (5,88%) golongan fenol dan aldehid, serta lima senyawa (29,41%) golongan hidrokarbon. Pada suhu 350ºC hanya terdapat tujuh senyawa, paling sedikit diantara cairan hasil pirolisis dengan katalis. Cairan pada suhu ini mengandung empat senyawa (57,14%) golongan asam, satu senyawa golongan ester dan dua senyawa (28,57%) golongan hidrokarbon. Pada suhu 450ºC lebih banyak terdapat kandungan senyawa dibandingkan cairan suhu 350ºC yaitu dua belas senyawa yang terdiri dari dua senyawa (16,67%) golongan asam dan ester, empat senyawa (33,33%) golongan fenol, satu senyawa hidrokarbon dan tiga senyawa (25,00%) golongan aldehid. Senyawa-senyawa yang terdapat pada golongan asam hampir sama dengan senyawa yang terdapat pada golongan asam tanpa katalis, tetapi ada yang berbeda antara lain asam azelaik, hexadecane, asam dikloroasetik-propil ester dan asam homovanilik, sedangkan senyawa yang terdapat pada golongan ester yaitu metil palmitat dan metil oleat. 39

21 Golongan fenol hanya sedikit terdapat pada cairan 250ºC dan tertinggi pada suhu 450ºC yaitu sebesar 1,37% dan 18,59%. Jumlah fenol ini lebih sedikit daripada cairan pirolisis tanpa katalis pada suhu yang sama yang terdiri dari senyawa o-phenylphenol, p-acetylphenol, acetylguaiacol, acetominophen dan acetosyringone. Golongan hidrokarbon lebih tersebar merata pada cairan pirolisis dimana terdapat sebesar 5,22% pada suhu 250ºC dan 8,33% serta 8,13% pada suhu 350ºC dan 450ºC dimana terdapat senyawa eicosane, tricosane, tetracosane, heneicosane, heptacosane dan 6-hydoxycoumari. Senyawa golongan aldehid hanya terdapat pada cairan suhu 450ºC sebesar 13,82% dan sangat sedikit (0,23%) pada suhu 250ºC diantaranya p- hidroxybenzaldehyde, vanillin, syringaldehyde dan nonaldehyde. Pirolisis batang dan daun jagung dengan penambahan katalis menghasilkan lebih banyak senyawa yang berasal dari golongan asam, ester, dan hidrokarbon, tetapi menurunkan jumlah senyawa golongan fenol. Hal ini sesuai dengan Gani et al.(2007) yang menyatakan bahwa pirolisis batang jagung lebih banyak menghasilkan senyawa asam hidrokarbon terlarut. Semakin tinggi suhu pirolisis maka semakin sedikit senyawa asam yang terkandung di dalam cairan. Peningkatan jumlah asam dengan penambahan katalis terjadi karena mekanisme proses pemecahan dan pembentukan senyawa yang lebih spesifik. Hal ini sesuai dengan hasil penelitian Qi et al. (2007) yang menyatakan dengan penambahan katalis akan meningkatkan jumlah senyawa asam dan mengurangi kandungan fenol. Jumlah senyawa dan golongan yang terkandung dalam cairan pirolisis yang berbeda tiap suhunya baik dengan dan tanpa penambahan katalis dikarenakan reaksi yang terus terjadi dalam reaktor dan proses kondensasi gas, selain itu suhu yang semakin tinggi dan penambahan katalis juga mempengaruhi reaksi yang terjadi dan produk yang dihasilkan. 40

22 2. Fungsi Senyawa Cairan Pirolisis untuk Bahan Tambahan Makanan Cairan hasil pirolisis pada suhu 250, 350, dan 450ºC yang telah di GC-MS dan diketahui senyawa yang terkandung di dalamnya akan digolongkan berdasarkan fungsi dari senyawa tersebut sesuai dengan tujuan penelitian yaitu mengetahui kandungan senyawa cairan hasil pirolisis yang berfungsi sebagai bahan tambahan makanan. Bahan tambahan makanan merupakan bahan yang ditambahkan ke dalam makanan untuk mempengaruhi sifat dan bentuk pangan. Fungsi dari bahan tambahan makanan yang diinginkan pada penelitian ini yaitu pengawet, antioksidan dan flavour. Grafik hubungan suhu dengan jumlah senyawa yang berfungsi sebagai bahan tambahan makanan tanpa katalis seperti terlihat pada Gambar 17. Gambar 17. Grafik hubungan suhu dengan jumlah senyawa yang berfungsi sebagai bahan tambahan makanan tanpa katalis Dari Gambar 17, pirolisis batang dan daun jagung tanpa katalis pada suhu 250ºC menghasilkan senyawa-senyawa yang dapat digunakan sebagai pengawet, flavour dan herbisida. Senyawa yang dapat digunakan sebagai pengawet biasanya berasal dari golongan fenol dan golongan asam. Menurut Mullen et al. (2009), pada daging asap, golongan fenoliks hasil pirolisis berfungsi sebagai pengawet yang membantu dalam mencegah penjamuran. Senyawa yang berfungsi sebagai pengawet 41

23 diantaranya p-cresol, asam palmitat, asam oleat, asam hexanedioic, eicosane dan asam laurat. Senyawa ini ditemukan pada cairan hasil pirolisis suhu 250ºC dan 350ºC. Antioksidan merupakan suatu zat yang dapat menghambat atau memperlambat proses oksidasi lemak sehingga mencegah terjadinya ketengikan. Golongan antioksidan yang terkenal berasal dari senyawa polifenol (Anonim c, 2009). Senyawa yang dapat digunakan sebagai antioksidan adalah pyrocatechol yang merupakan senyawa golongan fenol. Senyawa untuk antioksidan ditemukan pada cairan hasil pirolisis batang dan daun jagung tanpa katalis pada suhu 350ºC. Dari hasil analisis fungsi cairan pirolisis batang dan daun jagung tanpa katalis diketahui senyawa yang berfungsi sebagai flavour semakin meningkat seiring meningkatnya suhu dan paling banyak terdapat pada suhu 350ºC. Beberapa senyawa yang berfungsi sebagai flavour merupakan golongan fenol. Golongan fenol ini hasil dekomposisi dari lignin dan jenis cyclopentenolones yang merupakan turunan dari selulosa. Lignin akan menghasilkan syringol yang merupakan salah satu contoh flavour. Cairan hasil pirolisis tanpa katalis pada suhu 350ºC menghasilkan senyawa-senyawa yang dapat digunakan sebagai flavour dengan jumlah lebih banyak jika dibandingkan dengan senyawa yang dihasilkan pada suhu 250ºC, misalnya pyrocatechol methyl, dimethoxy phenol, syringaldehyde, asam benzenasetik, asam cinnamic dan lain-lain. Senyawa p-cresol yang merupakan golongan fenol berfungsi sebagai pengawet dan herbisida. Jumlah cairan pirolisis menurun seiring peningkatan suhunya. Demikian juga pada kandungan di dalam cairan tersebut. Pada cairan pirolisis pada suhu 450 o C hanya terdapat beberapa senyawa yang berfungsi sebagai flavour yang berasal dari golongan fenol dan aldehid yaitu p-ethylphenol, pyrocatechol methyl, p-vinylguaiacol, 2,6 dimethoxy phenol, vanillin, dan syringaldehyde. Herbisida yang terdapat pada cairan hasil pirolisis merupakan senyawa yang berfungsi sebagai fungisida dan antibakteri, misalnya chloronitropropane dan asam dodecanoic. Fungsi senyawa cairan hasil 42

24 pirolisis pada suhu 250, 350, dan 450 o C disajikan pada Lampiran 4. Grafik hubungan suhu dengan jumlah senyawa yang berfungsi sebagai bahan tambahan makanan dengan penambahan katalis seperti terlihat pada Gambar 18. Gambar 18. Grafik hubungan suhu dengan jumlah senyawa yang berfungsi sebagai bahan tambahan makanan dengan penambahan katalis Dari Gambar 18 dapat diketahui senyawa yang terdapat pada cairan pirolisis batang dan daun jagung dapat digunakan sebagai pengawet, flavour dan herbisida, tetapi tidak memiliki senyawa yang dapat digunakan sebagai antioksidan. Gambar 18 juga memperlihatkan bahwa peningkatan suhu akan menurunkan jumlah senyawa yang berfungsi sebagai pengawet. Pengawet yang terdapat pada cairan pirolisis dengan katalis berasal dari golongan asam. Misalnya asam azelaic, metil palmitat, metil oleat, hexadecane, eicosane dan p-hydroxybenzaldehyde. Senyawa-senyawa ini ditemukan di semua cairan hasil pirolisis suhu 250, 350, dan 450ºC. Peningkatan suhu akan menurunkan jumlah senyawa yang dapat digunakan sebagai pengawet. Senyawa yang berfungsi sebagai flavour semakin meningkat seiiring meningkatnya suhu pirolisis. Pada suhu 250ºC terdapat tiga senyawa, kemudian meningkat menjadi 5 senyawa pada suhu 450ºC. Senyawa yang berfungsi sebagai flavour misalnya nonaldehyde, asam 43

25 nonanoic, octadecane, vanillin, acetylguaiacol, syringaldehyde dan lain sebagainya. Senyawa yang berfungsi sebagai herbisida berasal dari golongan fenol dan asam yaitu o-phenylphenol dan dichloroacetic acidpropyl ester. Senyawa ini hanya terdapat pada cairan suhu 250ºC. Fungsi senyawa cairan hasil pirolisis batang dan daun jagung pada suhu 250, 350 dan 450ºC disajikan pada Lampiran