PENGARUH SONIKASI SEBAGAI PERLAKUAN AWAL PADA DEGRADASI SELULOSA UNTUK MEMPEROLEH OLIGOSAKARIDADENGAN METODE HYDROTHERMAL

Transkripsi

1 PENGARUH SONIKASI SEBAGAI PERLAKUAN AWAL PADA DEGRADASI SELULOSA UNTUK MEMPEROLEH OLIGOSAKARIDADENGAN METODE HYDROTHERMAL Oleh : MAYA ADINA CAESARIA NANDA BELVANITA Pembimbing: Dr. Ir. Sumarno, M.Eng LABORATORIUM TEKNOLOGI MATERIAL JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011

2 LATAR BELAKANG Limbah biomassa Bahan Bakar Contoh : Ethanol Bahan Kimia Contoh : Selulosa

3 SELULOSA Asam Alkali Enzimatik Hidrothermal Oligosakarida dan Glukosa

4 Sumber : Yun Yu 2009

5 PENELITIAN TERDAHULU Sakaki,dkk (1996) Micro Crystalline Cellulose Hot Compressed Water (HCW), batch Pada 374 o C, 80% selulosa terdekomposisi menjadi zat yang water soluble, terdiri atas glukosa dan oligosakarida Ni Minowa, dkk (1997) Micro Crystalline Cellulose Hot Compressed Water (HCW), batch 3 variasi (Ni, alkali, tanpa katalis) : aqueous products gas Alkali : glucose aqueous products, oil &char gas, oil & char Tanpa katalis : glucose aqueous products & oil aqueous products, char & gas

6 Sasaki, dkk (1998) Yan Zhao, dkk (2009) Micro Crystalline Cellulose Supercritical water, continuous Produk glukosa dan oligomer, 75% berat, pada 400 o C Rogalinski, dkk (2007) Corn Starch & Pure Cellulose Subcritical Water, continuous Micro Crystalline Cellulose Supercritical water (SCW), batch Produk Oligosakarida 40% berat pada 380 o C Pengaruh suhu reaksi terhadap hasil

7 Pinjari & Pandit (2010) Microcrystallin cellulose Ultrasonic Cavitation process Penurunan kristaliniti dan melting point Herdy & Yusuf (2010) Microcrystallin cellulose Ultrasonic Pretreatment Supercritical water (SCW), batch Produk Oligosakarida terbanyak pada 340 o C

8 Selulosa (kristaliniti tinggi) Ultrasonic Pretreatment Perenggangan struktur rantai selulosa Metode Hydrothermal Metode Hydrothermal Degradasi selulosa menjadi oligosakarida

9 TUJUAN PENELITIAN Mempelajari pengaruh ultrasonic pretreatment pada penggunaan metode hydrothermal dalam hidrolisis selulosa untuk mendapatkan oligosakarida Menemukan suhu proses yang sesuai (dengan tekanan tetap, sekitar titik kritis air) dalam hidrolisis selulosa untuk mendapatkan yield oligomer yang tinggi

10 MANFAAT PENELITIAN Memberikan kontribusi untuk pengembangan penelitian selanjutnya yang bekerja pada kondisi dekat air superkritis dengan ultrasonic pretreatment Meningkatkan nilai ekonomi dari limbah biomassa agar dapat dimanfaat menjadi produk chemical intermediate khususnya oligomer.

11 TINJAUAN PUSTAKA Selulosa Terdiri dari rantai homopolimer D-glukosa yang terikat oleh ikatan β (1-4) Tidak melingkar, dan tidak bercabang Tidak memiliki rasa, tidak berbau, dan tidak larut dalam air Memiliki struktur yang kuat, lebih krital dari pati Dalam tanaman tersusun bersama hemiselulosa, lignin, pektin, dan substansi lain Oligosakarida Tersusun dari kurang dari 10 komponen monosakarida Dapat dihidrolisis dengan asam Dapat dimanfaatkan sebagai asam laktat dan komponen pembuat siklodekstrin Salah satu jenis oligosakarida adalah cellodekstrin

12 OLIGOSAKARIDA Cellopentaose Cellobiose Cellotetraose Cellotriose

13 Mekanisme degradasi selulosa Selulosa Oligosakarida Glukosa

14 Properti Air Berat molekul (g/mol) 18 H 2 O Suhu kritis ( o C) Titik beku ( o C) Densitasn pd 25 o C (g/cm 3 ) 0,99 22,1 Tekanan kritis (MPa)

15 Air kondisi standart ( T=25 o C P=0,1 MPa) Bersifat polar Tidak larut dengan hidrokarbon dan gas Larut dengan garam anorganik

16 Hot Compressed Water Hot compressed water (HCW) adalah air yang berada pada daerah nearcritical, subcritical dan supercritical, temperatur diatas 200 o C dan tekanan tinggi

17 Fluida Subkritis Produk ion lebih tinggi dari kondisi standart Air bersifat asam sehingga digunakan untuk prekursor katalis Cocok digunakan sebagai media reaksi sintesa dan degradasi

18 Gelombang Ultrasonik Frekuensi ultrasonik Frekuensi sonokimia Pengaruh ultrasonik : 20 khz 100 MHz : khz : - Kavitasi akustik, yaitu siklus pembentukan, pertumbuhan, dan keruntuhan gelembung dalam cairan - Meningkatkan kereaktifan kimia dan bertindak sebagai katalis untuk lebih mereaktifkan atomatom dalam molekul sistem. - Memecah padatan dari energi yang timbul akibat runtuhnya kavitasi

19 Fenomena Pembentukan Kavitasi dan Collapse Gelembung

20 Pengaruh Kavitasi Mengurangi waktu reaksi Meningkatkan yield dalam reaksi kimia Mengurangi suhu dan tekanan Meningkatkan selektivitas Membangkitkan radikal bebas

21 Metode Penelitian Bahan Gas N 2 UHP; Aquades; Avicel Microcrystalline Cellulose Variabel Variabel tetap Rasio massa microcrystalline cellulose : air = 1 : 200 Ultrasonic Pretreatment Variabel bebas Waktu sonikasi (jam): Suhu sonikasi ( o C) : Hydrothermal Process Variabel tetap Tekanan = 25 MPa Variabel bebas Suhu ( o C) :

22 Ultrasonic Bath SU-27TH Spesifikasi Alat Reaktor hidrotermal Bahan Dimensi Kapasitas : Stainless steel (SS316) : 340 (p) mm ¼ in (OD) 0,035 in (thickness) 0,18 in (ID) : 5,580 ml Frek Dimensi Ukuran Tub Kapasitas Power Supply Power Consumption Range suhu : 28 khz : 530 (p) x 325 (l) x 350 (t) mm : 477 (p) x 272 (l) x 200 (t) mm : 25 L : AC100V, 50/60 Hz, 11A : 1100W : o C

23 Skema Peralatan Reaksi Hidrotermal 8 Keterangan : p 1. Reaktor AC Band heater 3. Insulator 4. Thermocouple 5. Temperature controller 6. Voltage Regulator 7. AC source 8. Pressure gauge 9. Tabung Nitrogen 10. Valve menuju booster hidroulik 11. Booster hidroulik 12. Valve menuju udara 13. Valve menuju reaktor 14. Safety valve

24 Karakterisasi Hasil Analisa sampel setelah ultrasonic pretreatment Scanning Electron Microscopy (SEM) X-Ray Diffraction (XRD) Particle Size Analyzer (PSA) High Performance Liquid Chromatrography (HPLC) Analisa sampel setelah reaksi hidrotermal High Performance Liquid Chromatrography (HPLC)

25 HASIL DAN PEMBAHASAN SEM Gambar pembesaran 1000x, untuk selulosa (a) standar, setelah sonikasi 40 o C selama (b) 1 dan (c) 5 jam (a) (b) (c) 100 m Gambar pembesaran 1000x, untuk selulosa (a) standar, setelah sonikasi 60 o C selama (b) 1 dan (c) 5 jam (a) (b) (c)

26 HASIL DAN PEMBAHASAN SEM Gambar perbesaran 1000x, untuk selulosa (a) standar, setelah sonikasi (b) 40 o C dan (c) 60 o C selama 1 jam (a) (b) (c) 100 m Gambar perbesaran 1000x, untuk selulosa (a) standar, setelah sonikasi (b) 40 o C dan (c) 60 o C selama 5 jam (a) (b) (c)

27 PSA 20 Ukuran partikel [mikrometer] Waktu [jam] 40 o C 60 o C XRD Kristalinitas T = 40 o C T = 60 o C t = 5jam Xc = 63,05 % t = 5jam Xc = 64,63 % t = 4jam Xc = 63,60 % t = 4jam Xc = 65,75 % t = 3jam Xc = 69,04 % t = 3jam Xc = 70,1 % t = 2jam Xc = 72,89 % t = 2jam Xc = 74,85 % t = 1jam Xc = 73,95 % t = 1jam Xc = 75,5 % tanpa sonikasi Xc = 77,70 % tanpa sonikasi Xc = 77,7 % [ ] [ ]

28 XRD Ukuran kristal (L) dan d-spacing peak 14,8877 peak 16,1990 L total [nanometer] o C 60 o C d-spacing [Åmstrong] peak 22,5826 peak 34, o C 60 o C Waktu [jam] Waktu [jam]

29 HPLC Kromatogram HPLC Larutan Standar (a) Glukosa dan (b) Cellobiosa RI2300 Name Retention Time 3000 RI2300 Name Retention Time (a) (b) 2000 Volts (cellobiosa) (cellotriosa) glukosa (cellotetraosa) (cellopentaosa) Volts 1000 volts Volts cellobiosa 0 Volts Minutes Minutes

30 HPLC Kromatogram HPLC pada 250 kg f /cm 2 dan 320 o C (tanpa sonikasi) RI2300 Name Retention Time Volts Volts (cellotriosa) cellobiosa (cellotetraosa) (cellopentaosa) Minutes

31 HPLC Kromatogram HPLC pada 250 kg f /cm 2 dan 320 o C (dengan waktu sonikasi 1 jam) pada suhu sonikasi (a) 40 o C dan (b) 60 o C) (a) 2000 RI2300 Name Retention Time 2000 (b) RI2300 Name Retention Time Volts (cellobiosa) glukosa Volts Volts (cellobiosa) glukosa Volts Minutes Minutes

32 Kesimpulan Perlakuan awal sonikasi memberikan pengaruh dalam degradasi selulosa. Penurunan kristalinitas, ditunjukkan oleh penurunan nilai L dan tidak cenderung berubahnya nilai d- spacing, sebanding dengan lamanya waktu sonikasi. Pengurangan ukuran fiber dan diameter ukuran partikel sebanding dengan lamanya waktu sonikasi. Produk yang dihasilkan dari degradasi selulosa adalah glukosa dan cellobiosa. Diperoleh yield glukosa pada suhu sonikasi 40 o C sebesar 3,179% dan pada suhu sonikasi 60 o C sebesar 3,031%. Sedangkan pada sampel tanpa sonikasi diperoleh yield cellobiosa sebesar 18,34%. Sampel dengan sonikasi pada hidrotermal cenderung membentuk glukosa dibandingkan dengan sampel tanpa sonikasi.