PEMBUATAN PULP DARI SERAT AREN (ARENGA PINNATA) DENGAN PROSES NITRAT SODA

Transkripsi

1 PEMBUATAN PULP DARI SERAT AREN (ARENGA PINNATA) DENGAN PROSES NITRAT SODA Purnawan 1, Cyrilla Indri Parwati 2 1 Jurusan Teknik lingkungan, Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta 2 Jurusan Teknik Industri Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta iwengpurnawan@yahoo.co.id ABSTRACT Palm plants (Arenga pinnata) can be used as plant conservation because it has shallow roots so it helpful to prevent soil erosion and this plants including crop production plants because palm plants can be exploited from the roots, stems, leaves, flowers and fruit. Inner stem can produce starch as a carbohydrate source that is used as a raw material in the manufacture of bread, glass noodles and noodles, flour separation process will produce untapped fiber as a potential source of pollution, in the preliminary study of the palm fiber raw materials contain high levels of alpha cellulose ± 77.63%, so palm fiber that can be used as material for the manufacture of paper pulp. This research was conducted to study the effect of hydrolysis time, the concentration of solvent (NaOH) and stirring speed on pulp yield, levels of α cellulose process with nitrate of soda, the results of this study are expected as an alternative to fulfill the long-fiber pulp, reduce imported long fiber pulp as well as efforts to minimize the environmental impact of the process of separation of starch from sugar plant. From the research that has been done, gained relatively good condition by using NaOH concentration of 7.5% with a time of 1.5 hours and stirring speed of 400 rpm. In these conditions the obtained results: product yield 33.41%, 95.74% levels of α cellulose and pulp yield can be categorized as longfiber pulp PENDAHULUAN Kebutuhan pulp di dalam negeri dari tahun ke tahun semakin meningkat seiring dengan peningkatan kebutuhan kertas., Indonesia dengan jumlah penduduk (Sensus BPS, 2010) dimana kertas menjadi salah satu sarana komunikasi secara nonverbal dalam berbagai sektor kehidupan maka Indonesia menjadi negara konsumtif dalam pemakaian jumlah kertas. Menurut Badan Pusat Statistik ekspor dan import Indonesia menunjukkan peningkatan seperti pada tabel berikut : Tabel 1 : Data eksport dan import pulp indonesia Eksport C-323 Import Net Weight (kg) Value (US$) Net Weight (kg) Value (US$) Sumber : BPS, 2014 Eksport pulp Indonesia berjenis serat pendek yang dihasilkan dari proses pemisahan lignin dengan proses soda dari jerami, ketebon, dll dengan kandungan α selulose ± 45% sedangkan import pulp Indonesia berjenis serat panjang dari bahan baku kayu pinus (Radiata Pine) dengan kandungan α selulose ± 90% produk Australia dan Kanada. Dalam proses delignifikasi bertujuan untuk memisahkan lignin yang terdapat dalam serat/kayu, kemudahan suatu bahan untuk diproses menjadi pulp sangat bergantung pada jumlah lignin yang terdapat dalam bahan baku dan reaktifitasnya. Kadar lignin secara kuantitatif merupakan faktor yang banyakberpengaruh terhadap konsumsi bahan kimia selama proses delignifikasi, Pulp Pulp adalah hasil pemisahan serat dari bahan baku berserat. Pulp dapat dibuat dari bahan kayu, non kayu, dan kertas bekas (waste paper). Pulp merupakan bubur kayu sebagai bahan dasar dalam pembuatan kertas. Bahan baku pulp biasanya mengandung tiga komponen utama, yaitu: selulosa,

2 hemiselulosa, dan lignin. Secara umum prinsip pembuatan pulp merupakan proses pemisahan selulosa terhadap impurities bahan-bahan dari senyawa yang dikandung oleh kayu di antaranya lignin. Selulosa Selulosa (C 6 H 10 O 5 )n adalah polimer berantai panjang polisakarida karbohidrat dari beta-glukosa. Selulosa memiliki sifat berbentuk senyawa berserat, mempunyai tegangan tarik yang tinggi, tidak larut dalam air dan pelarut organik. Gambar 1. Rumus Molekul Selulosa Selulosa merupakan unsur yang penting dalam proses pembuatan pulp, semakin banyak selulosa yang terkandung dalam pulp maka semakin baik kualitas pulp tersebut. Berdasarkan derajat polimerisasi (DP), selulosa dibedakan atas tiga jenis yaitu: 1.Selulosa α (Alpha Cellulose) merupakan selulosa berantai panjang, tidak larut dalam larutan NaOH 17,5% atau larutan basa kuat dengan DP (derajat polimerisasi) berkisar Selulosa α dipakai sebagai penduga dan atau penentu tingkat kemurnian selulosa. 2.Selulosa β (Betha Cellulose) merupakan selulosa berantai pendek, larut dalam larutan NaOH 17,5% atau basa kuat dengan DP berkisar 15-90, dapat mengendap bila dinetralkan. 3.Selulosa γ (Gamma cellulose) merupakan selulosa berantai pendek, larut dalam larutan NaOH 17,5% atau basa kuat dengan DP kurang daripada 15. Lignin Lignin zat yang bersama-sama dengan selulosa merupakan salah satu sel yang terdapat dalam kayu. Lignin berguna dalam kayu seperti lem atau semen yang mengikat sel-sel lain dalam satu kesatuan, sehingga bisa menambah support dan kekuatan kayu (mechanical strength) agar kokoh dan berdiri tegak. Lignin memiliki struktur kimiawi yang bercabang-cabang dan berbentuk polimer tiga dimensi. Molekul dasar lignin adalah fenil propan. Oleh karena ukuran dan strukturnya yang tiga dimensi bisa memungkinkan lignin berfungsi sebagai semen atau lem bagi kayu yang dapat mengikat serat dan memberikan kekerasan struktur serat. Bagian tengah lamela pada sel kayu, sebagian besar terdiri dari lignin, berikatan dengan sel-sel lain dan menambah kekuatan struktur kayu. Dinding sel juga mengandung lignin. Pada dinding sel, lignin bersama-sama dengan hemiselulosa membentuk matriks (semen) yang mengikat serat-serat halus selulosa. Lignin di dalam kayu memiliki persentase yang berbeda tergantung dari jenis kayu (Casey, 1951). Gambar 2. Struktur Lignin C-324

3 Hemiselulosa Hemiselulosa merupakan senyawa sejenis polisakarida yang terdapat pada semua jenis serat, mudah larut dalam alkali, dan mudah terhidrolisis oleh asam mineral menjadi gula dan senyawa lain. Hemiselulosa lebih mudah larut dari pada selulosa dan dapat diisolasi dari kayu dengan ekstraksi. Gambar 3. Senyawa Hemiselulosa Pada proses pengambilan selulosa dengan proses kimia terdapat berbagai macam cara yaitu : proses soda, proses sulfat, proses sulfit, proses soda-khlor dan proses soda-nitrat. 1).Proses Soda: Larutan yang dipergunakan ialah Natrium Hydroksida dan Natrum Karbonat. Larutan soda akan menghidrolisa lignin dan zat pengikat serat yang lain sehingga serat yang terdapat dalam bahan baku akan terlepas. Proses dijalankan pada suhu antara 165 sampai dengan C, tekanan psi dan waktu 6 8 jam, selulosa hasil ukurannya pendek dan kurang kuat, berwarna coklat tetapi mudah untuk dilakukan pemutihan (Shreve, 1977). 2). Proses Sulfat: Pada proses ini dikenal dengan nama proses kraft yang menggunakan larutan pemasak yang terdiri dari NaOH, Na 2 S dan Na 2 CO 3. Hasil yang diperoleh relatif lebih baik untuk kuat tariknya tetapi warnanya kurang baik sehingga diperlukan bahan pemutih lebih banyak. Pemasakan dilakukan pada suhu antara C, tekanan psi dan waktu 2 sampai dengan 5 jam (Shreve, 1977). 3).Proses Sulfit:Larutan pemasak bersifat asam yaitu larutan bisulfit dari Ca(HSO 3 ) 2 atau Mg(HSO 3 ) 2, Pemasakan dilakukan pada suhu antara C, tekanan 70 sampai dengan 90 psi dan waktu 7 sampai dengan 12 jam, Dalam proses pemasakan bahan dasar yang berwarna ini akan menghasilkan selulosa yang berwarna putih dan akan terpecah serta membentuk Lignosulfonat (Stephenson, 1950). 3).Proses Soda-Khlor:Bahan kimia yang dipergunakan adalah NaOH, gas khlor dan larutan CaOCl 2. Pemasakan dijalankan pada suhu antara C, tekanan 1 atmosfir dan waktu 4 sampai dengan 5 jam (Stephenson, 1950). 4).Proses soda-khlor atau disebut juga proses pomilio ini merupakan proses kontinyu yang terdiri atas beberapa tingkatan proses yaitu pemasakan dengan larutan soda, khlorinasi dengan memakai gas khlor, pencucian dengan larutan soda encer dan proses pemutihan dengan mengalirkan gas khlor sehingga lignin yang mengikat khlor larut didalam cairan pemasaknya (Casey,1981). 5). Proses Soda Nitrat: Pada proses ini bahan baku direbus dengan HNO 3 dalam penangas air. Bahan yang telah diolah dengan HNO 3 direbus kembali dengan larutan NaOH dalam waktu 45 menit pada kondisi suhu 98 0 C. Pada proses ini asam nitrat akan mengoksidasi dan menghidrolisa lignin hingga didapatkan lignin yang mudah larut dalam alkali encer. Pentosan dan karbohidrat juga akan diserang oleh asam nitrat akan tetapi selulosa sendiri hampir tidak mengalami perubahan. Zat padat hasil selanjutnya diolah kembali menggunakan larutan soda encer. Lignin yang telah rusak bereaksi dengan NaOH menjadi Na Lignat yang akan larut dalam pencucian. (Agra, 1979). Dengan semakin meningkatnya kebutuhan yang besar akan pulp untuk industri kertas perlu dilakukan penelitian sebagai upaya pemenuhan pulp serat panjang dari bahan-bahan alternatif mengingat terbatasnya kayu sebagai bahan baku, mengurangi import pulp serat panjang serta sebagai upaya meminimalisir dampak pencemaran dari proses pemisahan tepung dari tanaman aren. C-325

4 Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk mempelajari pengaruh waktu hidrolisis, konsentrasi pelarut (NaOH) serta kecepatan pengadukan terhadap yield pulp, kadar α selulosa dengan proses nitrat soda. METODE PENELITIAN Serat dimasukkan dalam labu leher tiga 500 ml yang dilengkapi dengan pengaduk dan pendingin balik. Pada delignifikasi dengan proses nitrat soda, larutan asam nitrat ditambahkan dalam labu yang berisi serat dengan volume dan konsentrasi yang telah ditentukan. Setelah dilakukan pemanasan dan pengadukan dengan selang waktu tertentu, hasilnya disaring dan dicuci dengan air panas sampai air cucian bebas asam. Serat dimasukkan kedalam labu leher tiga kembali dan larutan NaOH ditambahkan dengan konsentrasi dan volume yang telah ditentukan, kemudian dipanaskan dan diaduk pada selang waktu tertentu, kemudian disaring dan dicuci sampai bebas basa, selulosa hasil yang diperoleh dikeringkan dalam oven. Proses delignifikasi menggunakan rangkaian peralatan seperti pada gambar 3. Keterangan gambar : 1. Oil bath 2. Labu leher tiga 3. Thermometer 4. Motor pengaduk 5. Pendingin balik Gambar 3. Rangkaian alat proses PEMBAHASAN Pengaruh konsentrasi natrium hydroksida Kondisi proses : berat bahan 10 gram, volume HNO ml, konsentrasi HNO 3 5%, waktu 1 jam, suhu proses 103 ± 2 0 C, kec. pengadukan 300 rpm, volume NaOH 400 ml, waktu 1 jam, Suhu 103 ± 2 0 C, kecepatan pengadukan 300 rpm. Tabel 2. Pengaruh konsentrasi NaOH terhadap yield pulp, kadar α selulosa NaoH (%) yield pulp (%) Kadar α selulose (%) ,63 2,5 75,24 80,89 5,0 60,32 80,87 6,0 57,16 82,65 7,5 54,42 84,13 9,0 52,87 82,96 10,0 51,08 82,28 C-326

5 Dari Tabel 2 serta Gambar 4, penggunaan larutan asam nitrat sebagai pemecah struktur ikatan lignin dan serat cukup berpengaruh sehingga pada proses tahap kedua menggunakan larutan NaOH untuk melarutkan lignin akan lebih efektif. Kenaikan konsentrasi NaOH dapat menaikkan daya larut lignin dalam NaOH, sehingga kadar α selulosa semakin meningkat dan jumlah lignin semakin menurun. Kadar α selulosa optimum tercapai pada konsentrasi NaOH 7,5% sebesar 84,13% serta yield pulp 54,42%, setelah konsentrasi optimum kenaikan konsentrasi NaOH yang lebih tinggi tidak berpengaruh terhadap kenaikan yield pulp dan kadar α selulosa bahkan cenderung mengalami penurunan hal ini disebabkan selulosa sebagian ikut terlarut sehingga prosentase bahan lain semakin besar. Pengaruh waktu proses pada proses Variabel waktu sebagai variabel tidak tetap pada proses nitrat soda bertujuan untuk mengetahui pengaruh waktu proses terhadap yield pulp, kadar α selulosa, sedangkan variabel tetap dipergunakan konsentrasi NaOH optimum yang telah dicapai yaitu konsentrasi NaOH 7,5%. Kondisi proses: berat bahan 10 gram, volume HNO ml, konsentrasi HNO 3 7,5%, waktu 1 jam, suhu proses 103 ± 2 0 C, kecepatan pengadukan 300 rpm, volume NaOH 400 ml, Suhu 103 ± 2 0 C, kecepatan pengadukan 300 rpm dengan variabel tidak tetap berupa lama waktu proses. Tabel 3. Pengaruh waktu proses terhadap terhadap yield pulp, kadar α selulosa Waktu (jam) yield pulp (%) Kadar α selulose (%) ,63 1,00 54,42 84,13 1,25 36,40 93,25 1,50 33,29 95,34 1,75 32,76 91,35 2,00 31,73 91,27 2,50 34,62 89,47 C-327

6 Dari Tabel 3 dan Gambar 5, dengan jumlah dan konsentrasi HNO 3 dan NaOH yang tetap, waktu proses sangat berpengaruh terhadap yield pulp, kadar α selulosa dan lignin yang dapat terpisahkan. Semakin lama waktu proses yield pulp, kadar α selulosa dan jumlah lignin yang dapat terpisahkan semakin menurun, sedangkan kadar α selulosa semakin meningkat hingga dicapai waktu optimum tercapai yaitu selama 1,5 jam, setelah itu mengalami penurunan. Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama waktu proses maka semakin banyak lignin yang dapat terlarut dalam NaOH, tetapi pada waktu proses 1,5 jam hingga 2,5 jam relatif konstan sehingga waktu sudah tidak terlalu berpengaruh terhadap proses transfer massa lignin dari bahan ke pelarut NaOH, karena proses transfer massa sudah mencapai kesetimbangan atau pelarut sudah mengalami kejenuhan terhadap kadar lignin. Secara keseluruhan yield pulp mengalami penurunan pada saat lignin mencapai kesetimbangan, α selulosa ikut terlarut dalam NaOH sehingga menyebabkan penurunan yield pulp. Pengaruh kecepatan pengadukan Variabel kecepatan pengadukan sebagai variabel tidak tetap pada proses nitrat soda bertujuan untuk mengetahui pengaruh kecepatan pengadukan terhadap yield pulp, kadar α selulosa, sedangkan variabel tetap dipergunakan konsentrasi NaOH optimum yang telah dicapai yaitu konsentrasi NaOH 7,5% serta waktu optimum 1,5 jam. Tabel 4. Pengaruh kecepatan pengadukan terhadap yield pulp, kadar α selulosa Kecepatan (rpm) yield pulp Kadar α selulose (%) (%) , ,36 83, ,58 89, ,72 95, ,41 95, ,47 95, ,35 94,92 Dari tabel 4 serta gambar 6 dapat dilihat bahwa dengan pengadukan semakin cepat jumlah produk hasil dan jumlah lignin yang dapat terpisahkan semakin menurun, sedangkan kadar α selulosa semakin meningkat hingga dicapai kecepatan optimum tercapai yaitu 400 rpm, setelah itu mengalami penurunan. Hal ini menunjukkan bahwa pengadukan semakin cepat makin banyak lignin yang dapat terlarut dalam NaOH, tetapi pada kecepatan 300 rpm hingga 500 rpm relatif konstan sehingga kecepatan pengadukan sudah tidak terlalu berpengaruh terhadap proses transfer massa lignin, secara keseluruhan yield pulp mengalami penurunan karena α selulosa ikut terlarut dalam NaOH, secara fisis produk pulp pada kondisi optimum seperti terlihat pada Gambar 7 dan Gambar 8. C-328

7 Gambar 7. Fisis serat Gambar 8. Struktur serat pembesaran 100x KESIMPULAN 1. Serat aren dapat diproses menjadi selulosa dengan proses delignifikasi nitrat soda 2. Pada proses delignifikasi menggunakan nitrat soda dengan berat bahan 10 gram, volume HNO ml, konsentrasi HNO 3 7,5%, waktu 1 jam, suhu proses 103 ± 2 0 C, kecepatan pengadukan 400 rpm, volume NaOH 400 ml, diperolah kondisi relatip baik dengan menggunakan konsentrasi NaOH 7,5% dengan waktu 1,5 jam. Pada kondisi tersebut diperoleh hasil : yield produk 33,41%.kadar α selulosa 95,74% dan dapat dikategorikan sebagai pulp serat panjang UCAPAN TERIMA KASIH Peneliti mengucapkan terima kasih kepada Kopertis Wilayah V Daerah Istimewa Yogyakarta yang telah menyetujui,mendukung dan membiayai penelitian ini melalui Penelitian Hibah Dosen Pemula Nomor DIPA : DIPA/ /2014. DAFTAR PUSTAKA Agra, I.B., Warnijati, S and Hanafi., 1970, Nitric Acid Pulping of Kapok (Ceiba Pentandra) Wood, Research Journal, vol.3 No. 5, pp Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Brunow G , Methods to Reveal the Structure of Lignin. In:Hofrichter M and Steinbu chel A (eds) Lignin, Humic Substances and Coal, vol. 1, pp Weinheim: Wiley-VHC. Casey, P.J., 1951, Pulp and Paper, Vol III, 3 ed., pp 4-19, Van Norstrand Reinhold Company, New York. Donaldson, L. A., Determination of lignin distribution in agricultural fibres, Wood Processing Division, New Zealand Forest Research Institute. 4418, C-329

8 Fengel, D., 1995, Kimia Kayu Ultrastruktur dan Reaksi-Reaksi, UGM Press, Yogyakarta Gibbs., 1958, Enzymatic bleaching of wood pulp, School of Biological Sciences, University of Macquarie, Sydney, New South Wales. Kenneth, W. Britt., 1970, Handbook of Pulp and Paper Technology, 2 nd edition, revised and enlarged, Nab Nostrand Company, New York. Muzzie, M. D., 2006, Hemiselulosa and Lignin, New Jersey. Perez, J., J. Munoz-Dorado, T. de la Rubia, and J. Martinez., Biodegradation and biological treatments of cellulose, hemicellulose, and lignin : an overview. Int. Microbiol. 5: Radley, J. A., 1954, Starch Production Technology. Applied Science Publisher Ltd. London. Shreve, R.N., 1977, The Chemical Process Industries, 2ed., pp , Mc Graw Hill Book Company, Inc., New York Smook, G. A., 1989, Handbook for Pulp & Paper Technologist, Edisi Keenam, Hlm Stephenson, J.N.,1950, Pulp and Paper Manufacture, Vol I, pp , Mc Graw Hill Book Company, Inc., New York. C-330