DELIGNIFIKASI TANDAN KOSONG SAWIT DALAM MEDIA ASAM FORMIAT

Transkripsi

1 DELIGNIFIKASI TANDAN KOSONG SAWIT DALAM MEDIA ASAM FORMIAT Feuby Lady Mariana, Zulfansyah dan Muhammad Iwan Fermi Jurusan Teknik Kimia Universitas Riau zulfansyah@unri.ac.id ABSTRAK Tandan kosong sawit (TKS) yang dihasilkan oleh pabrik CPO merupakan bahan lignoselulosa terdiri dari selulosa, hemiselulosa dan lignin. Sayangnya, pemanfaatan limbah ini tidak optimal sehingga menimbulkan pencemaran lingkungan. Penelitian ini mempelajari perilaku delignifikasi melalui fraksionasi TKS dalam media asam formiat untuk meningkatkan kemungkinan proses pemasakan satu tahap. Asam formiat dengan konsentrasi 70-90%-berat, asam peroksida dengan konsentrasi 5%-berat sebagai katalisator, dan waktu reaksi menit digunakan sebagai kondisi operasi, sehingga akan didapat yield pulp, kadar lignin pulp dan lignin sisa TKS. Hasil penelitian menunjukkan mekanisme delignifikasi merupakan reaksi paralel orde satu. Model yang ada untuk delignifikasi biomassa dalam media asam organik ternyata sesuai untuk menggambarkan perilaku delignifikasi TKS dalam media asam formiat. Selain itu, kenaikan konsentrasi asam formiat ternyata tidak mempengaruhi selektifitas delignifikasi. Kata Kunci : asam formiat, delignifikasi, organosolv pulping, TKS PENDAHULUAN Tandan kosong sawit (TKS) merupakan limbah padat berlignoselulosa yang memiliki kadar selulosa, lignin dan hemiselulosa. Limbah ini berasal dari pengolahan tandan buah segar (TBS) menjadi crude palm oil (CPO). Pada tahun 2010, diperkirakan jumlah produksi TKS mencapai 12 juta ton per tahun [Darianto 2008]. Setiap pengolahan 1 ton TBS akan menghasilkan limbah padat berupa TKS sebanyak kg. Jumlah biomassa yang dikeluarkan cukup besar sehingga jika tidak dimanfaatkan berpotensi menimbulkan dampak negatif bagi lingkungan. Selama ini, penanganan limbah TKS dilakukan dengan cara membakar TKS pada incenerator sehingga dihasilkan abu yang bisa dijadikan pupuk kalium. Penanganan dengan cara tersebut selain tidak ekonomis juga ISBN Prosiding :

2 Prosiding : PROSIDING III berdampak negatif terhadap lingkungan yaitu terjadinya pencemaran udara oleh asap hasil proses pembakaran TKS. Pemrosesan biomassa dengan metode fraksionasi menjadi alternatif yang menarik untuk dikembangkan. Metode ini menggunakan pelarut organik yang mampu memilah biomassa secara selektif menjadi selulosa, hemiselulosa dan lignin, sehingga dapat digunakan sebagai bahan baku sejumlah produk. Metoda fraksionasi juga memiliki beberapa keunggulan seperti proses yang relatif lebih murah, ramah lingkungan dan membutuhkan energi lebih sedikit dibandingkan dengan proses konvensional. Upaya pemanfaatan TKS dengan metode fraksionasi tidak hanya akan memberikan nilai tambah bagi limbah tersebut tetapi juga mampu meminimalkan dampak negatif pada lingkungan. Beberapa pelarut organik yang digunakan sebagai media fraksionasi adalah alkohol, asam, amina, keton, ester, fenol dan turunan fenol [Shatalov dkk dan Jahan dkk. 2007]. Pelarut asam formiat merupakan salah satu asam organik yang dapat dijadikan sebagai media fraksionasi (cairan pemasak) untuk berbagai biomassa bukan kayu seperti batang gandum [Kham dkk. 2005], TKS [Azman dkk dan Dewi 2007] dan batang cardoon [Ligero dkk. 2008]. Keunggulan asam formiat dibanding pelarut organik lainnya adalah dapat dilakukan pada suhu dan tekanan rendah, dengan dan tanpa katalis serta harga yang relatif lebih murah. Proses delignifikasi merupakan proses penyisihan lignin dari biomassa dengan memprosesnya dalam media pelarut organik yang diharapkan lignin larut dalam pelarut. Selama proses delignifikasi berlangsung, terjadi reaksi pemutusan ikatan makromolekul lignin oleh ion H + dari pelarut dimana ikatan lignin lepas membentuk fraksi lignin kemudian larut dalam pelarut, selanjutnya lignin dengan mudah disisihkan. Jika tujuan utama fraksionasi menghasilkan pulp maka diperlukan delignifikasi maksimal oleh media pelarut sehingga diperoleh pulp dengan kadar selulosa tinggi. Selama ini, delignifikasi biomassa dalam media asam organik dipengaruhi oleh beberapa kondisi operasi seperti konsentrasi pelarut, konsentrasi katalis dan waktu reaksi. Selain itu, delignifikasi bergantung pada jenis biomassa dan pelarut organik yang digunakan [Parajo dkk. 1993, Vazquez 1995 dan Villaverde dkk. 2009]. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari proses delignifikasi TKS dalam media asam formiat, sebagai kajian lanjut fraksionasi TKS dalam media asam formiat [Dewi 2007]. Selain itu, penelitian ini juga bertujuan untuk mengkaji perilaku delignifikasi TKS yang terjadi selama proses delignifikasi berlangsung. Upaya ini dilakukan untuk mengetahui kehandalan dan kemampuan asam formiat dalam menyisihkan lignin TKS. Kemudian peningkatan konsentrasi asam formiat dan waktu reaksi diharapkan mampu memperbesar jumlah lignin yang dapat disisihkan. BAHAN DAN METODE Bahan baku yang digunakan pada penelitian ini adalah tandan kosong sawit (TKS) dari pabrik CPO PTPN V Sei. Galuh. Sebelum digunakan sebagai bahan baku, TKS dibersihkan terlebih dahulu dan dirajang dengan panjang seragam ± 2 cm kemudian TKS dikeringkan di bawah sinar matahari untuk mengurangi kadar 218

3 PROSIDING III Prosiding : airnya. Sebagian kecil TKS dianalisis untuk mengetahui kadar lignin sebelum delignifikasi. Percobaan dilakukan dalam erlenmeyer 1000 ml secara batch yang dilengkapi dengan erlenmeyer 250 ml dan hot plate. Skema percobaan delignifikasi TKS berdasarkan metode yang dilakukan oleh Villaverde dkk. [2009], dapat dilihat pada Gambar 1. Tahap-tahap percobaan meliputi, pemasakan, penyaringan, pencucian padatan, pengeringan dan analisa lignin dalam pulp. Sedang analisa cairan hasil pemasakan tidak dilakukan. Gambar 1. Skema Percobaan Delignifikasi Tandan Kosong Sawit Media asam formiat yang digunakan dalam percobaan merupakan campuran asam formiat dengan variasi konsentrasi (70%, 80% dan 90%-berat), air dan H 2 O 2 5%-berat. TKS diproses dalam waktu berbeda (5, 10, 15, 30, 45, 60, 90, 120 dan 240 menit) dengan perbandingan larutan padatan 10/1, temperatur 107 o C (titik didih normal cairan pemasak) yang dibuat tetap. Pengamatan variabel percobaan terhadap kondisi operasi yang dipelajari yaitu perolehan pulp dan kadar lignin pulp. Pengujian kadar lignin pulp dilakukan dengan menggunakan metode SII Data hasil percobaan disesuaikan dengan model teoritis secara regresi non-linear menggunakan Polymath 6.1 Educational Version untuk mendapatkan parameter delignifikasi yang menggambarkan perilaku delignifikasi TKS dalam media asam formiat. HASIL DAN PEMBAHASAN KOMPOSISI BAHAN BAKU Hasil analisa komposisi kimia tandan kosong sawit berupa lignin TKS sebesar 15,84% dan sisanya polisakarida. Hasil yang diperoleh sebanding dengan hasil dari Azman dkk. [2002] untuk bahan baku sama. Jika dibanding lignin yang 219

4 Prosiding : PROSIDING III terdapat dalam kayu keras (23-30%) maupun kayu lunak (26-34%), lignin TKS relatif lebih rendah sehingga membuktikan TKS mudah untuk didelignifikasi. DELIGNIFIKASI Delignifikasi biomassa dalam media asam organik telah dimodelkan oleh beberapa peneliti [Parajo dkk dan Vazquez dkk. 1995], dengan beberapa asumsi dalam mekanisme yang terjadi dalam proses delignifikasi. Perilaku delignifikasi TKS yang didapat mendekati model dari Parajo dkk. [1993] dengan asumsi adanya dua fraksi lignin dalam biomassa, yaitu fraksi lignin bereaksi cepat, (Lf) dan fraksi lignin bereaksi lambat, (Ls). Kedua fraksi tersebut mengalami depolimerisasi dengan kelajuan berbeda menghasilkan lignin terlarut, (Ld). Sedangkan Vazquez dkk. [1995] mengasumsikan bahwa mekanisme delignifikasi terjadi dengan reaksi seri orde satu tanpa membedakan fraksi cepat maupun fraksi lambat. Secara sederhana mekanisme yang terjadi pada proses delignifikasi TKS dalam media asam formiat adalah reaksi paralel orde satu sebagai berikut: Lf Ld.... (1) Ls Ld... (2) Model delignifikasi ditunjukkan pada persamaan (3): dengan, PRL = lignin sisa, % Y = perolehan pulp, % L C = kadar lignin setelah delignifikasi, % L CO = lignin sebelum delignifikasi, % = fraksi lignin yang bereaksi cepat t = waktu reaksi, menit k f = koefisien fraksi lignin bereaksi cepat =koefisien fraksi lignin bereaksi lambat k s... (3) Tabel 1. menyajikan nilai parameter delignifikasi yang dihitung secara regresi non-linear menyesuaikan model terhadap data percobaan untuk menentukan mekanisme paling sesuai dalam delignifikasi TKS. Dari parameter delignifikasi yang dihasilkan menunjukkan model Parajo dkk. [1993] memiliki R- square >95%. Gambar 2. menggambarkan secara jelas perilaku delignifikasi TKS dalam media asam formiat. Penurunan perolehan lignin sisa terhadap peningkatan waktu reaksi menunjukkan bahwa mekanisme delignifikasi terjadi dalam dua tahap dengan laju berbeda. Delignifikasi berlangsung sangat cepat pada tahap 220

5 PROSIDING III Prosiding : awal reaksi (5-15 menit) dan berlangsung sangat lambat pada tahap berikutnya. Pada tahap awal persentase lignin sisa mencapai 35% dari lignin awal biomassa, artinya jumlah lignin yang dapat disisihkan mencapai 65% dari lignin awal TKS sebelum delignifikasi dan bereaksi cepat dengan pelarut. Untuk penambahan waktu reaksi yang lebih lama (sampai 240 menit) ternyata penurunannya hanya bertambah 5% dan lignin bereaksi lambat dengan pelarut. Perilaku delignifikasi TKS dalam media asam formiat mengikuti trend umum dalam delignifikasi pulping, baik proses konvensional (kraft) [Thomas dkk. 2007] maupun proses organosolv [Parajo dkk. 1993, Vazquez dkk. 1995, Fadhlah dkk. 2002, Kham dkk dan Villaverde 2009], yaitu awal terjadi delignifikasi sangat cepat (bulk delignifikasi) dan diikuti dengan delignifikasi lambat (residual delignifikasi). Kenaikan konsentrasi asam formiat sebagai pelarut dan peningkatan waktu reaksi juga memperbesar derajat delignifikasi TKS. Semakin tinggi konsentrasi asam formiat maka semakin tinggi kemampuan pelarut dalam menyisihkan lignin karena semakin banyak jumlah ion H + yang dapat memutus ikatan lignin dari makromolekul lignin. Selain itu, lamanya waktu reaksi dapat memperbesar jumlah lignin tersisihkan karena semakin banyak lignin yang dapat bereaksi dengan pelarut. Namun reaksi lignin dengan pelarut ternyata semakin lama akan menjadi lambat seiring dengan peningkatan waktu reaksi. Kemudian dalam kondisi proses yang dipelajari, pengaruh penambahan katalis ternyata tidak mengakibatkan terjadinya polimerisasi kembali lignin terlarut, terlihat dari persentase lignin sisa yang cenderung terus menurun dari waktu ke waktu. Tabel 1. Hasil Regresi Non-Linear Menggunakan Model-Model Delignifikasi Model Parajo dkk. [1993] Vazquez dkk. [1995] Parameter Delignifikasi Konsentrasi Asam Formiat (%-berat) Α 0,587 0,644 0,695 k f 0,260 0,406 0,428 k s 2,54x10-3 1,4 x ,91x 10-3 R 2 97,57 98,82 99,67 C 1 0,806 0,759 0,773 K 1,63 x ,41x ,82 x 10-3 R 2 61,82 59,59 70,80 PEROLEHAN PULP DAN KADAR LIGNIN PULP Hasil percobaan dari variasi variabel operasi menghasilkan pulp dengan yield dan kadar lignin seperti yang ditampilkan dalam Tabel 2. Secara keseluruhan, yield yang dihasilkan berkisar dalam rentang 35-63% dengan kadar lignin pulp 8-13,5%. Peningkatan waktu reaksi pada rentang harga variabel yang dipilih ( menit) memberikan perolehan pulp sekitar 35-48% dengan kadar lignin pulp 8-11,2%. Perolehan pulp dari hasil penelitian lebih rendah jika 221

6 Prosiding : PROSIDING III dibandingkan dengan pulp berbahan baku kayu yang diproses dengan pelarut sama [Dapia dkk. 2003]. Gambar 2. Perilaku Delignifikasi Tandan Kosong Sawit Dalam Media Asam Formiat Perolehan pulp menurut standar industri pulp berkisar antara 40-55%, sehingga hasil yang diperoleh dari penelitian ini memenuhi standar untuk digunakan sebagai bahan baku kertas. Namun, perolehan pulp yang didapat ternyata lebih tinggi jika dibandingkan dengan hasil penelitian Azman dkk dan Dewi 2007 dengan bahan baku dan media pelarut sama. Perolehan pulp TKS yang dihasilkan oleh Azman dkk. [2002] berkisar antara 32,8-42,3% dan Dewi [2007] sekitar 19,3-39,73%. Dari penelitian Snell dkk. [2004] yang mengkaji percobaan pembuatan pulp TKS dengan larutan pemasak KOH dari abu TKS menghasilkan yield pulp sebesar 40% maka hasil pada penelitian delignifikasi TKS dalam media asam formiat juga masih lebih tinggi. Kadar lignin pulp yang didapat cukup berimbang jika dibandingkan dengan hasil dari penelitian Snell et al. [2004]. Penelitian Snell dkk. [2004] menghasilkan kadar lignin pulp sekitar 10%. Sedangkan jika dibandingkan dengan kadar lignin pulp dari bahan baku kayu, kadar lignin pulp yang didapat hampir berimbang. Umumnya pulp dari bahan baku kayu menurut standar industri pulp menghasilkan pulp dengan kadar lignin antara 4,3-14,4% sehingga kadar lignin yang didapat masih memenuhi standar industri pulp. 222

7 PROSIDING III Prosiding : Tabel 2. Hasil Percobaan pada Variasi Variabel Operasi Run Variabel Operasi Yield Pulp Kadar Lignin Konsentrasi Asam Formiat Waktu (%) (%) (%-berat) (menit) ,120 13, ,732 13, ,504 13, ,093 12, ,640 12, ,612 11, ,498 11, ,561 10, ,438 10, ,507 12, ,844 12, ,305 11, ,800 11, ,317 10, ,924 10, ,866 9, ,868 9, ,117 9, ,637 13, ,672 12, ,861 11, ,168 11, ,682 11, ,654 10, ,173 9, ,838 9, ,611 8,033 SELEKTIFITAS Adanya penambahan sejumlah kecil katalis H 2 O 2 dalam asam formiat memberikan pengaruh positif terhadap delignifikasi. Penambahan hidrogen peroksida dalam asam formiat akan membentuk asam peroksiformiat sehingga mempercepat berlangsungnya delignifikasi dan melindungi selulosa dari hidrolisis asam formiat [Azman dkk 2002 dan Kham 2005]. Hasil percobaan juga menunjukkan bahwa hidrogen peroksida sebagai katalis menambah kelarutan lignin dalam cairan pemasak dan mempercepat reaksi yang terjadi sehingga meningkatkan derajat delignifikasi. Selain itu, H 2 O 2 tidak reaktif terhadap polisakarida dapat memperbesar selektifitas delignifikasi.selektifitas delignifikasi dapat dihitung dari perbandingan yield pulp terhadap persentase lignin sisa. Pada Gambar 3. menyajikan selektifitas delignifikasi TKS dalam media asam formiat terhadap variabel operasi yang digunakan. Peningkatan konsentrasi asam formiat dari 70% menjadi 90% ternyata tidak memberikan pengaruh terhadap selektifitas delignifikasi. Kecenderungan nilai perbandingan yield pulp dan persentase lignin sisa untuk peningkatan konsentrasi asam formiat hampir sama, yang ditandai dengan garis linear. 223

8 Prosiding : PROSIDING III Gambar 3. Selektifitas Delignifikasi Tandan Kosong Sawit dalam Media Asam Formiat KESIMPULAN Penelitian delignifikasi TKS dalam media asam formiat memberikan beberapa kesimpulan yaitu, delignifikasi TKS dalam media asam formiat dengan konsentrasi asam formiat 70, 80 dan 90%-berat serta katalis H 2 O 2 5%-berat dapat terjadi dan peningkatan konsentrasi asam formiat memperbesar jumlah lignin yang dapat disisihkan dari TKS. Perilaku delignifikasi TKS dalam media asam formiat yang diperoleh juga menguatkan kembali asumsi mekanisme delignifikasi yang diajukan Parajo dkk. [1993], bahwa lignin bereaksi terdiri dari fraksi lignin cepat dan lambat berupa reaksi paralel orde satu, dengan tingkat kesesuaian model pada data percobaan melebihi 95% (R-square > 95%). Selain itu, peningkatan konsentrasi asam formiat ternyata tidak memberikan pengaruh terhadap selektifitas delignifikasi. DAFTAR PUSTAKA 1. Azman, N., A. E. Putra, Zulfansyah dan P.S Utama, 2002, Pembuatan Pulp dari Tandan Kosong Sawit dengan Proses Milox, Prosiding Skripsi Terbaik Universitas Riau 2002, Lembaga Penelitian Universitas Riau, Pekanbaru. 2. Dapia S., H. Sixta, Borgards A., Harms H., Parajó J.C., 2003, TCF Bleaching of Hardwood Pulps Obtained in Organic Acid Media: Production of Viscose- Grade Pulp, Das Papier, 61: Darianto, J.S., 2008, Limbah Sawit, Bahan Baku Pulp yang Murah, 21 November Dewi S. K., 2007, Pembuatan Pulp Tandan Kosong Sawit Dengan Proses Milox Tahap Tunggal. Laporan Peneltian [Tidak Dipublikasikan], Sarjana Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Riau. 224

9 PROSIDING III Prosiding : 5. Fadhlah, S., Indra, A., Zulfansyah dan Peratenta, M., 2002, Delignifikasi Sisa Ketaman Kayu Dalam Media Asam Asetat, Prosiding Seminar Nasional Pengembangan Teknologi Proses dan Pemanfaatannya Teknik Kimia 2002, Medan: A Jahan M. S., Rubaiyat A., Sabina R., 2007, Evaluation of Cooking Process for Trema Orientalis Pulping, Pulp and Paper Research Division, 66: Kham L., Bigot Y. L., Delmas M., Avignon G., 2005, Delignification of Wheat Straw Using A Mixture of Carboxylic Acids and Peroxoacids, Industrial Crops and Products An International Journal, 21: Ligero P., Villaverde J. J, Vega A., Bao M., 2008, Pulping cardoon (Cynara cardunculus) with Peroxiformic Acis (Milox) in One Single Stage, Bioresource Technology, 99: Parajo J.C., Alonso J.L, and Vazquez D., 1993, On The Behavior of Lignin And Hemicellulose During Acetosolv Processing, Bioresource Technology, 46: Shatalov A. A., Pereira H., 2006, Papermaking Fibers from Giant Reed (Arundo Donax L.) by Advanced Ecologically Friendly Pulping and Bleaching Technologies, Bioresource Technology, 1(1), Thomas R., Singh S. P. dan Subrahmanyam S. V., 2007, A Study On Oxygen Delignification of Melocanna Baccifera (Muli Bamboo) Kraft Pulp, Bioresource Technology, 2(3), Vazquez G., Antorrena G. Gonzales J., 1995, Acetosolv Pulping of Eucalyptus Globulus Wood by Acetic. Part I. The Effect of Operational Variable on Pulp Yield, Pulp Lignin Content and Pulp Potential Glucose Content, Wood Science and Technology, 28: Villaverde J. J., Ligero P., Vega A., 2009, Formic And Acetic Acid as Agent for a Cleaner Fractionation of Miscanthus x gigantus, Journal of Cleaner Production, 18: