BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Saat ini bahan bakar transportasi umumnya masih bergantung pada sumber daya fosil. Ketergantungan terhadap energi berbasis fosil dialami hampir di setiap negara termasuk Indonesia. Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia mencatat bahwa konsumsi energi nasional pada tahun 2011 masih didominasi oleh energi fosil, yaitu minyak bumi sebesar 594 juta SBM (Setara Barel Minyak) atau sebesar 39% dari total konsumsi energi nasional, diikuti batu bara sebesar 334 juta SBM atau sebanyak 22%, biomassa sebesar 280 juta SBM atau 18%, gas alam sebesar 261 juta SBM atau 17%, tenaga air sebesar 31 juta SBM atau 2%, dan panas bumi sebesar 15 juta SBM atau 1%. Namun ketergantungan ini tidak diimbangi dengan ketersediaan sumber bahan bakar fosil yang memadai. Selain itu, harga yang fluktuatif dari minyak dunia sebagai salah satu jenis bahan bakar fosil dan tingginya emisi gas CO 2 dari pembakaran bahan bakar fosil membuat penggunaan bahan bakar fosil perlu dipertimbangkan kembali (Zhou dkk., 2011). Dalam upaya menanggulangi hal ini, Indonesia yang dikenal memiliki sumber daya alam melimpah sangat berpotensi dalam bidang energi alternatif dari biomassa. Hanya 18% dari total data konsumsi energi nasional yang menunjukkan penggunaan energi biomassa. Merujuk pada permasalahan ketergantungan terhadap bahan bakar fosil maka energi biomassa dapat menjadi energi alternatif yang dapat menyokong kebutuhan energi Indonesia di masa depan. Keuntungan penggunaan biomassa sebagai sumber energi diantaranya adalah sumber yang melimpah, murah, dan dapat diperbaharui. Potensi energi dari limbah biomassa lignoselulosa di Indonesia sebagian besar muncul dari sektor pertanian dan kehutanan serta sampah perkotaan. Pada tahun 2012, peta potensi energi limbah biomassa terdiri dari 3 komoditas yang potensial yaitu padi, jagung, dan singkong (ESDM, 2013). Badan pusat statistik mencatat, produksi jagung Indonesia mencapai 17.643.250 ton pada tahun 2011. Akibat dari 1
2 jumlah produksi yang cukup besar, dihasilkan pula limbah pertanian dari jagung termasuk corn stover dalam kuantitas tinggi. Limbah jerami jagung (corn stover) merupakan sisa dari tanaman jagung berupa jerami setelah buahnya dipanen. Selulosa yang dimiliki jerami jagung cukup tinggi. Namun, pemanfaatan jerami jagung ini sebagian besar digunakan sebagai pakan ternak dan sisanya dibiarkan begitu saja. Oleh karena itu, jerami jagung ini memiliki potensi besar untuk diubah menjadi HMF sebagai komponen dasar biofuel (Kim, 2004). U.S. Department of Energy telah mencatat setidaknya 30 senyawa kimia yang berasal dari biomassa telah mampu dihasilkan. Baik melalui proses fermentasi maupun konversi. Diantara senyawa tersebut, terdapat 12 senyawa yang merupakan senyawa building block. Termasuk di dalamnya 5-hidroksimetil-2- furfural (HMF), asam glutamat, asam levulinat, gliserol, dan asam propionat. Saat ini banyak berkembang penelitian di bidang konversi selulosa dari biomassa lignoselulosa menjadi 5-hidroksimetil-2-furfural (HMF), senyawa furan yang berperan sebagai intermediet bagi senyawa kimia lain yang memiliki peran penting, baik menggunakan katalis asam homogen maupun heterogen, pelarut aqueous, organik, maupun cairan ionik (Nurjamilah, 2013; Wang dkk., 2013; Binder dkk., 2009; Li dkk., 2010). DMF (Dimethylfuran) merupakan salah satu contoh derivat HMF yang digunakan sebagai biofuel. Kandungan energi dalam DMF (31,5 MJ/L) setara dengan bensin (35 MJ/L) dan 40% lebih besar dibandingkan dengan etanol (23 MJ/L) (Roman-Leshkov dkk., 2007). Selain itu, HMF dapat diubah menjadi 5- ethoxymethyl-2-furfural (EMF) yang merupakan senyawa biodiesel yang menjanjikan. EMF dapat dihasilkan melalui proses eterifikasi menggunakan etanol dan zeolit yang disisipi asam (Nurjamilah, 2013). Biomassa lignoselulosa terdiri dari tiga komponen utama, yaitu hemiselulosa, selulosa, dan lignin. Struktur yang cukup kompleks ini menyebabkan lignoselulosa sukar terlarut dalam beberapa pelarut. Akibatnya konversi biomassa secara umum menjadi kurang efisien. Cairan ionik diketahui mampu melarutkan ligoselulosa dengan baik. Konversi biomassa menggunakan cairan ionik
3 [OMIM]Cl dan katalis krom-halida telah mampu menghasilkan 58,7% HMF (Lee dkk., 2010). Namun, cairan ionik sebagai pelarut dikenal memiliki harga yang cukup mahal. Oleh karena itu, sebaiknya digunakan pelarut yang low-cost namun tetap memiliki fungsi sama dengan cairan ionik. Larutan ZnCl 2 memiliki kelarutan yang baik dalam lignoselulosa (Wang dkk., 2013). Selain itu, larutan ZnCl 2 mampu mendehidrasi glukosa, fruktosa, maltosa, sukrosa, selulosa maupun pati atau serat. Larutan ZnCl 2 juga mampu berperan sebagai media pelarut dan katalis dalam konversi biomassa (Deng dkk., 2012). Namun, penggunaan ZnCl 2 dalam konversi biomassa lignoselulosa masih jarang digunakan. Keberadaannya yang cukup melimpah serta memiliki harga yang murah membuat ZnCl 2 dapat menjadi pelarut pilihan pengganti cairan ionik pada konversi biomassa. HMF disintesis melalui dehidrasi tiga molekul air. Proses ini membutuhkan katalis untuk meningkatkan hasilnya (Rosatella dkk., 2010). Salah satu jenis katalis yang menarik digunakan saat ini adalah zeolit. Zeolit merupakan kristal silika-alumina berongga yang memiliki sisi aktif sebagai katalis (Dini, 2010). HMF dihasilkan dengan mereaksikan fruktosa dengan zeolit yang telah dimodifikasi (Nurjamilah, 2013). Keberadaan zeolit di Indonesia melimpah. Terdapat di beberapa tempat seperti Banten, Tasikmalaya, dan Sumatera. Namun, pemanfaatan zeolit umumnya hanya digunakan sebagai penjernih air, sedangkan di bidang katalis masih belum dimanfaatkan secara maksimal. Katalis lainnya yang menunjukkan hasil positif pada proses konversi HMF adalah CrCl 3. Sebanyak 48% HMF dihasilkan pada proses konversi lignoselulosa jerami jagung menggunakan katalis CrCl 3 dan penambahan DMA-LiCl (Binder dkk., 2009). HMF hasil konversi biomassa umumnya masih melarut dalam zat-zat sisa reaksi maupun hasil produk sampingan. Tahap pemisahan dan pemurnian HMF merupakan tantangan terbesar setelah tahap konversi. HMF memiliki sifat yang sulit terekstrak dari fasa aqueous pelarut akibat dari koefisisen distribusi antara HMF sebagai zat organik dan pelarut sangat berbeda. Beberapa penelitian menggunakan teknik kromatografi penukar ion sebagai metode pemisahan HMF dari hasil reaksi. Binder dkk. (2009), menggunakan resin jenis dowex sebagai fasa
4 diam dan DI water sebagai fasa gerak pada kromatografi ini. Sebagai hasilnya, 75% HMF terekstrak dari hasil konversi. Resin XAD-2000 juga digunakan pada proses pemisahan HMF dari konversi sakarida pada reaksi milieu (Hattori, dkk., 2005). Namun, metode ini cukup rumit karena membutuhkan waktu dan kondisi pemisahan yang khusus. Salah satu alternatif pemisahan lainnya adalah penggunaan pelarut organik sebagai ekstraktor dengan metode ektraksi cair-cair. Wang dkk. (2013), menggunakan etil asetat sebagai ekstraktor pada pemisahan HMF dari hasil konversi biomassa menggunakan ZnCl 2 sebagai pelarut. Selain itu, penambahan garam pada proses ektraksi cair dengan pelarut organik diketahui dapat meningkatkan efisiensi ektraksi (Roman-Leshkov dkk., 2007). Penelitian ini berfokus pada konversi biomassa lignoselulosa jerami jagung menjadi HMF dalam media ZnCl 2 dengan penambahan co-catalyst zeolit, CrCl 3, dan DMA-LiCl. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan, rumusan masalah dari penelitian ini adalah: 1. Bagaimana kemampuan ZnCl 2 pada konversi lignoselulosa jerami jagung menjadi HMF? 2. Bagaimana pengaruh penambahan co-catalyst zeolit, CrCl 3 dan DMA- LiCl dalam peningkatan hasil konversi lignoselulosa jerami jagung? 3. Bagaimana pengaruh ekstraksi cair-cair menggunakan etil asetat terhadap hasil proses konversi lignoselulosa jerami jagung? 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Mengetahui kemampuan ZnCl 2 pada konversi lignoselulosa jerami jagung menjadi HMF 2. Mengetahui pengaruh penambahan co-catalyst zeolit, CrCl 3 dan DMA- LiCl dalam peningkatan hasil HMF pada proses konversi lignoselulosa jerami jagung
5 3. Mengetahui pengaruh ekstraksi cair-cair menggunakan etil asetat terhadap hasil konversi lignoselulosa jerami jagung 1.4 Batasan Penelitian Penelitian ini akan berfokus pada beberapa hal, yaitu: 1. Jerami jagung yang digunakan pada penelitian ini adalah jerami jagung yang berasal dari sisa perkebunan jagung di daerah Klari Kabupaten Karawang Jawa Barat 2. Proses konversi jerami jagung dan selulosa jerami jagung menjadi HMF pada larutan ZnCl 2 67% 3. Zeolit yang digunakan merupakan zeolit alam 4. Pemisahan HMF hasil reaksi mengacu pada pemisahan HMF dari pelarut ZnCl 2 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah untuk mengetahui potensi jerami jagung sebagai substrat dalam konversi lignoselulosa menjadi HMF sebagai komponen dasar biofuel serta mengetahui pengaruh pelarut ZnCl 2 dan penambahan cocatalyst pada proses konversi lignoselulosa menjadi HMF. 1.6 Struktur Organisasi Skripsi Skripsi ini terdiri dari lima bab utama yaitu bab I yang berisi tentang pendahuluan, bab II tentang tinjauan pustaka, bab III tentang metode penelitian, bab IV yang berisi hasil, dan pembahasan serta bab V yang membahas kesimpulan dan saran. Secara umum, bab I berisi pendahuluan yang terdiri dari latar belakang, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan penelitian, manfaat penelitian, dan struktur organisasi skripsi. Pada latar belakang dikemukakan alasan yang mendasari penelitian yang dilakukan peneliti. Menindaklanjuti latar belakang, muncul rumusan masalah yang mengetengahkan masalah-masalah yang muncul dalam penelitian. Tujuan penelitian memberi poin-
6 poin dari tujuan penelitian ini sedangkan batasan penelitian membahas poin cakupan penelitian agar fokus penelitian terlihat. Pada bagian akhir, dibahas manfaat penelitian yang berisi manfaat dari penelitian secara keseluruhan dan struktur organisasi skripsi yang menguraikan susunan skripsi. Bab II berjudul tinjauan pustaka yang mengulas dasar-dasar ataupun teori penelitian yang mendasari penelitian ini ke depannya. Bab III membahas metode penelitian secara keseluruhan. Sub-bab dari bab III terdiri dari pertama, waktu dan tempat pelaksanaan penelitian yang berisi rincian waktu dan tempat dilakukannya penelitian ini. Kedua, alat dan bahan yang menyebutkan alat dan bahan yang digunakan selama proses penelitian. Ketiga, metode penelitian yang memperinci prosedur dari penelitian dari satu tahap ke tahap lain. Bab IV berisi hasil dari penelitian dan pembahasan hasil tersebut berdasarkan literatur. Adapun bab V membahas kesimpulan umum dari hasil penelitian yang menjawab dari tujuan penelitian dan berisi saran untuk penelitian selanjutnya.