III. METODE A. TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN Penelitian dilakukan di Lab. Bioindustri dan Lab. Teknik Kimia Departemen Teknologi Industri Pertanian, Fateta IPB. Penelitian dimulai pada bulan Oktober 2009 hingga Februari 2010. B. BAHAN DAN ALAT Limbah tanaman jagung (LTJ) yang digunakan dalam penelitian ini adalah varietas Bisi 2 yang komponen utamanya berupa batang, tongkol, klobot, dan daun. LTJ ini berasal dari Kab. Kulon Progo, Yogyakarta dan dikecilkan ukurannya hingga 40 mesh. Bahan lain yang digunakan untuk delignifikasi adalah Ca(OH) 2 p. a. dan akuades. Sedangkan alat utama yang digunakan adalah: labu erlenmeyer 250 ml - untuk reaktor; penangas air; saringan; gelas piala 300 ml dilengkapi dengan magnetic stirrer - untuk pencucian; neraca analitik; oven; dan filter glass 1G3. C. METODE PENELITIAN 1. Karakterisasi LTJ LTJ yang digunakan dalam penelitian dikarakterisasi untuk dijadikan sebagai dasar perhitungan analisis hasil delignifikasi. Ada tiga karakteristik LTJ yang dianalisis dalam penelitian ini, yaitu kadar air, kadar ekstraktif, dan kadar lignin. Hasil dari pengujian kadar air digunakan untuk menghitung bobot kering LTJ. Bobot kering tersebut akan digunakan dalam perhitungan kadar lignin basis kering. Prosedur analisis kadar air LTJ dapat dilihat pada Lampiran 5. Setelah diketahui kadar air LTJ, bobot kering LTJ dapat diketahui dengan persamaan : M = M W...(1) 11
Notasi M D0 menunjukkan bobot kering LTJ (dalam g), M B0 menunjukkan bobot basah LTJ (dalam g), dan W 0 menunjukkan kadar air LTJ (dalam g). Setelah diketahui bobot kering LTJ, sebanyak 3 g LTJ diekstrak dengan pelarut yang berupa campuran benzena dan alkohol dengan komposisi 2 : 1. Ekstraksi dilakukan untuk menghilangkan bahan ekstraktif pada LTJ. Prosedur ekstraksi dapat dilihat pada Lampiran 6. Dengan proses ekstraksi akan diketahui kandungan bahan ekstraktif dalam LTJ (E 0, dalam g). Hasil ekstraksi yang berupa padatan diambil sebanyak 0.5 g (sudah diketahui bobot keringnya) untuk analisis kandungan lignin. Prosedur analisis lignin dapat dilihat pada Lampiran 7. Kandungan lignin pada LTJ (L 0, dalam g) digunakan untuk menghitung susut lignin dan tingkat delignifikasi. Selain LTJ segar, LTJ yang telah dicuci juga dikarakterisasi. Dengan demikian akan diketahui pengaruh pencucian terhadap perubahan karakteristik LTJ. 2. Penelitian Utama 2.1. Delignifikasi Delignifikasi dilakukan terhadap LTJ (10 g/sampel) yang berukuran 40 mesh. Proses delignifikasi dilakukan di dalam labu erlemeyer 250 ml yang ditutup dengan aluminium foil untuk mencegah keluarnya air. Ke dalam labu tersebut sebelumnya telah ditambahkan Ca(OH) 2 dan akuades dengan jumlah tertentu. Untuk mencapai temperatur yang diinginkan digunakan penangas air dengan lama pemanasan yang telah ditentukan. LTJ yang telah didelignifikasi dipindahkan ke dalam gelas piala 300 ml, kemudian ditambahkan akuades sebanyak 200 ml. Campuran tersebut diaduk dengan magnetic stirrer selama 10 menit. Setelah pengadukan, campuran disaring hingga mendapatkan padatan dan cairan. Padatan yang diperoleh dikeringkan pada temperatur 50 o C selama 48 jam, kemudian ditimbang dan disimpan untuk analisis 12
berikutnya. Diagram alir delignifikasi tanpa pengeringan dapat dilihat pada Gambar 6. LTJ (40 mesh) Ca(OH) 2 (x 1 ) Air (x 2 ) Delignifikasi [temperatur (x 3 ), waktu (x 4 )] Air (200 ml) Pencucian Penyaringan Air Bilasan Padatan Gambar 6. Diagram alir proses delignifikasi 2. 2. Analisis Hasil Delignifikasi LTJ yang telah delignifikasi dianalisis seperti pada analisis karakter LTJ. Hasil analisis akan menghasilkan kadar air LTJ yang telah didelignifikasi (W T, dalam g), kadar ekstraktif (E T, dalam g), kadar lignin (L T, dalam g), dan bobot kering LTJ yang telah didelignifikasi (M DT, dalam g). Data-data yang diperoleh dari pengujian-pengujian yang dilakukan digunakan untuk menghitung susut lignin tiap perlakuan, tingkat delignifikasi, dan selektivitas delignifikasi. 2. 2. 1. Susut Lignin Susut lignin LTJ yang telah didelignifikasi (L R, dalam g) diperoleh dari kadar lignin LTJ (L 0, dalam g) dikurangi dengan kadar lignin LTJ yang telah didelignifikasi (L T, dalam g). Perhitungan tersebut dapat ditulis dengan persamaan berikut: 13
L = L L...(2) 2. 2. 2. Tingkat Delignifikasi Tingkat delignifikasi (D) seperti yang telah telah dijelaskan oleh Kim dan Holtzapple (2006 a ) adalah jumlah lignin yang dihilangkan dari LTJ dibandingkan dengan kandungan lignin pada LTJ awal. Tingkat delignifikasi dapat dihitung dengan persamaan : D = 1...(3) Atau D =...(4) Jumlah rendemen padatan (Y T ) dapat dihitung dari bobot kering LTJ (M D0, dalam g) dan bobot kering LTJ yang telah didelignifikasi (M DT, dalam g) dengan menggunakan persamaan: Y =...(5) 2. 2. 3. Selektivitas Delignifikasi Selektivitas delignifikasi atau kemudahan proses delignifikasi menggambarkan seberapa mudah lignin dapat dihilangkan. Selektivitas delignifikasi dapat diketahui dengan melihat kemiringan regresi pada plot antara kandungan lignin pada LTJ yang telah delignifikasi (L T, dalam g) dengan bobot 14
kering LTJ yang telah delignifikasi (M DT, dalam g), dan dapat disimbolkan dengan L T / M DT (Kim dan Holtzapple, 2006 b ). Keterkaitan analisis-analisis yang dilakukan dapat digambarkan dengan neraca massa seperti pada Gambar 7, sehingga lebih mudah untuk ditelusuri dan dipahami. Air (20 ml) Air (W S) Bahan Baku Air (W 0) Padatan (M D0) Lignin (L 0) Ekstraktif (E 0) Pencucian (a) Pengeringan (50 o C) Air Bilasan Air (W R) Padatan Larut (M D0 M DC) Lignin (L RC) Ekstraktif (E RC) Hasil Delignifikasi Air (W C) Padatan (M DC) Lignin (L C) Ekstraktif (E C) Ca(OH) 2 (x 1) Air (x 2) Air (20 ml) Air (W S) Bahan Baku Air (W 0) Padatan (M D0) Lignin (L 0) Ekstraktif (E 0) Delignifikasi (x 3, x 4 ) Pencucian Pengeringan (50 o C) Air Bilasan Air (W R) Padatan Larut (M D0 M DT) Lignin (L R) Ekstraktif (E R) Hasil Delignifikasi Air (W T) Padatan (M DT) Lignin (L T) Ekstraktif (E T) (b) Gambar 7. Neraca massa: (a) kontrol, (b) delignifikasi Gambar 7 adalah neraca massa yang digunakan dalam penelitian ini. Neraca massa tersebut terdiri dari dua jenis, yaitu neraca massa kontrol (tanpa pemberian perlakuan faktor dan hanya dicuci) (Gambar 7 15
a) serta neraca massa proses delignifkasi yang disertai dengan proses pengeringan (Gambar 7 b). Input kedua neraca massa tersebut, yang berupa bahan baku, nilai-nilainya diperoleh dari hasil karakterisasi LTJ, sedangkan bagian output nilai-nilainya diperoleh dari hasil analisis karakterisasi LTJ yang telah dicuci (neraca massa kontrol, Gambar 7 a) dan LTJ yang telah didelignifikasi (neraca massa delignifikasi, Gambar 7 b). Nilai x 1, x 2, x 3, dan x 4 adalah perlakuan yang digunakan. 3. Pengolahan Data 3. 1. Rancangan Percobaan Penelitian ini melibatkan empat faktor, yaitu penambahan kalsium hidroksida (m : 0.075-0.078 g/ g LTJ), penambahan air (V : 6.25-8.75 ml/g LTJ), temperatur pemanasan (T : 62.5-87.5 o C), dan lama pemanasan (t : 2-4 jam). Jumlah penambahan kalsium hidroksida, penambahan air, dan lama pemanasan mengacu pada hasil penelitian Kaar dan Holtzapple (2000), sedangkan temperatur pemanasan ditetapkan pada nilai antara 55 o C (Kim dan Holtzapple, 2006) yang membutuhkan waktu lama dan 120 o C (Kaar dan Holtzapple, 2000) yang memerlukan spesifikasi alat bertekanan. Percobaan yang dilakukan menggunakan central composite design (CCD) dengan empat faktor. Rancangan ini menghasilkan 29 kombinasi yang harus dilakukan (Lampiran 2) dengan 16 titik faktorial, 8 titik aksial, dan 5 titik pusat. Dengan rancangan ini dihasilkan persamaan respon yang berbentuk: L r * = β 0 + β 1 x 1 + β 2 x 2 + β 3 x 3 + β 4 x 4 + β 11 x 1 2 + β 22 x 2 2 + β 33 x 3 2 + β 44 x 4 2 + β 12 x 12 + β 13 x 13 + β 14 x 14 + β 23 x 23 + β 24 x 24 + β 34 x 34...(6) Notasi L r * menunjukkan susut lignin proses delignifikasi (g/g LTJ) dengan nilai faktor tertentu, x 1 adalah penambahan Ca(OH) 2 (g/g LTJ), x 2 adalah penambahan air (ml/g LTJ), x 3 adalah temperatur 16
pemanasan ( o C), x 4 adalah lama pemanasan (jam), sedangkan β adalah koefisien. Metode untuk pembentukan persamaan, teori-teori yang berkaitan dengan CCD, dan beberapa analisis statistika yang dapat dilakukan pada rancangan tersebut telah dijelaskan oleh Myers (1971). 3. 2. Analisis Statistik Analisis statistik dan penentuan kondisi terbaik pada proses delignifikasi dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Design Expert 7 trial version. Hasil pengolahan data berupa grafik respon permukaan, analisis ragam, persamaan, dan kondisi terbaik pada proses yang diamati. 17