8/19/2019 Konversi Pati Ubi Gajah Menjadi Asam Levulinat Dengan Katalis Asam Sulfat
http://slidepdf.com/reader/full/konversi-pati-ubi-gajah-menjadi-asam-levulinat-dengan-katalis-asam-sulfat 1/6
ISSN 2085-0050
33
J. Ind.Che.Acta Vol. 3 (2) Mei 2013
KONVERSI PATI UBI GAJAH (MANIHOT ESCULENTA ) MENJADI ASAMLEVULINAT DENGAN KATALIS ASAM SULFAT
Nina Astarina1, Amir Awaluddin
2, Saryono
2, Nurhayati
2, Pepi Helza Yanti
2
1Mahasiswa Pascasarjana Kima Universitas Riau,
2Dosen Kimia, Universitas Riau Pekanbaru
*e-mail: [email protected]
Abstrak
Biomassa merupakan sumber daya alam yang melimpah di Indonesia.Biomassa dapat dirubah menjadi platform chemical, salah satu nyaadalah asam levulinat. Pada penelitian ini dilakukan konversi pati ubigajah menjadi asam levulinat melalui reaksi hidrolisis denganmenggunakan katalis asam sulfat. Untuk mempelajari karakteristiknyadilakukan variasi temperatur (150
oC, 170
oC dan 190
oC) dan konsentrasi
katalis asam sulfat (1%, 3% dan 5%) selama selang waktu 20 menit, 40
menit dan 60 menit. Asam levulinat dianalisis dengan HPLCmenggunakan kolom Aminex HPX-87H dan detektor RID (RefractiveIndex Detector). Hasil penelitian menunjukkan bahwa persentase asamlevulinat meningkat pada temperatur tinggi dan konsentrasi katalis asamyang tinggi pula. Persentase asam levulinat maksimum 33,3% diperoleh pada temperatur 190
oC dan konsentrasi H 2 SO4 5% pada waktu 40 menit.
Kinetika reaksi pembentukan gula menunjukkan bahwa laju dekomposisigula hasil hidrolisis pati meningkat dengan peningkatan temperatur dankonsentrasi katalis.
Kata Kunci: asam levulinat, katalis, platform chemical, ubi gajah
PENDAHULUAN
Indonesia sebagai negara agrarismemiliki potensi biomassa yang sangatmelimpah. Riau merupakan salah satudaerah yang memiliki potensi sebagaipenghasil biomassa, salah satunya adalahubi gajah (Manihot esculenta). Ubi gajahmerupakan salah satu biomassa yang cukuppotensial untuk digunakan sebagai bahanbaku karena tanaman ini keberadaannyacukup melimpah, mudah tumbuh sehinggamudah dibudidayakan. National Renewable
Energy Laboratory (Denver, USA) meng-identifikasi asam levulinat merupakan salahsatu dari sejumlah senyawa platformchemical yang dapat dihasilkan daribiomassa (Rackemann & Doherty, 2011).
Asam levulinat (C5H8O3) atau gamma-ketovaleric acid merupakan salah satusenyawa asam lemak rantai pendek yangmemiliki gugus keton dan karbonil, keduagugus fungsi inilah yang membuat asamlevulinat sangat potensial untuk sintesisberbagai senyawa-senyawa kimia. Turunansenyawa asam levulinat dapat dimanfaatkan
sebagai polimer, resin, plastik, tekstil,pelarut, herbisida, pewarnaan, tambahanbahan makanan, tambahan bahan bakar,pengawet dan obat-obatan (Bozell et al .,
2000). Asam levulinat diperoleh dari bio-massa melalui reaksi hidrolisis denganmenggunakan katalis asam. Pada kondisiasam dan peningkatan temperatur, biomassaakan terurai menjadi beberapa produk,diantaranya asam levulinat dan asam formiat(Chun et al., 2009).
Beberapa penelitian telah dilakukanuntuk menghasilkan asam levulinat, di-antaranya berasal dari bahan baku glukosamurni (Girisuta et. al., 2006), enceng gondok(Girisuta et.al , 2008), jerami padi (Yan et.al.,2008), Wheat straw (Chun et.al., 2007) dan
biji gandum (Fang & Hanna, 2002). Proseshidrolisis dilakukan dengan menggunakankatalis asam. Asam yang biasanya diguna-kan adalah asam klorida dan asam sulfat.Penggunaan asam sulfat sebagai katalismenghasilkan persentase asam levulinatlebih tinggi dibandingkan dengan asamklorida (Girisuta et.al., 2006). Penelitiandilakukan dengan variasi temperatur (150
oC,
170oC dan 190
oC), konsentrasi katalis asam
sulfat (1%, 3% dan 5%) pada selang waktu20 menit, 40 menit dan 60 menit untukmengetahui konversi asam levulinat dan
mempelajari pengaruhnya terhadap pem-bentukan asam levulinat yang dihasilkan.
8/19/2019 Konversi Pati Ubi Gajah Menjadi Asam Levulinat Dengan Katalis Asam Sulfat
http://slidepdf.com/reader/full/konversi-pati-ubi-gajah-menjadi-asam-levulinat-dengan-katalis-asam-sulfat 2/6
Konversi Pati Ubi Gajah (Manihot Esculenta)
34
J. Ind.Che.Acta Vol. 3 (2) Mei 2013
BAHAN DAN METODA
Pati ubi gajah (100 mesh) sebanyak 1gram dilarutkan dalam larutan asam sulfat(1%, 3%, 5%) dengan perbandingan pati
terhadap asam (1:10). Campuran tersebutdimasukkan ke dalam ampul dan ditutupdengan cara dibakar. Campuran dipanas-kandengan variasi temperatur (150
oC, 170
oC,
190oC) dengan selang waktu 20 menit, 40
menit dan 60 menit. Ampul di ambil dari ovendan kemudian dicelupkan ke dalam air esuntuk menghentikan reaksi-nya (Girisuta etal, 2006). Ampul dipotong dan larutan yang
hasilkan dipindahkan ke dalam vial. Produkyang diperoleh diencer-kan 10x, kemudiandisentrifus dengan ke-cepatan 13000 rpmselama 15 menit agar bebas dari residu
partikulat. Sebanyak 400 L dari hasilsentrifus dimasukkan ke dalam vial danselanjutnya dianalisis dengan menggunakanHPLC dengan fasa gerak asam sulfat 5mM,kecepatan alir 0,55 mL/menit, kolom AnimexHPX-87H suhu 60
0C dan detektor RID
(Girisuta et al, 2007).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Komposis i Pat i Ubi Gajah (Manihot
esculenta)
Hasil uji komposisi pati ubi gajah dapat
dilihat pada Tabel 1. Dari hasil anali-sis pati
dengan menggunakan HPLC, diperolehbeberapa gula yaitu, glukosa, fruktosa dansukrosa.
Konv ersi Pat i Ubi Gajah d engan Katal is
Asam SulfatKonversi pati menjadi asam levulinat
dilakukan melalui reaksi hidrolisis denganmenggunakan katalis asam. Hasil darikonversi ini menghasilkan beberapa puncakyang terlihat dari kromatogram HPLC. DariGambar 1 dapat dilihat kromatogram daribeberapa senyawa yang dihasilkan, di-antaranya glukosa, asam levulinat, HMF,asam formiat dan asam asetat.
Waktu retensi dari senyawa yangdihasilkan dari konversi pati dapat dilihatpada Tabel 2.
Persentase asam levulinat, asamasetat dan asam formiat yang dihasilkanpada penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3,dimana persentase asam levulinat se-besar33,30% (b/b) diperoleh pada tem-peratur190
oC, konsentrasi asam sulfat 5% dan pada
waktu 40 menit.
Pengaruh temperatur Reaksi
Pada reaksi kimia, temperatur reaksimemegang peranan penting untuk me-nentukan seberapa cepat proses reaksi.Reaksi kimia berlangsung lebih cepat pada
temperatur tinggi.
Tabel 1. Komposisi Pati Ubi GajahKandungan Satuan Hasil Metode
Kadar Pati % 97,26 Gravimetri Amilosa % 13,84 Spektrofotometri Amilopektin % 83,42 SpektrofotometriGlukosa ppm 1416 HPLCFruktosa ppm 1408 HPLCSukrosa ppm 6542 HPLC
Gambar 1. Kromatogram Glukosa, Asam Formiat, Asam Asetat, Asam Levulinat dan HMF
Tabel 2. Waktu Retensi Senyawa Hasil Hidrolisis PatiNama Senyawa Waktu Retensi
Glukosa 10,103 Asam Formiat 15,127 Asam Asetat 16,420
Asam Levulinat 17,280HMF 33,00
8/19/2019 Konversi Pati Ubi Gajah Menjadi Asam Levulinat Dengan Katalis Asam Sulfat
http://slidepdf.com/reader/full/konversi-pati-ubi-gajah-menjadi-asam-levulinat-dengan-katalis-asam-sulfat 3/6
Konversi Pati Ubi Gajah (Manihot Esculenta)
35
J. Ind.Che.Acta Vol. 3 (2) Mei 2013
Tabel 3. Kadar Asam Levulinat, Asam Formiat dan Asam Asetat
NoTemp(oC)
Waktu(menit)
Asam sulfat(%)
AL(%b/b)
AF(%b/b)
AA(%b/b)
1 150 20 1% 0,38 0,39 0,03
2 150 40 1% 1,43 0,85 0,033 150 60 1% 7,14 2,99 0,05
4 150 20 3% 2,15 1,13 0,03
5 150 40 3% 4,71 1,85 0,04
6 150 60 3% 6,59 2,56 0,05
7 150 20 5% 3,03 1,42 0,03
8 150 40 5% 6,53 2,57 0,05
9 150 60 5% 7,88 3,02 0,07
10 170 20 1% 3,15 1,52 0,03
11 170 40 1% 9,96 4,09 0,07
12 170 60 1% 7,34 2,89 0,0613 170 20 3% 5,73 2,14 0,05
14 170 40 3% 5,70 2,21 0,06
15 170 60 3% 10,51 4,12 0,10
16 170 20 5% 6,08 2,09 0,06
17 170 40 5% 25,29 10,09 0,24
18 170 60 5% 12,49 4,71 0,13
19 190 20 1% 6,13 2,49 0,07
20 190 40 1% 22,91 9,47 0,24
21 190 60 1% 16,83 7,01 0,16
22 190 20 3% 17,60 6,87 0,16
23 190 40 3% 20,68 7,54 0,24
24 190 60 3% 16,52 5,37 0,22
25 190 20 5% 14,47 5,96 0,17
26 190 40 5% 33,30 11,51 0,40
27 190 60 5% 19,42 7,13 0,28
Pada Gambar 2, 3 dan 4 terlihatbahwa kenaikan temperatur dapat mening-katkan pembentukan asam levulinat. Pem-bentukan asam levulinat terus mengalami
peningkatan hingga pemanasan padatemperatur 190
oC. Menurut penelitian yang
dilakukan oleh Cha & Hanna (2002), konversipati menjadi asam levulinat mencapai kondisioptimum pada temperatur 200
oC. Hal yang
sama juga dikemukakan oleh Fang & Hannabahwa pembentukan asam levulinat dari bjigandum menghasilkan persentase yang lebihtinggi pada temperatur 200
oC dibandingkan
temperatur 160oC. Jadi, dapat disimpulkan
bahwa temperatur sangat berpengaruh terha-dap konversi pati menjadi asam levulinat.
Pengaruh Kons entrasi K atal is
Selama proses hidrolisis pati, asam-asam mineral berfungsi sebagai katalis.Katalis dapat menurunkan energi aktivasi
sehingga reaksi mudah terjadi. Konsentrasikatalis yang tinggi dapat meningkatkankonsentrasi (H
+) dalam larutan sehingga
semakin banyak glukosa yang terkonversimenjadi asam levulinat.
Dari gambar 5, 6 dan 7 dapat dilihatpengaruh konsentrasi asam sulfat terhadappembentukan asam levulinat. Dari grafiksecara umum terlihat bahwa peningkatankonsentrasi asam sulfat dapat meningkatkanpembentukan asam levulinat. Namun, padaselang waktu 20 menit, kenaikan konsentrasiasam sulfat hingga 5% mengakibatkan
penurunan konsentrasi asam levulinat.
8/19/2019 Konversi Pati Ubi Gajah Menjadi Asam Levulinat Dengan Katalis Asam Sulfat
http://slidepdf.com/reader/full/konversi-pati-ubi-gajah-menjadi-asam-levulinat-dengan-katalis-asam-sulfat 4/6
Konversi Pati Ubi Gajah (Manihot Esculenta)
36
J. Ind.Che.Acta Vol. 3 (2) Mei 2013
Gambar 8. Model Kinetika Reaksi pembentukan Asam levulinat dari Biomassa (Chun et al , 2006)
Kin etika Reaksi
Dekomposisi biomassa meng-hasilkanproduk asam levulinat dan asam formiatsebgai produk akhir melalui intermediet
monosakarida dan 5-HMF. Gambar 8memperlihatkan model kinetika reaksi untukkonversi pati ubi gajah menjadi asamlevulinat :
Berdasarkan model diatas, ditentukanpersamaan diferensial sebagai berikut (Chun,et.al., 2009):
- - .................. (1)
-- - - - ....... (2)
Gambar 2. Pengaruh temperatur pada waktu
20 menit Gambar 3. Pengaruh temperatur pada waktu
40 menit
Gambar 4. Pengaruh temperatur pada waktu60 menit
Gambar 5. Pengaruh konsentrasi katalispada waktu 20 menit
Gambar 6. Pengaruh konsentrasi katalispada waktu 40 menit
Gambar 7. Pengaruh konsentrasi katalispada waktu 40 menit
Biomassa
(pati)
Gula Asam Levulinatk 1 k 2
humin
k 4
5-HMFk 3
K 5
8/19/2019 Konversi Pati Ubi Gajah Menjadi Asam Levulinat Dengan Katalis Asam Sulfat
http://slidepdf.com/reader/full/konversi-pati-ubi-gajah-menjadi-asam-levulinat-dengan-katalis-asam-sulfat 5/6
Konversi Pati Ubi Gajah (Manihot Esculenta)
37
J. Ind.Che.Acta Vol. 3 (2) Mei 2013
- .................................... (3)
Dimana k 2 + k 4 = k gula dan k 3 + k 5 = k 5-HMF
Dengan demikian diperoleh integrasidari persamaan diferensial untuk konsen-
trasi glukosa, HMF dan asam levulinatadalah sebagai berikut :
-
- -- ....................................... (4)
Persamaan 4 digunakan untukmenentukan parameter kinetik dari hidrolisispati menjadi glukosa dengan menggunakan
Polymath 5.1 dan diperoleh hasilnya padaTabel 4.
Tabel 4. Harga k1 dan kgula pada VariasiTemperatur dan Konsentrasi asamsulfat
T(oC)
[As.sulfat](%)
k1 kgula
150 1 - -3 0,0166962 2.15320295 0,0385197 2,903384
170 1 0,030813 2,85061323 0,1014269 6,72637155 0,1047786 32,57199
190 1 0,2014219 4,36459413 - -5 - -
Harga k1 menunjukkan laju peng-uraian biomassa (pati) menjadi glukosa,sedangkan kgula merupakan laju penguraiangula ditambah dengan laju penguraian gulamenjadi humin. Laju dekomposisi gula
sangat dipengaruhi oleh temperatur reaksidan konsentrasi katalis asam sulfat. Harga k1 dan kgula meningkat dengan kenaikantemperatur reaksi dan konsentrasi katalis.
Dari tabel 4 dapat dijelaskan bahwa
pada temperatur yang sama dan konsentrasikonsentrasi katalis yang berbeda menun-
jukkan kenaikan terhadap Harga k1 dan kgula. Pada temperatur 190
oC harga k1 dan kgula
hanya dapat ditentukan pada konsentrasi 1%saja, hal ini disebabkan pada temperatur iniglukosa yang berasal dari hidrolisis pati tidakterdeteksi lagi karena telah terkonversiseluruhnya menjadi asam levulinat. Sedang-kan persamaan 5 dan 6 tidak diperoleh fittingdata yang dengan menggunakan Polymath5.1, sehingga tidak diperoleh data parameteruntuk pembentukan kinetika HMF dan asam
levulinat
KESIMPULAN
Asam levulinat dapat dihasilkanmelalui reaksi hidrolisis pati ubi gajah dengankatalis asam sulfat. Konversi pati menjadiasam levulinat sangat dipengaruhi olehtemperatur reaksi dan konsentrasi katalis.Semakin tinggi temperatur reaksi dankonsentrasi katalis, maka konsentrasiglukosa yang terkandung dalam pati semakinberkurang sedangkan konsentrasi asam
levulinat semakin meningkat. Berdasarkanparameter diatas dapat diperoleh persentaseasam levulinat maksimum 33,3% diperolehpada temperatur 190
oC dan konsentrasi
asam sulfat 5%. Parameter kinetik hidrolisispati menjadi gula memperlihatkan bahwa lajudekomposisi gula meningkat dengan mening-katnya temperatur dan konsentrasi katalis.
DAFTAR PUSTAKA
Bozell, J.J., Moens, L., Wang, Y., Neuenswander, G.G., Fitzpatrick, S. W., Bilski, R. J., andJarnefeld, J.L. 2 000. Production of levulinic acid and use as a platform chemical for derivedproducts. Resources,Conservation and Recycling . 28; 227-239, Elsevier Science.
Cha, J.Y and Hanna, M.A. 2002. Levulinic acid production based on extrusion and pressurizedbatch reaction. Industrial Crops and product . 16(2):109-118].
Chun, C., Xiaojian, M.A., and Peilin, C.E.N. 2006. Kinetics of levulinic acid production from glucosedecomposition high temperature. Chinese Journal of Chemical Engineering . 14 (5): 708-712
Chun, C., Xiaojian, M.A., and Peilin, C.E.N. 2007. Levulinic acid production from wheat straw.Bioresource Technology 98:1448 –1453
Chun, C., Xiaojian, M.A., and Peilin, C.E.N., 2009. Kinetic studies on wheat straw hydrolysis tolevulinic acid. Chinese Journal of Chemical Engineering .17(5); 835-839.
(5)
8/19/2019 Konversi Pati Ubi Gajah Menjadi Asam Levulinat Dengan Katalis Asam Sulfat
http://slidepdf.com/reader/full/konversi-pati-ubi-gajah-menjadi-asam-levulinat-dengan-katalis-asam-sulfat 6/6
Konversi Pati Ubi Gajah (Manihot Esculenta)
38
J. Ind.Che.Acta Vol. 3 (2) Mei 2013
Fang, Qi., and Hanna, M.A. 2002. Experimental studies for levulinic acid production from wholekernel grain sorghum. Bioresource Technology . 81;187-192.
Girisuta, B., Janssen, L.P.B.M., and Heeres, H.J. 2006. Green chemical: A kinetic study on theconversion of glucose to levulinic acid. Chemical Engineering Research and Design .
84(A5):339-349, Trans Ichem
Girisuta, B., Janssen,L.P.B.M., Heeres,H.J. 2007. Exploratory catalyst-screening studies on theconversion of 5-hydroxymethyl-furfural and glucose to levulinic acid. Trans IchemE
Girisuta, B., Danon, B., Manurung, R., Janssen, L.P.B.M., and Heeres, H.J. 2008. Experimentaland kinetic modelling studies on the acid-catalysed hydrolysis of the water hyacinth plant tolevulinic acid. Bioresource Technology. 99; 8367-8375
Rackemann, D.W and Doherty, W.O.S., 2011. The conversion of lignocellulosics to levulinic acid.Biofuels, Bioproducts and Biorefining , 5(2), pp. 115-126.
Yan, L., Naikun Yang., Hao Pang., and Bing Liao. 2008. Production of levunilic acid from bagasse
and paddy straw by liquefaction in the presence of hydrochloride acid. Clean 36(2); 158-163.Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.