konversi pati ubi gajah menjadi asam levulinat dengan katalis asam sulfat

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.

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]



Konversi Pati Ubi Gajah (Manihot Esculenta)

34


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




35


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.




36


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



Biomassa

(pati)

Gula Asam Levulinatk 1 k 2

humin

k 4

5-HMFk 3

K 5




37


- .................................... (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)




38


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.

konversi pati ubi gajah menjadi asam levulinat dengan katalis asam sulfat

Documents