PENGARUH SONIKASI SEBAGAI PERLAKUAN AWAL PADA DEGRADASI SELULOSA UNTUK

MEMPEROLEH OLIGOSAKARIDADENGAN METODE HYDROTHERMAL

Oleh :MAYA ADINA CAESARIA 2307 100 021

NANDA BELVANITA 2307 100 070

Pembimbing:Dr. Ir. Sumarno, M.Eng

LABORATORIUM TEKNOLOGI MATERIAL JURUSAN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA2011

LATAR BELAKANG

Contoh : Ethanol

Bahan Bakar

Contoh : Selulosa

Bahan Kimia

Limbah biomassa

SELULOSA

Alkali

Enzimatik

Asam

Hidrothermal

Oligosakarida dan Glukosa

Sumber : Yun Yu 2009

PENELITIAN TERDAHULU

Sakaki,dkk(1996)

Micro CrystallineCelluloseHot Compressed Water

(HCW), batch

Pada 374oC, 80% selulosa terdekomposisi menjadi zat yang water soluble, terdiri

atas glukosa dan oligosakarida

Minowa, dkk(1997)

Micro Crystalline Cellulose

Hot Compressed Water (HCW), batch

3 variasi (Ni, alkali, tanpa katalis)

Ni : aqueous products gas

Alkali : glucose aqueous products, oil &char gas, oil & char

Tanpa katalis : glucose aqueous products & oilaqueous products, char & gas

Sasaki, dkk(1998)

Micro CrystallineCelluloseSupercritical water,

continuous

Produk glukosa dan oligomer, 75% berat, pada 400oC

Rogalinski, dkk(2007)

Corn Starch & Pure

Cellulose

Subcritical Water,

continuous

Pengaruh suhu reaksi terhadap hasil

Yan Zhao, dkk(2009)

Micro Crystalline CelluloseSupercritical water

(SCW), batch

Produk Oligosakarida 40% berat pada 380oC

Pinjari & Pandit(2010)

Microcrystallin celluloseUltrasonic Cavitation

process

Penurunan kristaliniti dan melting point

Herdy & Yusuf(2010)

Microcrystallin celluloseUltrasonic PretreatmentSupercritical water (SCW), batch

Produk Oligosakaridaterbanyak pada 340oC

Selulosa (kristaliniti tinggi)

Perenggangan

struktur

rantai

selulosa

Degradasi selulosa menjadi

oligosakarida

Ultrasonic Pretreatment

Metode Hydrothermal

Metode

Hydrothermal

Mempelajari pengaruh ultrasonic pretreatment pada penggunaan metode hydrothermal dalam

hidrolisis selulosa untuk mendapatkanoligosakarida

Menemukan suhu proses yang sesuai (dengan tekanan tetap, sekitar titik kritis air) dalam

hidrolisis selulosa untuk mendapatkan yield oligomer yang tinggi

TUJUAN PENELITIAN

Memberikan kontribusi untuk pengembangan penelitian selanjutnya yang bekerja pada

kondisi dekat air superkritis dengan ultrasonic pretreatment

Meningkatkan nilai ekonomi dari limbahbiomassa agar dapat dimanfaat menjadiproduk chemical intermediate khususnya

oligomer.

MANFAAT PENELITIAN

SelulosaTerdiri dari rantai homopolimer D-glukosa yang terikat oleh ikatan β (1-4)

Tidak melingkar, dan tidak bercabang

Tidak memiliki rasa, tidak berbau, dan tidak larut dalam air

Memiliki struktur yang kuat, lebih krital dari pati

Dalam tanaman tersusun bersama hemiselulosa, lignin, pektin, dan substansi lain

TINJAUAN PUSTAKA

Oligosakarida

Tersusun dari kurang dari 10 komponen monosakarida

Dapat dihidrolisis dengan asam

Dapat dimanfaatkan sebagai asam laktat dan komponen pembuat siklodekstrin

Salah satu jenis oligosakarida adalah cellodekstrin

OLIGOSAKARIDA

Cellopentaose

Cellotetraose

Cellotriose

Cellobiose

Mekanisme degradasi selulosa

Glukosa

Selulosa

Oligosakarida

Properti Air

Berat molekul (g/mol)

Suhu kritis (oC)

Titik beku (oC)

Tekanan kritis (MPa) Densitasn

pd 25oC (g/cm3)

0

374

18

0,99 22,1

H2O

Air kondisi standart ( T=25oC P=0,1 MPa)

Tidak larut dengan hidrokarbon dan gas

Larut dengan garam anorganik

Bersifat polar

Hot Compressed Water

Hot compressed water

(HCW) adalah air yang

berada pada daerah

nearcritical , subcritical

dan supercritical,

temperatur diatas

200oC dan tekanan

tinggi

Fluida Subkritis

Produk ion lebih tinggi dari kondisi standart

Air bersifat asam sehingga digunakan untuk prekursor katalis

Cocok digunakan sebagai media reaksi sintesa dan degradasi

Gelombang Ultrasonik

Frekuensi ultrasonik : 20 kHz – 100 MHz Frekuensi sonokimia : 20 – 40 kHz Pengaruh ultrasonik : - Kavitasi akustik, yaitu siklus

pembentukan, pertumbuhan, dankeruntuhan gelembung dalamcairan- Meningkatkan kereaktifan

kimiadan bertindak sebagai katalisuntuk lebih mereaktifkan atom-atom dalam molekul sistem.- Memecah padatan dari energi

yang timbul akibat runtuhnyakavitasi

Fenomena Pembentukan Kavitasi dan CollapseGelembung

Pengaruh Kavitasi

• Mengurangi waktu reaksi

• Meningkatkan yield dalam reaksi kimia

• Mengurangi suhu dan tekanan

• Meningkatkan selektivitas

• Membangkitkan radikal bebas

BahanGas N2 UHP; Aquades; Avicel

Microcrystalline Cellulose

Metode Penelitian

Variabel tetapRasio massa microcrystalline cellulose : air = 1 : 200

Ultrasonic Pretreatment

Variabel bebas

Waktu sonikasi(jam):

•1•2•3•4•5

Suhu sonikasi(oC) :•40•60

Hydrothermal Process

Variabel tetapTekanan = 25 MPa

Variabel bebas

Suhu (oC) :•280•300•320•340•360

Variabel

Frek : 28 kHzDimensi : 530 (p) x 325 (l) x 350 (t) mmUkuran Tub : 477 (p) x 272 (l) x 200 (t) mmKapasitas : 25 LPower Supply : AC100V, 50/60 Hz, 11APower Consumption : 1100WRange suhu : 35 – 60 oC

Bahan : Stainless steel (SS316)Dimensi : 340 (p) mm

¼ in (OD)0,035 in (thickness)0,18 in (ID)

Kapasitas : 5,580 ml

Ultrasonic Bath SU-27TH

Reaktor hidrotermal

Spesifikasi Alat

Skema Peralatan Reaksi Hidrotermal

Keterangan :

1. Reaktor

2. Band heater3. Insulator4. Thermocouple 5. Temperature

controller 6. Voltage Regulator7. AC source8. Pressure gauge9. Tabung Nitrogen10. Valve menuju booster

hidroulik11. Booster hidroulik12. Valve menuju udara13. Valve menuju reaktor14. Safety valve

AC

145

1

11

p

9

1012

13

8

7

4

3

2

1

6

Karakterisasi Hasil

Analisa sampel setelah ultrasonic pretreatment

Scanning Electron Microscopy (SEM)X-Ray Diffraction (XRD)

Particle Size Analyzer (PSA)

High Performance Liquid Chromatrography (HPLC)

Analisa sampel setelah reaksi hidrotermal

High Performance Liquid Chromatrography (HPLC)

(a) (b) (c)

SEMGambar pembesaran 1000x, untuk selulosa (a) standar, setelah sonikasi 40oC selama

(b) 1 dan (c) 5 jam

100m

HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar pembesaran 1000x, untuk selulosa (a) standar, setelah sonikasi 60oC selama(b) 1 dan (c) 5 jam

(a) (b) (c)

(a) (b) (c)

SEM

100m

HASIL DAN PEMBAHASAN

(a) (b) (c)

Gambar perbesaran 1000x, untuk selulosa (a) standar, setelah sonikasi (b) 40oC dan (c) 60oC selama 1 jam

Gambar perbesaran 1000x, untuk selulosa (a) standar, setelah sonikasi (b) 40oC dan (c) 60oC selama 5 jam

0 1 2 3 4 50

5

10

15

20

Waktu [jam]

Ukur

an pa

rtike

l [mi

krom

eter]

40oC60oC

PSA

10 20 30 40 50

2[°]

Xc = 72,89 %

Xc = 77,70 %

Xc = 73,95 %

Xc = 69,04 %

Xc = 63,60 %

Xc = 63,05 %

tanpa sonikasi

t = 1jam

t = 2jam

t = 3jam

t = 4jam

t = 5jam

T = 40oC

10 20 30 40 50

2[°]

Xc = 77,7 %

Xc = 75,5 %

Xc = 74,85 %

Xc = 70,1 %

Xc = 65,75 %

Xc = 64,63 %

tanpa sonikasi

t = 2jam

t = 3jam

t = 4jam

t = 5jam

t = 1jam

T = 60oC

Kristalinitas

XRD

Ukuran kristal (L) dan d-spacing

0 1 2 3 4 50

2

4

6

8

10

12

14

Waktu [jam]

L to

tal [

nano

met

er]

40oC60oC

0 1 2 3 4 50

1

2

3

4

5

6

7

Waktu [jam]

d-sp

acin

g [Å

mst

rong

]

40oC60oC

peak 14,8877

peak 16,1990

peak 22,5826

peak 34,4420

XRD

HPLC

Kromatogram HPLC Larutan Standar (a) Glukosa dan (b) Cellobiosa

Minutes0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Vo

lts

0

1000

2000

3000

Vo

lts

0

1000

2000

3000

4.093

glukosa

4.390

(cellobiosa)

(cellotriosa)

(cellotetraosa)

(cellopentaosa)

RI2300

Name

Retention Time

Minutes0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Vo

lts

0

1000

2000

3000

Vo

lts

0

1000

2000

3000

3.023

cellobiosa

5.057

RI2300

Name

Retention Time

(a) (b)

volt

s

HPLCKromatogram HPLC pada 250 kgf/cm2 dan 320oC

(tanpa sonikasi)

Minutes0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Vol

ts

0

1000

2000

3000

Vol

ts

0

1000

2000

3000

0.133

0.220

0.487

0.767

0.857

1.193

1.270

1.560

1.633

1.823

1.933

2.133

2.223

2.313

2.477

2.700

3.073

3.220

cellobiosa

4.787

(cellotriosa)

(cellotetraosa)

(cellopentaosa)

10.297

10.337

10.457

10.697

10.773

10.957

11.070

11.153

11.367

11.557

11.780

11.860

12.070

12.137

12.320

12.460

12.540

12.603

12.880

13.083

13.223

13.377

13.730

14.427

14.637

14.750

14.893

RI2300

Name

Retention Time

HPLCKromatogram HPLC pada 250 kgf/cm2 dan 320oC

(dengan waktu sonikasi 1 jam) pada suhu sonikasi (a) 40oC dan (b) 60oC)

Minutes0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Vo

lts

-500

0

500

1000

1500

2000

Vo

lts

-500

0

500

1000

1500

2000

0.040

3.233

glukosa

4.530

(cellobiosa)

RI2300

Name

Retention Time

Minutes0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Vo

lts

0

500

1000

1500

2000

2500

Vo

lts

0

500

1000

1500

2000

2500

0.050

glukosa

4.520

(cellobiosa)

RI2300

Name

Retention Time

(a) (b)

Kesimpulan

Perlakuan awal sonikasi memberikan pengaruh dalam degradasi selulosa. Penurunan kristalinitas, ditunjukkan oleh penurunan nilai L dan tidak cenderung berubahnya nilai d-

spacing, sebanding dengan lamanya waktu sonikasi. Pengurangan ukuran fiber dan diameter ukuran partikel sebanding dengan lamanya waktu sonikasi. Produk yang dihasilkan dari degradasi selulosa adalah glukosa dan cellobiosa. Diperoleh yield glukosa

pada suhu sonikasi 40oC sebesar 3,179% dan pada suhu sonikasi 60oC sebesar 3,031%. Sedangkan padasampel tanpa sonikasi diperoleh yield cellobiosa sebesar 18,34%.

Sampel dengan sonikasi pada hidrotermal cenderung membentuk glukosa dibandingkan dengan sampeltanpa sonikasi.