Penelitian optimasi proses hidrolisis selulosa triasetat menjadi selulosa diasetat dilakukan dengan menggunakan Metoda Permukaan Respon - Rancangan Komposit Pusat. Pengolahan data yang dihasilkan dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak SAS dan Statistica. Proses hidrolisis selulosa triasetat dilakukan dengan menggunakan air sebagai pereaksi dan asam sulfat sebagai katalis (modifikasi Malm dan Tanghe, 1953). Terdapat 4 variabel bebas yang dicobakan pada tahap hidrolisis yaitu rasio air terhadap selulosa mikrobial, konsentrasi asam sulfat (katalis), waktu dan suhu proses hidrolisis. Variabel respon yang diamati adalah kadar asetil selulosa diasetat yang dihasilkan.
Larutan selulosa triasetat yang akan dihidrolisis dibuat berdasarkan kondisi optimum proses pembuatan selulosa triasetat yang diperoleh pada penelitian tahap pertama yaitu sebanyak 5 gram serbuk selulosa mikrobial direndam dalam 40 ml asam asetat pada suhu 50 oC selama 6 jam. Selanjutnya ditambahkan anhidrida asetat sebanyak 16,75 ml, asam asetat 22,5 ml dan asam sulfat 0,075 ml. Proses asetilasi dilakukan pada suhu 50 oC selama 323 menit.
Penentuan Taraf Faktor Suhu dan Waktu Hidrolisis
Sebelum dilakukan optimasi proses hidrolisis dengan menggunakan Metoda Permukaan Respon - Rancangan Komposit Pusat terlebih dahulu dilakukan percobaan untuk menentukan nilai taraf rendah, tengah dan tinggi untuk faktor suhu dan waktu hidrolisis. Percobaan dilakukan dengan cara menghidrolisis selulosa triasetat pada suhu 40, 50, 60, 70 oC selama 2, 4, 6, 8
47
dan 10 jam. Katalis asam sulfat ditambahkan sebanyak 0,075 ml (1,5 % dari bobot kering selulosa mikrobial yang digunakan) sedangkan air ditambahkan sebanyak 5 ml (rasio air terhadap selulosa mikrobial sebesar 1). Pengukuran kadar asetil selulosa diasetat yang dihasilkan dilakukan dengan metoda ASTM D 871- 96 (Lampiran 1g). Selulosa diasetat yang diharapkan dapat diperoleh pada penelitian ini adalah selulosa diasetat yang mempunyai kadar asetil berkisar 37 – 42%. Penentuan nilai taraf rendah dan tinggi dilakukan berdasarkan nilai kadar asetil selulosa diasetat yang diperoleh yaitu kondisi hidrolisis yang dapat menghasilkan selulosa diasetat de ngan kadar asetil berkisar 37 – 42%.
Proses Hidrolisis Selulosa Triasetat (modifikasi Malm dan Tanghe, 1953)
Sebanyak 5 g serbuk selulosa mikrobial direndam dalam 40 ml asam asetat glasial pada suhu 50 oC selama 6 jam. Selanjutnya ditambahkan anhidrida asetat sebanyak 16,75 ml (rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial sebesar 3,35), asam asetat 22,5 ml dan asam sulfat 0,075 ml (konsentrasi katalis 1,5%). Proses asetilasi dilakukan pada suhu 50 oC selama 323 menit. Larutan selulosa tr iasetat yang diperoleh selanjutnya dihidrolisis.
Proses hidrolisis selulosa triasetat dilakukan dengan cara menambahkan air sebanyak 1,70, 3,35, 5, 6,65, 8,30 ml (rasio air dengan selulosa mikrobial sebesar 0,34, 0,67, 1, 1,33, 1.66). Pencampuran air de ngan larutan selulosa triasetat tidak dapat dilakukan secara langsung tetapi dilakukan setelah terlebih dahulu air dicampur dengan asam asetat dengan perbandingan antara air dengan asam asetat sebesar 1:2 atau hingga diperoleh larutan asam asetat 66,67%. Katalis asam sulfat ditambahkan sebanyak 0,025, 0,050, 0,075, 0,100, 0,125 ml (0,5%,
1%, 1,5%, 2%, 2,5%). Pencampuran air dan katalis dengan larutan selulosa triasetat dilakukan dengan menggunakan pengaduk bermagnet. Selanjutnya proses hidrolisis selulosa triasetat dilakukan dalam penangas air bergoyang pada suhu 30, 40, 50, 60, dan 70 oC selama 120, 360, 600, 840 dan 1080 menit. Penghentian proses hidrolisis dilakukan dengan menambahkan 20 ml larutan MgCO3 1% dalam asam asetat. Selanjutnya dilakukan sentrifugasi terhadap cairan hasil hidrolisis pada kecepatan 3000 rpm selama 15 menit pada suhu 20 oC. Untuk memisahkan selulosa diasetat dari larutannya dilakukan proses pengendapan dengan cara menuangkan larutan hasil hidrolisis kedalam larutan asam asetat 10 % diatas pengaduk bermagnet. Gumpalan selulosa diasetat yang diperoleh selanjutnya direndam dalam larutan MgCO3 1%. Perendaman dilakukan selama 2 jam pada suhu kamar. Selanjutnya selulosa diasetat dicuci dengan air hingga bersih dan dikeringkan pada suhu 50 oC selama 6 jam. Selulosa diasetat kering yang diperoleh disimpan dalam wadah yang tertutup rapat. Pengukuran kadar asetil selulosa diasetat hasil hidrolisis dilakukan dengan metoda ASTM D 871-96 (Lampiran 1g). Diagram alir proses pembuatan selulosa diasetat dapat dilihat pada Gambar 8.
Penentuan Faktor yang Berpengaruh
Terdapat 4 variabel bebas yang dicobakan pada tahap hidrolisis ini yaitu 1. Rasio air terhadap selulosa mikrobial dengan taraf 0,34 , 0,67 , 1 , 1,33 , 1,66 2. Konsentrasi asam sulfat (katalis) dengan taraf 0,5%, 1%, 1,5%, 2% , 2,5% 3. Waktu hidrolisis dengan taraf 120, 360, 600, 840, 1080 menit
4. Suhu hidrolisis dengan taraf 30, 40, 50, 60, 70 oC.
49
Gambar 8. Diagram alir penelitian pembuatan selulosa diasetat (modifikasi Malm dan Tanghe, 1953)
Selulosa Diasetat
Hidrolisis
Suhu 30, 40, 50, 60, 70 oC Waktu 120,360, 600, 840,1080 menit
Asam asetat encer (10 %) 20 ml larutan MgCO3 1%
dalam asam asetat Asam sulfat 0,5%, 1%, 1,5%, 2% , 2,5% Pengendapan Pengeringan (6 jam, 50 oC) Perendaman (suhu kamar, 2 jam)
Sentrifugasi (3000 rpm, 15 menit Penghentian hidrolisis Larutan selulosa triasetat
dalam asam asetat
Lar. MgCO3 1% dalam air Cairan asam Pencucian Air Pengukuran kadar asetil Air1,70, 3,35, 5, 6,65, 8,30 ml (Rasio dg selulosa 0,34, 0,67, 1, 1,33, 1,66) Aktivasi (50 oC , 6 jam) Anhidrida asetat 16,75 ml As. Sulfat 0.075 ml Asam asetat 22.5 ml
Asam Asetat glasial (40 ml)
Asetilasi (323 menit, 50 oC ) Serbuk selulosa mikrobial
Pembentukan dan Pengujian Model
Model regresi kadar asetil selulosa diasetat dibuat berdasarkan data kadar asetil selulosa diasetat yang dihasilkan pada proses hidrolisis. Pada tahap pertama dilakukan pembentukan model linier dengan menggunakan data kadar asetil hasil hidrolisis pada rancangan titik faktoria l dan titik pusat. Tahap kedua dilakukan pembentukan model kuadratik dengan menggunakan tambahan data pada titik bintang. Pengujian terhadap model regresi yang dihasilkan meliputi uji penyimpangan model (lack of fit), uji R2 , uji signifikan model, da n uji asumsi residual (Box et al., 1978 ; Box dan Draper, 1987 ; Gaspersz, 1995 ; Montgomery et al., 2001 ; Edgar et al., 2001) .
Penentuan Kondisi Optimum Proses Hidrolisis
Penentuan kondisi optimum proses hidrolisis dilakukan dengan menggunakan analisis kanonik dan analisis plot kontur permukaan respon. Kondisi optimum proses hidrolisis selulosa triasetat yang diperoleh selanjutnya diverifikasi di laboratorium.
Rancangan Percobaan
Percobaan hidrolisis dilakukan dengan menggunakan Metoda Permukaan Respons – Rancangan Komposit Pusat. Terdapat 4 variabel bebas yang dicobakan yaitu (1) rasio air terhadap selulosa mikrobial yang dikodekan sebagai X1, (2) waktu hidrolisis yang dikodekan sebagai X2, (3) jumlah H2SO4
51
dikodekan sebagai X4. Faktor, kode dan taraf kode yang dicobakan dapat dilihat
pada Tabel 8.
Tabel 8. Faktor, kode dan taraf kode pada proses hidrolisis Taraf kode No Faktor Kode -a -2 rendah -1 tengah 0 tinggi +1 +a +2
1 Rasio air dengan selulosa mikrobial (v/bk) (P) X1 0.34 0.67 1 1.33 1.66 2 Waktu (menit) (W) X2 120 360 600 840 1080 3 Konsentrasi H2SO4 pekat (% v/bk) (K) X3 0.5 1 1.5 2 2.5 4 Suhu (oC) (S) X4 30 40 50 60 70
Konversi nilai taraf aktual menjadi nilai taraf kode dilakukan dengan cara seperti berikut :
X1 = (P -1) X2 = (W-600) X3 = (K- 1.5) X4 = (S-50)
0.33 240 0,5 10
X1 = nilai kode rasio pereaksi P = rasio air aktual (v/bk)
X2 = nilai kode waktu reaksi W = waktu reaksi aktual (menit)
X3 = nilai kode konsentrasi katalis K = konsentrasi katalis aktual (%v/bk)
X4 = nilai kode suhu reaksi S = suhu reaksi aktual (oC)
Pada tahap pemilihan faktor yang berpengaruh dilakukan percobaan dengan rancangan titik faktorial 4 faktor dan titik pusat sebanyak 3 ulangan. Rancangan percobaan untuk pendugaan model linier terdiri dari 16 unit percobaan faktorial dan 6 unit percobaan titik pusat (center points). Untuk pembentukan model kuadratik dilanjutkan percobaan rancangan titik bintang (star
point) dengan faktor dapat putar (a) sebesar ±2 k/4 dimana k adalah jumlah faktor. Matriks rancangan percobaan dengan 4 faktor ini dapat dilihat pada Tabel 9.
Tabel 9. Matriks rancangan percobaan 4 faktor pada proses hidrolisis Rasio air terhadap selulosa (v/bk) Waktu (menit) Kons. Asam sulfat (%v/bk) Suhu ( oC) Nilai kode Kadar asetil Selulosa Disetat Rancangan percobaan No X1 X2 X3 X4 X1 X2 X3 X4 (%) 1 0.67 360 1 40 -1 -1 -1 -1 2 1.33 360 1 40 1 -1 -1 -1 3 0.67 840 1 40 -1 1 -1 -1 4 1.33 840 1 40 1 1 -1 -1 5 0.67 360 2 40 -1 -1 1 -1 6 1.33 360 2 40 1 -1 1 -1 7 0.67 840 2 40 -1 1 1 -1 8 1.33 840 2 40 1 1 1 -1 9 0.67 360 1 60 -1 -1 -1 1 10 1.33 360 1 60 1 -1 -1 1 11 0.67 840 1 60 -1 1 -1 1 12 1.33 840 1 60 1 1 -1 1 13 0.67 360 2 60 -1 -1 1 1 14 1.33 360 2 60 1 -1 1 1 15 0.67 840 2 60 -1 1 1 1 Titik Faktorial 16 1.33 840 2 60 1 1 1 1 17 1 600 1.5 50 0 0 0 0 18 1 600 1.5 50 0 0 0 0 19 1 600 1.5 50 0 0 0 0 20 1 600 1.5 50 0 0 0 0 21 1 600 1.5 50 0 0 0 0 Titik pusat 22 1 600 1.5 50 0 0 0 0 23 0.34 600 1.5 50 -2 0 0 0 24 1.66 600 1.5 50 +2 0 0 0 25 1 120 1.5 50 0 -2 0 0 26 1 1080 1.5 50 0 +2 0 0 27 1 600 0.5 50 0 0 -2 0 28 1 600 2.5 50 0 0 +2 0 29 1 600 1.5 30 0 0 0 -2 Titik Bintang 30 1 600 1.5 70 0 0 0 +2
53
Penelitian III. Pembuatan dan Karakterisasi Membran Ultrafiltrasi dari
