OPTIMASI SINTESIS BIOSURFAKTAN KARBOHIDRAT
ESTER DARI ASAM PALMITAT DAN FRUKTOSA
MENGGUNAKAN ENZIM LIPASE
TERIMOBILISASI
SKRIPSI
Oleh
HISKIA ARAPENTA GINTING
120405077
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
OPTIMASI SINTESIS BIOSURFAKTAN KARBOHIDRAT
ESTER DARI ASAM PALMITAT DAN FRUKTOSA
MENGGUNAKAN ENZIM LIPASE
TERIMOBILISASI
SKRIPSI
Oleh
HISKIA ARAPENTA GINTING
120405077
SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN
PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
JULI 2017
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul :
OPTIMASI SINTESIS BIOSURFAKTAN KARBOHIDRAT
ESTER DARI ASAM PALMITAT DAN FRUKTOSA
MENGGUNAKAN ENZIM LIPASE
TERIMOBILISASI
dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada
Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi
ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan
sumbernya.
Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila kemudian hari terbukti bahwa karya
ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima
sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku.
Medan, 2017
Hiskia Arapenta Ginting
PENGESAHAN
Skripsi dengan judul :
OPTIMASI SINTESIS BIOSURFAKTAN KARBOHIDRAT
ESTER DARI ASAM PALMITAT DAN FRUKTOSA
MENGGUNAKAN ENZIM LIPASE
TERIMOBILISASI
dibuat sebagai kelengkapan persyaratan untuk mengikuti ujian skripsi Sarjana
Teknik pada Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera
Utara. Skripsi ini telah diujikan pada sidang ujian skripsi pada 25 Juli 2017 dan
dinyatakan memenuhi syarat/sah sebagai skripsi pada Departemen Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Mengetahui, Medan, Juli 2017
Koordinator Skripsi Dosen Pembimbing
-Ir. Bambang Trisakti, M.T. Prof. Dr. Zuhrina Masyithah, ST,M.Sc
NIP. 19660925 199103 1 003 NIP. 19710905 199512 2 001
Dosen Penguji I Dosen Penguji II
Dr. Ir. Taslim, M.Si Ir. Renita Manurung, M.T.
NIP. 19650115 1999003 1 002 NIP. 19681214 199702 2 002
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan
kasih dan karunia-Nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan Skripsi dengan judul “Optimasi Sintesis Biosurfaktan Karbohidrat Ester Dari Asam Palmitat Dan Fruktosa Menggunakan Enzim Lipase
Terimobilisasi”, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Pusat Penelitian Kelapa Sawit Medan, Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu
syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik.
Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberi gambaran kepada dunia industri
tentang penggunaan langsung asam lemak minyak sawit sebagai bahan baku
dalam pembuatan surfaktan nonionik sehingga dihasilkan produk yang dapat
digunakan sebagai bahan pengemulsi yang ramah lingkungan.
Selama melakukan penelitian sampai penulisan skripsi ini, penulis banyak
mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terima
kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada :
1. Ibu Prof. Dr. Zuhrina Masyithah, ST, M.Sc selaku Dosen Pembimbing yang
telah memberikan pengarahan dan masukan selama melakukan penelitian dan
penulisan skripsi ini.
2. Bapak Ir. Bambang Trisakti, M.T selaku Koordinator Penelitian.
3. Bapak Dr. Ir. Taslim, M.Si selaku Dosen Penguji I yang telah memberikan
saran dan masukan yang membangun dalam penulisan skripsi ini.
4. Ibu Ir. Renita Manurung, M.T selaku Dosen Penguji II yang telah
memberikan saran dan masukan yang membangun dalam penulisan skripsi
ini.
5. Ibu Ir. Maya Sarah, ST, MT, Phd, IPM selaku Ketua Departemen Teknik
Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
6. Bapak Dr. Tjahjono Herawan selaku Manajer Laboratorium Oleokimia Pusat
Penelitian Kelapa Sawit serta Staf Teknisi di Laboratorim Oleokimia yang
telah banyak membantu dalam melaksanakan penelitian.
ii
7. Seluruh Dosen/Staf Pengajar dan Pegawai Administrasi Departemen Teknik
Kimia.
8. Denny Samuel Silaen selaku partner penelitian penulis yang telah
memberikan masukan dan dorongan dalam penyelesaian skripsi ini.
9. Adik-adik penulis Betesdha Pepayosa br Ginting, Amd dan Egia Satria
Ginting yang telah memberikan semangat dan dukungan kepada penulis.
10. Lamtioma R.P. Gultom yang telah memberikan semangat dan dukungan
kepada penulis.
11. Keluarga Salt and Light of the World yang tidak dapat disebutkan satu
persatu.
12. Team Dota 2, yaitu Andrei F. Siahaan, Josua Tinambunan, Riando
Sihombing, Agus Winarta yang telah memberikan semangat dan dukungan
kepada penulis.
13. Abang dan kakak senior, teman-teman stambuk 2012, dan adik-adik stambuk
2013 hingga 2016 yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna oleh karena itu
penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini.
Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.
Medan, Juli 2017
Penulis
Hiskia Arapenta Ginting
iii
DEDIKASI
Skripsi ini saya persembahkan untuk :
Bapak & Ibu tercinta
Happy Jhon Ginting dan Hermina br Tarigan
Mereka adalah orang tua hebat yang telah membesarkan, mendidik
dan mendukungku dengan penuh kesabaran dan kasih sayang.
Terima kasih atas pengorbanan, nasehat dan do’a yang tiada hentinya
yang telah kalian berikan kepadaku selama ini.
iv
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Nama: Hiskia Arapenta Ginting
NIM: 120405077
Tempat/Tgl. Lahir: Medan/11 April 1993
Nama orang tua: Happy Jhon Ginting dan Hermina Tarigan
Alamat orang tua:
JL.Bunga Sedap Malam III E Sempakata P. Bulan Medan
Asal Sekolah :
TK Swasta Assisi Medan, tahun 1998-1999 SD Swasta Assisi Medan, tahun 1999-2005 SMP Negeri 10 Medan ,tahun 2005-2008 SMA Swasta Cahaya Medan, tahun 2008-2011 Pengalaman Organisasi/Kerja:
1. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode
2015/2016 sebagai sekretaris bidang Penelitian dan Pengembangan.
2. Kerja Praktek di PT. Saudara Sejati Luhur Gunung Melayu I – Asian Agri Group di Air Batu, Kabupaten Asahan.
3. Melaksanakan Penelitian pada Pusat Penelitian Kelapa Sawit Medan,
Sumatera Utara
v
ABSTRAK
Karbohidrat ester merupakan salah satu golongan surfaktan nonionik yang banyak dibutuhkan dan berpotensi sebagai surfaktan yang ramah lingkungan. Permasalahan utama dalam sintesis karbohidrat ester adalah memperoleh persen konversi asam palmitat yang optimum dari pengaruh suhu, jumlah biokatalis dan waktu reaksi. Optimasi sintesis karbohidrat ester dilakukan terhadap tiga variabel yang mempengaruhi reaksi esterifikasi. Untuk itu proses esterifikasi dilakukan dengan mereaksikan langsung asam palmitat dan fruktosa menggunakan katalis enzim lipase terimobilisasi Novozyme®435 dengan variabel bebas yaitu suhu reaksi 41,5 oC; 45 oC; 50 oC; 55 oC; 58,4 oC, jumlah biokatalis sebanyak 6,63%; 8%; 10%; 12%; 13,36% berbasis massa asam palmitat serta waktu reaksi 7,6 jam; 24 jam; 48 jam; 72 jam; 88,3 jam dan direaksikan dengan variabel tetap yaitu kecepatan pengadukan 500 rpm; rasio substrat 3:1 (fruktosa : asam palmitat) dan jumlah pelarut 10 ml. Campuran kemudian dipisahkan dari katalis secara filtrasi. Produk dianalisis dengan melakukan penentuan bilangan asam untuk memperoleh persen konversi fruktosa ester, penentuan nilai Hydrophilic Liphophilic Balance, spektoroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR) dan penentuan tegangan permukaan. Konversi optimum yang diperoleh adalah 61,80% diperoleh pada kondisi suhu reaksi 55 oC, jumlah enzim Novozyme 435® 12% dan waktu reaksi 72 jam. Hasil analisa surfaktan fruktosa ester yang diperoleh dapat menurunkan tegangan permukaan 41,0609 dyne/cm atau sebesar 56,36 % dan diperoleh nilai HLB 10,592 yang menunjukkan surfaktan fruktosa ester dapat digunakan sebagai pengemulsi minyak dalam air.
vi
ABSTRACT
Carbohydrate ester is one of many needed nonionic surfactant groups and has the potential to be an environmentally friendly surfactant. The principal problem in the synthesis of carbohydrate ester is to obtain the optimum conversion of palmitic acid by varying temperature, the amount of biocatalyst and reaction time. Esterification process was carried out by reacting directly palmitic acid and fructose using a Novozyme®435 immobilized lipase at 41,5 oC, 45 oC, 50 oC, 55 oC, 58,4 oC, using biocatalyst 0,1544 gr, 0,1863 gr, 0,2329 gr, 0,2795 gr, 0,3112 gr for 7,6 hours; 24 hours; 48 hours; 72 hours; 88,3 hours at 500 rpm; with addition 10 ml of solvent. The mixture was then separated from the catalyst by filtration. The product was analyzed by measuring the acid number to obtain conversion percent of fructose ester, Hydrophilic Lipophilic Balance (HLB), Fourier Transform Infrared (FTIR) and surface tension. The optimum conversion rate obtained was 61,80% at 55 oC reaction temperature, Novozyme®435 enzyme count was 12% and 72 hours reaction time. Result of fructose ester surfactant analysis obtained can decrease of surface tension was 41,0609 or 56,36 % and obtained HLB value is 10,592 value which showed fructose ester surfactant can be used as emulsifier of oil in water.
Keywords : carbohydrate ester, palmitic acid, fructose, lipase immobilizied, optimation
vii
DAFTAR ISI
PRAKATA i
DEDIKASI iii
RIWAYAT HIDUP PENULIS iv
ABSTRAK v
ABSTRACT vi
DAFTAR ISI vii
DAFTAR GAMBAR x
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR LAMPIRAN xiii
BAB I PENDAHULUAN 1
2.5 Lipase Terimobilisasi 11
2.6 Esterifikasi 14
2.7 Surfaktan 15
2.8 Surfaktan Karbohidrat Ester 17
2.9 Penentuan Nilai HLB 18
2.10 Metode Permukaan Sambutan 19
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 21
3.1 Lokasi Penelitian 21
3.2 Bahan dan Peralatan 21
viii
3.2.2 Peralatan Penelitian 21
3.3 Rancangan Percobaan 22
3.4 Prosedur Penelitian 24
3.4.1 Prosedur Sintesis Surfaktan Karbohidrat Ester 24
3.5 Prosedur Analisa 24
3.5.1 Analisis Fourier Transform Infra Red ( FT-IR ) 24
3.5.3 Analisis Bilangan Asam 25
3.5.3 Analisis Bilangan Penyabunan 25
3.5.4 Analisis Tegangan Permukaan 26
3.5.5 Analisis Nilai Hydrophile Lipophile Balance ( HLB ) 27
3.6 Flowchart Penelitian 28
3.6.1 Flowchart Sintesis Surfaktan Karbohidrat Ester 28
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 30
4.1 Analisis Identifikasi Surfaktan Karbohidrat Ester
dengan Spektroskopi FT-IR 30
4.2 Hasil Optimasi Sintesis Biosurfaktan Karbohidrat Ester 31
4.2.1 Prediksi Model 32
4.2.2 Analisis Variansi (ANOVA) 35
4.2.3 Analisis Pengaruh Variabel Percobaan 36
a. Pengaruh Suhu dan Jumlah Biokatalis 36
b. Pengaruh Suhu dan Waktu Reaksi 38
c. Pengaruh Jumlah Biokatalis dan Waktu Reaksi 39
4.3 Analisis Karakteristik Produk Surfaktan Karbohidrat Ester 41
4.3.1 Analisis Bilangan Asam Produk Surfaktan Karbohidrat
Ester 41
4.3.2 Analisis Bilangan Penyabunan Produk Surfaktan
Karbohidrat Ester 41
4.3.3 Analisis Nilai HLB (Hydrophile – Lipophile
Balance) Surfaktan Karbohidrat Ester 41
4.3.4 Analisis Identifikasi Penurunan Tegangan Permukaan
Surfaktan Karbohidrat Ester 42
ix
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 43
5.1 Kesimpulan 43
5.2 Saran 43
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Struktur Kimia Asam Palmitat 7
Gambar 2.2 Pembagian Karbohidrat 8
Gambar 2.3 Struktur Fruktosa 9
Gambar 2.4 Reaksi-Reaksi yang Dikatalisis Lipase 10
Gambar 2.5 Imobilisasi Enzim dengan Ikatan Kovalen 12
Gambar 2.6 Imobilisasi Enzim dengan Adsorbsi 12
Gambar 2.7 Imobilisasi Enzim dengan Cross-Linking 13
Gambar 2.8 Imobilisasi Enzim dengan Penjebakan 13
Gambar 2.9 Imobilisasi Enzim dengan Enkapsulasi 14
Gambar 2.10 Reaksi Esterifikasi Menggunakan Lipase 15
Gambar 2.11 Struktur Sederhana Surfaktan 15
Gambar 2.12 Surfaktan yang Berasal dari Minyak dan Lemak 16
Gambar 2.13 Perbandingan Sintesis Kimia dan Sintesis Enzimatik
Karbohidrat Ester 17
Gambar 2.14 Reaksi Pembentukan Surfaktan Fruktosa Ester 18
Gambar 3.1 Flowchart Sintesis Surfaktan Karbohidrat Ester 28
Gambar 4.1 Hasil Spektrum Inframerah Surfaktan Karbohidrat Ester 30
Gambar 4.2 Perbandingan % Konversi Percobaan dengan % Konversi Model 37
Gambar 4.3 Plot Respon Kontur dan Respon Permukaan % Konversi
Surfaktan Karbohidrat Ester untuk Suhu vs Jumlah Biokatalis 36
Gambar 4.4 Plot Respon Kontur dan Respon Permukaan % Konversi
Surfaktan Karbohidrat Ester untuk Suhu vs Waktu Reaksi 38
Gambar 4.3 Plot Respon Kontur dan Respon Permukaan % Konversi
Surfaktan Karbohidrat Ester untuk Jumlah Biokatalis vs Waktu
Reaksi 39
Gambar C.1 Rangkaian Peralatan 51
Gambar C.2 Pembuatan Surfaktan 51
Gambar C.3 Pemisahan Enzim dari Produk 52
Gambar C.4 Analisis Bilangan Asam 52
Gambar C.5 Analisis Bilangan Penyabunan 53
xi
Gambar C.6 Surfaktan Karbohidrat Ester yang Dihasilkan 53
Gambar D.1 Hasil Uji FT-IR Bahan Baku Asam Palmitat 54
Gambar D.2 Hasil Uji FT-IR Bahan Baku Fruktosa 55
Gambar D.3 Hasil Uji FT-IR Produk Fruktosa Ester 56
Gambar E.1 Data Rancangan Percobaan 57
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Beberapa Penelitian Mengenai Sintesis Surfaktan Karbohidrat Ester 3
Tabel 2.1 Komposisi Asam Lemak pada Minyak Sawit dan Inti Sawit 6
Tabel 2.2 Klasifikasi Karbohidrat 8
Tabel 2.3 Rentang Nilai HLB dari Surfaktan Nonionik dan Aplikasinya 19
Tabel 3.1 Perlakuan Terkode untuk Reaksi Esterifikasi 22
Tabel 3.2 Central Composite Design ( CCD ) untuk Tiga Variabel 23
Tabel 4.1 Hasil Prediksi Koefisien Regresi untuk Menyusun Model
Permukaan Sambutan Sintesis Surfaktan Karbohidrat Ester 32
Tabel 4.2 Hasil Analisis Variansi Model Permukaan Sambutan untuk
Sintesis Surfaktan Karbohidrat Ester 35
Tabel A.1 Data Hasil Analisis Reaksi Esterifikasi 47
Tabel A.2 Data Karakteristik Surfaktan yang Dihasilkan 48
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A DATA HASIL PERCOBAAN 47
LA.1 Penelitian Reaksi Esterifikasi 47
LB.2 Karakteristik Surfaktan 48
LAMPIRAN B CONTOH PERHITUNGAN 49
LB.1 Perhitungan Bilangan Asam Akhir 49
LB.2 Perhitungan Bilangan Asam Awal 49
LB.3 Perhitungan % Konversi 49
LB.4 Perhitungan Bilangan Penyabunan 50
LB.5 Perhitungan Nilai HLB 50
LB.6 Perhitungan Analisa Penurunan Tegangan Permukaan 50
LAMPIRAN C DOKUMENTASI PENELITIAN 51
LAMPIRAN D HASIL UJI LABORATORIUM 54
LD.1 Hasil Uji FT-IR Bahan Baku Asam Palmitat 54
LD.2 Hasil Uji FT-IR Bahan Baku Fruktosa 55
LD.3 Hasil Uji FT-IR Produk Fruktosa Ester Run VIII 56
LAMPIRAN E ANALISIS STATISTIK DENGAN MINITAB 57
LE.1 Data Rancangan Percobaan 57
