SINTESIS SURFAKTAN BERBASIS ASAM AMINO:
N-LAUROYL LYSINE DARI ASAM LAURAT DENGAN KATALIS NATRIUM METILAT (CH
3ONa)
SKRIPSI
OLEH:
NURAINA RAMADHANI PURBA 150405031
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
SEPTEMBER 2020
SINTESIS SURFAKTAN BERBASIS ASAM AMINO:
N-LAUROYL LYSINE DARI ASAM LAURAT DENGAN
MENGGUNAKAN KATALIS NATRIUM METILAT (CH
3ONa)
SKRIPSI
Oleh
NURAINA RAMADHANI PURBA 150405031
SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
SEPTEMBER 2020
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan kasih dan karunia-Nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Skripsi dengan judul “Sintesis Surfaktan Berbasis Asam Amino: N-Lauroyl Lysine Dari Asam Laurat Dengan Katalis Natrium Metilat (CH3ONa)”, ini ditulis berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan di Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik.
Skripsi ini diharapkan dapat memberi gambaran kepada dunia industri tentang penggunan asam amino sebagai bahan baku dalam sintesis surfaktan ramah lingkungan sehingga dihasilkan produk yang dapat digunakan sebagai bahan emulsi pada bidang kosmetik. 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, S.T., M.Sc selaku Dosen Pembimbing yang telah memberikan pengarahan dan masukan selama melakukan penelitian dan penulisan skripsi ini.
2. Ibu Ir. Lilis Sukeksi, M.Sc., Ph.D. dan Bapak Bode Haryanto, S.T, M.T., Ph.D selaku Dosen Penguji I dan Dosen Penguji II yang telah memberikan saran dan masukan yang membangun dalam penulisan skripsi ini.
3. Ibu Ir. Maya Sarah, S.T., M.T., Ph.D., IPM selaku Ketua Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik,Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. Bambang Trisakti, M.T selaku Koordinator Penelitian.
5. Seluruh Dosen/Staf Pengajar dan Pegawai Administrasi Departemen Teknik Kimia.
6. Keluarga tercinta, Ayah, Mama, Adik Nadya Aprilia Purba yang selalu memberikan dukungan kepada saya dan motivasi untuk selalu semangat 7. Rekan-rekan TRP dan KP, Shintia Meidinah, Adzhani Fajrina,dan Nawalul
Azka yang telah memberikan dukungan dan semangat kepada penulis dalam mengerjakan skripsi ini.
8. Rekan-rekan seperjuangan di Laboratorium Kompos, Bang Muhammad Syukri, Bonita Ribkha Hutajulu, dan Alkesa Hutagalung yang telah memberikan dukungan dan semangat kepada penulis dalam mengerjakan skripsi ini.
9. Keluarga Besar J-Squad, Rafika Husna, Vera Diana, M. Dedi Anggreawan, Yudha Wibi, Riri Adolina, dan Axel Daely yang telah memberikan dukungan dan semangat kepada penulis dalam mengerjakan skripsi ini.
10. Rekan-rekan seperjuangan di Stambuk 2015 yang tidak bisa saya sebutkan satu per satu yang telah memberikan dukungan dan semangat kepada penulis dalam mengerjakan skripsi ini.
11. Adik-adik Stambuk 2016, 2017, 2018, dan 2019 yang telah memberikan dukungan dan semangat kepada penulis dalam mengerjakan skripsi ini.
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 dan kemajuan ilmu pengetahuan.
Medan, 16 September 2020 Penulis
Nuraina Ramadhani Purba
Skripsi ini saya persembahkan untuk :
Ayah & Ibu tercinta
Ayah Riasmadin Purba dan Ibu Ida Royani Nasution
Mereka adalah orang tua hebat yang telah membesarkan, mendidik dan mendukung dengan penuh kesabaran dan kasih sayang.
Terima kasih atas pengorbanan, nasehat dan do’a yang tiada hentinya yang telah diberikan selama ini.
&
Adik tersayang Nadya Aprilia Purba
Terima kasih atas pengorbanan, nasehat dan do’a yang tiada hentinya
yang telah diberikan selama ini.
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Nama: Nuraina Ramadhani Purba NIM: 150405031
Tempat/Tgl. Lahir: RS. Sri Torgamba/05 Februari 1997 Alamat medan : Jalan Abdul hakim no 35B, Medan Selayang.
Alamat orang tua: Komplek RS Sri Torgamba, Kab Labuhanbatu Selatan.
Asal Sekolah :
SD Negeri 117876 Cikampak, tahun 2003-2009
SMP Negeri 1 Torgamba ,tahun 2009-2012
SMA Negeri 1 Tebing Tinggi, tahun 2012-2015
Universitas Sumatera Utara Fakultas Teknik Jurusan Teknik Kimia tahun 2015-2020
Pengalaman Organisasi/Kerja:
1. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2015/2019 sebagai anggota.
2. Covalen Study Group (CSG) Teknik Kimia USU periode 2016/2017 sebagai anggota dakwah.
3. Kerja Praktek di PT. Toba Pulp Lestari, Tbk, Porsea. Sumatera Utara.
Artikel yang telah dipublikasi dalam jurnal/pertemuan ilmiah:
1. Int. Journal of AIP Conference Proceedings 2175, 020015, 2019 “The Effect of Temperature and Reaction Time of N-Palmitoyl Lysine Surfactant from Palmitate Acid and L-Lysine Used Mixed Solvent”
Sintesis Surfaktan Berbasis Asam Amino: N-Lauroyl Lysine Dari Asam Laurat Dengan Katalis Natrium
Metilat (CH
3ONa)
ABSTRAK
Surfaktan berbasis asam amino yaitu N-Lauroyl Lysine disintesis dengan menggunakan lisin dan asam laurat sebagai substrat, n-heksana dan 2-propanol sebagai pelarut campuran, dan dikatalisis oleh natrium metillat. Penelitian ini terdiri dari dua tahap, tahap pendahuluan dan tahap optimasi. Pada tahap pendahuluan, variabel reaksi yang diamati adalah waktu dan suhu. Dan, pada tahap optimasi, variabel reaksi yang diamati adalah rasio substrat (b /b), rasio pelarut campuran (b/b), dan berat katalis (b/b). Penelitian ini merangkum kondisi optimal sintesis surfaktan dengan menggunakan metode Box Behnken Design (BBD) dan Response Surface Metodologi (RSM). Hasil tahap pendahuluan menunjukkan bahwa dalam sintesis N-Lauroyl Lysine, waktu reaksi adalah 2 jam dan suhu 55 oC, memberikan hasil terbaik. Hasil tahap Optimasi menunjukkan bahwa, rasio substrat (1: 4), rasio pelarut campuran (1: 3), dan berat katalis (5%) memberikan hasil terbaik. Kondisi optimum reaksi menghasilkan persentase konversi asam laurat 85% setelah proses pemurnian. Hasil percobaan dianalisis dengan FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) untuk menentukan kelompok fungsional surfaktan.
Kata Kunci: Surfaktan berbasis Asam Amino, N-Lauroyl Lysine, Optimasi, Lisin
Synthesis Amino Acid Based Surfactant: N-Lauroyl Lysine From Lauric Acid With Sodium Methoxide
(CH
3ONa) as Catalyst
ABSTRACT
Amino acid-based surfactant namely N-Lauroyl Lysine was synthesized by using lysine and lauric acid as substrate, n-hexane and 2-propanol as the mixed solvent, and catalyzed by sodium methoxide (CH3ONa). This experiment consists of two stages of work, preliminary stage, and the optimization stage. In the preliminary stage, the reaction variables observed were time and temperature and in the optimization stage, the reaction variables observed were substrate ratio (b/b), mixed solvent ratio (b/b), and weight of catalyst (b/b). This review summarizes the optimum condition of synthesis surfactant by utilizing the Box Behnken Design (BBD) and Response Surface Methodology (RSM). The result of the preliminary stage show that in the synthesis of N-Lauroyl Lysine, the reaction time was 2 hours, and temperature 55 oC, gave the best performance. The result of the Optimization stage shows that the substrate ratio (1:4), mixed solvent ratio (1:3), and weight of catalyst (5%) gave the best performance. The reaction optimum condition produces the percentage of lauric acid conversion 85% after the purification process. The result of the experiment was analyzed by FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) to determine the functional group of surfactants.
Keywords : Amino Acid-Based Surfactant, N-Lauroyl Lysine, Optimization, bfjvnrfkvfrm Lysine
DAFTAR ISI
Halaman
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ii
LEMBAR PENGESAHAN iii
LEMBAR PERSETUJUAN iv
PRAKATA v
DEDIKASI vii
RIWAYAT HIDUP viii
ABSTRAK ix
ABSTRACT x
DAFTAR ISI xi
DAFTAR GAMBAR xiv
DAFTAR TABEL xv
DAFTAR LAMPIRAN xvi
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Perumusan Masalah 5
1.3 Tujuan Penelitian 5
1.4 Manfaat Penelitian 5
1.5 Ruang Lingkup Penelitian 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 8
2.1 Surfaktan 8
2.2 Surfaktan Asam Amino 11
2.3 Reaksi Amidasi 14
2.4 Bahan Baku 16
2.4.1 Lisin 17
2.4.2 Asam Laurat 18
2.4.3 Katalis Natrium Metilat 19
2.5 Optimasi 19
2.6 Response Surface Methodology 20
2.6.1 Box-Behnken Design (BBD) 21
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 22
3.1 Lokasi Penelitian 22
3.2 Bahan dan Peralatan 21
3.2.1 Bahan Penelitian 21
3.2.2 Peralatan Penelitian 21
3.2.3 Rangkaian Alat Penelitian 22 23
3.3 Prosedur Percobaan Amidasi 23
a. Penelitian Pendahuluan 23
b. Penelitian Optimasi 23
3.4 Prosedur Pemurnian 24
3.5 Prosedur Analisa 24
3.5.1 Analisis Bilangan Asam 24
3.5.2 Analisis Bilangan Penyabunan 25
3.5.3 Analisis FT-IR 25
3.5.3 Analisis HLB 26
3.6 Seleksi Jumlah Run 26
3.7 Flowchart Percobaan 28
3.7.1 Flowchat Penelitian Pendahuluan 28
3.7.2 Flowchat Penelitian Optimasi 29
3.7.3 Flowchart Percobaan Pemurnian 31
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 33
4.1 Penelitoan Pendahuluan 33
4.2 Hasil Optimasi Sintesis Surfaktan N-Lauroyl Lysine 35
4.3 Analisis Persamaan Model 37
4.3.1 Prediksi Model Regresi 37
4.3.2 Analisis Variansi (ANAVA) 39
4.4 Analisis Pengaruh Variabel 41
4.4.1 Pengaruh Rasio Substrat dan Rasio Pelarut 41
4.4.2 Pengaruh Rasio Substrat dan Berat Katalis 42
4.5 Perbandingan Konversi Eksperimen Dan Konversi Model 44
4.6 Analisis Identifikasi N-Lauroyl Lysine Dengan Spektroskopi FT-IR 46
4.7 Analisis Karakteristik Produk Surfaktan N-Lauroyl Lysine 48
4.7.1 Analisa Bilangan Asam Produk Surfaktan N-Lauroyl Lysine 48
4.7.2 Analisa Bilangan Penyabunan Produk Surfaktan N-Lauroyl Lysine 48
4.7.3 Analisa Nilai HLB (Hydrophile – Lipophile Balance) Produk Surfaktan N-Lauroyl Lysine 49
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 50 5.1 Kesimpulan 50 5.2 Saran 50 DAFTAR PUSTAKA ... 51
LAMPIRAN A DATA HASIL PERCOBAAN 58
LAMPIRAN B CONTOH PERHITUNGAN ... 61
LAMPIRAN C DOKUMENTASI PENELITIAN ... 63
LAMPIRAN D HASIL UJI LABORATORIUM ... 66
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Struktur Surfaktan 8
Gambar 2.2 Sintesis Alkanoamida dari Asam Lemak 10
Gambar 2.3 Sintesis Alkanoamida dari Ester Asam Lemak 11
Gambar 2.4 Struktur Fundamental Dari Surfaktan Berbasis Asam Amino 12
Gambar 2.5 Struktur Kimia 20 Asam Amino 13
Gambar 2.6 Perbedaan Sintesis Surfaktan Berbasis Asam Amino 14
Gambar 2.7 Struktur Kimia Dari Surfaktan Berbasis Lysine 14
Gambar 2.8 Struktur umum amida 15
Gambar 2.9 Gambar Umum Sintesis Pembuatan Amida 16
Gambar 2.10 Reaksi Pembentukan Amida 17
Gambar 2.11 Struktur Monomer Lysine 17
Gambar 2.12 Struktur Asam Laurat 17
Gambar 3.1 Rangkaian Alat Sintesis Surfaktan Lauroil Lisina 23
Gambar 3.2 Flowchart Tahap Percobaan Pendahuluan 30
Gambar 3.3 Flowchart Tahap Percobaan Optimasi 31
Gambar 3.4 Flowchart Tahap Percobaan Pemurnian 32
Gambar 4.1 Mekanisme Reaksi Sintesis Surfaktan N-Lauroyl Lysine 33
Gambar 4.2 Hasil Penentuan Temperatur Reaksi dan Waktu Reaksi 34
Gambar 4.3 Plot Respon Kontur dari Rasio Substrat (X1) dan Rasio Substrat (X2) terhadap konversi N-Lauroyl Lysine (Y,%) 41 Gambar 4.4 Plot Respon Kontur dari Rasio Substrat (X1) dan Berat Katalis (X2) terhadap konversi Asam Laurat (Y,%) 42
Gambar 4.5 Plot Respon Kontur dari Rasio Pelarut (X1) dan Berat Katalis (X2) terhadap Konversi Asam Laurat (Y,%) 43
Gambar 4.6 Perbandingan Konversi Model dan Konversi dari Eksperimen 45
Gambar 4.7 Hasil Spektrum N-Lauroyl Lysine dari Hasil Optimum 47
Gambar LC.1 Rangkaian Peralatan Pembuatan Surfaktan N-Lauroyl Lysine 63
Gambar LC.2 Rangkaian Titrasi Analisa Bilangan Asam 63
Gambar LC.5 Surfaktan N-Lauroyl Lysine yang Dihasilkan 65 Gambar LD.1 Hasil Uji FTIR Asam Laurat 66
Gambar LD.2 Hasil Uji FT-IR Lysine 66
Gambar LD.3 Hasil Uji FT-IR N-Lauroyl Lysine 67
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Penelitian-Penelitian Terdahulu Tentang Pembuatan Surfaktan
Asam Amino 4
Tabel 3.1 Kode dan Level Variabel 28
Tabel 3.2 Eksperimen Aktual yang dilakukan dan dikembangkan dari Model 28
Tabel 4.1 Hasil Eksperimen Design Sintesis N-Lauroyl Lysine 36
Tabel 4.2 Hasil Prediksi Koefisien Regresi untuk Menyusun Model Permukaan Sambutan Sintesis N-Lauroyl Lysine 37
Tabel 4.3 Hasil Analisis Variansi Model Permukaan Sambutan untuk Sintesis N-Lauroyl Lysine 39
Tabel 4.4 Perbandingan Konversi Model dan Konversi dari Eksperimen 45
Tabel LA.1 Data Hasil Analisa Percobaan Pendahuluan 58
Tabel LA.2 Data Hasil Analisa Percobaan Amidasi 59
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran A Data Hasil Percobaan 58
LA.1 Hasil Percobaan Pendahuluan 58
LA.2 Hasil Percobaan Amidasi 59
Lampiran B Contoh Perhitungan 61
LB.1 Perhitungan Bilangan Asam Akhir 61
LB.2 Perhitungan Bilangan Asam Awal 61
LB.3 Perhitungan % Koversi 61
LB.4 Perhitungan Bilangan Penyabunan 62
LB.5 Perhitungan Nilai HLB 62
Lampiran C Dokumentasi Penelitian 63
LC.1 Rangkaian Peralatan Pembuatan
Surfaktan N-Lauroyl Lysine 63
LC.2 Rangkaian Titrasi Analisa Bilangan Asam 63
LC.3 Hasil Analisa Bilangan Asam 64
LC.4 Rangkaian Analisa Bilangan Penyabunan 64 LC.5 Surfaktan N-Lauroyl Lysine Yang Dihasilkan 65
Lampiran D Hasil Uji Laboratorium 66
LD.1 Hasil Uji FT-IR Bahan Baku Asam Laurat 66 LD.2 Hasil Uji FT-IR Bahan Baku Lysine 66 LD.3 Hasil Uji FT-IR Produk N-Lauroyl Lysine 67
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Seiring dengan meningkatnya kesadaran akan kesehatan dan lingkungan yang baik, permintaan surfaktan yang mudah terdegradasi dan berbasis tumbuhan sudah banyak diminati oleh masyarakat karena surfaktan yang dihasilkan memiliki kelebihan antara lain bersifat terbarukan (renewable resources), lebih bersih (cleaner) dan lebih murni dibandingkan bahan baku berbasis petrokimia (Ginting, dkk., 2017).
Kesadaran masyarakat akan lingkungan mendorong terbentuknya sintesis surfaktan yang ramah lingkungan dengan kegunaan yang multifungsional yang dinamakan surfaktan berbasis bio (tumbuhan) atau biosurfaktan. Biosurfaktan adalah permukaan aktif molekul yang dihasilkan dari sel hidup seperti mikroorganisme, jamur dan tumbuhan yang termasuk glikolipida, polisakarida, asam amino, peptida, protein, asam lemak dan monomer-monomer dari lemak dan karbohidrat (Clapes dan Maria, 2011).
Surfaktan adalah zat yang ditambahkan pada cairan untuk meningkatkan sifat penyebaran dengan menurunkan tegangan permukaan cairan (Rachim, dkk., 2012). Surfaktan berasal dari kata surface active agent yang berarti permukaan agen aktif. Surfaktan sangat banyak digunakan karena kemampuannya dalam mempengaruhi sifat permukaan (surface) dan antarmuka (interface). Interface adalah bagian atau lapisan tempat dua fasa yang tidak sama saling bertemu/kontak (Sukriya, 2011).
Molekul surfaktan setidaknya mengandung dua gugus, satu hidrofobik dan satu hidrofilik. Bagian hidrofobik biasanya berupa hidrokarbon lurus atau bercabang atau rantai fluorokarbon dengan 8-18 atom karbon, sedangkan gugus hidrofilik berupa bagian polar atau ionik (Brycki, et al., 2017). Bagian kepala mengacu pada pelarut dari hidrofilik dan bagian ekor mengacu pada grup hidrofobik (Sukriya, 2011).
Secara umum, fungsi surfaktan adalah untuk mengurangi tegangan
terdispersi, dan untuk mengontrol jenis pembentukan emulsi, seperti minyak dalam air atau air dalam minyak (Siregar, dkk, 2017).
Surfaktan dapat ditemukan dalam deterjen, produk perawatan pribadi, sebagai aditif untuk cat dan pelapis, zat warna, biosida, ilmu material, sintesis organik, farmasi, tekstil dan material dari bahan kulit, agrokimia, plastik, pemrosesan makanan, dalam industri perminyakan untuk meningkatkan pemulihan minyak tersier, dan bahan peledak. Surfaktan juga digunakan untuk menggantikan pelarut tradisional, memberikan risiko lebih rendah dan mengurangi dampak lingkungan.
Surfaktan juga dapat memainkan peran kunci dalam pengembangan teknologi seperti bahan dan material nano (Brycki, et al., 2017).
Kebutuhan surfaktan di Indonesia sendiri meningkat seiring dengan perkembangan industri sedangkan produksi surfaktan terbatas (Rachim, dkk., 2012). Pada tahun 2004, permintaan surfaktan dunia sebesar 11,28 juta ton per tahun dengan peningkatan rata-rata 3% per tahun. Saat ini, dari 95.000 ton kebutuhan surfaktan Indonesia per tahun, sekitar 45.000 ton masih di impor (Sari, 2015).
Peningkatan penggunaan surfaktan terutama didorong oleh permintaan yang lebih tinggi untuk produk perawatan pribadi, deterjen, pembersih dan produk industri, anti korosi, dan biosidal. Hal ini, diharapkan mengarah pada pengenalan produk-produk berbasis surfaktan yang inovatif, lebih efektif, dalam waktu dekat (Brycki, et al., 2017).
Soo et al (2003) menyatakan minyak kelapa sawit sebagai sumber bahan baku yang murah dan berlimpah untuk sintesis surfaktan asam amino. Surfaktan berbasis asam amino telah menarik minat yang besar karena bersifat ramah lingkungan, lebih biodegradable dan juga tidak berbahaya bagi lingkungan.
Ditemukan bahwa golongan surfaktan ini menunjukkan toksisitas yang lebih rendah bila dibandingkan dengan surfaktan konvensional, menjadikannya sebagai alternatif yang menjanjikan untuk surfaktan anionik dan nonionik yang tersedia secara komersial dalam formulasi farmasi dan kosmetik (Teixeira, et al., 2014).
Asam amino adalah zat dengan gugus amina dan gugus karboksilat dalam molekul, dan merupakan konstituen protein. Saat ini, asam amino dengan kemurnian tinggi tersedia dengan biaya yang relatif rendah dan digunakan dalam
aditif pakan, obat-obatan, dan di lain-lain. Yang terbaru, penelitian telah dilakukan mengenai penggunaan industri asam amino di bidang kosmetik, surfaktan, polimer, dan sebagainya (Takehara, 1989).
Banyak asam amino standar menawarkan berbagai macam struktur kimia yang memungkinkan penyesuaian yang baik dari sifat kimia fisik dari surfaktan.
Asam amino dapat dihubungkan melalui berbagai jenis ikatan yang dapat dipecah seperti ikatan amida untuk surfaktan berbasis asam amino N-asil (Holmberg, 2001).
Asam laurat dengan konsentrasi paling tinggi terdapat pada minyak inti sawit (PKO) dan minyak kelapa yaitu masing-masing 53,3% dan 45,90%. Gugus karboksil dan metil pada asam laurat menyebabkan turunan dari senyawa ini sering digunakan pada industri pencuci seperti sampo dan industri kosmetik.
Dengan demikian, asam laurat sangat cocok digunakan untuk membuat senyawa- senyawa untuk produk pembersih (Siregar, dkk., 2017).
Salah satu faktor yang mendorong berkembangnya industri surfaktan adalah keberadaan bahan baku. Surfaktan umumnya disintesis dari minyak bumi (petrokimia) namun karena kebutuhannya yang semakin meningkat, maka penelitian tentang surfaktan berbahan baku minyak nabati telah banyak dikembangkan. Dibandingkan dengan surfaktan berbahan baku petrokimia, surfaktan yang terbuat dari bahan baku minyak nabati bersifat mudah terurai secara alami sehingga lebih ramah lingkungan. Selain itu, pengadaannya dapat berkesinambungan karena merupakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui (Arfah dan Razak, 2015).
Pada penelitian ini, akan disintesis surfaktan N-Lauroyl Lysine dengan reaksi amidasi antara asam laurat dan lysine dengan katalis natrium metilat yang bersifat reaktif dan harga terjangkau (Oppusunggu, dkk., 2015) dalam pelarut campuran 2- propanol dan n-heksana karena berdasarkan kelarutan bahan baku dan produk terhadap pelarut dimana diketahui bahwa gugus amida dari lysine ternyata lebih larut dalam pelarut alkohol yang bersifat polar sedangkan asam lemak murni kurang lebih larut dalam pelarut non polar seperti heksana. Dengan demikian, campuran alkohol dan heksana diharapkan menjadi pelarut terbaik untuk reaksi
penengahan karena campuran tersebut dapat melarutkan semua komponen yang diperlukan dan menghasilkan produk paling banyak (Wang, et al., 2016).
Sintesis surfaktan berbahan baku minyak nabati telah dilakukan oleh beberapa peneliti terdahulu. Tabel 1.1 berikut menunjukkan beberapa penelitian terdahulu terkait sintesis surfaktan dengan tingkat yield tertentu.
Tabel 1.1 Beberapa Penelitian Pendahuluan Terdahulu Terkait Sintesis Surfaktan Asam Amino.
Peneliti Judul Penelitian Kondisi Optimum Yield (%)
Dettori, et al,.(2018)
Molecular Rules for Selectivity in Lipase- Catalyzed Acilation Of
Lysine
Rasio bahan baku 1:2 mmol, katalis Lipase,
pelarut 2-methyl 2- butanol, suhu reaksi 55oC, waktu reaksi 12
jam, Kecepatan pengadukan 250 rpm.
42
Sreenu, et al., 2014.
Surface and Antimicrobial Properties of N- Palmitoyl Amino Acid-
Based Surfactants
Rasio bahan baku 1:3 mmol, suhu 30oC, waktu pengadukan 4 jam, pelarut kloroform
dan methanol.
74
Takassi, et al,. (2016)
A lysine amino acid- based surfactant:
Application in enhanced oil
recovery
Pelarut methanol, waktu pengadukan 24
jam, suhu reaksi 186- 189oC.
70
Oppusunggu, dkk., 2015.
Pengaruh Jenis Pelarut dan Temperatur Reaksi Pada Sintesis Surfaktan Dari Asam Oleat dan n-
Metil Glukamina Dengan Katalis Kimia
Rasio bahan baku 1:2 mmol, Konsentrasi katalis Natrium metilat
0,4%, Kecepatan pengadukan 150 rpm,
waktu reaksi 3 jam, suhu optimal 110°C
73,38
Ashari, dkk., 2017.
Sintesis Palmitoil dan Lauroil Etanolamida Menggynakan Pelarut Campuran: Pengaruh Temperatur dan Waktu
Reaksi
Rasio mol substrat 1:10, rasio pelarut 2:1 (v/b), konsentrasi katalis 5%
(b/b), kecepatan pengadukan 250 rpm.
96,154 dan 96,931
Berdasarkan data peneliti terdahulu yang dirangkum pada Tabel 1.1 di atas menunjukkan bahwa yield tertinggi yang diperoleh adalah 74% dengan suhu
reaksi 30oC, waktu reaksi 4 jam, pelarut kloroform dan methanol dan dengan perbandingan rasio bahan baku (Asam Palmitat: Asam Amino) 1:3.
Atas dasar kajian yang telah dipaparkan, maka perlu dilakukan penelitian sintesis surfaktan berbasis asam amino: N-lauroyl lysine dari asam laurat dengan menggunakan katalis kimia untuk mendapatkan informasi penting mengenai variabel-variabel penelitian seperti waktu reaksi, temperatur reaksi, rasio berat substrat (asam laurat:lisin), rasio pelarut (isopropanol:n-heksana) dan berat katalis CH3ONa. Penelitian ini meneliti pengaruh rasio bahan baku, rasio pelarut serta berat katalis dengan metode Box-Behnken Design terhadap surfaktan N- Lauroyl Lysine yang diperoleh.
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Rumusan masalah dari penelitian ini adalah :
1. Bagaimana pengaruh dari waktu reaksi dan temperatur reaksi terhadap konversi surfaktan yang dihasilkan.
2. Bagaimana pengaruh rasio substrat (asam laurat: lysine), rasio pelarut campuran (isopropanol:n-heksana), dan berat katalis Natrium Metilat (CH3ONa), serta kondisi reaksi amidasi yang optimum untuk mendapatkan persen konversi N-Lauroyl Lysine yang maksimum.
3. Bagaimana karakteristik dari surfaktan N-Lauroyl Lysine yang dihasilkan.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variabel-variabel yang divariasikan dalam sintesis surfaktan N-lauroyl lysine yaitu pengaruh rasio berat substrat (asam laurat:lysine), rasio pelarut campuran (isopropanol:n- heksana), dan berat katalis Natrium Metilat (CH3ONa).
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Manfaat dari penelitian yang dilakukan adalah:
1. Untuk mendapatkan informasi mengenai waktu reaksi dan temperatur reaksi terhadap konversi surfaktan yang dihasilkan.
2. Untuk mendapatkan informasi mengenai pengaruh rasio berat substrat (asam laurat:lysine), rasio pelarut campuran (isopropanol:n-heksana), dan berat katalis Natrium Metilat (CH3ONa), serta kondisi reaksi amidasi yang optimum untuk mendapatkan persen konversi N-Lauroyl Lysine yang maksimum
3. Untuk mendapatkan informasi mengenai karakteristik surfaktan N-Lauroyl Lysine yang dihasilkan.
1.5 RUANG LINGKUP
Adapun ruang lingkup dari penelitian ini adalah:
1. Penelitian ini akan dilakukan di Laboratorium Proses Industri Kimia, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
2. Bahan kimia yang digunakan adalah asam laurat, lysine, katalis Natrium Metilat (CH3ONa), dan pelarut (isopropanol dan n-heksana).
3. Reaksi sintesis surfaktan dari asam laurat dengan lysine ini akan dilangsungkan secara dua tahap.
a. Pada tahap pendahuluan akan divariasikan:
Waktu reaksi (jam) = 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8
Suhu reaksi (°C) = 45; 55; 65; 75; 85; 95 Sedangkan variabel tetapnya adalah:
Jenis pelarut = isopropanol dan n-heksana (Masyithah, 2010).
Kecepatan pengadukan = 250 rpm (Masyithah, 2010).
Rasio berat substrat = 1:3 (Sreenu, et al., 2014).
Rasio pelarut : substrat (b/b) = 2:1 (Masyithah, 2010).
Berat Katalis = 5% (Masyithah, 2010).
b. Pada tahap amidasi akan divariasikan tiga variabel berikut:
- Rasio berat substrat (asam laurat:lysine) = 1:2 ; 1:3 ; 1:4 - Rasio pelarut : substrat (b/b) = 1:1 ; 2:1 ; 3:1
- Berat katalis CH3ONa (%) = 3;5;7 Sedangkan variabel tetapnya adalah:
- Jenis pelarut = isopropanol dan n-heksana
- Suhu reaksi (oC) = *hasil terbaik yang didapat dari pendahuluan - Kecepatan pengadukan = 250 rpm
- Waktu reaksi (jam) = *hasil terbaik yang didapat dari pendahuluan
Analisa yang dilakukan adalah:
1. Analisa kualitatif dengan menggunakan spektroskopi FT-IR 2. Analisa kuantitatif dengan menggunakan bilangan asam 3. Analisa kuantitatif dengan menggunakan bilangan penyabunan 4. Analisa nilai HLB (Hidropylic-Lipophylic Balance) untuk
mengetahui kegunaan surfaktan yang dihasilkan.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 SURFAKTAN
Surfaktan atau surface active agent adalah molekul-molekul yang mengandung gugus hidrofilik (suka air) dan lipofilik (suka minyak/lemak) pada molekul yang sama. Surfaktan terbagi menjadi dua bagian yaitu kepala dan ekor.
Gugus hidrofilik berada di bagian kepala (polar) dan lipofilik di bagia ekor (non polar) (Gambar 2.1). Bagian polar molekul surfaktan dapat bermuatan positif, negatif atau netral. Umumnya bagian non polar (lipofilik) adalah merupakan rantai alkil yang panjang, sementara bagian yang polar (hidrofilik) mengandung gugus hidroksil.
Gambar 2.1 Struktur Surfaktan (Adinda, 2016).
Sifat-sifat surfaktan adalah dapat menurunkan tegangan permukaan, tegangan antar muka, meningkatkan kestabilan partikel yang terdispersi dan mengontrol jenis formulasinya baik itu oil in water (o/w) atau water in oil (w/o). Selain itu surfaktan juga akan terserap ke dalam permukaan partikel minyak atau air sebagai penghalang yang akan mengurangi atau menghambat penggabungan (coalescence) dari partikel yang terdispersi. Sifat-sifat ini dapat diperoleh karena sifat ganda dari molekulnya.
Penambahan surfaktan dalam larutan akan menyebabkan turunnya tegangan permukaan larutan. Setelah mencapai konsentrasi tertentu, tegangan permukaan
akan konstan walaupun konsentrasi surfaktan ditingkatkan. Bila surfaktan ditambahkan melebihi konsentrasi ini maka surfaktan mengagregasi membentuk misel. Konsentrasi terbentuknya misel ini disebut Critical Micelle Concentration (CMC). Tegangan permukaan akan menurun hingga CMC tercapai. Setelah CMC tercapai, tegangan permukaan akan konstan yang menunjukkan bahwa antar muka menjadi jenuh dan terbentuk misel yang berada dalam keseimbangan dinamis dengan monomernya (Adinda, 2016).
Klasifikasi surfaktan berdasarkan muatannya yaitu:
a. Surfaktan Anionik
Surfaktan ini adalah tipe yang paling banyak digunakan untuk pembuatan shampo karena kandungan sifat pembersihnya yang sangat baik dan efek pelembut pada rambut. Surfaktan anionik sangat efektif pada pembersih berminyak dan suspensi minyak atau tanah liat. Tetap saja, surfaktan ini bisa bereaksi pada air pencuci dengan air bermuatan positif yang mengandung logam kalsium dan magnesium, yang dapat menyebabkan penonaktifan parsial pada surfaktan. Semakin banyak molekul kalsium dan magnesium di dalam air, semakin banyak surfaktan anionik yang mengalami penonaktifan.
Untuk mencegah hal ini, surfaktan anionik membutuhkan bantuan dari bahan lain sebagai pembangun. Surfaktan anionik yang paling umum digunakan adalah alkil sulfat, alkil etoksilat sulfat dan sabun. Sebagian besar surfaktan anionik ialah ion karboksilat, sulfat dan sulfonat. Rantai lurus adalah kelompok alifatik C12-C18 jenuh dan tak jenuh. Potensi kelarutan air dari surfaktan adalah ditentukan oleh adanya ikatan rangkap. Ada lima sub kelompok surfaktan anionik, yaitu adalah sabun alkali metal dan amonium, divalent, sabun logam trivalen, sabun amina, alkil sulfat dan surfaktan anionik alkil posfat.
b. Surfaktan kationik
Kepala surfaktan kationik tersebut bermuatan positif. Surfaktan kationik adalah bagian dari senyawa amonium dan surfaktan ini banyak digunakan sebagai disinfektan dan pengawet dimana sifat bakterisida yang baik. Surfaktan ini digunakan untuk membersihkan luka atau luka bakar pada kulit. Sebagian besar surfaktan kationik yang digunakan adalah cetrimida yang memiliki tetradekil
heksadekil. Surfaktan kationik lainnya adalah benzalkonium klorida, cetylpyridinium chloride dan lain sebagainya.
c. Surfaktan Non-ionik
Surfaktan tersebut tidak memiliki muatan negatif maupun positif yang membuat surfaktan ini tahan terhadap kekerasan air dan penonaktifan surfaktan.
Mereka kurang mengiritasi dibandingkan dengan surfaktan anionik dan surfaktan kationik. Bagian hidrofilik mengandung polioksietilena, polioksipropilena atau turunan poliol. Bagian hidrofobik mengandung asam lemaka jenuh atau tak jenuh dan fatty alcohol. Surfaktan ini digunakan untuk membersihkan minyak gemuk dan minyak dan pengemulsi yang sangat baik.
d. Surfaktan zwitterionik
Surfaktan ini sangat ringan, membuat surfaktan ini sangat cocok untuk digunakan dalam perawatan pribadi pada kulit sensitif. Surfaktan ini bisa anionik, kationik, atau non-ionik dalam larutan, tergantung pada keasaman atau pH air.
Surfaktan ini mengandung dua muatan tanda yang berbeda. Muatan positifnya hampir selalu amonium tapi sumber muatan negatif dapat bervariasi (karboksilat, sulfat, sulfonat). Surfaktan ini memiliki sifat dermatologis yang sangat baik.
Mereka sering digunakan dalam shampoo dan produk kosmetik lainnya, dan juga sabun cair pencuci piring karna memilki kandungan busa yang tinggi.
(Mishra dkk., 2009).
Surfaktan dapat disintesis melalui dua cara, yaitu: (1) reaksi antara metil ester dengan dietanolamina dengan produk sampingnya berupa metanol, atau (2) reaksi antara asam lemak dengan dietanolamina dengan produk sampingnya berupa air. Reaksi yang terjadi ini disebut reaksi amidasi.
Gambar 2.2 Sintesis Alkanoamida dari Asam Lemak (Pilawoska, dkk. 2004).
Gambar 2.3 Sintesis Alkanoamida dari Ester Asam Lemak (Pilawoska, dkk. 2004).
2.2 Surfaktan Asam Amino
Asam amino adalah zat dengan gugus amina dan gugus karboksilat dalam molekul, dan merupakan konstituen protein. Saat ini, asam amino dengan kemurnian tinggi tersedia dengan biaya yang relatif rendah dan digunakan dalam aditif pakan, obat-obatan, dan di lain-lain. Yang terbaru, penelitian telah dilakukan mengenai penggunaan industri asam amino di bidang kosmetik, surfaktan, polimer, dan sebagainya (Takehara, 1989).
Surfaktan berbasis asam amino didefinisikan sebagai surfaktan yang memiliki asam amino sebagai bagian hidrofilik, dan dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa tipe struktural (gambar 2.4). Dalam satu jenis, gugus amino atau gugus karboksilat diganti dengan gugus hidrofobik dan alkalinitas dari gugus amino atau keasaman gugus karboksilat hilang.
Ada dua varietas yaitu satu adalah asam amino terasilasi N, yang pada dasarnya adalah surfaktan anionik. N-Asilasi protein hidrolisat dan N- Acylsarcosinat adalah surfaktan yang paling populer dari jenis ini dan telah digunakan sebagai agen pembersih untuk waktu yang lama. Jenis lainnya termasuk senyawa tersubstitusi-C seperti ester atau amida, yang pada dasarnya adalah surfaktan kationik. Namun, jenis lain juga adalah senyawa yang memiliki baik gugus amino dan karboksilat sebagai bagian dari gugus hidrofilik. Jenis ini mencakup asam C-alkil dan asam amino N-alkil, yang merupakan surfaktan
Gambar 2.4 Struktur Fundamental dari Surfaktan Berbasis Asam Amino (Takehara, 1989).
Surfaktan berbasis asam amino sangat menarik dalam bidang penelitian surfaktan baru karena merupakan jenis surfaktan ramah lingkungan dan mudah terurai. Bahan baku surfaktan ini adalah asam amino alami dan telah menunjukkan toksisitas rendah dan biodegradasi cepat dalam penelitian sebelumnya. Surfaktan jenis ini dapat dibuat dari bahan baku alami terbarukan dan dapat mengalami degradasi yang menghasilkan produk yang tidak berbahaya.
Karena itu surfaktan ini memiliki potensi besar untuk diterapkan di industri makanan, farmasi dan kosmetik.
Surfaktan berbasis asam amino dapat disintesis dengan menambahkan rantai hidrokarbon ke gugus fungsi asam amino. Pada dasarnya keterkaitan yang terbentuk adalah dari tiga jenis yang berbeda, yang ditentukan oleh struktur asam amino. Ketiga jenis itu adalah terkait ester, amino dan amido. Selanjutnya adalah untuk mengetahui efek dari berbagai jenis terkait pada sifat larutan. Selain itu, asam amino spesifik, yang digunakan sebagai dasar surfaktan dalam penelitian ini, memiliki dua kelompok karboksil. Panjang jarak antara dua gugus karboksil berbeda. Oleh karena itu, selanjutnya adalah untuk menyelidiki bagaimana pengaruh jarak memainkan peran pada perilaku agregasi surfaktan.
Bentuk dasar asam amino memiliki dua gugus fungsi, yang merupakan gugus amina dan gugus karboksil. Surfaktan imi juga memiliki kelompok sisi, R, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.5. Hal ini menunjukkan banyak kemungkinan untuk mensintesis surfaktan baru (Li, 2011).
Gambar 2.5 Struktur Kimia 20 Asam Amino (Li, 2011).
Surfaktan berbasis asam amino merupakan alternatif yang menarik surfaktan sintetis konvensional, mengandung beberapa persyaratan mendasar untuk pengembangan industri yaitu multifungsi, rendah toksisitas, sumber bahan baku terbarukan, biodegradabilitas dan sintesis sederhana (Pinazo, et al., 2016).
Asam amino setidaknya memiliki dua kelompok fungsional, karboksilat kelompok dan kelompok amino. Senyawa ini dapat dengan mudah dikonversi untuk surfaktan rantai tunggal dengan molekul reaktif yang mengandung hidrofobik rantai, seperti asam lemak, ester lemak, amina lemak dan alkohol lemak. Rantai hidrofobik dapat dimasukkan ke dalam struktur asam amino melalui hubungan ester alkil atau amida (gambar 2.5) (Pinazo, et al., 2016).
Asam amino dengan rantai samping reaktif seperti pada lisin atau arginin memiliki peluang tambahan untuk desain molekuler surfaktan monokaten. Dari sudut pandang ekonomi dan lingkungan, surfaktan rantai tunggal dengan hanya satu asam amino di bagian kepala yang polar adalah senyawa yang sangat atraktif dan dapat di sintesis dengan mudah (Pinazo, et al., 2016).
Gambar 2.6 Perbedaan Sintesis Surfaktan Berbasis Asam Amino Rantai Tunggal (Pinazo, et al., 2016).
2.3 Reaksi Amidasi
Suatu amida ialah senyawa yang mempunyai nitrogen trivalent terikat pada suatu gugus karbonil. Suatu amida diberi nama asam karboksilat induknya, dengan mengubah imbuhan asam…-oat (atau-at) menjadi amida (gambar 2.7)
Gambar 2.7 Struktur umum amida (Fessenden and Fessenden, 1999).
Amida disintesis dari derivat asam karboksilat dan ammonia atau amina sesuai gambar 2.8
Gambar 2.8 Gambar Umum Sintesis Pembuatan Amida (Fessenden and Fessenden, 1999).
Seperti asam karboksilat, amida memiliki titik leleh dan titik didih yang tinggi karena adanya pembentukan ikatan hidrogen. Amida mampu membentuk ikatan hidrogen intermolekular selama masih terdapat hidrogen yang terikat pada nitrogen. Senyawa ini juga sangat istimewa karena nitrogennya mampu melepaskan elektron dan mampu membentuk suatu ikatan pi dengan karbon karbonil. Pelepasan elektron ini menstabilkan hibrida resonansi (Reza, 2015).
Amida asam lemak pada industri oleokimia dapat dibuat dengan mereaksikan asam lemak atau metal ester asam lemak dengan suatu amina. Amida asam lemak dibuat secara sintetis pada industri oleokimia dalam proses batch, dimana ammonia dan asam lemak bebas bereaksi pada suhu 200oC dan tekanan 345-690 kpa selama 10-12 jam. Dengan proses tersebutlah dibuat amida primer seperti lauramida, stearamida serta lainnya. Amida primer juga dibuat dengan mereaksikan ammonia dengan metal ester asam lemak. Reaksi ini mengikuti konsep HSAB diamana H+ dari ammonia merupakan hard acid yang mudah bereaksi dengan hard base CH3O- untuk membentuk metanol. Sebaliknya NH2-
lebih soft base dibandingkan dengan CH3O- akan terikat dengan R-CO+ yang lebih soft acid dibandingkan H+ membentuk amida.
Gambar 2.9 Reaksi Pembentukan Amida (Reza, 2015).
2.4 Bahan Baku 2.4.1 Lisin
Lisin adalah asam amino basa esensial yang mengandung satu karboksilat dan dua gugus amino. Kehadiran tiga situs reaktif ini memungkinkan sintesis surfaktan kationik dengan bagian kepala polar variabel karakter ionik dari pengenalan gugus hidrofobik didalam molekul. Amfifilis dengan struktur berbeda dapat dirancang dengan modulasi hidrofobik, meskipun sebagian besar surfaktan rantai tunggal antimikroba dari lisin adalah turunan lisin Nα- atau Nε-asil.
Senyawa-senyawa N-acyl lysine ini memiliki muatan kationik pada salah satu gugus amino terlindungi dari lisin, dan bersifar larutan berair pada kesetimbangan asam-basa. Mengingat bahwa karakter kationik lisin bergantung pada pH medium, amfifil ini berperilaku sebagai surfaktan yang peka terhadap pH.
Khususnya, pKa dari dua gugus amino lisin sangat berbeda, pKa dari gugus α-amino adalah 8,9 sedangkan pKa dari ε-amino grup adalah 10,5. Pada pH yang sama dengan pKa, asam amino akan menjadi 50% terprotonasi, memberikan muatan rata-rata 0,5. Ketika pH menurun lebih dari 2 unit dari nilai pH = pKa, dapat dianggap bahwa asam amino 100% terprotonasi dan muatan rata-rata adalah 1. Mengingat perbedaan substansial dalam pKa dari dua gugus amino turunan N- asil lisin, karakter ionik tergantung pada posisi muatan kationik (gugus α-amino atau ε-amino).
Gambar 2.10 Struktur Monomer Lisin (Pinazo, et al., 2016).
2.4.2 Asam Laurat
Asam laurat atau asam dodekanoat merupakan asam lemak jenuh yang tersusun atas 12 atom C. Asam lemak ini merupakan salah satu di antara tiga asam lemak jenuh yang tersebar luas di alam, selain asam stearat dan palmitat. Asam laurat sebagian besar terdapat pada lemak Lauraceae. Beberapa jenis lemak Lauraceae seperti Litsea longifolia mengandung asam laurat sebanyak 88 % dari total asam lemak. Selain itu, sebanyak 45-50 % asam laurat juga ditemukan pada lemak Palmae. Sumber utama asam lemak ini adalah minyak kelapa dan minyak inti sawit (Widyastuti, 2007).
Gambar 2.11 Struktur Asam Laurat (Widyastuti, 2007).
Asam laurat memiliki titik lebur 44 °C dan titik didih 225 °C sehingga pada suhu ruang berwujud padatan berwarna putih, dan mudah mencair jika dipanaskan. Asam ini larut dalam pelarut polar, misalnya air, juga larut dalam lemak karena gugus hidrokarbon (metil) di satu ujung dan gugus karboksil diujung lain (Lide, 2005). Rumus kimia CH3(CH2)10COOH, berat molekul 200,3 g.mol-1. Asam ini larut dalam pelarut polar, misalnya air, juga larut dalam lemak karena gugus hidrokarbon (metil) di satu ujung dan gugus karboksil di ujung lain.
Asam laurat juga larut dalam pelarut organik seperti alkohol (Bahri, 2016).
Asam laurat banyak digunakan dalam industri kosmetik yaitu sebagai pengental, pelembut, dan pelembab. Selain itu, karena sifat antimikrobialnya yang baik, asam laurat juga digunakan dalam industri obat-obatan (Nitbani, dkk., 2015).
Asam-asam lemak rantai pendek memiliki kemampuan kelarutan dalam pelarut air, semakin panjang rantai asam-asam lemak maka kelarutannya dalam air semakin berkurang. Sifat kelarutan tersebut digunakan sebagai dasar untuk memisahkan berbagai asam lemak yang tidak jenuh, yaitu dengan proses kristalisasi (Ginting, 2013).
2.4.3 Katalis Natrium Metoksida
Katalis adalah suatu zat yang mempercepat laju reaksi kimia pada suhu tertentu, tanpa mengalami perubahan atau terpakai oleh reaksi itu sendiri. Suatu katalis berperan dalam suatu reaksi tapi bukan sebagai pereaksi maupun produk.
Katalis memungkinkan reaksi berlangsung lebih cepat atau memungkinkan reaksi pada suhu lebih rendah akibat perubahan yang dipicunya terhadap pereaksi.
Katalis mengurangi energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya reaksi.
Katalis dapat dibedakan ke dalam dua golongan utama : katalis homogen dan katalis heterogen. Katalis heterogen adalah katalis yang ada dalam fase berbeda dengan pereaksi dalam reaksi yang dikatalisinya, sedangkan katalis homogen berada dalam fase yang sama (Tarigan, 2015).
Natrium metoksida (metilat) adalah salah satu dari kelompok bahan kimia yang dikenal sebagai senyawa turunan alkohol atau alkoksida. Logam alkali seperti natrium bereaksi dengan alkohol dalam banyak cara sebagai logam yang lebih umum bereaksi dengan asam menghasilkan alkoksida dan hidrogen (Thane, 2008). Rumus untuk sodium metoksida adalah:
2CH3OH + 2Na → 2NaOCH3 + H2 (Thane, 2008).
Tidak adanya alkohol sebagai zat reaktif mensyaratkan bahwa katalis itu sebagian larut dalam campuran reaksi. Selain itu, reaktan dan produk yang benar- benar larut mengakibatkan reaksi menjadi sangat reversibel. Sodium metoksida disebut dengan banyak nama termasuk alkoholat, dan natrium metilat. Senyawa ini merupakan pereaksi kimia yang digunakan selama beberapa dekade di berbagai industri untuk menghasilkan produk bernilai tinggi seperti obat-obatan, bahan makanan, produksi biodiesel, dan sintesis surfaktan. Senyawa ini biasanya tersedia baik dalam bentuk padatan (kristal) atau sebagai larutan dalam methanol (Mahmudati, 2016).
Fungsi sodium metoksida sebagai katalis untuk mempercepat proses reaksi kimia surfaktan dengan mengurangi energi yang dibutuhkan saat memulai reaksi.
Hal ini berhasil digunakan pada produksi skala besar untuk semua bahan baku utama seperti minyak nabati murni, lemak hewan, dan/atau lemak kuning.
Keuntungan utama dari sodium metoksida adalah sifatnya yang hampir bebas air.
Hal ini menyebabkan hasil yang lebih tinggi, biaya pemurnian lebih rendah, dan kualitas surfaktan lebih konsisten (Jackson, 2006).
2.5 OPTIMASI
Optimasi adalah proses pencarian satu atau lebih penyelesaian layak yang berhubungan dengan nilai-nilai ekstrim dari satu atau lebih nilai objektif pada suatu masalah sampai tidak terdapat solusi ekstrim yang dapat ditemukan (Berlianty dan Miftahol, 2010). Optimasi bertujuan untuk meningkatkan hasil dari suatu sistem, proses, atau produk untuk memperoleh hasil yang maksimum. Istilah optimasi biasanya digunakan untuk analisa reaksi kimia yang bermaksud menemukan kondisi yang cocok untuk menerapkan tata cara yang dapat menghasilkan respon sebaik mungkin.
Menurut Zulmaulida dan Edy, 2014, Optimasi bertujuan memecahkan masalah dengan cara terbaik, sesuai dengan prinsip ekonomi yang berorientasikan untuk senantiasa menekan (meminimalkan) pengeluaran untuk mendapatkan hasil yang maksimal.
Secara tradisional, optimasi dalam analisa reaksi kimia dilakukan dengan memonitor pengaruh satu faktor pada suatu waktu terhadap respon percobaan.
Ketika hanya satu parameter yang diubah, yang lainnya dijaga agar tetap konstan.
Teknik optimasi ini disebut satu variabel pada satu waktu. Salah satu kelemahan utamanya adalah tidak menjelaskan pengaruh variabel yang diamati. Sebagai akibatnya, teknik ini tidak dapat menggambarkan secara lengkap pengaruh parameter terhadap respon. Kelemahan lainnya dari optimasi satu faktor adalah peningkatan angka percobaan yang diperlukan untuk melakukan penelitian, menyebabkan semakin banyak waktu dan biaya yang diperlukan seperti peningkatan konsumsi reagen dan bahan (Marcos dkk., 2008).
2.6 RESPONSE SURFACE METHODOLOGY
Response Surface Methodology (RSM) adalah cara matematika dan teknik statistik untuk merancang percobaan, membuat model, mengevaluasi perubahan relatif dari beberapa variabel bebas, dan menyatakan kondisi optimum untuk respon yang diinginkan. Ide dasar metode ini adalah memanfaatkan desain eksperimen dengan bantuan statistika untuk mencari nilai optimal dari suatu respon.
Metode permukaan respon yang dikemukaan oleh Box dan Wilson pada tahun 1950 merupakan salah satu alat yang efektif untuk mengkaji hubungan antara respon dan variabel input tersebut. Dengan menyusun suatu model matematika, peneliti dapat mengetahui nilai variabel-variabel independen yang menyebabkan nilai variabel respon menjadi optimal. Hubungan antara respon y dan variabel input x adalah:
y = f(x1, x2, x3, … , xk) + ε Dimana :
y = respon
x1 = variabel bebas / input (i=1,2,3…, k) ε = error
Metode response surface sangat erat kaitannya dengan percobaan faktorial.
Percobaan faktorial adalah suatu percobaan yang perlakuannya terdiri atas semua kemungkinan kombinasi taraf dari beberapa faktor. Tujuan utama dari percobaan faktorial adalah untuk melihat interaksi antar faktor-faktor yang diuji.
Keuntungan menggunakan Respon Surface Methode ini adalah dapat mempermudah pencarian wilayah optimum. Bila tidak menggunakan metode tersebut, harus dilkakukan eksperimen berulang-ulang dimana eksperimen tersebut membutuhkan biaya dan waktu yang banyak sehingga tidak efektif dan efisien.
Permasalahan umum pada metode response surface adalah bentuk hubungan yang terjadi antara perlakuan dengan respon tidak diketahui. Jadi langkah pertama yang dilakukan adalah mencari bentuk hubungan antara respon dengan perlakuannya. Bentuk hubungan linier merupakan bentuk hubungan yang pertama kali dicobakan untuk menggambarkan hubungan tersebut, jika ternyata bentuk
hubungan antara respon dengan perlakuan adalah linier maka pendekatan fungsinya disebut first-order model, jika bentuk hubungannya merupakan kuadrat maka pendekatan fungsinya disebut second-model order. Sehingga dalam RSM eksperimen terdapat dua macam eksperimen yaitu eksperimen orde I dan orde II.
Pada penelitian ini asumsi menggunakan orde I.
Analisis respon permukaan orde dua sering disebut analisis kanonik. Model orde II dinyatakan sebagai berikut :
Pada eksperimen yang baru, digunakan model regresi orde II untuk mengetahui adanya lengkungan kuadrat pada permukaan respon.
Kelebihan RSM yaitu dapat digunakan untuk analisis dan pemodelan dari suatu permasalahan dengan satu atau lebih perlakuan dalam penelitian (Sylvia, dkk., 2017).. Penelitian dilakukan untuk menentukan nilai optimum pada proses sintesis surfaktan N-lauroyl Lysine dengan mengoptimalkan rasio substrat, rasio pelarut, dan berat katalis. Karena optimasi variabel respon yang akan dilakukan lebih dari satu maka proses optimasinya harus menggunakan metode permukaan respon (Response Surface Methode).
2.6.1 Box-Behnken Design (BBD)
Box-Behnken Design (BBD) yang dikembangkan oleh Box dan Behnken pada tahun 1980 merupakan metode yang digunakan untuk menghasilkan model respon permukaan orde dua. BBD didasarkan pada pembangunan keseimbangan desain blok yang tidak lengkap dan membutuhkan setidaknya 3 level untuk setiap faktor. Dalam BBD, level dari salah satu faktor ditetapkan sebagai level pusat yang mengkombinasikan semua level dari faktor-faktor lain yang digunakan (Bala dkk., 2012). Beberapa desain tiga level yang telah diusulkan oleh Box dan Behnken dibentuk dengan menggabungkan faktorial 2k dengan desain blok tidak lengkap. BBD tidak memiliki titik pada bagian puncak kubik yang dihasilkan oleh batas atas dan bawah untuk setiap variabel; yang berarti berkurangnya jumlah percobaan yang diperlukan. Ini bisa menjadi keuntungan ketika titik-titik pada sudut-sudut kubus mewakili kombinasi antara faktor dan level. BBD telah banyak digunakan untuk desain eksperimen dalam berbagai aplikasi industri (Oguz,
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 LOKASI PENELITIAN
Penelitian akan dilakukan di Laboratorium Proses Industri Kimia, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan.
3.2 BAHAN DAN ALAT 3.2.1 Bahan
Bahan yang digunakan antara lain:
1. Asam Laurat (C12H24O2) 2. Lysine (C6H14N2O2)
3. Katalis Natrium Metilat (NaOCH3)
4. Pelarut n-heksana (C6H14) dan isopropil alkohol (C3H8O) 5. Bahan pemurnian berupa asam sitrat dan aseton
6. Bahan analisis berupa kalium hidroksida (KOH), Phenolpthalein, isopropyl alkohol, dan asam klorida (HCl).
3.2.2 Peralatan
Peralatan yang akan digunakan dalam penelitian ini antara lain:
1. Labu leher tiga 2. Refluks kondensor 3. Magnetic Stirrer 4. Hot Plate
5. Selang 6. Gabus 7. Corong 8. Gelas Ukur 9. Kertas Saring 10. Statif
11. Pipet Tetes 12. Beaker glass
13. Erlenmeyer 14. Termometer 15. Neraca analitik
3.2.3 Rangkaian Alat Sintesis Surfaktan N-Lauroyl Lysine
Gambar 3.1 Rangkaian Alat Sintesis Surfaktan N-Lauroyl Lysine
Keterangan gambar:
1. Statif 2. Klem
3. Refluks kondensor 4. Selang
5. Labu leher tiga 6. Termometer 7. Stirrer 8. Bahan 9. Hot plate
9
3.3 PROSEDUR PERCOBAAN 3.3.1 Penelitian Pendahuluan
1. Asam laurat (AL) 3 gr dimasukkan ke dalam labu leher tiga sampai mencair.
2. Lysine dimasukkan kedalam beaker glass dengan rasio berat terhadap asam laurat 3:1.
3. Katalis Natrium Metilat (CH3ONa) ditambahkan sebanyak 5% dari berat asam laurat kedalam beaker glass bersama dengan Lysine.
4. Pelarut campuran isopropanol : n-heksana (b/b) 1:1 ditambahkan untuk melarutkan Lysine dan katalis Natrium Metilat (CH3ONa) didalam beaker glass.
5. Larutan tersebut diaduk hingga homogen kemudian dimasukkan kedalam labu leher tiga.
6. Campuran larutan dipanaskan dengan suhu pemanasan 45,55,65,75,85,95
oC.
7. Campuran direaksikan selama 1,2,3,4,5,6,7,8 jam dengan kecepatan pengadukan 250 rpm.
8. Dilakukan sampling sebanyak dua gram setiap satu jam sekali dan dititrasi dengan KOH 0,1 N.
9. Dihitung persen konversi surfaktan yang dihasilkan.
3.3.2 Penelitian Optimasi
1. Asam laurat (AL) 3 gr dimasukkan ke dalam labu leher tiga.
2. Lysine dimasukkan kedalam beaker glass dengan variasi rasio lysine terhadap asam laurat 2:1, 3:1, 4:1.
3. Katalis Natrium Metilat (CH3ONa) ditambahkan sebanyak 3%, 5%, dan 7% dari berat asam laurat kedalam beaker glass bersama dengan Lysine.
4. Pelarut campuran dengan variasi isopropanol : n-heksana (b/b) 1:1, 1:2, dan 1:3 ditambahkan untuk melarutkan Lysine dan katalis Natrium Metilat (CH3ONa) didalam beaker glass.
5. Larutan tersebut diaduk hingga homogen kemudian dimasukkan kedalam labu leher tiga.
6. Dipanaskan dengan suhu pemanasan yang terbaik dari hasil penelitian pendahuluan.
7. Direaksikan dengan waktu terbaik dari hasil pendahuluan.
8. Dilakukan sampling sebanyak 2 gram dan dititrasi dengan larutan KOH 0,1 N.
9. Campuran didalam labu leher tiga kemudian di murnikan untuk selanjutnya di analisa.
3.3.3 Prosedur Pemurnian
1. Campuran ditambahkan asam sitrat 10% sebanyak 5 ml untuk mengendapkan katalisnya dan endapan yang terbentuk dipisahkan dengan filtrasi.
2. Produk yang bercampur dengan pelarut dipisahkan dengan menguapkan pelarut pada suhu 90 oC.
3. Produk yang mengandung Lysine berlebih selanjutnya dicuci dengan aseton sebanyak dua kali volume campuran produk yang akan melarutkan Lysine.
4. Produk akan diperoleh sebagai lapisan bawah, sedangkan Lysine berlebih akan larut bersama aseton sebagai produk atas.
3.4 ANALISA HASIL
3.4.1 Penentuan Bilangan Asam
Penentuan bilangan asam mengacu pada Standar Nasional Indonesia (SNI, 1998).
1. Sampel sebanyak 2 gram dimasukkan kedalam erlenmeyer.
2. Kedalam erlenmeyer ditambahkan 10 ml 2-propanol dan homogenkan.
3. Ditambahkan Phenolpthalein sebanyak 3 tetes kemudian dititrasi dengan larutan KOH 0,1 N sampai berwarna merah muda.
Bilangan asam dihitung dengan menggunakan rumus :
56,1(N)(V)
Keterangan:
V = Volume KOH(ml) N = Normalitas KOH 0,1 N G = Massa Sampel (g)
3.4.2 Penentuan Bilangan Penyabunan
Penentuan bilangan asam mengacu pada America Standart Testing and Material, ASTM D5558 Standart Test Method :
1. Ditimbang sebanyak 2 gram sampel dan dimasukkan ke dalam erlenmeyer.
2. Alkohol ditambahkan sebanyak 25 ml ke dalam erlenmeyer.
3. Erlenmeyer dihubungkan dengan refluks kondensor dan sampel dididihkan dengan hati-hati sampai sampel tersabunkan dengan sedikit air.
4. Larutan didinginkan dan bagian dalam refluks kondensor dibilas dengan sedikit air.
5. Ditambahkan Phenolptelein 3 tetes, kemudian dititrasi dengan HCl 0,5 N sampai merah muda menghilang.
6. Dilakukan juga titrasi blanko sebagai pembanding.
Bilangan Penyabunan dihitung dengan rumus berikut:
Bilangan Penyabunan = 56,1. (N).(Vb-Vs)
G (3.2)
Keterangan :
Vb = Volume HCl untuk titrasi blanko (ml) Vs = Volume HCl untuk titrasi sampel (ml) G = Massa Sampel (g)
N = Normalitas
3.4.3 Analisa Identifikasi Senyawa dengan Spektroskopi FT-IR
Spektroskopi FT-IR (Fourier Transform Infrared) merupakan salah satu teknik analitik yang sangat baik dalam proses identifikasi struktur molekul suatu senyawa. Komponen utama spektroskopi FT-IR adalah interferometer Michelson
yang mempunyai fungsi menguraikan (mendispersi) radiasi inframerah menjadi komponen-komponen frekuensi. Penggunaan interferometer Michelson tersebut memberikan keunggulan metode FT-IR dibandingkan metode spektroskopi inframerah konvensional maupun metode spektroskopi yang lain. Dalam penelitian ini, Spektroskopi FT-IR digunakan untuk menganalisa penyerapan gugus fungsi senyawa yang terkandung dalam hasil reaksi.
Dalam penelitian ini, analisa yang menggunakan alat spektroskopi FT-IR yang dilakukan di Laboratorium Oleochemistry Politeknik Teknologi Kimia Industri.
3.4.4 Penentuan Nilai Hidrophylic-Lipophylic Balance (HLB Value)
Penentuan nilai HLB suatu surfaktan berguna untuk mengetahui kegunaan surfaktan yang dihasilkan. Nilai HLB dapat dihitung secara teoritis atau ditentukan dengan metode eksperimental. William Griffin tahun 1949 sudah menjelaskan rumus untuk menghitung nilai HLB (Mahmudati, 2016). Penentuan nilai HLB suatu surfaktan yang dihasilkan dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut :
HLB = 20 (1 - S
A ) (3.3)
Dimana : S = (Bilangan penyabunan) A = (Bilangan asam)
3.5 SELEKSI JUMLAH RUN
Seleksi run ini dilakukan menggunakan Software Minitab 18 dengan metode permukaan respon (Response Surface Methodology). Adapun variabel-variabel beserta level dalam penelitian ini meliputi:
1. Variabel respon, yaitu konversi.
2. Variabel bebas/faktor terdiri dari :
Substrat (AL:L), dinotasikan (X1), dengan range antara 1:2 sampai dengan 1:4.
Pelarut (S:MS), dinotasikan (X2), dengan range antara 1:1 sampai
Berat katalis (%), dinotasikan (X3), dengan range antara 3 sampai dengan 7.
Tabel 3.1 Kode dan Level Setiap Variabel Variabel Kode
Variabel
Level
-1 0 +1
Rasio Substrat (AL:L) X1 1:2 1:3 1:4
Rasio Pelarut (S:MS) X2 1:1 1:2 1:3
Berat Katalis (%) X3 3 5 7
Keterangan: MS = Mixed Solvent S = Substrat AL = Asam Laurat L = Lysine
Eksperimen aktual yang akan dilakukan dan dikembangkan dari model ditunjukkan pada tabel di bawah ini :
Tabel 3.2 Eksperimen aktual yang dilakukan dan dikembangkan dari model Nomor
Percobaan
Rasio Substrat (AL:L)
Rasio Pelarut (S:MS)
Berat Katalis (%)
1 -1 -1 0
2 -1 1 0
3 1 -1 0
4 1 1 0
5 0 -1 -1
6 0 -1 1
7 0 1 -1
8 0 1 1
9 -1 0 -1
10 1 0 -1
11 -1 0 1
12 1 0 1
13 0 0 0
14 0 0 0
15 0 0 0
Prediksi model regresi, analisis variasi (ANAVA) dan uji verifikasi model dilakukan menggunakan software Minitab 18. Variabel reaksi yang optimal akan menghasilkan persen konversi asam laurat yang maksimum. Setelah diperoleh jumlah run yang akan dilakukan, selanjutnya dilakukan verifikasi data di laboratorium dengan melakukan percobaan sesuai dengan rancangan tersebut.
3.6 FLOWCHART PERCOBAAN 3.6.1 Flowchart Penelitian Pendahuluan
Masukkan 10 gram asam laurat ke dalam labu leher tiga
Mulai
Dimasukkan pelarut campuran heksana : 2-propanol (1:1) (b/b) dengan rasio pelarut : substrat (2:1) (b/b) ke beaker glass
Dipanaskan campuran dengan temperatur operasi 45, 55, 65, 75, 85 dan 95 °C Ditambahkan Lysine dengan variasi rasio Lysine
: asam laurat 3:1 ke beaker glass
Di masukkan katalis natrium metilat (CH3ONa) dengan konsentrasi 5% terhadap asam laurat ke beaker glass
Di masukkan campuran dari beaker glass ke dalam labu leher tiga
Gambar 3.2 Flowchart Tahap Percobaan Pendahuluan
3.6.2 Flowchart Penelitian Optimasi
3 4 Selesai
Diambil sampel sebanyak 2 gram dan dititrasi dengan KOH
Masukkan 10 gram asam laurat ke dalam labu leher tiga
Mulai
Ditambahkan pelarut campuran heksana : 2-propanol (1:1) (b/b) dengan rasio pelarut : substrat (1:1; 2:1; 3:1) (b/b) ke dalam labu leher tiga
Ditambahkan Lysine dengan variasi rasio masing-masing Lysine : asam laurat (2:1; 3:1; 4:1) ke dalam labu leher tiga
Apakah masih ada variasi lain?
A
C
B
Ya
Tidak
D Dihitung persen konversi
5
6
7
8
Gambar 3.3 Flowchart Tahap Percobaan Optimasi Dipanaskan campuran dengan temperatur
operasi terbaik dari hasil pendahuluan
Dimasukkan katalis natrium metilat (CH3ONa) dengan berat (3%, 5%, 7%) terhadap asam laurat ke dalam labu
leher tiga
Diaduk campuran dengan motor pengaduk dengan kecepatan 250 rpm dengan waktu terbaik dari hasil
pendahuluan
Reaksi dihentikan dan campuran disiapkan untuk dimurnikan
Selesai C
Apakah masih ada variasi lain?
D
Ya
Tidak
3.7.3 Flowchart Penelitian Pemurnian
Gambar 3.4 Flowchart Tahap Percobaan Pemurnian Mulai
Ditambahkan asam sitrat 10% sebanyak 5 ml untuk mengendapkan katalis natrium metilat (CH3ONa)
Dipisahkan endapan terbentuk dengan filtrasi
Produk yang bercampur dengan pelarut dipisahkan dengan menguapkan pelarut pada suhu 90 °C.
Selesai
Diperoleh produk sebagai lapisan bawah dan Lysine pada lapisan atas
Produk ditimbang dan dianalisa karakteristik produknya
Dicuci campuran produk dengan aseton dua kali volume campuran produk untuk melarutkan Lysine
Produk yang bercampur dengan aseton dipisahkan dengan menguapkan aseton sampai hilang.
Dipisahkan endapan terbentuk dengan filtrasi
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 PENELITIAN PENDAHULUAN
Pada penelitian ini, sintesis surfaktan berbasis asam amino ini dilakukan pada dua tahapan reaksi, yaitu reaksi pendahuluan dan reaksi optimasi. Reaksi pendahuluan bertujuan untuk mendapat waktu dan temperatur yang optimal untuk selanjutnya digunakan pada reaksi optimasi yang bertujuan untuk mendapatkan konversi tertinggi dari sintesis surfaktan ini.
Surfaktan berbasis asam amino terdiri dari gugus kepala asam amino yang dihubungkan dengan ekor hidrofobik. Surfaktan ini dapat dibuat dengan menambahkan gugus hidrofobik pada karboksil (α-COOH) atau gugus amino (α- NH2) untuk membentuk ester O-alkil, turunan N-alkil, N-asil atau amida (Joondan, et al., 2017). Pada penelitian ini surfaktan yang disintesis asam amino N-asil gugus kepala asam amino asam dihubungkan dengan rantai lipofilik panjang melalui hubungan N-asil.
Penelitian ini menggunakan proses reaksi secara kimia lebih banyak karena dalam perkembangan proses sintesis surfaktan lebih sederhana, lebih murah, dan lebih mudah digunakan dibandingkan secara enzimatis (Mahmudati, 2016).
Surfaktan berbasis asam amino dapat disintesis dengan menambahkan rantai hidrokarbon pada gugus fungsi asam amino. Bentuk dasar asam amino memiliki dua gugus fungsi, yaitu gugus amina dan gugus karboksil (Li, 2011).
Reaksi amidasi adalah reaksi pembentukan senyawa amida (Siregar, dkk., 2017).
Gambar 4.1 Mekanisme Reaksi Sintesis Surfaktan N-Lauroyl Lysine (Vidal, et al.,2014).
Sintesis surfaktan N-Lauroyl Lysine pada penelitian ini dilakukan dimana bahan baku yang digunakan adalah Lysine sebagai sumber Amina yang berasal
+
CH3ONa
