KONVERSI LIGNOSELULOSA TANDAN PISANG MENJADI 5-HIDROKSIMETIL-2-FURFURAL (HMF) : OPTIMASI KOMPOSISI ZnCl2 DAN CrCl3 SERTA EKSPLORASI METODE PEMISAHAN.

(1)

KONVERSI LIGNOSELULOSA TANDAN PISANG MENJADI

5-HIDROKSIMETIL-2-FURFURAL (HMF) : OPTIMASI KOMPOSISI ZnCl2 DAN

CrCl3 SERTA EKSPLORASI METODE PEMISAHAN

SKRIPSI

Diajukan untuk Memenuhi Sebagian dari Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sains Program Studi Kimia

Diajukan oleh:

Indra Melta Siswara 1100068

PROGRAM STUDI KIMIA DEPARTEMEN PENDIDIKAN KIMIA

FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA

(2)

KONVERSI LIGNOSELULOSA TANDAN PISANG MENJADI

5-HIDROKSIMETIL-2-FURFURAL (HMF) : OPTIMASI KOMPOSISI ZnCl2 DAN

Oleh

Indra Melta Siswara

110068

Sebuah skripsi yang diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana

Sains pada Program Studi Kimia Fakultas Pendidikan Matematika

dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Pendidikan Indonesia

Oktober 2015

Hak Cipta dilindungi Undang-Undang.

Skripsi ini tidak boleh diperbanyak seluruhnya atau sebagian, dengan dicetak ulang,

(3)

Indra Melta Siswara

KONVERSI LIGNOSELULOSA TANDAN PISANG MENJADI

5-HIDROKSIMETIL-2-FURFURAL (HMF) : OPTIMASI KOMPOSISI ZnCl2 DAN

Disetujui dan disahkan oleh pembimbing:

Dosen Pembimbing I

Dr. Agus Setiabudi, M.Si. NIP. 196808031992031002

Dosen Pembimbing II

Galuh Yuliani, Ph.D. NIP. 198007252001122001

Mengetahui,

Ketua Departemen Pendidikan Kimia

(4)

ABSTRAK

Fungsi senyawa 5-hidroksimetil-2-furfural (HMF) sebagai senyawa platform untuk produksi berbagai bahan kimia, termasuk biofuel, semakin menjadi perhatian seiring meningkatnya kebutuhan akan alternatif sumber energi terbarukan. HMF dapat diperoleh dari hasil konversi selulosa. Limbah biomassa tandan pisang merupakan salah satu sumber selulosa yang melimpah di Indonesia. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh dosis katalis CrCl3 dan konsentrasi media ZnCl2 yang optimal terhadap

perolehan HMF dari hasil konversi selulosa. Selulosa yang dikonversi diperoleh dari proses delignifikasi lignoselulosa tandan pisang menggunakan NaOH 25 % dan H2O2 5

%. Proses konversi dilakukan dengan teknik refluks pada suhu 120o C selama 40 menit dengan lima variasi massa katalis yaitu 12,5 mg; 25 mg; 50 mg; 100 mg dan 200 mg serta dengan 4 variasi konsentrasi media, yaitu 60 %; 66,67 %; 70 % dan 75 %. Keberhasilan dalam memperoleh HMF dari proses konversi selulosa dikonfirmasi dengan hasil pengujian HPLC. Dalam penelitian ini dilakukan juga tinjauan awal terhadap kemampuan resin penukar ion dalam memisahkan logam Zn dari hasil konversi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa HMF terbanyak berhasil diperoleh dari proses konversi 1 gram selulosa tandan pisang menggunakan 30 gram ZnCl2 66,67 % dan 100 mg CrCl3, yaitu

sebesar 6,64 %. Sementara itu, pemisahan menggunakan resin penukar ion mampu mengurangi kandungan Zn dari 66,67 % menjadi 3,76 %. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa dosis katalis CrCl3 dan konsentrasi media ZnCl2 dapat

mempengaruhi perolehan HMF hasil konversi selulosa tandan pisang serta menunjukkan bahwa resin penukar ion berpotensi untuk mengurangi kandungan Zn dari hasil reaksi.

(5)

iii

Indra Melta Siswara, 2015

KONVERSI LIGNOSELULOSA TANDAN PISANG MENJADI 5-HIDROKSIMETIL-2-FURFURAL (HMF) : OPTIMASI KOMPOSISI ZnCl2 DAN CrCl3 SERTA EKSPLORASI METODE PEMISAHAN

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

ABSTRACT

The function of 5-hydroximethyl-2-furfural (HMF) as a chemical platform for several chemical productions, including biofuel, becomes more noticed as the need of renewable energy sources becomes higher. HMF can be obtained from the results of cellulose conversion process. The waste of banana bunch biomasses is one of cellulose sources which are abundant in Indonesia. This research aimed to know the optimum effect of CrCl3 dosage as the catalyst and ZnCl2 as the mediato the HMF yield from cellulose conversion. The converted cellulose was obtained from delignified banana bunch lignocelluloses using NaOH 25 % and H2O2 5 %. The conversion process was done by using reflux method at 120o C for 40 minutes with five variations of the catalyst mass which are 12.5 mg, 25 mg, 50 mg, 100 mg and 200 mg, and also with six variations of the media concentration which are 60 %, 66.67 %, 70 %, and 75 %. The success of obtaining HMF from the conversion process was confirmed by HPLC characterization results. In this research, the potential of ion-exclusion resin to exclude the Zn in conversion result was also observed. The results showed that the optimum HMF yield, which is 6.64 %, was obtained from the reaction of 1 gram of cellulose with 30 grams of ZnCl2 66.67 % and 100 mgs of CrCl3. The results also showed that the separation process using ion-exclusion resins had the ability to decrease the Zn concentration from 66.67 % to 3.76 %. These results showed that the CrCl3 dosage and ZnCl2 concentration affected the yield of HMF from banana bunch cellulose conversion, and also showed that the ion-exclusion resin has the potential to separate Zn from the product of the reaction.

(6)

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN

PERNYATAAN……… i

ABSTRAK………. ii

ABSTRACT……….. iii

KATA PENGANTAR……….. iv

UCAPAN TERIMA KASIH……….... v

DAFTAR ISI………. vii

DAFTAR GAMBAR……….... ix

DAFTAR TABEL………. x

DAFTAR LAMPIRAN………. xi

BAB I PENDAHULUAN……….. 1

1.1Latar Belakang……….. 1

1.2 Rumusan Masalah………. 5

1.3 Tujuan Penelitian……….……….. 5

1.4 Manfaat Penelitian………..………... 5

1.5 Struktur Organisasi Skripsi……… 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ……….. 7

2.1 Biomassa Lignoselulosa……… 7

2.2 Pre-treatment Biomassa ………..……… 8

2.3 Hidroksimetil Furfural……….. 10

2.4 Konversi Selulosa Menjadi HMF………. 12

2.5 Metode Pemisahan HMF……….. 15

BAB III METODE PENELITIAN ………. 17

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian……… 17

3.2 Alat dan Bahan………. 17

3.3 Prosedur Penelitian………. 18

(7)

viii

Indra Melta Siswara, 2015

3.3.2 Konversi Selulosa Tandan Pisang menjadi HMF ………...… 20

3.3.3 Eksplorasi Metode Pemisahan………. 22

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ……….. 23

4.1 Proses Delignifikasi Tandan Pisang………... 23

4.1.1 Penampakan Fisik……….. 23

4.1.2 Hasil Uji FTIR……… 25

4.2 Konversi Selulosa Menjadi HMF……….. 27

4.2.1 Konversi dengan Variasi Konsentrasi Media………... 28

4.2.2 Konversi dengan Variasi Massa Katalis………….….. 30

4.3 Eksplorasi Metode Pemisahan HMF dari Zn..……….. 32

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ……….. 35

5.1 Kesimpulan ……….. 35

5.2 Saran ………. 35

DAFTAR PUSTAKA……… 36 LAMPIRAN

(8)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Struktur Lignoselulosa, Selulosa, Hemiselulosa dan Lignin…… 8

Gambar 2.2 Skema Pre-treatment Biomassa Lignoselulosa………. 9

Gambar 2.3 Struktur HMF dan Struktur Furfural………...………. 10

Gambar 2.4 Konversi Selulosa Menjadi HMF ……… 12

Gambar 2.5 Mekanisme Pembentukan HMF dari Selulosa ………. 13

Gambar 2.6 Struktur Matrix Stiren-Divinilbenzen ………... 16

Gambar 3.1 Tahap Umum Penelitian Konversi Tandan Pisang Menjadi HMF…… 18

Gambar 3.2 Bagan Alir Proses Delignifikasi………. 20

Gambar 3.3 Bagan Alir Konversi Selulosa Menjadi HMF……… 21

Gambar 3.4 Bagan Alir Pemisahan HMF……….. 22

Gambar 4.1 Spektra FTIR Hasil Delignifikasi………... 26

Gambar 4.2 Perolehan HMF dari Konversi Selulosa : Variasi Konsentrasi ZnCl2... 28

Gambar 4.3 Mekanisme Konversi Selulosa Menjadi HMF dalam Larutan ZnCl2… 29 Gambar 4.4 Perolehan HMF dari Konversi Selulosa : Variasi Massa CrCl3………. 30

Gambar 4.5 Mekanisme Reaksi Isomerisasi Glukosa Menjadi Fruktosa…….. 31

(9)

x

Indra Melta Siswara, 2015

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Sifat Kimia dan Fisika HMF ……… 11

Tabel 4.1 Perbandingan Kondisi Fisik Hasil Delignifikasi………... 24

Tabel 4.2 Puncak Serapan Hasil Analisis FTIR ……….. 26

(10)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Perhitungan……….. 41

Lampiran 2 Hasil Karakterisasi FTIR………. 47

Lampiran 3 Hasil Karakterisasi HPLC……….. 49

(11)

1

Indra Melta Siswara, 2015

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pemenuhan kebutuhan bahan bakar saat ini masih sangat bergantung pada

sumber daya fosil. Sumber energi berbasis fosil masih merupakan sumber energi

utama yang digunakan di hampir setiap negara tak terkecuali Indonesia. Data yang

dimiliki Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia

menunjukkan bahwa konsumsi energi nasional pada tahun 2011 masih didominasi

oleh penggunaan sumber energi berbasis fosil, yaitu minyak bumi sebesar 594 juta

SBM (Setara Barel Minyak) atau sebesar 39 % dari total konsumsi energi

nasional. Sementara itu, penggunaan sumber energi yang lain semisal batu bara,

biomassa, gas alam, tenaga air dan panas bumi masing-masingnya sebesar 22 %,

18 %, 17 %, 2 % dan 1 % (Kementerian ESDM RI, 2011). Salah satu masalah

yang timbul saat ini adalah tidak disertainya ketergantungan terhadap sumber

energi berbasis fosil tersebut oleh ketersediaannya. Lain dari pada itu, tingginya

emisi gas CO2 dari pembakaran bahan bakar fosil serta harganya yang fluktuatif

cukup untuk dijadikan alasan untuk menimbang ulang penggunaan bahan bakar

fosil sebagai sumber bahan bakar utama.

Dalam pencarian alternatif sumber bahan bakar yang dapat mengurangi

ketergantungan terhadap sumber daya fosil di Indonesia, penggunaan biomassa

merupakan salah satu alternatif yang menjanjikan. Sampai saat ini penggunaan

biomassa sebagai sumber bahan bakar di Indonesia masih menempati posisi ketiga

di bawah minyak bumi dan batu bara. Melimpahnya sumber biomassa di

Indonesia dapat dijadikan modal penting untuk memenuhi kebutuhan energi

Indonesia di masa depan tanpa harus terus bergantung pada sumber daya fosil.

Penggunaan biomassa sebagai sumber bahan bakar jika dibandingkan dengan

penggunaan sumber daya fosil memiliki beberapa kelebihan, diantaranya adalah

harga bahan mentahnya yang lebih murah, ketersediaannya yang lebih melimpah

serta kemampuannya untuk dapat diperbaharui.

Salah satu limbah biomassa yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber bahan bakar adalah lignoselulosa. Di Indonesia, limbah biomassa lignoselulosa

(12)

2

kebanyakan bersumber dari sektor pertanian dan kehutanan serta sampah perkotaan. Salah satu sumber biomassa dari sektor pertanian adalah limbah biomassa tandan pisang. Tandan pisang merupakan bagian dari pohon pisang yang menghubungkan batang pisang dengan buahnya. Data FAO pada tahun 2012 menunjukkan bahwa produksi pisang di Indonesia telah mencapai 6,2 juta ton dan merupakan negara peringkat ketujuh terbanyak dalam jumlah produksi pisang pada tahun tersebut. Ketika dipanen, buah pisang diambil beserta dengan tandannya. Namun pada umumnya, tandan pisang tidak dikonsumsi oleh konsumen akhir dan biasanya dianggap sebagai sampah dan dibuang sehingga menjadi limbah. Limbah tandan pisang tersebut dapat menjadi sumber biomassa yang murah dan melimpah yang selanjutnya dapat dimanfaatkan sebagai sumber bahan bakar dengan mengubah lignoselulosanya menjadi 5-Hidroksimetil-2-Furfural (HMF) yang merupakan salah satu prekursor biofuel (Kim, 2004).

Pemanfaatan tandan pisang sebagai sumber bahan bakar alternatif dapat menjadi solusi untuk mengatasi ketergantungan terhadap sumber daya fosil. Selain itu, dapat juga menjadi solusi bagi masalah pengolahan limbah tandan pisang agar memiliki nilai manfaat dan tidak mencemari lingkungan.

HMF merupakan satu dari 12 senyawa building block yang dapat dihasilkan

dari biomassa baik melalui proses fermentasi maupun konversi. (U.S.

Departement of Energy, 2004). Senyawa building block selain HMF diantaranya

adalah asam glutamat, asam levulinat, gliserol, dan asam propionat. Selain

senyawa-senyawa yang telah disebutkan, Departemen Energi Amerika Serikat

telah menemukan setidaknya 18 senyawa kimia lainnya yang telah dapat

diperoleh dari pengolahan biomassa. Dewasa ini penelitian mengenai konversi

selulosa dari biomassa menjadi HMF yang dapat menjadi intermediet bagi

senyawa lain semakin berkembang. Penelitian yang telah dilakukan banyak

memanfaatkan berbagai macam katalis baik homogen maupun heterogen.

Penelitian yang ada juga meneliti media yang digunakan semisal pelarut aqueous

pelarut organik dan cairan ionik. (Wang dkk., 2013; Binder dkk., 2009; Li dkk.,

2010)

Derivat HMF yang dapat digunakan sebagai biofuel adalah DMF

(Dimethylfuran). DMF memiliki kandungan energi sebesar 31,5 MJ/L.

Kandungan energi yang dimiliki DMF tersebut hampir setara dengan kandungan

energi bensin (35 MJ/L) dan 40% lebih besar daripada kandungan energi etanol

(13)

3

Indra Melta Siswara, 2015

HMF juga dapat diubah menjadi senyawa biodiesel yang menjanjikan, yaitu EMF

(ethoxymethyl-2-furfural). EMF dapat diperoleh dari HMF melalui proses

eterifikasi menggunakan etanol dan zeolit yang dilapisi asam (Nurjamilah, 2013).

Ada tiga komponen utama yang menyusun biomassa lignoselulosa yaitu

hemiselulosa, selulosa dan lignin. Lignoselulosa merupakan senyawa yang sukar

larut dalam beberapa pelarut dikarenakan strukturnya yang cukup kompleks.

Sukar larutnya lignoselulosa membuat proses konversi biomassa secara umum

menjadi kurang efektif dan efisien. Salah satu pelarut yang diketahui dapat

melarutkan lignoselulosa dengan baik adalah cairan ionik seperti [OMIM]Cl yang

ketika dipasangkan dengan katalis krom-halida mampu menghasilkan 58,7%

perolehan HMF (Lee dkk., 2010). Namun, cairan ionik memiliki suatu

kekurangan yaitu harganya yang relatif mahal. Karena itu perlu dicari pelarut

alternatif yang dapat melarutkan lignoselulosa sebaik cairan ionik namun dengan

harga yang lebih murah.

Salah satu pelarut selain cairan ionik yang dapat melarutkan lignoselulosa

dengan baik adalah larutan ZnCl2 (Deng dkk., 2012; Wang dkk., 2013). Selain

dapat melarutkan lignoselulosa, larutan ZnCl2 dapat mendehidrasi glukosa,

fruktosa, maltosa, sukrosa, selulosa pati dan serat. Oleh karena itu, ZnCl2 dapat

berperan sebagai media pelarut pada proses konversi biomassa menjadi HMF.

Larutan ZnCl2 memiliki potensi yang besar untuk menggantikan cairan ionik

sebagai pelarut dalam proses konversi lignoselulosa menjadi senyawa turunannya.

Hal ini dikarenakan keberadaan ZnCl2 yang cukup melimpah serta harganya yang

relatif lebih murah jika dibandingkan dengan cairan ionik. Untuk mengetahui

lebih jauh potensi ZnCl2 sebagai media dalam proses konversi lignoselulosa

menjadi HMF, perlu dilakukan pengujian terhadap pengaruh dari konsentrasi

ZnCl2 sebagai media terhadap perolehan HMF hasil konversi lignoselulosa.

Pengujian terhadap pengaruh konsentrasi ZnCl2 terhadap perolehan HMF

pernah dilakukan Deng dkk. (2012), yang melakukan pengujian hingga

konsentrasi ZnCl2 65 %. Kesimpulan dari penelitian tersebut adalah, HMF baru

bisa diperoleh dengan bantuan ZnCl2 dengan konsentrasi diatas 60 % dan semakin

tinggi konsentrasi ZnCl2 semakin banyak HMF yang diperoleh. Namun,

(14)

4

ZnCl2 yang digunakan di atas 65 % masih belum dilakukan dan masih perlu untuk

diamati.

Dalam sintesis HMF terjadi dehidrasi tiga molekul air dan untuk meningkatkan

hasilnya diperlukan peranan katalis. Salah satu katalis yang menunjukkan hasil

positif dalam proses konversi biomassa menjadi HMF adalah CrCl3 yang ketika

dikombinasikan penggunaannya dengan DMA-LiCl mampu menghasilkan

perolehan HMF sebesar 48% (Binder dkk., 2009). Untuk lebih mengetahui lebih

jauh potensi CrCl3 sebagai katalis dalam proses konversi lignoselulosa menjadi

HMF, perlu dilakukan pengujian terhadap pengaruh dosis CrCl3 terhadap

perolehan HMF dari hasil konversi lignoselulosa. Pengujian terhadap pengaruh

dosis CrCl3 ini utamanya adalah untuk mengetahui kombinasi optimal dari CrCl3

sebagai katalis jika dipasangkan dengan media ZnCl2 karena pada pada

penelitian-penelitian sebelumnya CrCl3 dipasangkan dengan katalis lain semisal cairan ionik.

Sementara itu, pada penggunaan CrCl3 yang digabungkan dengan ZnCl2 (A’dawiyah R.A., 2014 ; Herlina, E., 2014), komposisi optimal dari katalis dan media tersebut belum ditemukan.

Setelah proses konversi, pemisahan HMF yang diperoleh dari sisa pereaksi

serta produk samping yang ada di dalamnya merupakan tantangan yang harus

dihadapi selanjutnya. Salah satu cara yang dapat digunakan untuk memurnikan

HMF adalah dengan menggunakan resin penukar ion. Penggunaan resin penukar

ion pernah dilakukan oleh Binder dkk. (2009) sebagai fasa diam dan air hasil

destilasi sebagai fasa geraknya dalam proses pemurnian HMF dari kandungan

logam Li.

Fokus dari penelitian ini adalah optimasi konsentrasi ZnCl2 dan dosis katalis

CrCl3 dalam proses konversi biomassa lignoselulosa tandan pisang menjadi HMF

yang kemudian dilanjutkan dengan eksplorasi kemampuan resin penukar ion

dalam memisahkan pereaksi dari HMF. Dari penelitian ini diharapkan dapat

diketahui jumlah optimal dari dosis CrCl3 serta konsentrasi ZnCl2 untuk konversi

lignoselulosa tandan pisang menjadi HMF serta dapat diketahui pula potensi resin

(15)

5

Indra Melta Siswara, 2015

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu 1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan, rumusan masalah dari

penelitian ini adalah:

1. Berapa konsentrasi media ZnCl2 yang optimal untuk konversi lignoselulosa

tandan pisang menjadi HMF?

2. Berapa dosis katalis CrCl3 yang optimal untuk konversi lignoselulosa

tandan pisang menjadi HMF?

3. Bagaimana potensi resin penukar ion dalam memurnikan HMF hasil

konversi lignoselulosa dari logam Zn ?

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Mengetahui konsentrasi media ZnCl2 yang optimal untuk konversi

lignoselulosa tandan pisang menjadi HMF,

2. Mengetahui pengaruh dosis katalis CrCl3 yang optimal untuk konversi

lignoselulosa tandan pisang menjadi HMF,

3. Mengetahui potensi resin penukar ion dalam memurnikan HMF hasil

konversi lignoselulosa dari logam Zn.

.

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah untuk mengetahui potensi tandan pisang

sebagai substrat dalam konversi lignoselulosa menjadi HMF dan mengetahui

konsentrasi ZnCl2 dan dosis CrCl3 yang optimal untuk konversi lignoselulosa

menjadi HMF serta mengetahui potensi resin penukar ion dalam memurnikan

hasil konversi dari logam Zn.

1.5 Struktur Organisasi Skripsi

Skripsi ini terdiri dari lima bab utama yaitu bab I yang berisi pendahuluan, bab

II tentang tinjauan pustaka, bab III tentang metode penelitian, bab IV yang berisi

(16)

6

Secara umum, bab I terdiri dari latar belakang, rumusan masalah, tujuan

penelitian, manfaat penelitian dan struktur organisasi skripsi. Pada latar belakang

dikemukakan alasan yang mendasari penelitian yang dilakukan peneliti.

Menindaklanjuti latar belakang, muncul rumusan masalah yang mengetengahkan

masalah-masalah yang muncul dalam penelitian. Tujuan penelitian memberi

poin-poin dari tujuan penelitian ini. Pada bagian akhir, dibahas manfaat penelitian yang

berisi manfaat dari penelitian secara keseluruhan dan struktur organisasi skripsi

yang menguraikan susunan skripsi.

Bab II berjudul tinjauan pustaka yang mengulas dasar-dasar ataupun teori

penelitian yang mendasari penelitian ini. Bab III membahas metode penelitian

secara keseluruhan. Sub-bab dari bab III terdiri dari pertama, waktu dan tempat

pelaksanaan penelitian. Kedua, alat dan bahan digunakan selama proses

penelitian. Ketiga, metode penelitian yang memperinci prosedur dari penelitian

dari satu tahap ke tahap lain. Bab IV berisi hasil penelitian dan pembahasan hasil

berdasarkan literatur. Adapun bab V berisi kesimpulan umum yang menjawab

(17)

17

Indra Melta Siswara, 2015

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian konversi lignoselulosa tandan pisang menjadi

5-hidroksimetil-2-furfural (HMF) untuk optimasi ZnCl2 dan CrCl3 serta eksplorasi metode

pemisahan ini dilakukan di Laboratorium Riset Kimia Material-Hayati dan

Laboratorium Instrumen Kimia Jurusan Pendidikan Kimia Fakultas Pendidikan

Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Pendidikan Indonesia

(FPMIPA UPI) dan pengujian AAS dilakukan di Laboratorium Pengujian Prodi

Kimia ITB. Penelitian ini dilakukan selama 8 bulan terhitung sejak bulan Februari

hingga Oktober 2015.

3.2 Alat dan Bahan

Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah limbah tandan pisang yang

diperoleh dari limbah perkebunan pisang dan limbah yang dihasilkan pedagang

pisang. Padatan ZnCl2 (Merck) digunakan untuk membuat campuran ZnCl2-H2O

yang berperan sebagai pelarut pada proses konversi selulosa menjadi HMF.

Katalis yang digunakan pada proses konversi adalah CrCl3.6H2O (Merck).

Mikrokristalin selulosa (Sigma Aldrich) digunakan sebagai standar untuk

mengkonfirmasi keberhasilan memperoleh selulosa dari hasil delignifikasi. HMF

(Sigma Aldrich) dengan kemurnian 99,99% digunakan sebagai standar untuk

mengkonfirmasi keberhasilan dalam memeroleh HMF dari hasil konversi. Etanol

96% (Merck) digunakan sebagai pelarut HMF. Semua bahan yang telah

disebutkan dipesan melalui CV. Agung Menara. Untuk proses delignifikasi dan

pencucian selulosa tandan pisang digunakan NaOH 25% dan H2O2 5%. Aquades

digunakan untuk melarutkan ZnCl2. Bahan-bahan tersebut tersedia di Lab Riset

Kimia Material-Hayati FPMIPA UPI. Proses pemisahan HMF dari ZnCl2

dilakuakan dengan menggunakan resin penukar kation jenis Dowex 50WX8-200

sebagai fasa diam dan aquades sebagai fasa geraknya.

Alat yang digunakan untuk menghaluskan tandan pisang adalah pisau dan

blender dan dikeringkan menggunkan oven. Alat yang digunakan pada proses

(18)

18

delignifikasi adalah neraca analitik, gelas kimia, mantel pemanas, set alat refluks

dengan labu leher tiga, statif, klem, kaca arloji, termometer 100oC, labu

Erlenmeyer berpenghisap, corong vakum, indikator pH, kertas saring, batang

pengaduk, oven dan spatula. Alat yang digunakan pada proses konversi adalah set

alat refluks dengan labu leher tiga, pemanas listrik, termometer 300oC, pengaduk

magnetik, corong, labu Erlenmeyer berpenghisap, gelas kimia, botol timbang,

neraca analitik, corong leher pendek, spatula, batang pengaduk, pipet tetes, pipet

mikro, labu ukur, pipet seukuran, kertas saring, serta alat dan tabung sentrifuge.

Alat yang digunakan pada proses pemisahan adalah kolom, corong, gelas ukur,

pipet dan batang pengaduk. Analisis gugus fungsi hasil delignifikasi dilakukan

menggunakan instrumen FTIR-8400 SHIMADZU. Adapun hasil konversi HMF

dianalisis menggunakan instrumen HPLC-D700 HITACHI dan hasil pemisahan

dianalisis menggunakan instrumen AAS.

3.3 Prosedur Penelitian

Penelitian konversi lignoselulosa tandan pisang menjadi HMF dilakukan

dengan melalui tiga tahap, yaitu proses delignifikasi tandan pisang, konversi

selulosa hasil delignifikasi menjadi HMF dan pemisahan HMF hasil reaksi dari

pelarutnya. Hasil delignifikasi dianalisis menggunakan instrumen FTIR. Hasil

konversi dianalisis menggunakan instrumen HPLC. Hasil pemisahan dianalisis

menggunakan instrumen AAS. Tahapan umum penelitian ini ditunjukkan pada

Gambar 3.1

Delignifikasi Tandan Pisang Analisis FTIR

Konversi Selulosa menjadi HMF

Analisis FTIR

(19)

19

Indra Melta Siswara, 2015

Penjelasan yang lebih lengkap untuk tiap tahapan penelitian tersebut

diljelaskan pada uraian-uraian berikut.

3.3.1 Proses Delignifikasi Tandan Pisang

Proses delignifikasi tandan pisang diawali dengan pengumpulan limbah tandan

pisang. Tandan pisang dibersihkan kemudian dikeringkan di bawah sinar matahari

selama seminggu, setelah itu, tandan pisang juga melalui pengeringan di dalam

oven selama 24 jam pada suhu 60oC. Sampel yang sudah kering kemudian

dihaluskan dengan cara diblender. Tandan pisang halus kemudian ditimbang

sebanyak 10 gram dan dimasukkan ke dalam gelas kimia yang kemudian diisi air

100 mL yang kemudian dipanaskan selama satu jam pada suhu 100oC. Residu

yang diperoleh dari proses hidrolisis tersebut kemudian diambil dan ditambahkan

NaOH 25% sebanyak 100 mL (1:10) dan direfluks selama dua jam pada suhu

92oC. Hasil refluks disaring menggunakan vakum. Residu yang diperoleh

kemudian dicuci menggunakan aquades hingga pH aquades yang digunakan untuk

pencucian menjadi netral. Setelah itu, residu dikeringkan di dalam oven pada suhu

60oC selama 24 jam.

Residu hasil pengeringan ditimbang kemudian direfluks kembali menggunakan

larutan H2O2 5% sebanyak 100 mL selama dua jam pada suhu 60oC. Hasil refluks

ini juga kemudian disaring menggunakan vakum dan dicuci hingga netral dan

selanjutnya dikeringkan dalam oven selama 24 jam pada suhu 60oC. Hasil

delignifikasi ini, baik setelah refluks dengan NaOH maupun setelah refluks

dengan H2O2, dikarakterisasi dengan FTIR untuk dibandingkan dengan hasil

karakterisasi FTIR terhadap mikrokristalin selulosa dan juga tandan pisang halus

sebelum delignifikasi. Preparasi untuk analisis ini menggunakan garam KBr yang

dibuat pellet. Instrumen yang digunakan adalah FTIR-8400 SHIMADZU. Hasil

dari proses delignifikasi ini selanjutnya disebut sebagai selulosa tandan pisang.

(20)

20

Gambar 3.2 Bagan Alir Proses Delignifikasi

3.3.2 Konversi Selulosa Tandan Pisang menjadi HMF

Proses konversi selulosa tandan pisang menjadi HMF dilakukan dengan

mencampurkan satu gram selulosa ke dalam campuran 30 gram larutan ZnCl2

67% dan katalis CrCl 3 dengan variasi massa katalis 0,0125 g; 0,025 g; 0,05 g; 0,1

g; dan 0,2 g yang sebelumnya telah dipanaskan hingga 120oC. Larutan kemudian

derefluks pada suhu 120o C selama 45 menit disertai dengan pengadukan. Hasil

konversi dianalisis menggunakan HPLC. Setelah dibandingkan dengan hasil

pengujian HPLC HMF standar, dua variasi massa katalis dengan perolehan terbaik

diambil. Proses konversi selanjutnya menggunakan dua varisi massa katalis

tersebut dengan memvariasikan konsentrasi larutan ZnCl2 yang digunakan, yaitu

60 %, 70 %, 67 % dan 75 %. Campuran kemudian direfluks dengan kondisi yang - Dinetralkan

- Dikeringkan

Tandan Pisang

- Dibersihkan - Dikeringkan

Tandan Pisang Kering

- Dihaluskan

Tandan Pisang Halus

- Ditimbang 10 gram - Ditambah aquades 100 mL - Dipanaskan 100o_{C selama 1 jam}

Residu

Filtrat - Ditambah NaOH 25 % (1:10)

- Direfluks selama 2 jam pada suhu 92o_C

- Disaring Filtrat Filtrat Residu Kering Residu Kering Analisis FTIR Analisis FTIR - Dinetralkan - Dikeringkan

- Ditambah 100 mL H2O2 5 %

- Direfluks selama 2 jam pada 60o_C

(21)

21

Indra Melta Siswara, 2015

sama dengan proses konversi sebelumnya dan hasilnya dianalisis dengan HPLC.

Proses konversi selulosa tandan pisang menjadi HMF ditampilkan di Gambar 3.3.

Gambar 3.3 Bagan Alir Konversi Selulosa Tandan Pisang Menjadi HMF

Preparasi analisis menggunakan HPLC dilakukan dengan melarutkan 1 mL

hasil konversi dalam 9 mL etanol 96%. Campuran kemudian disentrigugasi

selama 10 menit dengan kecepatan 1200 rpm. Supernatan hasil sentrifugasi

diambil secukupnya untuk diuji HPLC. Analisis kualitatif dilakukan dengan

membandingkan data waktu retensi yang diperoleh dengan waktu retensi HMF

standar. Sedangkan untuk analisis kuantitatif, dilakukan uji kalibrasi dengan

menggunakan deret standar larutan HMF dalam etanol. Standar yang digunakan

memiliki konsentrasi 100, 150, 200, 300, 450 dan 500 ppm. Parameter dari HPLC

pada proses uji ini adalah:

Instrumentasi : HPLC-D700 HITACHI

Detektor : UV 280 nm

Laju alir : 1 mL/menit

Fasa Gerak : Asetonitril:aquabides (10:90)

Suhu kolom : 30oC

Larutan ZnCl2

- Ditimbang 30 gram - Ditambah CrCl3

- Dipanaskan sampai 100o C

- Ditambah 1 g selulosa tandan pisang

Campuran Selulosa Tanda Pisang, Larutan ZnCl2 dan CrCl3

- Direfluks 40 menit disertai pengadukan

(22)

22

3.3.3 Eksplorasi Metode Pemisahan

Proses pemisahan dilakukan terlebih dahulu terhadap sampel model. Sampel

model adalah larutan ZnCl2 66,67 %. Sebelum proses pemisahan dilakukan, resin

penukar ion disiapkan terlebih dahulu dengan dimasukkan ke dalam kolom

dengan diameter 2 cm dengan tinggi 5 cm. Sebelum ditambahkan sampel, kolom

dialiri terlebih dahulu fasa geraknya yaitu aquades. Model dipisahkan dari Zn

dengan cara menambahkan 2,7 mL sampel ke dalam kolom yang sudah berisi

resin dan aquades. Sampel kemudian dielusikan dengan aquades bervolume total

25 mL. Laju alir dihitung dengan satuan mL per menit, untuk pemisahan model

dan hasil konversi ini, laju alir yang digunakan adalah 1,6 mL/menit. Hasil

konversi juga dipisahkan dengan cara yang sama. Hasil-hasil pemisahan

ditampung untuk kemudian diuji dengan instrumen AAS. Bagan alir proses

pemisahan dapat dilihat pada Gambar 3.4. Pengamatan terhadap pengaruh laju alir

terhadap hasil pemisahan juga dilakukan dengan cara memisahkan sampel model

dengan laju alir yang divariasikan, yaitu selain 1,6 mL/menit yang sebelumnya

sudah dilakukan, ditambah juga variasi laju alir 0,8 mL/menit, 0,4 mL/menit dan

0,27 mL/menit.

Gambar 3.4 Bagan Alir Pemisahan HMF

Hasil pemisahan dianalisis dengan AAS untuk mengetahui konsentrasi Zn2+

setelah sampel melewati proses pemisahan. Konsentrasi Zn2+ ditentukan dengan

memasukkan nilai absorbansi sampel pada persamaan garis yang diperoleh dari

kurva kalibrasi deret standar. Deret standar yang digunakan memiliki konsentrasi

Zn2+ sebesar 3, 6, 9 dan 12 ppm.

Hasil Reaksi / Model

- Ditakar sebanyak 2,7 mL - Dimasukkan ke dalam kolom berisi resin Dowex

- Dielusi aquades 25 mL

(23)

35

Indra Melta Siswara, 2015

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan penelitian konversi lignoselulosa tandan pisang menjadi HMF

yang telah dilakukan, diperoleh beberapa kesimpulan, yaitu:

• Pelarut ZnCl2 dapat digunakan sebagai media dalam konversi biomassa lignoselulosa tandan pisang menjadi HMF dengan konsentrasi optimum

66,67%.

• Katalis CrCl3 dapat digunakan sebagai katalis pada konversi biomassa lignoselulosa tandan pisang menjadi HMF dengan dosis optimum yang

didapat dari perbandingan massa katalis : massa selulosa = 1 : 10 sehingga

kombinasi ZnCl2 dan CrCl3 yang optimal diperoleh dari kombinasi 30 gram

ZnCl2 66,67% dan 100 mg CrCl3 yang menghasilkan 66,4 mg HMF atau

perolehan 6,64 % dari 1 gram selulosa tandan pisang.

• Metode pemisahan menggunakan resin penukar ion mampu mengurangi kandungan Zn model dari 66,67 % menjadi 3,76% dan kandungan Zn hasil

konversi dari 66,67 % menjadi 8,44 % serta laju alir diketahui dapat

mempengaruhi hasil dari proses pemisahan ini.

5.2 Saran

Penelitian konversi lignoselulosa menjadi HMF di masa depan dapat berfokus

pada pencarian komposisi optimum dari media dan katalis lain. Dapat dilakukan

pula pengujian metode lain untuk pemisahan hasil HMF dari pereaksinya atau

mengoptimalkan penggunaan resin penukar ion dengan menguji pengaruh dari

variabel-variabel lain yang belum diuji. Selain pemurnian HMF dari pereaksinya,

pemurnian HMF dari produk sampingan dapat dilakukan juga pada penelitian

(24)

36

DAFTAR PUSTAKA

Abdullah, N., Fauziah Sulaiman, M. Azman Miskam, Rahmad Hohd Taib. (2014).

Characterization of Banana (Musa spp.) Pseudo-Stem and Fruit-Bunch-Stem as

a Potential Renewable Energy Resource. WAS, 8, 108-111.

A’dawiyah S.R. (2014). Konveri Lignoselulosa Jerami Jagung (Corn Stover) Menjadi HMF dalam Media ZnCl2 dengan Co-Catalyst Zeolit, CrCl3 dan

DMA-LiCl. Skripsi. Universitas Pendidikan Indonesia, Bandung.

Alam, M.I., Sudipta, D., Dutta S., dan Saha, B. (2012). “Solid-Acid and Ionic Catalyzed One-Pot Transformation of Biorenewable Substrates Into A Platform Chemical and A Promising Biofuel”. The Royal Society of Chemistry. 2,

6890-6896.

Alonso, D.M., Bond, J.Q. dan Dumesic, J.A. (2010). Catalytic conversion of

biomass to biofuels. Critical review: Green Chem., 12, 1493-1513.

Arvela, P.M., Salminen, E., Riitonen, E., Virtanen, P., Kumar, N., dan Mikkola, J. (2012). “The Challenge of Efficient Synthesis of Biofuels from Lignocellulose for Future Renewable Transportation Fuels”. International Journal of Chemical Engineering. 674761.

Binder, J.B. dan Raines, R.T. (2009). Simple chemical transformation of

lignocellulosic biomass into furan for fuels and chemicals. J. Am. Chem. Soc.,

Vol. 131 No.5.

De Almeida, R., Li, J., Nederlof, C., O’Connor, P., Makkee, M., dan Mouljin, J. (2012). “Cellulose Conversion to Isosorbide in Molten Salt Hydrate Media”.

ChemSusChem. 3, 325-328.

Deng, T., Cui, X., Qi, Y., Wang, Y., Hou, X. dan Zhu, Y. (2012). Conversion of

carbohydrates into 5-hydroxymethylfurfural catalyzed by ZnCl2 in water.

(25)

37

Indra Melta Siswara, 2015

ESDM. (2013). Energi Fosil dikurangi, EBT ditingkatkan. [Online] Tersedia:

http://www.esdm.go.id/news-archives/323-energi-baru-dan-terbarukan/6485-energi-fosil-dikurangi-ebt-ditingkatkan.html. [Diakses: 28 September 2015]

Firdaus, F.H.Z. (2012). Studi Pendahuluan Reaksi Konversi Selulosa dari

Biomassa Jerami Padi (Rice Straw) Menjadi 5-Hydroxymethylfurfural (HMF)

Sebagai Prekursor Biofuel 2,5-Dimethylfuran (DMF) Menggunakan Radiasi

Microwave. Skripsi. Universitas Pendidikan Indonesia, Bandung.

Harmsen, P., Lips, S. Dan Bakker, R. (2013). Pretreatment of lignocellulosic for

biotechnological production of lactic acid. Wageningen: Wageningen UR &

Biobased Research.

Herlina E. (2014) Konversi Biomassa Limbah Kulit Durian (Durio zibhetinus

Murray) Menjadi 5-Hidroksimetilfurfural dalam Larutan ZnCl2 Menggunakan

Katalis CrCl3.Skripsi. Universitas Pendidikan Indonesia, Bandung.

Jadhav, A.H., Hern Kim, In Taek Hwang. (2013). An Efficient and Heterogeneous

Recycleable Silicotungstic Acid with Modified Acid Sites as a Catalyst for

Conversion of Fructose and Sucrose into 5-hydroxymethyl Furfural in

Superheted Water. Bioresource Technology. 132. 342-350.

Jan van Putten, R., C. van der Waal, J., Jong, E., Rasrendra, C., Heeres, H., dan G. deVries, J. (2013). “Hydroxymethylfurfural, A Versatile Platform Chemical

Made from Renewable Resources”. Journal of The American Chemical

Society. 113, 1499-1597.

Kim, S.B., Lee, S.J., Lee, J.H., Jung, Y.R., Thapa, L.P., Kim, J.S. (2013).

Pretreatment of rice straw with combined process using dilute sulfuric acid and

(26)

38

Kumar, P., Barrett, D.M., Delwiche, M.J., dan Stroeve, P. (2009). Methods for

pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel

production. Review: Industrial & Engineering Chemistry Research, xxx, (xx),

A-Q.

Lee, J-W., Ha, M-G., Yi, Y-B dan Chung., C-H. (2011) Chromium halide

mediated production of hydroxyl methyl furfural from starch-rich acorn

biomass in an acidic ionic liquid. Carbohydrate Research, 346, 177-182.

Lestari, A.D. Konversi Selulosa dari Biomassa Jerami Padi Menjadi HMF

Sebagai Precursor Biofuel Menggunakan Media ZnCl2dan Katalis CrCl3.

Skripsi. Universitas Pendidikan Indonesia, Bandung.

Li, C., Zhao, Z.K., Wang, A., Zheng, M. dan Zhan, T. (2010). Production of

5-hydroxymethylfurfural in ionic liquids under high fructose concentration

conditions. Carbohydrate Research, 345, 1846-1850.

Lim, S.J. (2012). A Review on utilization of biomass from rice industry as a

source of renewable energy. Elsevier: Science Direct. 16, 3084-3094.

Liu, F. (2012). Separation and purification of valuable chemicals from suimulated

hydrothermal conversion product solution. Tesis. University of Waterloo,

Waterloo.

Martinez, A.T.., Ruiz-Duenas, F.J., Martinez., M.J., del Rio, J.C. dan Gutierrez,

A. (2009). Enzymatic delignification of plant cell wall: from nature to mill.

Current Opinion in Biotechnology, 20, 348-357.

Nurjamilah, R. (2013). Aktivitas zeolit alam dan zeolit termodifikasi

heteropolytungstate (HPW) sebagaoi satalia dalam konversi fruktosa menjadi

(27)

39

Indra Melta Siswara, 2015

menjadi 5-ethoxymethyl-2-furfural (EMF). Skripsi. Universitas Pendidikan

Indonesia, Bandung.

Rosatella, A.A., Simeonov, S.P., Frade, R.F.M. dan Afonso, C.A.M. (2011).

5-Hydroxymethylfurfural (HMF) as a building block platform: Biological

properties, synthesis and synthetic applications. Critical review : Green Chem.,

13, 754.

Roman-Leskov, Y., Barret, C.J., Liu, Z.Y. dan Dumesic, J.A. (2007). Production

of 5-hydroxymethylfurfural and furfural by dehydration of biomass-derived

mono- and poly-saccharides. Green Chem., 9:342-350.

U.S. Department of Energy. (2004). Top value added chemicals from biomass

(Volume I). U.S.A.: U.S. Departement of Energy.

Wang, Y., Pedersen, C.M., Deng, T., Qiao, Y. dan Hou, X. (2013). Direct

conversion of chitin biomass to 5-hydroxymethylfurfural in concentrated ZnCl2

aqueous solution. Bioresource Technology, 143, 384-390.

Wettstein, S.G., Alonso, D., Gurbuz, E., dan Dumesic, J. (2012). A Roadmap for

Conversion of Lignocellulosic Biomass to Chemicals and Fuels.

Elsevier:Science Direct,. 1, 218-224.

Yang, Z,P,, Xu, S.W., Ma, X.L. dan Wang S.Y. (2008). Characterization and

acetylation behavior of bamboo pulp. Wood Sci. Technol., 42 (8), 621-632.

Yi, Young-Byung, Myoung-Gyu Ha, Jin-Woo Lee, Suk-Man Park, Young-Hun

Choi, Chung-Han Chung. (2013). Direct Conversion of Citrus Peel Waste into

HMF in Ionic Liquid by Mediation of Flourinated Metal Catalysts. Journal of

(28)

40

Zaldivar, J., Nielsen, J. Dan Olsson, L. (2001). Fuel ethanol production from

lignocellulosic : a challenge for metabolic engineering and process integration.

Applied Microbiology and Biotechnology, 56 (1-2), 17-34.

Zeitsh, K.J. (2000). The Chemistry and Technology of Furfural and Its Many

By-Products. Sugar Series, First ed. Vol. 13. Elsevier. The Netherlands.

Zhang, L., Hongbing Yu, Pan Wang, Heng Dong, Xinhong Peng. (2013)

Conversion of xylan, D-xylose and Lignocellulosic Biomass into Furfural

using AlCl3 as Catalyst in Ionic Liquid. Bioresource Technology. 130.

110-116.

Zhao, X., van der Heide, E., Zhang, T. Dan Liu, D. (2010). Delignification of

sugarcane bagasse with alkali and peratic acid and characterization of the pulp.