Kajian Terhadap Penyediaan Selulosa Mikrokristal dari Selulosa Tandan Kosong Kelapa Sawit ( Elaeis guineensis) dengan Metode Hidrolisis Menggunakan Asam Klorida (HCl)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 TANAMAN KELAPA SAWIT

Tanaman kelapa sawit (Elaeis guinensis) berasal dari Nigeria, Afrika Barat, pada kenyatannya tanaman kelapa sawit hidup subur di luar daerah asalnya, seperti Malaysia, Indonesia, Thailand, dan Papua Nugini. Bahkan mampu memberikan hasil produksi per hektar yang lebih tinggi.Indonesia merupakan penghasil utama minyak sawit [10]. Tanaman kelapa sawit merupakan tanaman monokotil tergolong kedalam famili Palmacea yang termasuk tanaman yang tingginya mencapai 24 meter, memiliki batas umur produktif relatif pendek 25 – 30 tahun dan setelah mencapai umur daur harus dilakukan peremajaan dengan tanaman muda. Kelapa sawit merupakan komoditas unggulan yang mempunyai kontribusi penting dalam pembangunan ekonomi pada umumnya, dan dalam pembangunan agro industri di Indonesia pada khususnya.Setelah terbukti perkebunan kelapa sawit menghasilkan keuntungan yang cukup tinggi sekitar 17.317.295 ton, banyak perusahaan asing ingin berinvestasi di bidang perkebunan kelapa sawit [10]. Industri minyak sawit merupakan kontributor penting dalam produksi di Indonesia dan memiliki prospek pengembangan yang cerah. Industri ini juga berkontribusi dalam pembangunan daerah, sebagai sumber daya penting untuk pengentasan kemiskinan melalui budidaya pertanian dan pemprosesan selanjutnya [11]

2.2 TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS)

Secara umum, limbah dari pabrik kelapa sawit terdiri atas tiga macam yaitu limbah cair, padat dan gas. Limbah padat yang berasal dari proses pengolahan berupa tandan kosong kelapa sawit (TKKS), cangkang atau tempurung, serabut atau serat, sludge atau lumpur dan bungkil [12].

Kelapa sawit menghasilkan limbah yang dapat memberikan manfaat yang besar bagi kehidupan, diantaranya sebagai pupuk organik dan sebagai arang aktif. Salah satu limbah padat industri kelapa sawit adalah tandan kosong kelapa sawit (TKKS).Tandan kosong sawit juga menghasilkan serat kuat sebagai bahan pengisi dalam produk serat berkaret, diantaranya jok mobil, matras dan papan komposit.Limbah padat mempunyai ciri khas pada komposisinya. Komponen terbesar dalam limbah padat tersebut adalah selulosa, disamping komponen lain meskipun lebih kecil seperti abu, hemiselulosa, dan lignin [1].

Tandan kosong kelapa sawit merupakan limbah utama berligniselulosa yang belum termanfaatkan secara optimal dari industri pengolahan kelapa sawit. Basis satu ton tandan buah segar akan dihasilkan minyak sawit kasar sebanyak 0,21 ton (21%), minyak inti sawit sebanyak 0,05 ton (0,5%) dan sisanya merupakan limbah dalam bentuk tandan kosong, serat dan cangkang biji yang masing – masing sebanyak 0,23 ton (23%), 0,135 ton (13,5%) dan 0,055 ton (5,5%). Selama ini pengolahan/pemanfaatan tandan kosong kelapa sawit oleh Pabrik Kelapa Sawit (PKS) masih sangat terbatas yaitu dibakar dalam incinerator, ditimbun (open dumping), dijadikan mulsa diperkebunan kelapa sawit, atau diolah menjadi kompos. Namun karena adanya beberapa kendala seperti waktu pengomposan yang cukup lama sampai 6 – 12 bulan, fasilitas yang harus disediakan, dan biaya pengolahan tandan kosong kelapa sawit tersebut. Maka cara – cara tersebut kurang diminati oleh PKS. Selain jumlah yang melimpah juga karena kandungan selulosa tandan kelapa sawit yang cukup tinggi yaitu sebesar 45% maka tandan kosong kelapa sawit berpotensi untuk dikembangkan menjadi barang yang lebih berguna [13].

limbahnya. Langkah tersebut merupakan upaya untuk mengurangi dampak negatif demi mewujudkan industri yang berwawasan lingkungan. Salah satu pemanfaatan limbah dari PKS adalah pemanfaatan limbah sebagai pupuk, seperti limbah padat dapat berupa janjangan kosong (TKKS).Hasil samping dari industri perkebunan kelapa sawit seluruhnya dapat dimanfaatkan jika para pelaku industri ini mampu mengelolanya dengan baik [5].Tandan kosong kelapa sawit mencapai 23% dari jumlah pemanfaatan limbah kelapa sawit sebagai alternatif pupuk organik yang akan memberikan manfaat lain dari sisi ekonomi [11]. Berdasarkan struktur TKKS yang terdiri dari berbagai macam serat (selulosa, hemiselulolsa, dan lignin) menunjukkan TKKS merupakan kumpulan jutaan serat organik yang memiliki kemampuan dalam menahan air yang ada disekitarnya, dan jumlah TKKS ini sangat melimpah.Tetapi belum dimanfaatkan secara baik oleh sebagian besar Pabrik Kelapa Sawit (PKS) di Indonesia.Pengolahan/pemanfaatan TKKS oleh PKS masih sangat terbatas [13]. Sehingga selain hanya dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan pupuk, dapat dilakukan alternatif lainnya untuk memenuhi potensi tandan kosong kelapa sawit yang masih sangat terbatas pemanfaatannya maka tandan kosong kelapa sawit dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan selulosa mikrokristal.

Hasil penelitian yang dilakukan oleh Tjahjono Herawan dan Meta Rivani (2013), tandan kosong kelapa sawit seperti biomassa pada umumnya adalah sumber paling penting untuk bahan kimia, material dan produk bernilai lainnya. Salah satu jenis bahan kimia yang dapat dikembangkan dari tandan kosong kelapa sawit adalah selulosa mikrokristal [9].

2.3 SELULOSA

2.3.1 Struktur Selulosa

anhidroglukopiranosa yang tersambung dengan ikatan β-1,4-glikosidik membentuk suatu rantai makromolekul tidak bercabang. Setiap unit anhidroglukopiranosa memiliki tiga gugus hidroksil seperti yang terlihat pada Gambar 2.1. Selulosa mempunyai rumus empirik (C6H10O5)n dengan n ~ 1500 dan berat molekul ~ 243.000 [14].

Gambar 2.1. Struktur Selulosa [14]

Selulosa mengandung sekitar 50 - 90% bagian kristal dan sisanya amorf. Selulosa hampir tidak pernah ditemui dalam keadaan murni di alam, melainkan selalu berikatan dengan bahan lain seperti lignin dan hemiselulosa. Molekul selulosa merupakan mikrofibil dari glukosa yang terikat satu dengan lainnya membentuk rantai polimer yang sangat panjang. Adanya lignin serta hemiselulosa di sekeliling selulosa merupakan hambatan utama untuk menghidrolisis selulosa [14]. Sifat-sifat selulosa terdiri dari sifat fisika dan sifat kimia.Selulosa dengan rantai panjang mempunyai sifat fisik yang lebih kuat, lebih tahan lama terhadap degradasi yang disebabkan oleh pengaruh panas, bahan kimia maupun pengaruh biologis. Sifat fisik lain dari selulosa adalah [14] :

1. Dapat terdegradasi oleh hidrolisa, oksidasi, secara kimia maupun mekanis sehingga berat molekulnya menurun.

2. Tidak larut dalam air maupun pelarut organik, tetapi sebagian larut dalam larutan alkali.

3. Dalam keadaan kering, selulosa bersifat higroskopis, keras dan rapuh. Bila selulosa banyak mengandung air maka akan bersifat lunak.

Turunan selulosa telah digunakan secara luas dalam sediaan farmasi seperti etil selulosa, metil selulosa, karboksimetil selulosa, dan dalam bentuk lainnya yang digunakan dalam sediaan oral, topikal, dan injeksi.Sebagai contoh, karboksimetil selulosa merupakan bahan utama dari SeprafilmTM, yang digunakan untuk mencegah adesi setelah pembedahan.Baru-baru ini, penggunaan selulosa mikrokristal dalam emulsi dan formulasi injeksi semipadat telah dijelaskan. Penggunaan bentuk-bentuk selulosa dalam sediaan disebabkan sifatnya yang inert dan biokompatibilitas yang sangat baik pada manusia [14].

2.3.2 Selulosa Mikrokristal

Selulosa mikrokristal adalah selulosa yang dimurnikan secara parsial, berwarna putih, serbuk kristal yang terdiri atas partikel-partikel yang menyerap. Selulosa mikrokristal secara komersial tersedia dalam berbagai ukuran partikel dan tingkat kelembapan sehingga mempunyai sifat dan penggunaan yang berbeda. Selulosa mikrokristal secara luas digunakan dalam farmasi, terutama sebagai pengikat/pengisi dalam formulasi tablet dan kapsul yang dapat digunakan dalam proses granulasi basah dan kempa langsung. Selain digunakan sebagai pengikat/pengisi, selulosa mikrokristal juga mempunyai sifat lubrikan dan disintegran yang dapat berguna dalam pentabletan [15].Struktur selulosa mikrokristaldapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Struktur Selulosa Mikrokristal [15].

Selulosa mikrokristal telah dibuat dari beberapa sumber alam, seperti dari

mikrokristal memiliki rumus molekul (C6H10O5)n, dimana n ~ 220, dengan berat molekul: ~ 32.400 [15].

Selulosa dapat larut segera dalam asam pekat.Pelarutan dalam asam pekat mengakibatkan pemecahan rantai selulosa secara hidrolitik.Oleh karena itu, selulosa mikrokristal dapat dihasilkan dengan mereaksikan selulosa di dalam larutan asam mineral yang mendidih selama waktu tertentu. Proses tersebut bertujuan untuk menurunkan berat molekul, derajat polimerisasi, dan panjang rantai selulosa sehingga membentuk mikrokristal [3]. Selulosa mikrokristal dikenalkan pada tahun 1960-an dan digunakan sebagai pengikat, pengisi dalam tablet, penghilang lemak, stabilizer dalam industri makanan, komposit dalam kayu, industri plastik, dan kosmetik. Selulosa mikrokristal dianggap sebagai bahan tambahan terbaik untuk pembuatan tablet cetak langsung, bisa sebagai bahan pengisi, pengikat pada tablet dengan konsentrasi 20 % - 90 %, penghancur tablet dengan konsentrasi 5 % – 20 % [16].

Selulosa mikrokristal adalah bentuk selulosa dari bagian non serat yang telah terdepolimerisasi parsial dan dimurnikan, berwarna putih, berbentuk serbuk dan merupakan partikel berpori.Selulosa mikrokristal telah dikembangkan dalam berbagai aplikasi industri seperti edible fil, yogurt, dan khususnya sebagai penguat dan pengisi pada matrik polimer atau biokomposit [9].

2.4. PEMBUATAN SELULOSA MIKROKRISTAL

Pembuatan selulosa mikrokristal dari biomassa tandan kosong kelapa sawit dilakukan dengan mengisolasi selulosa yang terkandung dalam tandan kosong kelapa sawit. Kemudian, selulosa yang diperoleh disiolasi untuk

mendapatkan α-selulosa. α-selulosa kemudian diproses untuk memproduksi selulosa mikrokristal. Beberapa proses yang dapat digunakan untuk memproduksi selulosa mikrokristal, yaitu:

1. Proses hidrolisis asam

(HCl) atau asam sulfat (H2SO4). Larutan asam tersebut berfungsi untuk melarutkan selulosa amorf. Kondisi operasi yang dibutuhkan untuk menjalankan reaksi adalah suhu di atas 160°C. Terdapat beberapa kerugian dalam penggunaan metode konvensional, yaitu beroperasi pada suhu tinggi.Larutan asam yang bekerja pada temperatur atau tekanan tinggi berpotensi menimbulkan masalah korosi terhadap reaktor.Selain itu, membutuhkan larutan asam dalam jumlah besar untuk menghidrolisis selulosa. Sehingga, pada akhir proses reaksi akan menyisakan larutan asam dalam jumlah besar [17].

2. Proses kontak uap

Proses kedua untuk memperoleh selulosa mikrokristal dijelaskan dalam U.S.Pat.No.5,769,934 diproduksi dengan cara mengkontakkan selulosa dengan steam bertekanan pada temperature antara 180°C sampai 350°C selama waktu yang cukup untuk mecapai kondisi LODP (levelling-off degree of polymerization). Proses pengontakkan bertujuan untuk menghidrolisis selulosa dan menghilangkan lignin dan hemiselulosa. Uap jenuh secara terus menerus diumpankan ke dalam reaktor sampai mencapai tekanan 430 psig.Tekanan di dalam reaktor antara 390 psig (2,689 Pa) sampai 430 psig (2,965 Pa). Kelebihan dari proses ini adalah tidak membutuhkan larutan asam. Selulosa mikrokristal yang diproduksi dengan proses kontak berbentuk koloid [18].

3. Proses hidrolisis gas

4. Proses ekstruksi reaktif

Pembuatan selulosa mikrokristal dengan menggunakan proses ekstruksi reaktif menurut U.S.Pat.No.6,228,213, ekstruksi tahap pertama melibatkan natrium hidroksida (NaOH) yang dilakukan pada rentang temperatur 140°C sampai 170°C untuk menghilangkan senyawa kompleks lignocellulosic. Kemudian, tahap kedua yaitu dengan melibatkan larutan asam yang dilakukan pada suhu 140°C. Selulosa dan larutan asam direaksikan dalam screw conveyor.Screw conveyor terdiri atas screw dan barrel. Screw diputar sehingga menghasilkan tekanan pada selulosa, kemudian selulosa bercampur dengan larutan asam membentuk selulosa mikrokristal. Kelebihan proses ini yaitu dapat dijalankan pada proses kontinyu untuk memproduksi selulosa mikrokristal dengan waktu reaksi lebih cepat dan dengan efisiensi yang baik. Dilihat dari segi produk, partikel selulosa mikrokristal yang dihasilkan kecil sehingga tidak membutuhkan perlakuan tambahan untuk memperkecil partikel [20].

5. Proses enzim

Proses enzim untuk menghasilkan selulosa mikrokristal, hidrolisis dilakukan dengan menggunakan enzim sebagai katalis. Enzim yang digunakan dihasilkan dari mikroba seperti enzim α-amylase yang dipakai untuk hidrolisis pati menjadi glukosa dan maltosa.Dalam hidrolisis selulosa, mikroba yang digunakan dapat berupa Trichoderma viride. Mikroba tersebut akan menghasilkan enzim endo-celullase yang dapat memutus bagian amorf α-cellulose secara selektif. Kondisi operasi yang disarankan dalam proses ini adalah 50-60°C _{dan pH} 2,5 - 3. Proses ini memiliki beberapa kelebihan yaitu, hidrolisis dengan enzim lebih bersih dan prosesnya lebih selektif, bekerja pada tekanan dan temperatur yang sedang. Namun, proses hidrolisis dengan menggunakan enzim terjadi secara lambat dengan waktu reaksi sekitar 24 sampai 48 jam. Ditinjau dari waktu reaksi, proses ini tidak cocok untuk aplikasi secara komersial [21].

karena waktu reaksi berlangsung singkat daripada proses lainnya dan jumlah larutan asam yang digunakan sedikit [22].

Pemilihan metode hidrolisis asam untuk pembuatan selulosa mikrokristal dalam penelitian ini juga di dukung oleh beberapa penelitian sebelumnya yang menggunakan metode yang sama dalam pembuatan selulosa mikrokristal yaitu proses hidrolisis asam, dimana asam yang digunakan adalah asam klorida (HCl).

Hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya oleh Gusrianto,dkk (2011) dengan judul Preparasi dan Karakteristik Mikrokristalin Selulosa dari Limbah Serbuk Kayu Pengergajian dengan menggunakan metode hidrolisis asam yaitu asam klorida (HCl) menghasilkan selulosa mikrokristal sebesar 33 % [3].

Hasil penelitian lainnya yang telah dilakukan oleh Zulharmita,dkk (2012) Pembuatan Mikrokristalin Selulosa dari Ampas Tebu(Saccharum officinarum L) dengan menghidrolisis alfa selulosa dengan HCl 2,5 N sebanyak 1,2 liter didapatkan selulosa mikrokristal sebanyak 71,5 gram (28,6 %) [23]. Sedangkan Hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Halim,dkk (2002) pada Pembuatan Mikrokristalin Selulosa dari Jerami Padi (Oriza sativa linn) dengan Variasi Waktu

Hidrolisa, α-selulosa yang diperoleh dari Jerami Padi dihidrolisa dengan HCl 2,5 N pada temperatur 100°C _{waktu hidrolisa divariasikan selama 1, 1,5, 2 dan 2,5} jam. Selulosa mikrokristal yang dihasilkan sekitar 40 % dengan hasil terbaik lama proses hidrolisa selama 1,5 jam [6].

2.4.1 Metode Hidrolisis Asam

Hidrolisis selulosa yang umum digunakan adalah dengan menggunakan asam kuat. Asam kuat dapat menghilangkan bagian amorf dari suatu rantai selulosa sehingga isolasi pada bagian kristal selulosa dapat dilakukan. Mekanisme hidrolisis selulosa dengan asam kuat ditunjukkan pada Gambar 2.3

Hidrolisis selulosa dipengaruhi oleh konsentrasi asam yang digunakan. Bagian amorf dari suatu rantai selulosa lebih mudah dihidrolisis dengan asam daripada dalam bentuk kristal. Prosedur khas yang dilakukan adalah menghidrolisis selulosa murni dengan asam kuat dalam kondisi temperatur, pengadukan, dan waktu yang terkendali. Proses kimia dimulai dengan penghilangan ikatan antar polisakarida pada permukaan serat selulosa dan diikuti dengan pecah dan rusaknya bagian amorf sehingga melepaskan bagian kristal selulosa. Setelah hidrolisis dilakukan, suspensi yang dihasilkan diencerkan dengan air, dan dicuci dengan beberapa kali. Jenis asam mineral yang digunakan dalam tahap hidrolisis memiliki pengaruh besar pada sifat permukaan kristal selulosa [15].

Metode hidrolisis selulosa dengan menggunakan asam merupakan metode yang sering digunakan untuk menghilangkan bagian amorf dari selulosa tetapi penggunaan larutan asam masih terbatas hanya dilakukan dalam skala laboratorium. Dari hasil penelitian yang dilakukan Daniel,dkk (2006) ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi hidrolisis selulosa mikrokristal antara lain : konsentrasi awal/jumlah dari selulosa mikrokristal, konsentrasi asam yang digunakan, waktu dan temperatur hidrolisis [24].

2.5 ANALISIS SELULOSA MIKROKRISTAL

2.5.1 Sifat- Sifat Fisikokimia Selulosa Mikrokristal

a. Pengujian Organoleptik

Pengujian organoleptik adalah pengujian yang didasarkan pada proses pengindraan. Pengindraan diartikan sebagai suatu proses fisio-psikologis, yaitu kesadaran atau pengenalan alat indra akan sifat-sifat benda karena adanya rangsangan yang diterima alat indra yang berasal dari benda tersebut. Karakteristik bentuk yaitu sampel diletakan di atas dasar yang berwarna putih, diamati bentuk atau rupa dan warna [23].

b. Uji pH

berbagai studi kimia dan biologi di laboratorium dan berbagai bidang industri [25].

c. Zat Larut Dalam Air

Zat larut dalam air adalah kemampuan suatu zat kimia tertentu, zat terlarut (solute), untuk larut dalam suatu pelarut (solvent) [25].

d. Susut Pengeringan

Pengeringan (drying) zat padat berarti pemisahan sejumlah kecil air atau zat cair lain dari bahan padat. Persentase susut pengeringan dapat ditentukan dengan perbandingan berat sampel dengan berat setelah dikeringkan [25]. Kemudian dihitung susut pengeringan dengan rumus [23] :

X = (B−A)−(C−A)

(B−A) × 100% (2.1)

X = Susut pengeringan (g) A = Berat krus kosong (g)

B = Berat krus + sampel sebelum dikeringkan (g) C = Berat krus + sampel setelah dikeringkan (g)

2.5.2 Karakteristik Selulosa Mikrokristal

a. Pengujian Fourier Transform Infrared (FTIR)

Spektroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR) merupakanspektroskopi inframerah yang dilengkapi dengan transformasi fourier untuk deteksi dan analisis hasil spektrumnya.Intispektroskopi FTIR adalah interferometer Michelson yaitu alat untuk menganalisisfrekuensi dalam sinyal gabungan [26].

Pada analisa ini, sinar inframerah ditembakkan pada sampel.Sebagian radiasi inframerah diabsorbsi oleh sampel dan sebagian lainnya ditransmisikan. Hasil spektrum memperlihatkan absorbs dan transmisi molekul, membentuk sidik jari molekul sampel [27].

b. _{X-Ray Diffraction} (_XRD)

tersebut saling menguatkan. Sinar-X dihamburkan oleh atom – atom dalam zat padat material. Ketika sinar-X jatuh pada kristal dari material maka akan terjadi hamburan ke segala arah yang bersifat koheren. Sifat hamburan sinar-X yang koheren mengakibatkan sifat saling menguatkan atau saling melemahkan pada paduan gelombang [28].

c. Pengujian Scanning Electron Microscopy (SEM)