III. METODE PENELITIAN 3.1. Waktu dan Lokasi Penelitian
Serangkaian penelitian yang telah dilakukan mulai berlangsung selama 24 bulan dimulai pada bulan Juli 2007 sampai Juli 2009. Penelitian ini dilakukan dalam dua tahap. Tahap pertama adalah kegiatan yang dilakukan di laboratorium yang meliputi proses pirolisis dan analisis produk yang dihasilkan serta uji anti jamur asap cair. Tahap kedua adalah kegiatan untuk mengaplikasikan asap cair pada ikan tongkol segar dan tahu, model kinetika, termodinamika kimia, waktu paruh dan nilai emisi karbon biomassa. Kegiatan penelitian dilaksanakan di beberapa laboratorium yang terdiri atas : 1) Laboratorium Kimia Kayu dan Energi Biomassa Pusat Penelitian dan Pengembangan Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan Balitbang Kehutanan Kementerian Kehutanan, di Gunung Batu, Bogor dilakukan proses pirolisis untuk pembuatan asap cair dan arang, 2). Laboratorium Pasca panen Departemen Pertanian, di Cimanggu, Bogor dilakukan analisis kadar asam asetat, 3). Laboratorium Kimia Instrumen FPMIPA, Universitas Pendidikan Indonesia (UPI) Bandung untuk analisis GC-MS (gas chromatography mass spectrometry), 4) Laboratorium Uji Polimer Pusat Penelitian Fisika LIPI Sangkuriang Bandung untuk analisis TGA (thermogravimetri analysis), 5). Laboratorium Bioteknologi ICBB Situ Gede Bogor untuk analisis antijamur, 6). Laboratorium Kimia Tanah, Departemen Ilmu Tanah dan Sumberdaya Lahan Fakultas Pertanian IPB untuk analisis karbon asap cair (%C organik), 7). Laboratorium Kimia Kayu Departemen Hasil Hutan Fakultas Kehutanan IPB Bogor untuk analisis kandungan lignin, hemiselulosa dan selulosa, 8). Lapangan/Rumah Jl. Raya Cibanteng Gg Agatis 2 No 34 Desa Cihideung Ilir Kecamatan Ciampea Kabupaten Bogor untuk mengaplikasikan asap cair pada ikan tongkol segar dan tahu.
3.2. Bahan dan Alat
Bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini adalah serbuk gergaji kayu jati, yang berasal dari industri penggergajian kayu di Kecamatan Somba Opu, Kabupaten
Gowa Leuwi pengo analisi reagen 72%, ferroin glasial pirolis piknom spektr Gam Ga , serbuk gerg isadeng, Kab lahan bamb is digunak n folin-cioca asam nitrat n, FeSO4, in l, sodium su sis (Gambar meter, TG/D rofotometer G (a) mbar 9 Baha (b). S ambar 10 T ta
gaji kayu pin bupaten Bo bu Kecamat kan adalah e alteu, asam t t 3.5%, mal ndikator fen ulfit. Alat-a r 10), therm DTA 200 (m GC-MS (me an baku unru Serbuk kayu Tanur untuk ahan karat nus berasal d gor, serta p tan Dramag etanol 95%, tanat 0.2 % lt ekstrak, a olphthalein,
alat yang dig
mocouple, merk Seiko erk QP 5050 uk pembuata pinus, (c). S membuat as yang dilen dari industri potongan bam ga, Kabupat , n-heksana, , Na2S2O3 5 agar, dextro , sodium klo gunakan dala alat-alat ge SSC 5200 A Shimadzu (b) an asap cair d Serbuk bamb
sap cair dan ngkapi denga i pengolahan mbu yang b en Bogor ( , etil asetat 5 %, Na2CO ose, kalium orit, NaOH am penelitia elas, vortex 0H Japan), u Japan) (La dan arang: ( bu. n arang yang an termokop n kayu di Ke berasal dari (Gambar 9) , metanol; O3 5 %, asa bikromat, i 0.1 N, asam an ini adalah shaker, se calorimete ampiran 17). (c) (a). Serbuk k g terbuat d el. ecamatan industri . Bahan aquades, am sulfat indikator m asetat h reaktor entrifuse, er bomb, kayu jati, dari baja
3.3. Tahapan Penelitian
Kegiatan penelitian dilaksanakan dalam tujuh tahapan seperti pada bagan berikut (Gambar 11).
Gambar 11 Tahapan penelitian pirolisis limbah kayu dan bambu yang ramah lingkungan untuk menghasilkan asam asetat.
Identifikasi Komponen Kimia Analisis GC-MS Analisis PCA Analisis - Rendemen - pH
- Konesntrasi asam asetat
Bahan pengawet Alami Produk Pirolisis
Proses Pirolisis
110-500° C waktu 5 jam
Energi aktivasi (Ea) Konstanta Kinetik (K) Faktor Eksponensial (A)
Waktu paruh (t 1/2)
Distilasi
T < 95° C, 95°-105° C dan 105-120 °C
Model Kinetika
Pengujian Anti jamur Serbuk kayu jati.
pinus dan bambu
Produk Asam -Asetat
Aplikasi asap cair (Ikan Tongkol dan Tahu
Asap Cair
Arang Analisis
Kadar Air,kadar abu Kadar zat terbang Kadar Karbon Nilai Kalor Analisis Bahan TGA Analisis Kandungan - Kadar lignin - Kadar hemiselulosa - Kadar Selulosa Fraksinasi (n-heksana,etil asetat metanol) Entropi (ΔS°) Entalpi (ΔH°), Energi bebas Gibbs (ΔG°) Termodinamika Kimia
% Kadar C
Arang % Kadar C Asca
Emisi Karbon Biomassa yang ramah lingkungan
3.3.1. Pelaksanaan Penelitian
Persiapan dan analisis bahan baku
Bahan baku limbah terdiri atas serbuk kayu jati, serbuk kayu pinus dan serbuk bambu. Bahan dipotong kecil-kecil dengan ukuran 40-60 Mesh, kemudian dikeringkan hingga kadar air mencapai 10-20% (b/b). Selanjutnya dilakukan analisis kadar lignin dan selulosa serta thermogravimetri analysis (TGA)/differential thermal
analysis (DTA) untuk mengetahui dekomposisi bahan akibat perubahan suhu yang
dilakukan dengan cara memanaskan bahan sampai 500°C (Billmeyer 1984). Pembuatan asap cair
Tiga sampel yang terdiri atas serbuk kayu jati ( 1500 g), serbuk kayu pinus (1000 g) dan serbuk bambu (950 g), masing-masing dimasukkan ke dalam kiln yang terbuat dari baja tahan karat yang dilengkapi dengan alat pemanas listrik, tiga kondensator dan dua buah labu penampung destilat. Suhu pembakaran yang digunakan berturut-turut adalah 110, 200, 300, 400, dan 500°C dalam waktu total 5 jam. Kondensat ditampung dalam 4 buah labu dengan volume 2 liter. Kondensat yang diperoleh yaitu kondensat A : 110°C, kondensat B : 200°C, kondensat C : 300°C, kondensat D : 400°C, dan kondensat E : 500°C, ditampung dalam labu pemisah, dikocok dan dibiarkan 24 jam dari masing kondensat, untuk mengendapkan ter. Bagian atas larutan kondensat adalah asap cair, sedangkan bagian bawah adalah endapan ter. Dasar pertimbangan pada suhu 100°C hanya terjadi penguapan molekul air, sedangkan pada suhu 110°C mengandung dekomposisi hemiselulosa, selolusa dan lignin. Menurut Tsamba et al (2006), suhu pirolisis CNS dan CcNS di mulai 110-900°C.
Identifikasi komponen kimia asap cair
Pada penelitian ini setelah diperoleh kondensat berupa asap cair dari serbuk kayu jati, serbuk kayu pinus dan serbuk bambu, masing-masing sampel diidentifikasi dengan menganalisis rendemen, pH, dan kadar asam asetat. Asap cair yang mempunyai kadar asam yang tinggi dianalisis komponen kimia asap cair dengan menggunakan alat GC-MS. Asap cair kayu jati, pinus dan bambu yang dihasilkan
selanjutnya diidentifikasi senyawa kimia dengan teknis GC-MS menggunakan kolom kapiler BB 5 MS dengan panjang 50 m dan diameter 0,25 mm dengan suhu injektor 125°C, gas pembawa helium dan kecepatan alir 0,6 μl/menit serta volume injeksinya 0,2 μl. Hasil GC-MS berupa komponen kimia dilakukan perhitungan kadar asam asetat dari setiap fraksi asap cair.
Pemilihan komponen kimia yang terbaik
Komponen kimia asap cair jati, pinus dan bambu yang mengandung produk asam asetat yang terbanyak prosentasenya, diambil untuk dianalisis dengan PCA. Teknik pemilihan senyawa dapat diterapkan untuk mengidentifikasi senyawa dalam sampel menggunakan metode principal component analysis (PCA). Identifikasi kelompok senyawa dilakukan berdasarkan respon setiap kromatogram pada variasi perlakuan dan menghasilkan kelompok senyawa berdasarkan kemiripan respon satu dengan yang lain.
Fraksinasi asap cair
Fraksi asap cair dari serbuk kayu jati sebanyak (90 ml), pinus (30 ml) dan bambu (35 ml) yang mempunyai kadar asam asetat terbesar dilakukan ekstraksi secara berturut-turut menggunakan pelarut n-heksana, etil asetat, dan metanol dengan perbandingan 1 : 1 (v/v ml) pada labu erlenmeyer. Pelarutan dilakukan pada suhu ruang dengan pengocokan secara manual selama 10 menit untuk mempercepat proses ekstraksi. Fraksi-fraksi yang mengandung asam asetat dipekatkan dengan evaporator
Buchi sementara residunya ditimbang dan dianalisis menggunakan GC-MS.
Pemisahan asap cair dengan destilasi
Fraksi etil asetat jati sebanyak (80 ml), pinus (24 ml) dan bambu (28 ml) dimasukkan dalam labu distilasi, kemudian dipanaskan dengan menggunakan pemanas listrik dengan media pemanas minyak. Suhu yang ditera adalah suhu fraksi asap cair antara < 95° C, 95°<T<105°C dan 105°<T<120°C. Uap yang terbentuk lalu masuk ke dalam pipa pendingin ditampung dalam suatu wadah atau labu. Selanjutnya dilakukan pengukuran konsentrasi asam asetat hasil destilasi.
Pengujian asap cair
Pengujian sifat anti jamur dilakukan terhadap fraksi etil asetat dan asap cair jati, pinus dan bambu dilakukan menurut prosedur yang telah dilakukan oleh Da Costa dan Rudman (1958) dengan beberapa modifikasi yang diperlukan. Komposisi yang digunakan dalam pengujian ini adalah 25 g/l malt ekstrak, 15 g/l agar, 20 g/l dextrose. Ke dalam media tersebut kemudian ditambahkan fraksi etil asetat dengan kontrol dengan pengenceran 50 ml pada masing-masing konsentrasi 2% diambil 1 ml, konsentrasi 4% (2 ml), 6% (3 ml), 8% (4 ml). dan 10 % (5 ml) (v/v). Selanjutnya media tersebut disterilisasi dengan menggunakan autoclave selama 15 menit pada temperatur 120°C dan tekanan 1.05 kg/cm2. Inokulum jamur yang diperoleh dari biakan berumur 5 hari diinokulasi ke dalam cawan yang berisi media yang telah disterilisasi, kemudian diinkubasi pada 26.5°C selama 1 minggu. Pertumbuhan miselia jamur diukur pada akhir masa inkubasi dengan cara mengukur diameter daerah hambat (DDH) yang diperoleh dan membandingkan dengan pertumbuhan miselia kontrol.
Aplikasi asap cair pada ikan tongkol dan tahu
Aplikasi asap cair dilakukan pada ikan tongkol dan tahu dengan cara perendaman atau penyemprotan. Ikan tongkol segar yang digunakan berasal dari pasar Ciampea Kabupaten Bogor, ikan dibersihkan dan dicuci untuk menghilangkan kotoran yang melekat. Ikan tongkol direndam dalam fraksi etil asetat jati, pinus dan bambu dengan konsentrasi 10% v/v sedangkan destilat asetat jati, pinus dan bambu dengan konsentrasi 5% v/v, kemudian diletakkan pada suhu ruang untuk diamati secara visual. Tahu yang dipergunakan pada penelitian ini adalah tahu dari pabrik tahu Cibanteng Proyek. Percobaan ini menggunakan asap cair jati, pinus dan bambu yang berasal dari hasil pirolisis sebelum diekstraksi. Bahan-bahan tersebut selanjutnya direndam dengan asap cair dan diletakkan pada suhu ruang untuk diamati secara visual. Keawetan produk diamati selama penyimpanan.
Perhitungan kinetika dan termodinamika kimia
Kinetika pirolisis dilakukan pada berbagai suhu (110, 200, 300, 400 dan 500°C) dan waktu sehingga diperoleh laju pemanasan (ξ), nilai konstanta kinetika (k) terhadap suhu (T) untuk masing-masing bahan baku. Perhitungan energi aktivasi (Ea) dan faktor pre eksponensial (A) dengan persamaan Arrhenius. Laju reaksi untuk hasil percobaan dibandingkan model Arrhenius dan Tsamba. Konstanta kinetika (k) dapat menentukan waktu paruh. Model kinetika percobaan dibandingkan terhadap model kinetika prediksi Tsamba. Perubahan entalpi diperoleh dari nilai energi aktivasi, sehingga energi bebas Gibbs diperoleh dari perubahan entalpi dan entropi.
3.3.2. Metode Analisis
Analisis yang dilakukan pada asap cair kayu jati, asap cair kayu pinus dan asap cair bambu adalah rendemen asap cair, pH, dan kadar asam tertitrasi, nilai kalor, kadar karbon asap cair dan arang (%C organik). Selain itu pada penelitian ini juga dilakukan pengukuran terhadap kadar selulosa, holoselulosa dan lignin serta nilai emisi karbon biomassa.
3.3.2.1. Analisis Asap Cair 1. Rendemen asap cair
Botol berwarna gelap yang bersih ditimbang dengan teliti, lalu diisi asap cair, kemudian botol yang berisi asap cair ditimbang lagi. Selanjutnya ditentukan rendemen asap cair dengan rumus sebagai berikut:
Rendemen asap cair ( % b/b) = x 100 %
2. Nilai pH
Dalam rangka mengetahui nilai pH asap cair yang dihasilkan, maka pada penelitian ini dilakukan penetapan pH menggunakan pH meter digital waterproof
hanna dengan cara mencelupkan elektroda ke dalam aquades terlebih dahulu, lalu
Bobot asap cair Bobot serbuk kayu
dibersihkan dengan tissue. Selanjutnya elektroda dimasukkan ke dalam contoh asap cair. Nilai pH yang muncul di layar monitor dicatat.
3. Kadar asam asetat
Sampel sebanyak 10 gram diencerkan menjadi 100 ml dengan aquades. Larutan sampel sebanyak 10 ml ditambah indikator phenolphtalein sebanyak 2-3 tetes dan dititrasi dengan larutan NaOH 0.1 N sampai titik akhir titrasi, yaitu berubahnya warna sampel menjadi merah keunguan dan stabil (tidak berubah bila dihomogenkan). Total asam tertitrasi dinyatakan sebagai persen asam asetat.
% Kadar Asam = BC VxNxBM
X 100 %
Keterangan: V = Volume titrasi NaOH (mL) N = Normalitas NaOH (N)
BM = Berat Molekul asam asetat (gram) BC = Berat Contoh (gram)
5. Kadar karbon asap cair
Ambil duplo sebanyak 5 ml asap cair untuk serbuk kayu jati, serbuk pinus dan serbuk bambu, lalu ditempatkan ke dalam erlenmeyer 500 ml dengan pipet tambahkan 10 ml kalium kromat (K2Cr2O7) 1 N sambil menggoyangkan erlenmeyer perlahan-lahan agar berlangsung pencampuran dengan asap cair. Selanjutnya segera ditambahkan 20 ml H2SO4 pekat dengan gelas ukur di ruang asam sambil digoyang cepat hingga bercampur rata. Pada proses ini diusahakan tidak ada partikel asap cair yang terlempar ke dinding erlenmeyer sebelah atas hingga tidak bercampur merata. Pada tahapan selanjutnya campuran tadi dibiarkan di ruang asap selama 30 menit hingga dingin. Campuran selanjutnya diencerkan dengan 100 ml air bebas ion / air destilat. Tambahkan 4 tetes Indikator ferroin 0,025 M. Setelah dilakukan pengenceran selanjutnya segera dilakukan titrasi dengan larutan FeSO4 0,5 N hingga larutan tetap berwarna merah anggur. Pada penelitian ini penetapan blanko dilakukan sama seperti cara kerja , tetapi menggunakan contoh asap cair.
Rumus : % C AC = 1 1000 X 5 100 x ( B- A) x N X 4 X 78 100
Keterangan: 5 = Pipet sampel (asap cair) B = Volume blanko (K2CrO7) N = Normalitas FeSO4 (1 N) A = Volume contoh (FeSO4) 4 = Pembagian berat atom C
6. Kandungan karbon biomassa asap cair (% CB AC)
Kandungan karbon biomassa menggambarkan persentase kandungan karbon dari biomassa untuk produk asap cair. Perhitungan adalah sebagai berikut :
% CB AC Ski = x 100%
Keterangan: Ski = Serbuk kayu (jati dan pinus), Sb = serbuk bambu 3.3.2.2. Prosedur Karakterisasi Arang dan Bahan Bakunya
Baik arang maupun bahan bakunya ditumbuk dengan menggunakan lumpang dan alu. Kemudian serbuk diayak dengan ayakan berukuran 100 Mesh. Selanjutnya dilakukan karakterisasi yang meliputi rendemen arang, kadar air, zat terbang, kadar abu, karbon terikat, kandungan karbon biomassa dan nilai kalor.
1. Rendemen arang
Rendemen arang ditetapkan dengan menghitung perbandingan bobot arang terhadap bobot bahan baku.
Rendemen arang ( % b/b) = x 100 %
Bobot arang Bobot bahan baku
Kandungan C asap cair serbuk kayu (i)
2. Kadar air
Contoh ditimbang 2 gram dan dimasukkan ke dalam cawan porselin, lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 105°C selama 24 jam. Setelah didinginkan dalam desikator ditimbang sampai bobotnya tetap.
Kadar air Contoh (% b/b) = x 100 %
3 Kadar zat terbang
Contoh kering oven ditimbang sebanyak 1 gram dam dimasukkan ke dalam cawan porselin yang telah diketahui bobotnya, lalu masukkan ke dalam tanur listrik pada suhu 950°C selama 10 menit Setelah didinginkan dalam desikator ditimbang sampai bobotnya tetap.
Kadar zat terbang Contoh (% b/b) = x 100 %
4. Kadar abu
Contoh kering oven ditimbang sebanyak 1 gram dan dimasukkan ke cawan porselin, yang telah diketahui bobotnya. Lalu dimasukkan ke dalam tanur listrik pada suhu 700°C selama 5 jam. Setelah didinginkan dalam desikator ditimbang sampai bobotnya tetap.
Kadar abu (% b/b) = x 100 %
5. Kadar karbon
Kadar karbon yang dikandung arang dihitung dengan jalan pengurangan dari kadar abu dan zat terbangnya.
Kadar C (%) = 100 %- (% Kadar abu + % Kadar zat terbang) Bobot contoh awal
Bobot contoh awal- bobot contoh akhir
Bobot contoh awal Bobot contoh yang hilang
Bobot contoh awal Bobot contoh sisa
6. Kandungan karbon biomassa arang (% CB AR)
Kandungan karbon biomassa menggambarkan persentase kandungan karbon dari biomassa untuk produk arang. Perhitungan adalah sebagai berikut :
% CB AR Ski = x 100%
Keterangan: Ski = serbuk kayu (jati dan pinus) , Sb = serbuk bambu 7. Nilai kalor
Contoh kering oven ditimbang 1 gram, lalu diikat dengan kawat halus. Kemudian dimasukkan ke dalam tempat pembakaran pada alat kalorimeter dan ditutup dengan rapat supaya tidak ada udara yang masuk. Dicatat perubahan kalor yang terjadi.
3.3.2.3. Analisa Kandungan Lignin, Holoselulosa dan Selulosa 1. Kadar lignin Klason
Sampel kayu dan bambu bebas ekstraktif ekuivalen berat kering 1.0 ± 0.1 gram dalam gelas piala. Selanjutnya ditambahkan larutan asam sulfat 72% sebanyak 15 ml. Penambahan asam dilakukan secara perlahan-lahan dan bertahap sambil diaduk dengan suhu dijaga pada 2°C. Setelah dicampur sempurna, gelas piala disimpan pada suhu 20°C selama 2 jam sambil diaduk sekali. Ke dalam campuran tersebut selanjutnya ditambahkan sekitar 300-400 ml air ke dalam erlenmeyer 1000 ml dan pindahkan sampel dari gelas piala ke dalam erlenmeyer. Pada tahapan selanjutnya dilakukan pembilasan dan pengenceran larutan dengan air hingga dicapai konsentrasi asam sulfat 3% yaitu hingga total volume 575 ml. Larutan selanjutnya dididihkan selama 4 jam dan jaga agar volume larutan konstan dengan menambahkan air panas. Tahapan akhir dari pekerjaan ini adalah menyaring lignin dengan gelas filter dan cuci dengan air panas hingga bebas asam, dan mengeringkan sampel lignin dalam oven pada suhu 105°C, hingga beratnya konstan dan timbang. Kadar lignin % =
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ B A x 100 %
Keterangan: A = berat lignin (BKT), gram dan B = berat kering kayu, gram Kandungan C arang serbuk kayu (i)
2. Kadar holoselulosa
Sampel kayu bebas ekstraktif ekuivalen 2 gram berat kering ditempatkan dalam erlenmeyer 250 ml. Selanjutnya pada sampel tersebut ditambahkan 100 ml air destilat, 1 gram sodium klorit dan 1 ml asam asetat glasial, dan dipanaskan dengan
water bath 70- 80°C. Pada tahapan ini selalu diupayakan untuk menjaga agar
permukaan air dalam water bath lebih tinggi dari permukaan larutan dalam erlenmeyer. Tambahkan 1 gram sodium klorit dan 0,2 ml asam asetat setiap interval pemanasan selama 1 jam dan penambahan dilakukan sebanyak 4 kali. Selanjutnya dilakukan penyaringan sampel dengan menggunakan glas filter, cuci dengan menggunakan air panas, untuk kemudian ke dalamnya ditambahkan 25 ml asam asetat 10% lalu dicuci dengan air panas hingga bebas asam. Tahapan akhir dari pengukuran kadar selulosa adalah sampel dioven pada suhu 105°C hingga beratnya konstan dan timbang.
Kadar Holoselulosa % = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ B A x 100 %.
Keterangan: A = berat holoselulosa (BKT), gram dan B = berat kering kayu, gram 3. Kadar selulosa
Penentuan kadar selulosa dilakukan dengan cara sebagai berikut : sebanyak kurang lebih 2.5 gram kayu bebas ekstraktif ditempatkan dalam Erlenmeyer 300 ml. Tambahkan 125 ml larutan asam nitrat 3.5% dan dipanaskan dalam water bath pada suhu 80°C. Setelah pemanasan saring sampel dengan air destilat hingga tidak berwarna dan kering udarakan. Selanjutnya dilakukan pemindahan sampel ke dalam
erlenmeyer kembali lalu tambahkan 125 ml larutan campuran NaOH dan Na2SO3 dan
panaskan selama 2 jam pada suhu 50°C. Larutan campuran selanjutnya disaring dengan cawan saring dan cuci dengan air destilat hingga filtrat tidak berwana, dan ke dalamnya ditambahkan 50 ml larutan sodium klorit 10% dan dicuci dengan air hingga diperoleh endapan berwarna putih dan ditambahkan 100 ml asam asetat 10% lalu dicuci dengan bebas. selanjutnya dioven pada suhu 105°C dan timbang dengan berat konstan. Kadar selulosa % = ⎟
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ B A x 100 %.
