BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tanaman Kelapa Sawit
Tanaman kelapa sawit (Elaeis guineensis jack) berasal dari Afrika. Dalam bahasa Inggris tanaman ini dikenal dengan namaoil palm. Tanaman kelapa sawit memiliki bentuk menyerupai pohon kelapa. Di Indonesia, tanaman kelapa sawit termasuk tanaman pendatang yang mulai dikenal sejak sebelum perang Dunia II (Roosita, 2007).
Sentra utama produksi sawit Indonesia antara lain Sumatera Utara, Riau, Jambi, Sumatera Selatan, dan Kalimantan Barat.Potensi areal perkebunan Indonesia masih terbuka luas untuk tanaman kelapa sawit.Pengembangan perkebunan tidak hanya di arahkan pada sentra-sentra produksi seperti Sumatera dan Kalimantan, tetapi daerah potensi pengembangan seperti Sulawesi, Jawa, Papua juga terus dilakukan (Yan, 2012).
Tanaman kelapa sawit merupakan tanaman tingkat tinggi dengan klasifikasi sebagai berikut:
Divisio : Tracheophyta Subdivisio : Pteropsida Kelas : Angiospermae Subkelas : Monocotiledonae Ordo : Cocoideae Familia : Palmae Genus : Elaeis
Spesies : Elaeis guinensis Varietas : Dura, Psifera, Tenera
Gambar 2.1 Tandan Kosong Kelapa Sawit (Hadi, 2004)
2.2 Tandan Kosong Kelapa Sawit
Limbah industri kelapa sawit adalah limbah yang dihasilkan pada saat proses pengolahan kelapa sawit. Salah satu limbah padat industri adalah TKKS. TKKS merupakan limbah terbesar yang dihasilkan oleh perkebunan kelapa sawit. Jumlah TKKS mencapai 30-35% dari berat TBS setiap pemanenan (Hambali, 2008). Limbah padat TKKS jumlahnya cukup besar yaitu sebesar 6 juta ton yang tercatat pada tahun 2004 (Nuryanto, 2000).
Pemanfaatan TKKS masih sangat terbatas. Kebanyakan limbah TKKS hanya digunakan sebagai pupuk organik dan bahan serat. Melihat komposisi selulosa yang cukup besar seperti yang tertera pada Tabel 2.1, maka TKKS sangat potensial untuk dimanfaatkan menjadi bentuk biopolimer (Fauzi, 2012).
Tabel 2.1 Komposisi Kimiawi TKKS
Komposisi Kadar (%)
Selulosa adalah polisakarida yang terbentuk dari sisa β-D(+)-glukosa yang bergabung dalam
rantai linear dengan ikatan β-1-4 diantara satuan glukosanya seperti dapat dilihat pada
Gambar 2.2. Selulosa merupakan senyawa polimer yang berlimpah di alam dan merupakan senyawa organik yang paling umum (Deman, 1997).
homo polisakarida linear tidak bercabang, terdiri dari 10.000 atau lebih unit D-glukosa yang dihubungkan oleh ikatan 1-4 glikosida senyawa ini akan kelihatan seperti amilosa, dan rantai utama glikogen (Lehninger, 1988).
Gambar 2.2 Struktur kimia selulosa (Streitweiser, 1987).
Selulosa berfungsi sebagai bahan struktur dalam jaringan tumbuhan dalam bentuk campuran polimer homolog dan biasanya disertai polisakarida lain seperti lignin dalam jumlah yang beragam. Lignin dapat dihilangkan dengan cara delignifikasi.
Berdasarkan derajat polimerisasi (DP) dan kelarutan dalam senyawa Natrium Hidroksida (NaOH) 17,5 %,selulosa dapat dibagi menjadi tiga jenis yaitu:
1. α-selulosa adalah selulosa berantai panjang yang tahan dan tidak larut dalam NaOH 17,5 % atau larutan basa kuat dengan derajat polimerisasi (DP) 600-15000. α-selulosa di gunakan sebagai penduga tingkat kemurnian selulosa. Selulosa dengan derajat kemurnian α di atas 92 % memenuhi syarat untuk bahan baku
pembuatan bahan peledak. Semakin tinggi kadar α- selulosa,maka akan semakin
baik mutu bahanya.
2. β- selulosa, adalah selulosa berantai pendek yang larut dalam larutan NaOH 17,5% atau basa kuat dengan derajat polimerisasi (DP) berkisar antara 15-90. β- selulosa dapat mengendap jika ekstrak dinetralkan.
3. γ- selulosa, adalah selulosa berantai pendek yang larut dalam larutan NaOH 17,5% atau basa kuat dengan derajat polimerisasi (DP) kurang dari 15.
α- selulosa sangat menentukan sifat tahanan kertas, semakin banyak kadar α -selulosanya menunjukkan semakin tahan lama kertas tersebut. Sifat hidrofilik yang dimiliki
Rantai-rantai selulosa akan bergabung menjadi satu kesatuan membentuk mikrofibril, bagian kristalin akan bergabung dengan bagian nonkristalin. Mikrofibril-mikrofibril akan bergabung membentuk fibril, selanjutnya gabungan fibril akan membentuk serat (Klemm, 1998).
2.4 Lignin
Kebanyakan selulosa berasosiasi dengan lignin sehingga sering disebut sebagai lignoselulosa. Pada saat yang sama, komponen-komponen utama penyusun tanaman ini diuraikan oleh aktivitas mikroorganisme. Beberapa mikroorganisme mampu menghidrolisis selulosa untuk digunakan sebagai sumber energi, seperti bakteri dan kapang (Enary, 1983).
Lignin adalah suatu polimer yang kompleks dengan berat molekul tinggi, tersusun atas unit-unit fenilpropan. Meskipun tersusun atas karbon, hidrogen, dan oksigen, lignin bukanlah suatu karbohidrat dan bukan tidak ada hubungannya dengan golongan senyawa tersebut. Sebaliknya lignin pada dasarnya adalah suatu fenol. lignin sangat stabil dan sukar dipisahkan dan mempunyai bentuk yang bermacam-macam karena susunan lignin yang pasti didalam kayu tetap tidak menentu.
Selulosa berfungsi sebagai bahan struktur dalam jaringan tumbuhan dalam bentuk campuran polimer homolog dan biasanya disertai polisakarida lain seperti lignin dalam jumlah yang beragam. Lignin dapat dihilangkan dengan cara delignifikasi.
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi delignifikasi yaitu: a. Jenis bahan delignifikasi
Bahan-bahan yang dapat digunakan dalam proses delignifikasi yaitu asam phosfat, asam klorida (HCl), asam sulfat, dan yang basa seperti NaOH, natrium sulfit dan natrium sulfat.
b. Waktu delignifikasi
Pada proses delignifikasi waktu berpengaruh pada hasil delignifikasi, biasanya digunakan waktu 1-3 jam.
c. Temperatur delignifikasi
Gambar 2.3 Struktur Kimia Lignin (Haygreen, 1987).
Di dalam kayu, lignin merupakan bahan yang tidak berwarna. Apabila lignin bersentuhan dengan udara, terutama dengan adanya sinar matahari, maka (bersama-sama dengan karbohidrat-karbohidrat tertentu) lama-kelamaan lignin cenderung menjadi kuning. Oleh karena itu, kertas koran yang terbuat dari serat-serat yang diperolehsecara mekanis dengan lignin yang belum dipisahkan, tidak berumur panjang karena kecenderungannya untuk menjadi kuning. Kertas koran juga kasar, massanya besar dan kekuatanya rendah karena serat-seratnya yang kaku memilki ikatan antar serat yang lemah.
Lignin bersifat termoplastik. Artinya lignin akan menjadi lunak dan dapat dibentuk pada suhu yang lebih tinggi dan keras kembali apabila menjadi dingin. Sifat termoplastik lignin menjadi dasar pembuatan papan kertas (Hardboard) dan lain-lain produk kayu yang dimampatkan (Haygreen, 1987).
Lignin merupakan polimer kompleks phenylpropana, amorf, bersifat aromatis 1,3 dengan indeks bias 1,6. Berat molekul 1500-2000 yang bervariasi dengan jenis kayu. Kadar lignin dalam kayu 20-30%. Struktur molekul lignin belum dapat diketahui karena metoda isolasi untuk lignin dapat mengakibatkan perubahan strukturnya.Lignin merupakan bagian yang tidak diinginkan dalam pulp, sehingga harus dihilangkan atau diputihkan sesuai dengan mutu pulp yang diinginkan. Hal ini disebabkan oleh lignin yang mempunyai sifat menolak air (hidrofobik) dan kaku sehingga kandungan lignin dalam pulp akan menyulitkan penggilingan. Lignin dapat dijumpai pada tumbuh-tumbuhan sebagai zat perekat yang berhubungan dengan kekuatan kayu (Sjostrom, 1995).
2.5 Hemiselulosa
Kebanyakan hemiselulosa mempunyai derajat polimerisasi hanya 200.Sejumlah polisakarida kayu banyak bercabang dan mudah larut dalam air. Khas untuk pohon-pohon tropika tertentu adalah pembentukan spontan getah-getah yang menetes, yang adalah pembentukan spontan getah-getah yang menetes, yang menetes sebagai cair kental pada tempat –tempat yang terluka dan setelah terdehidrasi menjadi bintil –bintil yang keras dan jernih yang keras dan jernih yang kaya akan polisakarida. Getah –getah ini misalnya, getah arabika, terdiri atas polisakrida yang banyak bercabang yang larut dalam air. Jumlah hemiselulosa dari berat kering biasanya antara 20-30%. Komposisi dan struktur hemiselulosa dalam kayu keras. Perbedaan-perbedaan yang besar juga terdapat dalam kandungan dan komposisi hemiselulosa antara batang, cabang-cabang akar dan kulit kayu.
Dapat dilihat pada gambar 2.4, rantai hemiselulosa lebih pendek dari pada rantai selulosa. Hemiselulosa adalah polimer bercabang atau tidak linier. Selama pembuatan pulp, hemiselulosa bereaksi lebih cepat dengan larutan pemasak dibandingkan dengan selulosa. Hemiselulosa bersifat hidrofil (mudah menyerap air) yang mengakibatkan strukturnya jadi kurang teratur. Kadar hemiselulosa dalam pulp jauh lebih kecil dibandingkan dengan serat asal, karena selama pemasakan hemiselulosa bereaksi dengan bahan pemasak dan lebih mudah terlarut daripada selulosa (Sjostrom, 1995).
O
Gambar 2.4 Struktur Hemiselulosa (Sjostrom, 1995).
Diketahui bahwa selulosa murni, ketika mengalami hidrolisis, dapat dengan mudah terurai menjadi "mikrokristal selulosa "dengan hampir tidak ada penurunan berat. Turunan selulosa dapat dibuat dengan proses eterifikasi, esterifikasi, ikat silang, atau reaksi grafting-kopolimerisasi. untuk memodifikasi struktur selulosa, ikatan hidrogen harus dihancurkan dengan cara pembengkakan atau pemutusan (Yu, 2009).
Senyawa CMC pertama kali ditemukan pada tahun 1918 dan diproduksi secara komersil pada tahun 1920 di Jerman. Sejak saat itu, pengembangan secara signifikan dalam teknologi proses, kualitas produk, dan efisiensi produksi dibuat. Sejarah produksi CMC pada skala industri termasuk komentar tentang pengembangan kedepan dari turunan penting selulosa ini telah dipublikasikan. Saat ini, CMC dengan kualitas yang berbeda digunakan di berbagai industri dan kehidupan manusia. Dapat dilihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Struktur karboksimetil selulosa (Heinze, 2005).
2.6.1 Derajat Substitusi Karboksimetil Selulosa
Senyawa CMC merupakan senyawa turunan selulosa yang paling penting, yang memiliki kepentingan yang sangat besar dalam industri dan kehidupan kita sehari hari. Senyawa ini memiliki struktur yang linear, berantai panjang, tidak larut dalam air, dan polisakarida anionik yang diturunkan dari selulosa (Hong, 2013).
Aambjornsson et al (2013) Dalam penelitianya, CMC salah satu gugus OH dieterifikasi dengan gugus karboksimetil dan derajat substitusi menunjukkan jumlah rata-rata gugus karboksimetil per unit anhidroglukosa. Derajat substitusi ini merupakan parameter CMC yang penting, contohnya untuk menentukan kelarutannya di dalam air. Nilai derajat substitusi maksimum secara teori untuk CMC adalah 3, tetapi rata-rata nilai derajat substitusi sebenarnya adalah 0,4-1,5. Semakin tinggi nilai derajat substitusi, maka kelarutan CMC dalam air akan meningkat. Nilai derajat subtitusi untuk kelarutan CMC yang baik sebesar 0,6. Senyawa CMC yang memiliki nilai derajat subtitusi kurang dari 0,2 akan mempertahankan karakter fiber atau berserat dan tidak larut di dalam air.
derajat substitusi 0,3-0,5. Sedangkan CMC yang memiliki nilai derajat substitusi 0,7-0,9 akan mengendap pada pH kurang dari 1 (Hong, 2013).
2.6.2 Sintesis Karboksimetil Selulosa
Telah banyak penelitian yang mensintesis CMC. Selain itu, metode yang mereka gunakan juga berbeda-beda. Sebagai contoh sintesis CMC yang dilakukan oleh Krishnaiah et al, (2009). Sintesis CMC dari selulosa terdiri dari dua tahap, yaitu alkalisasi dan eterifikasi. Pada tahap alkalisasi, serbuk selulosa dilarutkan dalam isopropanol dan ditambah larutan NaOH 17,5%. Setelah itu diaduk pada suhu 30 oC selama satu jam. Pada tahap eterifikasi, larutan dari tahap alkalisasi ditambah padatan sodium monocholoroacetate (SCMA) dan dipanaskan pada suhu 50 oC selama dua jam.
Pada tahap alkalisasi, serat selulosa akan mengembang, yang menyebabkan struktur kristalin selulosa akan berubah dan meningkatkan kemampuan kimia masuk ke dalam serat. Selain itu, fase cair (campuran alkohol-air) sebagai agen solvasi, melarutkan NaOH dan mendistribusikannya ke gugus hidroksil selulosa membentuk alkil selulosa. Larutan NaOH akan menembus ke struktur kristal selulosa, kemudian mensolvasi gugus hidroksil yang membuatnya siap untuk reaksi eterifikasi dengan cara memutus ikatan hidrogen.
Alkil selulosa yang dihasilkan sangat reaktif terhadap natrium monokloroasetat membentuk eter CMC. NaOH secara spontan akan bereaksi dengan natrium monokloroasetat yang membentuk dua produk, yaitu natrium glikolat dan natrium klorida. Selain itu, NaOH digunakan juga untuk menjaga pH basa selama reaksi berlangsung. Jika reaksi berlangsung pada pH asam, akan terjadi eterifikasi internal dan menyebabkan cross-link pada molekul CMC (Hong, 2013).
dalam pelarut nonpolar kecil. Oleh karena itu hanya sedikit ion Na+ dan ion OH- yang akan masuk ke dalam isopropanol dan pada konsentrasi NaOH tinggi lebih suka di sekeliling area selulosa, yang menghasilkan dekristalisasi secara signifikan dan mengubah bentuk polimer selulosa menjadi Na-selulosa (Hong, 2013).
2.6.3 Kegunaan Karboksimetil Selulosa
Senyawa CMC telah banyak digunakan dalam bidang industri dan kehidupan sehari-hari. Sebagai contoh senyawa ini digunakan dalam bidang makanan, farmasi, deterjen, dan kosmetik (Najafpour, 2009). Dapat terlihat pada tabel 2.2. Selain itu, senyawa ini juga berguna dalam sistem koloid hidrofilik (Krishnaiah, 2009).
Tabel 2.2 Kegunaan CMC dari berbagai produk
Industri Aplikasi Fungsi
Kertas Adiktif Internal Pengikat Air
Deterjen Laundri Anti Noda
Kosmetik Pasta Gigi Penebal
Tekstil Pasta Printing Pengikat Air
Celupan Penebal Makanan Pembeku Menghambat Kristal Es
(Hong, 2013).
2.6.4 Sifat-Sifat CMC
CMC tidak berwarna dan tidak berbau, mudah larut dalam air panas dan air dingin. Kekentalan dihasilkan oleh kontribusi dari CMC untuk stabilisasi produk-produk beku seperti es krim. CMC juga dapat digunakan sebagai stabilizer utama dalam es krim untuk mengontrol ukuran kristal es dan pembentukan kristal es selama pembekuan dan penyimpanan untuk memberikan tekstur lembut saat dimakan (Phillips, 1987).
berbau dan tidak berasa, berbentuk granula yang halus atau bubuk yang bersifat higroskopis . CMC ini mudah larut dalam air panas maupun air dingin. Pada pemanasan dapat terjadi pengurangan viskositas yang bersifat dapat balik (reversible). Viskositas larutan CMC dipengaruhi oleh pH larutan, kisaran pH Na-CMC adalah 5-11 sedangkan pH optimum adalah 5, dan jika pH terlalu rendah kurang dari 3, Na-CMC akan mengendap (Belitz, 1987).
Sifat CMC yang biodegradable dan food grade relatif aman untuk digunakan dalam aplikasi berbagai produk makanan atau minuman. CMC sebagai pengemulsi sangat baik untuk memperbaiki kenampakan tekstur dari produk berkadar gula tinggi sedangkan sebagai pengental sifatnya mampu mengikat air sehingga molekul-molekul air terperangkap dalam struktur gel yang dibentuk oleh CMC (Menifie, 1989).
2.6.5 Karakterisasi Karboksimetil Selulosa
2.6.5.1. Spektroskopi IR
Spektroskopi IR merupakan salah satu dari teknik penentuan struktur yang didasarkan pada vibrasi atom dalam molekul. Spektrum inframerah didapatkan dengan melewatkan radiasi inframerah ke dalam sampel dan menentukan fraksi radiasi yang diserap pada energi tertentu. Energi yang muncul pada spektrum absorbansi sebagai beberapa puncak menggambarkan frekuensi vibrasi dari bagian molekul. Absorbansi infarmerah tidak sempit dan ada beberapa faktor yang menyumbang luasnya absorbansi. Pertama, untuk gas terdapat efek Doppler dimana frekuensi radiasi bergeser ketika sumber radiasi bergerak mendekati atau menjauhi objek yang diamati. Kedua, lebar pita antarmolekul yang bertumbukkan.Interaksi inframerah dengan bahan dapat dipahami dalam muatan dipol molekul yang berasosiasi vibrasi dan rotasi.Molekul dapat dilihat sebagai sistem rantai yang bergabung sangat banyak dalam suatu ikatan.Misalnya molekul diatomik yang memiliki derajat kebebasan translasi tiga atau derajat kebebasan rotasi dua. Contoh kasus sederhana, atom dalam molekul dapat berpindah satu sama lain sehingga panjang ikatannya dapat berubah atau satu atom dapat keluar dari sistem, hal tersebut merupakan penjelasan dari uluran atau bengkokan yang disebut dengan vibrasi (Stuart, 2004). Dapat dilihat pada tabel 2.3 berikut:
Ikatan Bilangan Gelombang (cm-1)
Derajat substitusi menentukan kelarutan CMC. Derajat substitusi adalah jumlah rata-rata gugus per anhidroglukosa unit yang di substitusikan oleh gugus lain. Apabila gugus yang menggantikan berupa satu gugus anhidroksil pada tiap unit anhidroglukosa diesterifikasi dengan satu buah gugus asetil, nilai DS sebesar 1. DS yang dihasilkan yaitu 0,083-0,207 (Wijayanti, 2005). Nilai derajat substitusi berdasarkan pengaplikasianya dapat dilihat pada tabel 2.4 berikut:
Tabel 2.4 Nilai derajat substitusi berdasarkan pengaplikasianya
Derajat substitusi Aplikasi
0,4-1,2 Dalam bidang komersil
0,7-0,9 Bahan makanan dan minuman
(Aambjobjornsson, 2013).
Proses alkalisasi NaOH yang diberikan menggunakan konsentrasi yang sama dan lama agitasi yang sama pula. Penambahan NaOH juga membantu menaikkan derajat substitusi, jika terjadi pengikatan secara maksimal maka NaOH akan berikatan seluruhnya dengan selulosa (Arnelli, 2006).
Penentuan jumlah asam trikloroasetat yang mampu menempel pada permukaan selulosa dapat dilakukan dengan analisis semikuantitatif mengenai derajat substitusi.Banyaknya jumlah gugus hidroksil yang tersubstitusi oleh asam trikoloroasetat terhadap selulosa dengan harapan jumlah, distribusi dan penataan asam trikoloroasetat yang menempel pada permukaan selulosa dapat ditentukan (Hamelinck, 2005).
kualitas dari karboksimetil selulosa semakin baik. Karena, kelarutanya dalam air semakin besar. Adapun hasil dari pengaruh jumlah natrium monokloroasetat terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa yang diperoleh (Arum, 2005).
2.6.5.3 pH
Indikator lain yang menunjukkan kualitas CMC yang baik adalah pH. pH disini menentukan bagaimana kekentalan berkurang pada pH kurang dari 5. CMC mantap pada pH 5-11, kekentalan maksimum pada pH 7-9. CMC dapat berfungsi bersama dengan kebanyakan gom lain yang larut dalam air, dan tidak terpengaruh oleh adanya kation yang dapat menghasilkan garam yang larut (Heinze, 2005).
2.6.5.4 Viskositas
Viskositas adalah suatu sifat dari cairan yang lebih bertahan untuk mengalir. Viskositas adalah kekuatan yang dibutuhkan untuk memindahkan suatu permukaan datar ke permukaan lainya dengan ketentuan cairan digerakkan dengan gaya tertentu (Adinugraha, 2005).
Secara umum, viskositas cairan dapat ditentukan dengan dua metode, yaitu : a. Viskosimeter Ostwald
Metode ini ditentukan berdasarkan hukum poiseuille menggunakan alat Viskosimeter Ostwald. Penetapannya dilakukan dengan jalan mengukur waktu yang diperlukan untuk mengalirnya cairan dalam pipa kapiler dari a ke b. Sejumlah cairan yang akan diukur viskositasnya dimasukkan kedalam viskosimeter yang diletakkan pada termostat. Cairan kemudian dihisap dengan pompa kedalam bola C sampai diatas tanda a. Cairan dibiarkan mengalir kebawah dan waktu yang diperlukan dari a ke b dicatat menggunakan stopwatch (Yazid, 2005).
Pada metode Ostwald yang diukur adalah waktu yang diperlukan oleh sejumlah tertentu cairan untuk mengalir melalui pipa kapiler dengan gaya yang disebabka oleh berat cairan itu sendiri. Pada percobaan, sejumlah tertentu cairan dipipet ke dalam viskosimeter. Cairan kemudian dihisap melalui labu pengukur dari viskosimeter sampai permukaan cairan lebih tinggi dari batas “a” dan “b” dapat ditentukan. Tekanan P merupakan perbedaan tekanan antara kedua ujung pipa U dan besarnya diasumsikan sebanding dengan berat jenis cairan (Bird, 1993).
Viskositas cairan dapat ditentukan dengan metode bola jatuh berdasarkan hukum
stokes. Penetapanya diperlukan bola kelereng dari logam dan alat gelas silinder
