BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pendahuluan
Xylitol saat ini menjadi bahan pemanis yang tergolong bunga gula. Pemanfaatan xylitol semakin digemari karena sifatnya yang baik bagi kesehatan seperti mencegah kerusakan pada gigi dan dapat digunakan sebagai pemanis bagi penderita diabetes. Hal ini terbukti dengan tingkat kebutuhan xylitol di dunia pada tahun 2001 yang mencapai angka 40000 ton senilai 28 juta dolar AS atau sekitar Rp 252,6 miliar (Lawalangy, 2007). Pembuatan xylitol dengan memanfaatkan tongkol jagung juga sekaligus meningkatkan nilai ekonomis tongkol jagung dan memberi jawaban bagi solusi limbah pertanian jagung yang semakin bertambah setiap tahunnya. Kandungan xylosa yang tinggi dalam tongkol jagung juga memberikan satu keuntungan dalam pemanfaatannya untuk menghasilkan xylitol. Kandungan xylosa dalam berbagai bahan baku dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel 2.1 Kandungan Pentosan pada Tumbuhan
Tanaman Kandungan pentosan
Tongkol jagung 30-32%
Kulit gandum 29-32%
Kulit almound 30%
Kayu 27%
Ampas tebu 25-27%
Kulit bunga matahari 25%
Kulit hazelnut 23%
Reduksi ekstraksi minyak 21-23%
Kayu eucalyptus 20%
Sekam padi 16-18%
Kayu spruce 11%
Kayu pinus 9%
2.2 Tongkol Jagung
Jagung (Zea mays L.) merupakan salah satu tanaman pangan dunia yang
terpenting, selain gandum dan padi. Jagung juga merupakan tanaman semusim (annual) satu siklus hidupnya diselesaikan dalam 80 – 150 hari. Paruh pertama dari siklus merupakan tahap pertumbuhan vegetatif dan paruh kedua untuk tahap pertumbuhan generatif. Tinggi tanaman jagung sangat bervariasi. Meskipun tanaman jagung umumnya berketinggian antara 1 – 3 meter, ada varietas yang dapat mencapai 6 meter. Tinggi tanaman biasa diukur dari permukaan tanah hingga ruas teratas sebelim bunga jantan.
Sebagai sumber karbohidrat utama di Amerika Tengah dan Selatan, jagung juga menjadi alternatif sumber pangan di Amerika Serikat. Penduduk beberapa daerah di Indonesia (misalnya di Madura dan Nusa Tenggara) juga menggunakan jagung sebagai pangan pokok. Selain sebagai sumber karbohidrat, jagung digunakan untuk pakan dan bahan industri. Salah satu bagian dari jagung yang belum banyak dimanfaatkan adalah tongkol jagung. Tongkol jagung merupakan bagian terbesar dari jagung berkisar 40-50%.
2.3 Xylitol
Xylitol adalah senyawa organik yang tergolong gula dengan gugus hidroksi dengan formula (CHOH)3(CH2OH)2. Satu sendok the xylitol mengandung 9,6 kalori
tidak jauh dengan satu sendok teh gula tebu yang mengandung 15 kalori.
Gambar 2.1 Struktur Bangun Xylan (Zamora, 2005)
Xylitol ditemukan secara bersamaan oleh ilmuwan Jerman dan Perancis pada akhir abad ke-19 dan pertama dipopulerkan di Eropa sebagai pemanis yang aman bagi penderita diabetes yang tidak dapat memproduksi insulin. Pengaruh penggunaan xylitol di bidang kesehatan gigi mulai diteliti pada awal 1970 di mana ilmuwan asal Universitas Turku menunjukkan bahwa xylitol baik untuk kesehatan gigi.
2.4 Sifat-Sifat Bahan Baku dan Produk
2.4.1 Sifat-Sifat Bahan Baku
A Tongkol jagung
Tabel 2.2 Komposisi pada Tongkol Jagung
Komposisi Persen massa
Selulosa 48% Pentosan 36% Lignin 10% Abu 4% Air 2% (Rosmiati, 2008) B Hidrogen (H2)
1. Berat molekul : 2,0015 g/mol 2. Wujud pada suhu kamar : gas
3. Titik didih (1 atm) : -252,8 oC 4. Titik beku : -259,2oC 5. Entalpi pembakaran : -286 kJ/mol 6. Tidak berbau dan berwarna
7. Mudah terbakar dan meledak jika kontak dengan udara luar
8. Larut dalam beberapa jenis logam sehingga berpotensi menyebabkan kebocoran
9. Bila terjadi kebocoran dapat menyala dengan spontan dan api hidrogen sangat panas serta tidak dapat dilihat oleh mata telanjang.
C Asam klorida (HCl)
1. Berat molekul : 36,46 g/mol 2. Wujud pada suhu kamar : cair
3. Titik didih (1 atm) : 48oC pada larutan 38% 4. Titik beku : -27,32oC
5. Densitas : 1,18 g/cm3
6. Entalpi pembentukan : -9,231 x 10-7 J/kmol 7. Entalpi pembakaran : -0,0286 x 10-9 J/kmol D Air (H2O)
1. Berat molekul : 18,015 g/mol 2. Wujud pada suhu kamar : cair
3. Titik didih (1 atm) : 100oC 4. Titik beku : 0oC 5. Temperatur kritis : 347oC 6. Tekanan kritis : 217 atm
7. Entalpi pembentukan : -24.1814 x 10-7 J/kmol (Wikipedia, 2010)
E Nikel (Ni)
1. Berat molekul : 58,6934 g/mol 2. Wujud pada suhu kamar : padat
3. Titik didih (1 atm) : 2913oC 4. Titik lebur : 1455oC 5. Panas penguapan : 377,5 kJ/mol 6. Berwarna putih keperakan
2.4.2 Sifat-sifat Produk
A Xilan
1. Berat molekul : 132 kg/kmol 2. Spesifik graviti : 1,267 3. Titik didih : 108,6oC 4. Titik cair : 103oC 5. Densitas (128oC) : 103oC 6. Viskositas : 0,091 cp
7. Wujud : berbentuk kristal pada temperatur 203oC (www.uspto.com)
B Xylosa (C5H10O5)
1. Berat molekul : 150,13 g/mol 2. Titik didih (1 atm) : 168oC
3. Spesifik gravity : 1,535
4. Kelarutan : 117 mg per 100 ml di dalam air pada 20oC (www.uspto.com)
C Xylitol (C5H12O5)
1. Berat molekul : 152,15 g/mol 2. Titik didih : 126oC (pada 1 atm) 3. Titik lebur : 92 – 96oC
4. Kelarutan : 169 g dalam 100 g air (20oC) 5. pH dalam air : 5-7
6. Kalor pelarutan : -34,8 kal/g (endotermik) 7. Berwarna putih dan merupakan serbuk kristal 8. Tidak berbau
9. Larut dalam etanol dan metanol (C.O.E.&T.,Akola, 2010)
2.5 Proses-proses yang tersedia dalam Pembuatan Xylitol
Proses pembuatan xylitol dari tongkol jagung dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu (Gerald Myer Jaffe, dkk., 1974) :
1. Hidrogenasi xylosa 2. Fermentasi xylosa
2.5.1 Hidrogenasi xylosa
Cara dengan menghidrolisa xylitol telah banyak dilakukan karena cara ini telah dibakukan oleh Asian and Pacific for Transfer of Technology (APCTT), di mana melalui program ini, APCTT bermaksud melakukan pengembangan kolaborasi kelembagaan dan meningkatkan kerjasama di sejumlah negara terkait promosi dan pemanfaatan energi terbarukan. Bahan baku yang digunakan dapat meliputi tongkol jagung, kulit gandum dan juga ampas tebu karena mengandung kandungan pentosan yang cukup tinggi.
Adapun bahan baku yang digunakan yaitu tongkol jagung. Tongkol jagung yang utuh dihancurkan menjadi potongan-potongan kecil dengan panjang maksimal 15 cm lalu dimasukkan ke dalam reaktor hidrolisis dengan keadaan operasi 90oC dan 1 atm. Di dalam reaktor ditambahkan katalis HCl 12% dari massa tongkol jagung. Produk dari reaktor adalah ampas tongkol jagung yang mengandung xylosa yang larut dalam asam. Ampas tongkol jagung tersebut kemudian dipisahkan dengan menggunakan filter press untuk mendapatkan xylosa yang masih mengandung asam klorida. Hasil keluaran dari filter press kemudian dilanjutkan ke flash drum untuk memisahkan asam klorida dan air dari campuran xylosa.
Campuran xylosa lalu diumpankan ke reaktor hidrogenasi, di mana di dalam reaktor terjadi reaksi antara xylosa dengan gas hidrogen sehingga akan menghasilkan xylitol. Proses yang terjadi mempunyai keadaan operasi 150oC dan pada tekanan 30 atm dengan waktu operasi 1 jam. Katalis yang digunakan pada reaktor adalah katalis Ni. Keluaran dari reaktor lalu didinginkan dengan cooler sehingga suhu mencapai 60oC dilanjutkan ke filter press and plate frame yang bertujuan untuk memisahkan katalis Ni dari campuran xylitol. Setelah katalis Ni dipisahkan, campuran xylitol dilanjutkan ke evaporator dengan temperatur 120oC dan tekanan 1 atm untuk menguapkan air yang
masih terkandung dalam campuran xylitol. Hasil dari evaporator berupa sirup xylitol yang kental. Xylitol diumpankan ke prilling tower hingga diperoleh produk xylitol yang berupa kristal padat dengan tingkat kemurnian 98%.
Keuntungan proses hidrolisis xylitol ini antara lain : - Kemurnian dari xylitol mencapai 98%
- Lama operasi lebih cepat dan memperoleh jumlah yang banyak - Biaya produksi murah
2.5.2 Fermentasi Xylosa
Pembuatan xylitol dengan proses fermentasi sudah sejak lama digunakan sejak awal ditemukannya xylitol. Dalam proses fermentasi ini, produk yang dihasilkan tidak hanya xylitol tapi turunan – turunan dari produk xylitol. Proses ini juga menggunakan bahan baku tongkol jagung, kulit gandum dan ampas tebu dengan pertimbangan kadar pentosan yang cukup tinggi untuk diproses lebih lanjut menghasilkan xylitol.
Bahan baku yang digunakan dipotong terlebih dahulu menjadi potongan kecil diumpankan ke dalam reaktor dengan penambahan katalis H2SO4 pada kondisi
temperatur 100oC. Untuk menghilangkan adanya zat berbahaya ditambahkan juga kalsium karbonat (CaCO3). Keluaran dari reaktor dimasukkan ke evaporator untuk
menghilangkan air dalam campuran xylosa. Oleh karena campuran masih mengandung ion sulfat (SO42-) maka perlu ditambahkan resin ion exchange dengan alat ion exchanger
yang bertujuan untuk menghilangkan ion sulfat tersebut. Campuran xylosa kemudian dijernihkan warnanya dengan penambahan karbon aktif (activated carbon). Maka didapatkan xylosa yang murni dan bebas dari zat berbahaya karena ion sulfat telah dihilangkan.
Dari xylosa yang murni diumpankan ke dalam bioreaktor yang menggunakan proses fermentasi dengan menambahkan ragi dan nutrients. Pada bioreaktor perlu dijaga agar kondisi operasi stabil pada 30oC selama 170 jam. Keluaran dari biorekator ini berupa campuran etanol dan xylitol. Oleh karena itu, perlu dilakukan pemisahan pada campuran tersebut dengan menggunakan flash drum dengan keadaan operasi 100oC dan 1 atm. Setelah didapat xylitol maka xylitol didinginkan dengan cooler sampai temperatur
xylitol berada pada 90oC, kemudian dilanjutkan dengan proses kristalisasi dengan kristalizer pasa temperature 30oC dan tekanan 1 atm. Kristal xylitol lalu dikeringkan dengan menggunakan dryer. Keluaran dari dryer inilah yang berupa xylitol dengan kemurnian xylitol 65%.
Adapun keuntungan proses fermentasi xylitol ini adalah produk yang dihasilkan lebih bervariasi. Kelemahannya yaitu kemurnian xylitol hanya 65%, waktu operasi lebih lama dan banyak menggunakan bahan kimia lainnya seperti CaCO3 dan karbon aktif.
2.6 Seleksi Proses dalam Pembuatan Xylitol
Tabel di bawah ini menunjukkan perbandingan proses yang terjadi pada proses hidrogenasi xylitol dan fermentasi xylitol berdasarkan keunggulan dan kelemahannya. Tabel 2.3 Perbandingan Proses Hidrogenasi Xylosa dan Fermentasi Xylosa
Hidrogenasi Xylosa Fermentasi Xylosa
Keunggulan :
Kemurnian xylitol mencapai 98% Waktu operasi lebih cepat : 1 jam Hasil yang diperoleh banyak
Keunggulan :
Produk yang dihasilkan bervariasi
Kelemahan :
Menggunakan tekanan tinggi
Alat yang digunakan mudah terkorosi
Kelemahan :
Kemurnian xylitol hanya 65% Waktu operasi lebih lama : 170 jam
Banyak menggunakan bahan kimia
Dengan membandingkan kedua proses yang tersedia, maka proses yang lebih efektif untuk diterapkan dalam pembuatan xylitol dari tongkol jagung adalah proses hidrogenasi xylosa.
2.7 Deskripsi Proses Pembuatan Xylitol
Proses pembuatan xylitol dari bahan baku alami tergantung pada senyawa pentosan yang berada di dalamnya. Xilan adalah bagian dari pentosan merupakan polisakarida yang dapat dihidrolisis menjadi D-xylosa.
Bahan baku utama yang digunakan dalam keseluruhan proses pembuatan xylitol ini adalah tongkol jagung, gas hidrogen (H2), asam klorida (HCl), air (H2O) dan nikel
(Ni).
Adapun tahap pembuatan xylitol ini mencakup 4 tahap yaitu (Gerald Myer Jaffe, dkk., 1974) :
1. Tahap persiapan bahan baku 2. Proses hidrolisis
3. Proses hidrogenasi 4. Proses pemurnian 5. Proses Prilling 6. Proses Packaging
2.6.1 Tahap Persiapan Bahan Baku
Tongkol jagung yang berasal dari gudang bahan baku dimasukkan ke dalam mesin pemotong (rotary knife cutter). Di dalam mesin tersebut, tongkol jagung dihancurkan sehingga menjadi potongan-potongan kecil dengan panjang maksimal 15 cm.
Asam klorida yang digunakan sebagai katalis untuk proses hidrogenasi dan gas hidrogen disalurkan dari tangki penyimpanan menuju ke proses hidrogenasi disimpan di dalam tangki penyimpanan untuk proses pembuatan xylitol.
2.6.2 Proses Hidrolisis
Potongan – potongan tongkol jagung yang telah dipotong diumpankan ke dalam reaktor. Di dalam reaktor tersebut terjadi proses hidrolisis dengan temperatur 90oC dan tekanan operasinya 1 atm. Di dalam reaktor dicampurkan HCl 12 % dari massa tongkol jagung yang diumpankan. Reaktor dipanaskan dengan menggunakan steam. Keluaran dari reaktor dilanjutkan ke filter press untuk memisahkan ampas tongkol jagung dari campuran xylosa. Hasil dari filter dimasukkan ke flash drum yang bertujuan untuk memisahkan campuran xylosa dari asam klorida dan air berdasarkan perbedaan titik
didih. Xylosa yang mempunyai titik didih tertinggi yaitu 168 oC akan terpisah dari HCl dan juga air dalam flash drum yang bertemperatur 120oC dan tekanan 1 atm.
2.6.3 Proses Hidrogenasi
Keluaran dari flash drum dilanjutkan ke reaktor hidrogenasi yang akan mereaksikan xylosa dengan gas hidrogen (H2) menghasilkan xylitol. Katalis yang
digunakan dalam proses ini adalah nikel (Ni). Keadaan operasi yang terjadi di dalam reaktor hidrogenasi yaitu 150oC dan bertekanan 30 atm.
2.6.4 Proses Pemurnian
Produk dari reaktor hidrogenasi dialirkan ke dalam cooler untuk menurunkan suhu hingga 60oC. Setelah campuran didinginkan, dimasukkan lagi ke dalam filter press and plate frame yang bersuhu 45oC dan tekanan 1 atm untuk memisahkan katalis nikel dan dilakukan evaporasi untuk menguapkan kandungan air di dalam larutan xylitol dengan temperatur 120oC. Xylitol yang diperoleh dari evaporator berupa sirup dialirkan ke prilling tower untuk mengubah sirup xylitol menjadi kristal xylitol yang memiliki kemurnian 98%.
P-202 P-301 SC-101 P-102 P-104 P-105 BA Steam Air pendingin P-203 P-302 P-101 LI G-101 C-101 Steam bekas Air pendingin bekas PR-301 HE-301 F-101 F-201 HE-201 R-101 S-301 GP BL-201 BM-301 Udara dingin
Udara dingin basah HE-202 6 2 12 18 21 22 23 25 26 T-101 HE-101 P-106 9 15 13 27 BL-301 HE-101 GTJ Air proses P-103 R-101 4 7 8 D-101 5 R-201 P-201 14 K-201 19 20 EV-301 BE-301 BC-301 E-101 1 TC LC TC PC TC 3 FC FC TC TC LC FC 17 TC FC LC FC TC FC FC TC 10 11 24 TC FC PC Limbah cair
Kode Nama Alat
GTJ Gudang Tongkol Jagung G-101 Tangki Hidrogen T-101 Tangki Asam Klorida SC-101 Screw Conveyor
BC-301 Belt Conveyor
BE-302 Bucket Elevator
E-101 Elevator
RC-101 Rotary Cutter
R-101 Reaktor Hidrolisis R-201 Reaktor Hidrogenasi D-101 Flash Drum
K-201 Knock Out Drum
EV-301 Evaporator PR-301 Prilling Tower BM-301 Ball Mill S-301 Screening P-101 Pompa P-102 Pompa P-103 Pompa P-104 Pompa P-105 Pompa P-106 Pompa P-201 Pompa P-202 Pompa P-203 Pompa P-301 Pompa P-302 Pompa HE-101 Cooler
HE-102 Sub Cooler
HE-201 Cooler
HE-202 Sub Cooler
HE-301 Cooler BL-201 Blower BL-301 Blower C-101 Compressor F-101 Filter Press GP Gudang Produk BA Bak Ampas H-101 Heater
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
DIAGRAM ALIR PRA-RANCANGAN PABRIK PEMBUATAN XYLITOL DARI TONGKOL JAGUNG DENGAN KAPASITAS PRODUKSI 10000 TON/TAHUN
Skala : Tanpa Skala Tanggal Tanda
Tangan Digambar Nama : Ben Sander
NIM : 060405055 Diperiksa/ Disetujui
1. Nama : Dr.Ir.Taslim, M.Si NIP : 196501151990031002 2. Nama : Ir. Indra Surya, M.Sc NIP : 196306091989031004 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 - - - - - 365,4992 - - - - 1214,0537 1377,6682 1271,913 1214,0537 1271,9133 141,3237 28,2647 113,059 28,2647 - 28,2647 - - - - - - - 3,3228 - - 3,3228 3,9684 - -- - - - 1262,6336 - - 1262,6336 - 1262,633 1262,6336 - 1262,6336 1262,6336 - 1402,9262 1262,6336 140,2926 - - - - 2679,1934 1743,1674 1271,913 2679,1934 1275,8994 1403,9573 1290,8983 113,059 1290,8983 1262,6336 28,2647 1402,9262 1262,6336 140,2926 150 110 80 60 110 110 120 120 60 80 80 30 30 30 15 1 1 1 1 10 1 1 2 1 1 1 1 1 K-202 H-101
