I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Limbah kayu tersedia dalam jumlah yang besar, karena sebanyak 37-43% dari penebangan pohon menjadi limbah, antara lain berupa serbuk kayu, potongan kayu dan sisa ketaman kayu. Limbah kayu selama ini banyak dimanfaatkan sebagai media penanaman jamur (Chang & Buswell 1996; Ishizuka et al. 1997; She et al. 1998, Wasser & Weis 1999), dan penghara (Muladi et al. 2001).
Pemanfaatan limbah kayu dan bambu pada pembuatan asap cair telah mendapat perhatian beberapa tahun belakangan ini, yang umumnya diproduksi secara pirolisis. Pada proses pirolisis terjadi dekomposisi dari senyawa hemiselulosa, selulosa dan lignin yang terdapat pada bahan baku. Proses pirolisis antara lain menghasilkan produk asap cair, ter, arang dan minyak atsiri (Sheth et al. 2006).
Beberapa hal yang menguntungkan dari penggunaan asap cair dibandingkan dengan pengasapan secara tradisional, antara lain (Pearson & Tauber 1973) :
a. Tidak memerlukan alat generator yang cukup mahal.
b. Komposisi asap cair lebih konsisten untuk pemakaian yang berulang-ulang.
c. Senyawa penyebab kanker dapat dikurangi.
d. Proses yang dilakukan lebih cepat dan hasilnya relatif lebih banyak. Berbagai bahan baku telah digunakan untuk pembuatan asap cair dalam proses pirolisis antara lain sebagai berikut: potongan kayu pinus (Badger et al. 2011), lignin alam (Liu et al. 2011), limbah kopi (Akalin & Karagoz 2011), batang jagung (Lv et al. 2010), campuran limbah industri dan sampah padatan kota (Paolucci et al. 2010), biomassa kayu (Saddawi et al. 2010), serbuk LiFePO4/C (Akao et al. 2010), kulit biji jambu mente dan sabut kelapa (Tsamba et al. 2006), tempurung kelapa (Darmadji 2002), bambu (Kantarelis et al. 2010), lignin kraft (Gustaffson et al. 2009), cairan hitam kertas (Zhao et al. 2010), jerami padi (Budi et al. 2004), kayu pinus (Kim et al. 2010), limbah koran (Bhuiyyan et al. 2008), kayu sugi dan akasia (Kartal et al. 2004), partikel kayu (Sadhukan et al. 2009), residu bunga zaitun (Aboulkas et al. 2009), kayu karet (Ratanapisit et al
2010), kayu mangga dan bambu (Tippayawong et al. 2010), dan pohon kayu hibrida (Agblevor et al. 2010). Bahan baku tersebut mengandung cukup hemiselulosa, selulosa dan lignin. Penelitian tersebut mengungkap adanya hubungan antara jenis bahan baku dan komposisi senyawa pada produk asap cair. Senyawa-senyawa hasil pirolisis serbuk kayu jati mengandung p-guaiakol, 2 metoksi 4 propenil fenol, 2 metoksi 4 metil fenol, 3,4,5 trimetoksi toluena dan 1,3 dimetoksi siringol (Fatimah & Nugraha 2005), Sedangkan senyawa dominan hasil pirolisis kayu sugi dan kayu akasia terdiri dari asam asetat dan vanilin (Kartal et al. 2004), dan dari sampah organik adalah γ-butirolakton dan 2 hidroksi 3 metil 2 siklopentena-1-on (Gani 2007). Berbagai senyawa dan komposisi yang berbeda dihasilkan dari proses pirolisis, selain itu jenis bahan baku beserta kondisi operasi pirolisis diperkirakan mempengaruhi hal tersebut.
Aplikasi asap cair sangat beragam. Asap cair tongkol jagung misalnya digunakan sebagai bahan penyusun bio oil (Wang et al. 2010), dan pestisida (Nurhayati 2000). Sementara asap cair dari bambu dapat digunakan sebagai bahan baku kosmetik, minuman kesehatan dan kedokteran (Jinhe 2005), dan obat anti alergi (Imamura et al. 2005). Asap cair dari sampah organik dapat digunakan sebagai antifeedant (Gani 2007), dan dari sabut dan tempurung kelapa dapat digunakan untuk mengawetkan ikan selar (Sutin 2008).
Komponen utama dari kayu terdiri atas selulosa, hemiselulosa dan lignin akan terurai menjadi berbagai senyawa pada proses pirolisis. Secara umum pirolisis hemiselulosa akan menghasilkan furfural, furan, asam asetat dan turunannya. Sedangkan lignin terurai menjadi fenol dan eter fenolik serta turunannya dan selulosa akan menghasilkan senyawa asam asetat, dan senyawa karbonil. Senyawa-senyawa hasil pirolisis ini memiliki fungsi yang beragam. Senyawa fenol dan karbonil bermanfaat memberi flavor dan warna, senyawa fenol dan asam organik digunakan pada pengawetan, karena mengandung senyawa antibakteri dan antioksidan. Senyawa benzopirena dan ter yang terdapat pada asap cair tidak diinginkan karena bersifat toksik dan karsinogenik (Maga 1988).
Perbedaan komposisi komponen penyusun kayu diperkirakan akan mempengaruhi komposisi dan jenis senyawa hasil pirolisis. Pada penelitian ini
akan diamati pirolisis menggunakan 3 jenis limbah kayu dan bambu yang berasal dari kayu berdaun lebar, kayu berdaun jarum, dan bambu berdaun menyirip.
Pengamatan termodinamika pirolisis dengan melihat perubahan energi bebas Gibbs sebagai fungsi suhu pirolisis belum banyak dilakukan. Metode ini di antaranya digunakan untuk memprediksi gas yang diproduksi dengan menggunakan pendekatan reaksi termodinamika (Dong et al. 2005), perbedaan suhu pirolisis terhadap kesetimbangan termodinamika (Chang et al. 2004), dan studi termodinamika untuk pembentukan asetilena dan batu bara (Bao et al. 2009). Penelitian tersebut erat kaitannya dengan teori termodinamika kimia yang menyatakan hubungan antara energi bebas Gibbs dengan suhu priolisis.
Berdasarkan uraian di atas, penelitian ini dirancang untuk membuat asap cair melalui proses pirolisis sehingga menghasilkan komponen kimia yang potensial seperti asam asetat yang ramah lingkungan. Data termodinamika kimia dari pirolisis diperoleh melalui penentuan entalpi, entropi, dan energi bebas Gibbs. 1.2. Kerangka Pemikiran
Proses pirolisis dilakukan terhadap 3 jenis kayu dan bambu yang berbeda, yaitu jati (daun lebar), pinus (daun jarum) dan bambu (daun menyirip). Proses pirolisis dengan bahan yang berbeda akan menghasilkan senyawa-senyawa dengan karakteristik yang berbeda. Proses pirolisis melibatkan berbagai proses reaksi, yaitu dekomposisi, oksidasi, polimerisasi, dan kondensasi. Komponen asap cair dari berbagai jenis kayu dianalisa untuk mengetahui rendemen asap cair dan arang (% b/b), konsentrasi asam asetat, dan pH. Fraksi atau kondensat dengan konsentrasi asam asetat dan rendemen yang tinggi dipisahkan untuk dianalisis lebih lanjut menggunakan GC-MS (gas chromatography-mass spectrometry). Analisis GC-MS dilakukan untuk mengidentifikasi komponen kimia asap cair. Pengelompokan senyawa hasil analisis GC-MS dapat dilakukan dengan identifikasi senyawa asam asetat dan turunannya dengan menggunakan analisis PCA (principal component analysis).
Pemisahan komponen dilakukan dengan fraksinasi menggunakan pelarut dengan berbagai tingkat kepolaran. Fraksinasi dilakukan secara bertahap: menggunakan pelarut n-heksana (nonpolar), etil asetat (semipolar), dan metanol
(polar) yang bersifat polar. Destilasi asap cair dilakukan untuk menghilangkan senyawa yang tidak diinginkan dan berbahaya seperti benzopirena dan ter. Hal ini dilakukan dengan cara pengaturan suhu asap cair, sehingga diharapkan memperoleh asap cair yang jernih, dan bebas ter.
Asap cair memiliki kemampuan untuk mengawetkan bahan makanan karena adanya senyawa asam, fenolat dan karbonil. Darmadji (1996), melaporkan bahwa pirolisis tempurung kelapa dapat menghasilkan asap cair dengan kandungan senyawa fenol sebesar 4.13%, karbonil 11.3%, dan asam 10.2%. Menurut Maga (1988), komposisi kimia asap cair kayu terdiri dari kandungan senyawa fenol 0.2-2.9%, asam 2.8-4.5%, karbonil 2.6-4.6%, ter 1-17%, dan air 11-92%.
Aplikasi asap cair dilakukan pada ikan tongkol dan tahu. Model kinetika pirolisis yang dikembangkan diambil dari persamaan Arrhenius dan Tsamba untuk melihat adanya pengaruh suhu pirolisis dan waktu tinggal. Berdasarkan hasil perhitungan konstanta kinetika, maka dapat dihitung energi aktivasi (Ea), faktor pre eksponensial (A), dan waktu paruh (t½). Khusus untuk termodinamika pirolisis diperoleh perubahan entropi (ΔS°), entalpi (ΔH°), dan energi bebas Gibbs (ΔG°). Skema tahapan proses pada penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 1.
.
Gambar 1 Kerangka pemikiran. Bahan baku
Identifikasi Komponen Kimia - Analisis GC-MS
- Analisis PCA
Bahan Pengawet Alami Kayu berdaun jarum
( Hard wood )
Kayu berdaun lebar
( Soft wood ) Berdaun menyirip (Bambu)
Parameter - Laju pemanasan - Suhu dan waktu
Energi aktivasi (Ea) Konstanta Kinetik (K) Faktor Eksponensial (A) Waktu Paruh (t1/2)
Model Kinetika
Pengujian anti jamur Produk Asam -Asetat
Analisis - Rendemen, PH
- Konsentrasi Asam Asetat
Distilasi
Suhu asap cair < 95° C, 95-105°C&105-120°C Asap Cair
Arang
Analisis Arang Kadar air
Kadar abu Kadar zat terbang Kadar karbon
Nilai kalor Termodinamika Kimia
Entropi (ΔS) Entalpi (ΔH) Energi bebas Gibss (ΔG)
Aplikasi Asap Cair Proses Pirolisis
1.3. Perumusan Masalah
Asap cair dari 3 jenis kayu dan bambu yang berbeda yaitu jati (daun lebar), pinus (daun jarum) dan bambu (daun menyirip), diperkirakan memiliki sifat fisik dan kimia yang berbeda dan kompleks. Penelitian yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya mengindikasikan lebih kurang 1000 macam senyawa kimia, 300 di antaranya dapat diisolasi dan sudah berhasil diidentifikasi. Berbagai jenis senyawa dijumpai pada kondensat antara lain fenol (85), asam (35), furan (4), alkohol dan ester (15), lakton (13), hidrokarbon alifatik (1) dan lain-lain. Untuk memperoleh fraksi komponen potensial seperti asam sehingga fraksi murni membutuhkan teknik pemisahan yang rumit. Pemilihan proses untuk 3 jenis bahan baku pada penelitian ini diharapkan dapat mengoptimalkan perolehan senyawa asam asetat yang diinginkan.
1.4. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Mendapatkan rendemen asap cair dengan jumlah terbaik melalui pirolisis dan mengidentifikasi fraksi-fraksi komponen kimia potensial dari asap cair. 2. Aplikasi asap cair sebagai pengawet pangan.
3. Memperoleh teknik isolasi asam asetat dari asap cair.
4. Menentukan model kinetika pembentukan asam asetat pada proses pirolisis. 5. Menentukan reaksi spontan atau tidak spontan yang berlangsung dalam
pembentukan asam asetat.
6. Menentukan nilai emisi karbon yang ramah lingkungan pada teknologi pirolisis.
1.5. Manfaat Penelitian
Hasil penelitian diharapkan dapat memberi manfaat sebagai berikut :
1. Asap cair yang diperoleh dari limbah kayu dan bambu melalui proses pirolisis dapat digunakan sebagai alternatif produk pengawet makanan.
2. Model kinetika pirolisis yang dihasilkan dapat digunakan untuk mendapatkan senyawa yang diinginkan dalam jumlah yang tinggi dan memberikan manfaat dalam perencanaan proses, dan pengembangan produk.
Hipotesis yang diajukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Konstanta kinetika (k) dipengaruhi oleh jenis bahan baku.
2. Laju pemanasan (heating rate) berpengaruh secara signifikan terhadap energi aktivasi, dimana energi aktivasi meningkat dengan meningkatnya laju pemanasan.
1.7. Novelty (kebaruan)
Kebaruan dari penelitian ini adalah diperolehnya kondisi proses pirolisis (suhu dan waktu) terbaik untuk mendapatkan asap cair dari limbah kayu dan bambu, didapatkannya kondisi proses terbaik untuk pemisahan asap cair menjadi asam asetat. Termodinamika kimia diperoleh dari model kinetika pirolisis yang menghasilkan konstanta kinetika, faktor pre eksponensial, energi aktivasi, entropi, energi bebas Gibbs dan emisi karbon yang ramah lingkungan (eco friendly).
