KONVERSI PATI UBI GAJAH (MANIHOT ESCULENTA) MENJADI ASAM
LEVULINAT DENGAN KATALIS ASAM SULFAT
Nina Astarina1, Amir Awaluddin2, Saryono2, Nurhayati2, Pepi Helza Yanti2
1
Mahasiswa Pascasarjana Kima Universitas Riau, 2Dosen Kimia, Universitas Riau Pekanbaru *e-mail: astari_nha@yahoo.com
Abstrak
Biomassa merupakan sumber daya alam yang melimpah di Indonesia. Biomassa dapat dirubah menjadi platform chemical, salah satu nya adalah asam levulinat. Pada penelitian ini dilakukan konversi pati ubi gajah menjadi asam levulinat melalui reaksi hidrolisis dengan menggunakan katalis asam sulfat. Untuk mempelajari karakteristiknya dilakukan variasi temperatur (150oC, 170oC dan 190oC) dan konsentrasi katalis asam sulfat (1%, 3% dan 5%) selama selang waktu 20 menit, 40 menit dan 60 menit. Asam levulinat dianalisis dengan HPLC menggunakan kolom Aminex HPX-87H dan detektor RID (Refractive Index Detector). Hasil penelitian menunjukkan bahwa persentase asam levulinat meningkat pada temperatur tinggi dan konsentrasi katalis asam yang tinggi pula. Persentase asam levulinat maksimum 33,3% diperoleh pada temperatur 190oC dan konsentrasi H2SO4 5% pada waktu 40 menit. Kinetika reaksi pembentukan gula menunjukkan bahwa laju dekomposisi gula hasil hidrolisis pati meningkat dengan peningkatan temperatur dan konsentrasi katalis.
Kata Kunci: asam levulinat, katalis, platform chemical, ubi gajah
PENDAHULUAN
Indonesia sebagai negara agraris memiliki potensi biomassa yang sangat melimpah. Riau merupakan salah satu daerah yang memiliki potensi sebagai penghasil biomassa, salah satunya adalah ubi gajah (Manihot esculenta). Ubi gajah merupakan salah satu biomassa yang cukup potensial untuk digunakan sebagai bahan baku karena tanaman ini keberadaannya cukup melimpah, mudah tumbuh sehingga mudah dibudidayakan. National Renewable Energy Laboratory (Denver, USA) meng-identifikasi asam levulinat merupakan salah satu dari sejumlah senyawa platform
chemical yang dapat dihasilkan dari
biomassa (Rackemann & Doherty, 2011). Asam levulinat (C5H8O3) atau
gamma-ketovaleric acid merupakan salah satu senyawa asam lemak rantai pendek yang memiliki gugus keton dan karbonil, kedua gugus fungsi inilah yang membuat asam levulinat sangat potensial untuk sintesis berbagai senyawa-senyawa kimia. Turunan senyawa asam levulinat dapat dimanfaatkan sebagai polimer, resin, plastik, tekstil, pelarut, herbisida, pewarnaan, tambahan bahan makanan, tambahan bahan bakar, pengawet dan obat-obatan (Bozell et al.,
2000). Asam levulinat diperoleh dari bio-massa melalui reaksi hidrolisis dengan menggunakan katalis asam. Pada kondisi asam dan peningkatan temperatur, biomassa akan terurai menjadi beberapa produk, diantaranya asam levulinat dan asam formiat (Chun et al., 2009).
Beberapa penelitian telah dilakukan untuk menghasilkan asam levulinat, di-antaranya berasal dari bahan baku glukosa murni (Girisuta et. al., 2006), enceng gondok (Girisuta et.al, 2008), jerami padi (Yan et.al., 2008), Wheat straw (Chun et.al., 2007) dan biji gandum (Fang & Hanna, 2002). Proses hidrolisis dilakukan dengan menggunakan katalis asam. Asam yang biasanya diguna-kan adalah asam klorida dan asam sulfat. Penggunaan asam sulfat sebagai katalis menghasilkan persentase asam levulinat lebih tinggi dibandingkan dengan asam klorida (Girisuta et.al., 2006). Penelitian dilakukan dengan variasi temperatur (150oC, 170oC dan 190oC), konsentrasi katalis asam sulfat (1%, 3% dan 5%) pada selang waktu 20 menit, 40 menit dan 60 menit untuk mengetahui konversi asam levulinat dan mempelajari pengaruhnya terhadap pem-bentukan asam levulinat yang dihasilkan.
BAHAN DAN METODA
Pati ubi gajah (100 mesh) sebanyak 1 gram dilarutkan dalam larutan asam sulfat (1%, 3%, 5%) dengan perbandingan pati terhadap asam (1:10). Campuran tersebut dimasukkan ke dalam ampul dan ditutup dengan cara dibakar. Campuran dipanas-kan dengan variasi temperatur (150oC, 170oC, 190oC) dengan selang waktu 20 menit, 40 menit dan 60 menit. Ampul di ambil dari oven dan kemudian dicelupkan ke dalam air es untuk menghentikan reaksi-nya (Girisuta et al, 2006). Ampul dipotong dan larutan yang hasilkan dipindahkan ke dalam vial. Produk yang diperoleh diencer-kan 10x, kemudian disentrifus dengan ke-cepatan 13000 rpm selama 15 menit agar bebas dari residu partikulat. Sebanyak 400 L dari hasil sentrifus dimasukkan ke dalam vial dan selanjutnya dianalisis dengan menggunakan HPLC dengan fasa gerak asam sulfat 5mM, kecepatan alir 0,55 mL/menit, kolom Animex HPX-87H suhu 600C dan detektor RID (Girisuta et al, 2007).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Komposisi Pati Ubi Gajah (Manihot esculenta)
Hasil uji komposisi pati ubi gajah dapat dilihat pada Tabel 1. Dari hasil anali-sis pati
dengan menggunakan HPLC, diperoleh beberapa gula yaitu, glukosa, fruktosa dan sukrosa.
Konversi Pati Ubi Gajah dengan Katalis Asam Sulfat
Konversi pati menjadi asam levulinat dilakukan melalui reaksi hidrolisis dengan menggunakan katalis asam. Hasil dari konversi ini menghasilkan beberapa puncak yang terlihat dari kromatogram HPLC. Dari Gambar 1 dapat dilihat kromatogram dari beberapa senyawa yang dihasilkan, di-antaranya glukosa, asam levulinat, HMF, asam formiat dan asam asetat.
Waktu retensi dari senyawa yang dihasilkan dari konversi pati dapat dilihat pada Tabel 2.
Persentase asam levulinat, asam asetat dan asam formiat yang dihasilkan pada penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3, dimana persentase asam levulinat se-besar 33,30% (b/b) diperoleh pada tem-peratur 190oC, konsentrasi asam sulfat 5% dan pada waktu 40 menit.
Pengaruh temperatur Reaksi
Pada reaksi kimia, temperatur reaksi memegang peranan penting untuk me-nentukan seberapa cepat proses reaksi. Reaksi kimia berlangsung lebih cepat pada temperatur tinggi.
Tabel 1. Komposisi Pati Ubi Gajah
Kandungan Satuan Hasil Metode
Kadar Pati % 97,26 Gravimetri
Amilosa % 13,84 Spektrofotometri
Amilopektin % 83,42 Spektrofotometri
Glukosa ppm 1416 HPLC
Fruktosa ppm 1408 HPLC
Sukrosa ppm 6542 HPLC
Gambar 1. Kromatogram Glukosa, Asam Formiat, Asam Asetat, Asam Levulinat dan HMF
Tabel 2. Waktu Retensi Senyawa Hasil Hidrolisis Pati
Nama Senyawa Waktu Retensi
Glukosa 10,103
Asam Formiat 15,127
Asam Asetat 16,420
Tabel 3. Kadar Asam Levulinat, Asam Formiat dan Asam Asetat No Temp (oC) Waktu (menit) Asam sulfat (%) AL (%b/b) AF (%b/b) AA (%b/b) 1 150 20 1% 0,38 0,39 0,03 2 150 40 1% 1,43 0,85 0,03 3 150 60 1% 7,14 2,99 0,05 4 150 20 3% 2,15 1,13 0,03 5 150 40 3% 4,71 1,85 0,04 6 150 60 3% 6,59 2,56 0,05 7 150 20 5% 3,03 1,42 0,03 8 150 40 5% 6,53 2,57 0,05 9 150 60 5% 7,88 3,02 0,07 10 170 20 1% 3,15 1,52 0,03 11 170 40 1% 9,96 4,09 0,07 12 170 60 1% 7,34 2,89 0,06 13 170 20 3% 5,73 2,14 0,05 14 170 40 3% 5,70 2,21 0,06 15 170 60 3% 10,51 4,12 0,10 16 170 20 5% 6,08 2,09 0,06 17 170 40 5% 25,29 10,09 0,24 18 170 60 5% 12,49 4,71 0,13 19 190 20 1% 6,13 2,49 0,07 20 190 40 1% 22,91 9,47 0,24 21 190 60 1% 16,83 7,01 0,16 22 190 20 3% 17,60 6,87 0,16 23 190 40 3% 20,68 7,54 0,24 24 190 60 3% 16,52 5,37 0,22 25 190 20 5% 14,47 5,96 0,17 26 190 40 5% 33,30 11,51 0,40 27 190 60 5% 19,42 7,13 0,28
Pada Gambar 2, 3 dan 4 terlihat bahwa kenaikan temperatur dapat mening-katkan pembentukan asam levulinat. Pem-bentukan asam levulinat terus mengalami peningkatan hingga pemanasan pada temperatur 190oC. Menurut penelitian yang dilakukan oleh Cha & Hanna (2002), konversi pati menjadi asam levulinat mencapai kondisi optimum pada temperatur 200oC. Hal yang sama juga dikemukakan oleh Fang & Hanna bahwa pembentukan asam levulinat dari bji gandum menghasilkan persentase yang lebih tinggi pada temperatur 200oC dibandingkan temperatur 160oC. Jadi, dapat disimpulkan bahwa temperatur sangat berpengaruh terha-dap konversi pati menjadi asam levulinat.
Pengaruh Konsentrasi Katalis
Selama proses hidrolisis pati, asam-asam mineral berfungsi sebagai katalis. Katalis dapat menurunkan energi aktivasi sehingga reaksi mudah terjadi. Konsentrasi katalis yang tinggi dapat meningkatkan konsentrasi (H+) dalam larutan sehingga semakin banyak glukosa yang terkonversi menjadi asam levulinat.
Dari gambar 5, 6 dan 7 dapat dilihat pengaruh konsentrasi asam sulfat terhadap pembentukan asam levulinat. Dari grafik secara umum terlihat bahwa peningkatan konsentrasi asam sulfat dapat meningkatkan pembentukan asam levulinat. Namun, pada selang waktu 20 menit, kenaikan konsentrasi asam sulfat hingga 5% mengakibatkan penurunan konsentrasi asam levulinat.
Gambar 8.Model Kinetika Reaksi pembentukan Asam levulinat dari Biomassa (Chun et al, 2006)
Kinetika Reaksi
Dekomposisi biomassa meng-hasilkan produk asam levulinat dan asam formiat sebgai produk akhir melalui intermediet
monosakarida dan 5-HMF. Gambar 8 memperlihatkan model kinetika reaksi untuk konversi pati ubi gajah menjadi asam levulinat :
Berdasarkan model diatas, ditentukan persamaan diferensial sebagai berikut (Chun, et.al., 2009):
- - ... (1)
-- - - - ... (2) Gambar 2. Pengaruh temperatur pada waktu
20 menit
Gambar 3. Pengaruh temperatur pada waktu 40 menit
Gambar 4. Pengaruh temperatur pada waktu 60 menit
Gambar 5. Pengaruh konsentrasi katalis pada waktu 20 menit
Gambar 6. Pengaruh konsentrasi katalis pada waktu 40 menit
Gambar 7. Pengaruh konsentrasi katalis pada waktu 40 menit
Biomassa (pati)
Gula Asam Levulinat
k1 k2
humin k4
5-HMF k3 K5
- ... (3)
Dimana k2 + k4 = kgula dan k3 + k5 = k5-HMF
Dengan demikian diperoleh integrasi dari persamaan diferensial untuk konsen-trasi glukosa, HMF dan asam levulinat adalah sebagai berikut :
-- - - ... (4)
Persamaan 4 digunakan untuk menentukan parameter kinetik dari hidrolisis pati menjadi glukosa dengan menggunakan Polymath 5.1 dan diperoleh hasilnya pada Tabel 4.
Tabel 4. Harga k1 dan kgula pada Variasi
Temperatur dan Konsentrasi asam sulfat T(oC) [As.sulfat] (%) k1 kgula 150 1 - - 3 0,0166962 2.1532029 5 0,0385197 2,903384 170 1 0,030813 2,8506132 3 0,1014269 6,7263715 5 0,1047786 32,57199 190 1 0,2014219 4,3645941 3 - - 5 - -
Harga k1 menunjukkan laju
peng-uraian biomassa (pati) menjadi glukosa, sedangkan kgula merupakan laju penguraian
gula ditambah dengan laju penguraian gula menjadi humin. Laju dekomposisi gula
sangat dipengaruhi oleh temperatur reaksi dan konsentrasi katalis asam sulfat. Harga k1
dan kgula meningkat dengan kenaikan
temperatur reaksi dan konsentrasi katalis. Dari tabel 4 dapat dijelaskan bahwa pada temperatur yang sama dan konsentrasi konsentrasi katalis yang berbeda menun-jukkan kenaikan terhadap Harga k1 dan kgula.
Pada temperatur 190oC harga k1 dan kgula
hanya dapat ditentukan pada konsentrasi 1% saja, hal ini disebabkan pada temperatur ini glukosa yang berasal dari hidrolisis pati tidak terdeteksi lagi karena telah terkonversi seluruhnya menjadi asam levulinat. Sedang-kan persamaan 5 dan 6 tidak diperoleh fitting data yang dengan menggunakan Polymath 5.1, sehingga tidak diperoleh data parameter untuk pembentukan kinetika HMF dan asam levulinat
KESIMPULAN
Asam levulinat dapat dihasilkan melalui reaksi hidrolisis pati ubi gajah dengan katalis asam sulfat. Konversi pati menjadi asam levulinat sangat dipengaruhi oleh temperatur reaksi dan konsentrasi katalis. Semakin tinggi temperatur reaksi dan konsentrasi katalis, maka konsentrasi glukosa yang terkandung dalam pati semakin berkurang sedangkan konsentrasi asam levulinat semakin meningkat. Berdasarkan parameter diatas dapat diperoleh persentase asam levulinat maksimum 33,3% diperoleh pada temperatur 190oC dan konsentrasi asam sulfat 5%. Parameter kinetik hidrolisis pati menjadi gula memperlihatkan bahwa laju dekomposisi gula meningkat dengan mening-katnya temperatur dan konsentrasi katalis.
DAFTAR PUSTAKA
Bozell, J.J., Moens, L., Wang, Y., Neuenswander, G.G., Fitzpatrick, S. W., Bilski, R. J., and Jarnefeld, J.L. 2000. Production of levulinic acid and use as a platform chemical for derived products. Resources,Conservation and Recycling. 28; 227-239, Elsevier Science.
Cha, J.Y and Hanna, M.A. 2002. Levulinic acid production based on extrusion and pressurized batch reaction. Industrial Crops and product. 16(2):109-118].
Chun, C., Xiaojian, M.A., and Peilin, C.E.N. 2006. Kinetics of levulinic acid production from glucose decomposition high temperature. Chinese Journal of Chemical Engineering. 14 (5): 708-712
Chun, C., Xiaojian, M.A., and Peilin, C.E.N. 2007. Levulinic acid production from wheat straw. Bioresource Technology 98:1448–1453
Chun, C., Xiaojian, M.A., and Peilin, C.E.N., 2009. Kinetic studies on wheat straw hydrolysis to levulinic acid. Chinese Journal of Chemical Engineering.17(5); 835-839.
Fang, Qi., and Hanna, M.A. 2002. Experimental studies for levulinic acid production from whole kernel grain sorghum. Bioresource Technology. 81;187-192.
Girisuta, B., Janssen, L.P.B.M., and Heeres, H.J. 2006. Green chemical: A kinetic study on the conversion of glucose to levulinic acid. Chemical Engineering Research and Design. 84(A5):339-349, Trans Ichem
Girisuta, B., Janssen,L.P.B.M., Heeres,H.J. 2007. Exploratory catalyst-screening studies on the conversion of 5-hydroxymethyl-furfural and glucose to levulinic acid. Trans IchemE
Girisuta, B., Danon, B., Manurung, R., Janssen, L.P.B.M., and Heeres, H.J. 2008. Experimental and kinetic modelling studies on the acid-catalysed hydrolysis of the water hyacinth plant to levulinic acid. Bioresource Technology. 99; 8367-8375
Rackemann, D.W and Doherty, W.O.S., 2011. The conversion of lignocellulosics to levulinic acid. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 5(2), pp. 115-126.
Yan, L., Naikun Yang., Hao Pang., and Bing Liao. 2008. Production of levunilic acid from bagasse and paddy straw by liquefaction in the presence of hydrochloride acid. Clean 36(2); 158-163.Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.