BAB II
STUDI KELAYAKAN AWAL
2.1 Seleksi Proses
Dalam pembuatan biji plastik biogedradable berbahan dasar biji sorgum, terdapat komposisi biji sorgum berupa pati. Pati biji sorgum menjadi bahan dasar pembuatan biji plastik biogedradable. Pati biji sorgum mengalami modifikasi menjadi pati asetat kemudian dilakukan penambahan kitosan dan gliserol sebelum akhirnya menjadi biji plastik biodegradable. Proses pembuatan biji plastik biodegradable memiliki beberapa tahapan proses yaitu proses pre-treatment, proses pembentukan pati asetat, proses penambahan kitosan dan gliserol dan proses pembuatan biji plastik biogedradable.
Modifikasi pati merupakan perubahan struktur molekul pati yang dapat dilakukan dengan cara fisik, kimia (esterifikasi, eterifikasi, oksidasi dan ikatan silang) dan enzimatik. Setiap perlakuan modifikasi pada jenis pati yang bermacam-macam menghasilkan karakteristik pati modifikasi yang berbeda-beda (Volkert, 2010).
2.1.1 Proses Modifikasi Kimia
Modifikasi pati secara kimia dilakukan dengan menambahkan bahan kimia tertentu dengan tujuan menggantikan gugus hidroksil (-OH) dan memperkuat ikatan pada rantai pati (Zuhra, 2016). Sifat kimia dan fungsional yang dihasilkan ketika memodifikasi pati berdasarkan substitusi kimia yaitu: kondisi reaksi (konsentrasi reaktan, waktu reaksi, pH, dan katalis), jenis substituen, tingkat substitusi, dan distribusi substituen dalam molekul pati (Neelam K, 2012).
Modifikasi secara kimiawi dapat dilakukan dengan cara oksidasi, eterifikasi dan esterifikasi, tergantung dari karakteristik pati termodifikasi yang dikehendaki.
Beberapa metode modifikasi secara kimia dapat dilihat pada Gambar 2.1 sebagai berikut :
13 Gambar 2.1 Metode-Metode Modifikasi Pati Secara Kimia
(Neelam K, 2012) 1. Esterifikasi
Esterifikasi dapat didefenisikan sebagai reaksi antara asam karboksilat dan alkohol (Gandhi, 1997). Pati ester adalah sejenis pati yang dimodifikasi dimana beberapa gugus hidroksil telah digantikan oleh gugus ester. Proses esterifikasi pati asli dengan anhidrida asetat biasanya dengan adanya katalis. Pati ester disintesis dengan berbagai reaktan, seperti anhidrida asam, asam amino Octenyl Succinic Anhydride (OSA), asam lemak dodecenil suksinat anhidrida (DDSA) dan asam lemak klorida.
Modifikasi kimia pati secara esterifikasi, terdapat tiga gugus OH pada atom C2, C3 dan C6 pada satuan glukosa yang dapat disubstitusi oleh gugus asil melalui reaksi adisieliminasi dengan keberadaan senyawa intermediet yang terbentuk (Muljana et al., 2010). Reaktivitas gugus OH berbeda pada atom C2, C3 dan C6, gugus OH pada atom C primer (C6) lebih reaktif daripada gugus OH pada atom C sekunder (C2 dan C3) dan gugus OH pada atom C2 lebih reaktif daripada C3 karena sifat sterik atom C3 (Diop et al., 2011). Pada Gambar 1, dapat dilihat mekanisme reaksi esterifikasi sebagai berikut:
Gambar 2.2 Mekanisme Reaksi Esterifikasi
(Muljana, 2012) Modifikasi secara esterifikasi dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan pati termodifikasi dengan karakteristik :
(i) Memiliki kecepatan retrogradasi lebih lambat, stabil pada suhu rendah, panas dan kondisi asam,
(ii) Serta memiliki kejernihan pasta lebih baik
(Cereda, 2003) 2. Eterifikasi
Pati terhidroksi propilasi umumnya dibuat dengan eterifikasi pati dengan propilena oksida dengan adanya katalis basa. Kelompok hidroksipropil yang dimasukkan ke dalam rantai pati mampu mengganggu ikatan hidrogen intra molekul, sehingga melemahkan struktur butiran pati dan menyebabkan rantai pati bebas bergerak di daerah amorf. Pergantian kelompok hidroksipropil pada rantai pati mengganggu struktur ikatan internal sehingga mengurangi jumlah energi yang diperlukan untuk melarutkan pati dalam air.
Modifikasi secara eterifikasi biasanya dilakukan untuk mendapatkan pati termodifikasi dengan karakteristik:
(i) Memiliki kecepatan retrogradasi dan suhu gelatiniasasi yang rendah, (ii) Stabil pada suhu beku
15 3. Oksidasi Pati
Oksidasi pati telah dilakukan sejak awal 1800-an, dan berbagai zat pengoksidasi telah diperkenalkan, misalnya hipoklorit, hidrogen peroksida, periodat, permanganat, dikromat, persulfat, dan klorit. Reaksi utama oksidasi hipoklorit pati termasuk pembelahan rantai polimer dan oksidasi gugus hidroksil menjadi gugus karbonil dan karboksil. Laju reaksi pati dengan hipoklorit sangat dipengaruhi oleh pH. Laju menjadi cepat sekitar pH 7 dan sangat lambat pada pH 10 (Sameh A, 2016)
Modifikasi pati secara oksidasi biasanya dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan pati termodifikasi dengan karakteristik:
(i) memiliki viskositas rendah,
(ii) memiliki kecepatan retrogradasi rendah, (iii) lebih cepat tergelatinisasi,
(iv) memiliki kejernihan lebih baik, dan
(v) pada suhu dingin tidak membentuk gel yang rigid.
2.1.2 Faktor-Faktor yang Berpengauh dalam Proses Modifikasi Pati
Beberapa faktor yang mempengaruhi proses hidrolisis adalah sebagai berikut:
1. pH
Pada proses modifikasi pati, terutama proses modifikasi dengan cara esterifikasi, pH suspensi berperanan dalam proses keberhasilan reaksi. Hasil penelitian sebelumnya bahwa pH berpengaruh terhadap gugus asetil yang terikat pada molekul glukosa dan efisiensi reaksi. Proses modifikasi pati jagung dan pati amaranth pada umumnya dilakukan pada pH antara 7,0 - 11,0. Untuk mendapatkan hasil yang optimum, proses modifikasi pati jagung dan pati amaranth dilakukan pada pH 8,0. Contoh lain adalah modifikasi pati jagung dengan phosporilasi diperoleh kondisi optimum pada pH 12 (Kahraman, 2015).
Apabila reaksi esterifikasi dilakukan pada pH lebih dari 8,0, maka pati mudah mengalami hidrolisis, sedangkan apabila proses esterifkasi dilakukan pada pH kurang dari 8,0, maka tidak cukup efektif bagi gugus hidroksil sebagai nukleofil dari pati untuk menyerang butirat anhidrida, sehingga proses esterifikasi tidak
dapat terjadi secara efektif (Bhosale, 2006). Pada pembuatan pati termodifikasi secara kimiawi, khususnya dengan esterifikasi akan sangat dipengaruhi karakteristik granula bahan baku pati, serta komposisi rasio amilosa dan amilopektinya.
2. Konsentrasi Reaktan
Konsentrasi reaktan juga berpengaruh terhadap modifikasi pati. Kecepatan reaksi akan meningkat dengan meningkatnya konsentrasi reaktan yang dapat dijelaskan dengan teori tumbukan. Bila konsentrasi reaktan meningkat, maka frekuensi tumbukan antara partikel akan meningkat. Berdasarkan teori tumbukan, konsentrasi reaktan memegang peranan penting dalam tumbukan antar partikel akan menghasilkan reaksi dan akan menghasilkan energi tumbukan sehingga akan memungkinkan terjadinya benturan antar partikel. Dua reaktan dapat bereaksi bersama bila antara satu reaktan dengan reaktan lainnya saling kontak. Pertama yang terjadi adalah benturan antara satu reaktan dengan reaktan lainnya, dan kedua adalah terjadinya reaksi. Namun demikian tidak semua benturan antar molekul dapat menyebabkan terjadinya reaksi. Benturan antar molekul dapat menyebabkan terjadinya reaksi bila memiliki energi aktivasi minimum. Energi aktivasi adalah energi minimum yang diperlukan sehingga memungkinkan terjadinya tumbukan antar molekul sehingga memungkinkan terjadinya reaksi (Solomons, 1990). Bila energi yang dihasilkan karena terjadinya benturan antar partikel lebih kecil bila dibandingkan dengan energi aktivasi, maka tidak akan terjadi reaksi Pada modifikasi pati konsentrasi reagent berbeda untuk mendapatkan pati ester yang berbeda, walaupun derajat subsitusi (DS) yang dikehendaki adalah sama.
3. Suhu
Suhu merupakan salah satu faktor yang berpengaruh terhadap proses modifikasi pati. Bila suhu meningkat, maka kecepatan reaksi akan meningkat karena makin banyak energi yang masuk ke dalam sistem. Di samping itu dengan meningkatnya suhu, maka dapat menyebabkan meningkatnya benturan antar partikel. Namun demikian untuk meningkatkan kecepatan reaksi tetap membutuhkan energi aktivasi, sehingga tumbukan antara partikel akan meningkat.
Suhu dalam proses esterifikasi sangat berpengaruh terhadap besar kecilnya DS
17 pati ester. Berdasarkan hasil penelitian sebelumnya diketahui bahwa proses esterifikasi pada suhu tinggi dapat menghasilkan pati asetat dengan DS yang tinggi. Esterifikasi pati jagung kaya amilosa dengan asetat anhidrida yang dilakukan pada suhu 123 C dapat diperoleh pati asetat dengan DS 2,23. Hasil penelitian lain menunjukkan bahwa proses esterifikasi pati jagung kaya amilosa dengan asetat anhidrida yang dilakukan pada suhu 50, 65 dan 75 C dapat diperoleh pati asetat dengan DS masing-masing sebesar 0,85; 1,78 dan 2,89 (Chi, 2008).
4. Waktu
Lama waktu reaksi sintesis berpengaruh terhadap nilai DS pati modifikasi.
Waktu reaksi yang lebih lama diketahui akan menurunkan efisiensi reaksi, karena terjadi reaksi hidrolisis. Pada proses asetilasi pati Xanthosoma violaceum diketahui bahwa efisiensi reaksi tertinggi diperoleh dengan lama waktu reaksi 30 menit. Pengaruh lama waktu reaksi terhadap DS pada berbagai jenis pati adalah berbeda, tergantung pada jenis reagen, morfologi dan bentuk granula pati. Pada sintesis pati oktenil suksinat dari pati jagung diketahui bahwa DS menurun dari 0,018 menjadi 0,013 seiring dengan makin meningkatnya lama waktu reaksi dari 6 jam menjadi 48 jam, sedangkan pada waxy corn starch DS maksimum diperoleh pada lama waktu reaksi 24 jam (Bhosale, 2006). Peningkatan suksinilasi oktenil dengan memperpanjang lama waktu reaksi berdampak langsung pada proses difusi dan adsorpsi antara oktenil dengan molekul pati. Hasil ini menunjukkan bahwa setiap jenis pati memiliki karakteristik spesifik.
Tabel 2.1 Perbandingan Metode Kimia (Esterifikasi, Eterifikasi dan Oksidasi) Parameter Esterifikasi Eterifikasi Oksidasi
Substituen Gugus ester (gugus hidroksil)
Gugus eter (gugus hidroksipropil)
Gugus hidroksil
Reaktan Asam anhidrida,
asam amino Propilena oksida hidrogen peroksida, hipoklorit, dll
Retrogradasi Lambat Lambat Lambat
Suhu Stabil Rendah, Panas Rendah Rendah
Kejernihan Pasta Baik Baik Baik
Katalis Asam Basa -
Hasil Starch acetate Hydroxypropyl
starch Oxidized starch
pH 8 8-9 7-10
Berdasarkan Tabel 2.1 tentang perbandingan metode kimia dalam modifikasi kimia dipilih metode modifikasi pati secara kimia yaitu secara esterifikasi, dengan pertimbangan:
1. Hasil modifikasi pati yang diperlukan adalah pati asetat (starch acetate) 2. Biaya yang diperlukan relatif murah.
2.2 Deskripsi Proses 2.2.1 Proses Pre-treatment
Biji sorgum merupakan bahan baku pembuatan biji plastik biodegradable.
Biji sorgum dipasok dari petani dalam keadaan sudah disosoh atau sudah bersih dari kulit biji sorgum dan disimpan dalam gudang penyimpanan. Biji sorgum yang akan digunakan dalam proses produksi biji plastik biodegradable terlebih dahulu melalui proses pre-treatment. Proses pre-treatment yang dilakukan adalah biji sorgum dari gudang penyimpanan diangkut menggunakan screw conveyor menuju ball mill sebagai tempat penggilingan. Penggilingan biji sorgum dilakukan untuk memperkecil ukuran agar diperoleh bubuk biji sorgum berukuran < 1 mm. Biji sorgum yang telah digiling kemudian diangkut menggunakan screw conveyor kedalam mixing tank lalu ditambahkan dengan air agar terbentuk slurry sorgum.
2.2.2 Proses Asetilasi Pati
Pati dalam bentuk slurry kemudian dialirkan menggunakan pompa sentrifugal menuju reaktor asetilasi pati untuk direaksikan. Reaktor ditambahkan acatic anhydrate sebagai reagen dan katalis asam sulfat (H2SO4) agar terjadi
19 reaksi asetil dan terbentuk pati asetat. Reaksi berlangsung selama 2 jam dengan suhu 95oC.
2.2.3 Proses Pemisahan
Permurnian pada pati asetat dilakukan untuk menghilangkan sisa reaksi pada proses asetilasi pati. Pati asetat dialirkan menggunakan pompa menuju decanter. Kemudian pati asetat yang diperoleh dihilangkan kandungan airnya dengan mengalirkan pati asetat menuju evaporator menggunakan pompa.
2.2.4 Proses Pencampuran
Pati asetat hasil asetilasi pati secara esterifikasi kemudian dicampurkan dengan kitosan dan gliserol. Kitosan yang berguna sebagai pengawet organik karena kitosan merupakan senyawa yang tidak larut dalam air, larutan basa kuat, tidak beracun, biodegradable, dan bersifat polielektrolitik. Gliserol sebagai plasticizer untuk meningkatkan nilai kekuatan, ketahanan, serta sifat polimer lainnya.
2.2.5 Pembentukan Biji Bioplastik
Pati asetat keluaran dari evaporator dialirkan menuju single screw extruder menggunakan hopper. Melalui perlakuan ini sifat pati asetat yang telah bercampur dengan kitosan dan gliserol dapat berubah menjadi termoplastik dengan perlakuan panas dan mekanik. Keluaran dari single screw extruder ini berupa pellet biji plastik biodegradable.
2.3 Spesifikasi Bahan dan Produk
Bahan baku yang akan digunakan dalam proses pembuatan pabrik biji plastik adalah Biji Sorgum, Acetic Anhydrate, Asam Sulfat (H2SO4), Kitosan, Gliserol, Air (H2O).
2.3.1 Spesifikasi Bahan Baku 1. Biji Sorgum
Sorgum merupakan salah satu tanaman serealia tropis yang memiliki kemungkinan untuk dikembangkan di Indonesia. Sifat dari sorgum itu sendiri relatif lebih kekeringan serta kandungan yang terdapat pada biji sorgum relatif lebih tinggi dibandingkan jagung maupun beras. (Anas, 1993)
Gambar 2.3 Biji Sorgum
Dari biji sorgum yang akan diambil yaitu berupa pati. Pati yang berasal dari biji Sorgum akan diolah sebagai bahan baku utama pada proses pembuatan biji plastik. Adapun spesifikasi biji sorgum adalah sebagai berikut:
Nama : Biji Sorgum
Ukuran : 4x2,5x3,5 mm
Berat rata-rata : 28 mg
Warna : Putih, merah, coklat
Tabel 2.2 Komposisi Kimia dari Biji Utuh Sorgum dan Bagian-Bagiannya Komponen Biji Utuh (%) Endosperm (%) Germ (%) Pericarp (%) Biji utuh
Range
100 -
84.2 81.7-86.5
9.4 8.0-10.9
6.5 4.3-8.7 Protein
Range Total Protein
12.3 11.5-12.3
100
10.5 8.7-13.0
80.9
18.4 17.8-19.2
14.9
6.0 5.2-7.6
4.0 Lemak
Range
3.6 -
0.6 0.4-0.8
28.1 26.9-30.6
4.9 3.7-6.0
21 Komponen Biji Utuh (%) Endosperm (%) Germ (%) Pericarp (%)
Total Lemak 100 13.2 76.2 10.6
Pati Range Total Pati
73.8 72.3-75.1
100
82.5 81.3-83.0
94.4
13.4 - 1.8
34.6 - 3.8 Debu
Range Total Debu
1.6 1.6-1.7
100
0.4 0.3-0.4
20.6
10.4 - 68.6
2.0 - 10.8 Sumber: Haikerwal and Mathieson (1971), Hubbard et all. (1950), Jambunathan
and Mertz (1973) and Taylor and Schussler (1986) dikutip dari Porter (2011).
2. Kitosan
Gambar 2.4 Kitosan
Nama : Kitosan
Warna : Putih kecoklatan
Bau : Tidak berbau
Bentuk : Serpihan
Kadar air (%) : 12,29
Kadar abu (%) : 0,99
Kadar lemak (%) : 3,13 Total Nitrogen (%) : 2,20 Karbohidrat (%) : 81,39 Viskositas (cPs) : 1.713,04 Derajat deasetilasi : 98,65
(Eko, 2018)
3. Gliserol
Gliserol digunakan sebagai plasticizer yang berfungsi untuk menurunkan kekakuan pada polimer pati dengan fungsi lain yaitu untuk meningkatkan fleksibilitas (mudah disesuaikan) dan eksensibilitas polimer (mudah merenggang) (Anita, 2013).
Gambar 2.5 Gliserol
Nama : Gliserol (gliserin)
Rumus molekul : C3H8O3
Berat molekul : 92,0542 g/mol
Wujud : Cair
Kenampakan : Tidak berwarna
Bau : Berbau samar
Sifat : Larut dalam air
Titik leleh : -
Titik Didih (1 atm)
: 1,4746
(Sciencelab.com, 2018)
23 4. Air (H2O)
Gambar 2.6 Air
Nama : Air
Rumus Molekul : H2O Berat Molekul : 18 gr/mol Titik Didih
Titik Lebur
Densitas : 0,9982 g/cm3
Viskositas : 0,6985 cP
Indeks Bias : 1,333
5. Acetic Anhydrate
Acetic Anhydrate dalam proses asetilasi berfingsi sebagai reagen. Adapun spesifikasi Acetic Anhydrate adalah sebagai betikut:
Gambar 2.7 Acetic Anhydrate
Nama : Acetic Anhydrate Rumus Molekul : (CH3CO)2O Berat molekul : 102,08 g/mol
Titik leleh : -73°C (200K)
Titik didih : 138-140,5 °C (411-413,5 K) Specific Gravity : 1,08
Densitas : 1,08 g/cm3 (20 oC)
Wujud : Cairan
Warna : Putih
6. Asam Asetat (CH3COOH)
Gambar 2.8 Asam Asetat
Nama : Asam asetat
Rumus Molekul : CH3COOH Berat molekul (g/mol) : 60,65
Wujud : Cairan tak berwarna
Kemurnian : 37%
: 15,6 : 118
Densitas : 1,052 g/cm (20oC)
Viskositas : 1,22 cp
25 7. Asam Sulfat (H2SO4)
Gambar 2.9 Asam Sulfat
Nama : Asam sulfat
Rumus Molekul : H2SO4
Berat molekul : 98,073 kg/kgmol
Wujud : Padat putih
Kemurnian : 98%
Titik didih
Densitas : 1,820 g/cm (20oC)
Viskositas : 26,7 cp
2.3.2 Spesifikasi Produk 1. Biji Plastik Biodegradable
Biji plastik biodegradable adalah bahan baku utama pembuatan plastik biodegradable. Adapun spesifikasi biji plastik biodegradable adalah sebagai berikut:
Kuat Tarik : >24,7-302 (Mpa)
Elongasi : >21-220 (%)
Ketahanan Air : 99%
Warna Produk : Putih
Harga : Rp 50.000/kg
Gambar 2.10 Biji Plastik Biodegradable
Sumber: (SNI, 2016)
