PENGARUH SONIKASI SEBAGAI PERLAKUAN AWAL PADA DEGRADASI SELULOSA UNTUK
MEMPEROLEH OLIGOSAKARIDADENGAN METODE HYDROTHERMAL
Oleh :MAYA ADINA CAESARIA 2307 100 021
NANDA BELVANITA 2307 100 070
Pembimbing:Dr. Ir. Sumarno, M.Eng
LABORATORIUM TEKNOLOGI MATERIAL JURUSAN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA2011
LATAR BELAKANG
Contoh : Ethanol
Bahan Bakar
Contoh : Selulosa
Bahan Kimia
Limbah biomassa
SELULOSA
Alkali
Enzimatik
Asam
Hidrothermal
Oligosakarida dan Glukosa
Sumber : Yun Yu 2009
PENELITIAN TERDAHULU
Sakaki,dkk(1996)
Micro CrystallineCelluloseHot Compressed Water
(HCW), batch
Pada 374oC, 80% selulosa terdekomposisi menjadi zat yang water soluble, terdiri
atas glukosa dan oligosakarida
Minowa, dkk(1997)
Micro Crystalline Cellulose
Hot Compressed Water (HCW), batch
3 variasi (Ni, alkali, tanpa katalis)
Ni : aqueous products gas
Alkali : glucose aqueous products, oil &char gas, oil & char
Tanpa katalis : glucose aqueous products & oilaqueous products, char & gas
Sasaki, dkk(1998)
Micro CrystallineCelluloseSupercritical water,
continuous
Produk glukosa dan oligomer, 75% berat, pada 400oC
Rogalinski, dkk(2007)
Corn Starch & Pure
Cellulose
Subcritical Water,
continuous
Pengaruh suhu reaksi terhadap hasil
Yan Zhao, dkk(2009)
Micro Crystalline CelluloseSupercritical water
(SCW), batch
Produk Oligosakarida 40% berat pada 380oC
Pinjari & Pandit(2010)
Microcrystallin celluloseUltrasonic Cavitation
process
Penurunan kristaliniti dan melting point
Herdy & Yusuf(2010)
Microcrystallin celluloseUltrasonic PretreatmentSupercritical water (SCW), batch
Produk Oligosakaridaterbanyak pada 340oC
Selulosa (kristaliniti tinggi)
Perenggangan
struktur
rantai
selulosa
Degradasi selulosa menjadi
oligosakarida
Ultrasonic Pretreatment
Metode Hydrothermal
Metode
Hydrothermal
Mempelajari pengaruh ultrasonic pretreatment pada penggunaan metode hydrothermal dalam
hidrolisis selulosa untuk mendapatkanoligosakarida
Menemukan suhu proses yang sesuai (dengan tekanan tetap, sekitar titik kritis air) dalam
hidrolisis selulosa untuk mendapatkan yield oligomer yang tinggi
TUJUAN PENELITIAN
Memberikan kontribusi untuk pengembangan penelitian selanjutnya yang bekerja pada
kondisi dekat air superkritis dengan ultrasonic pretreatment
Meningkatkan nilai ekonomi dari limbahbiomassa agar dapat dimanfaat menjadiproduk chemical intermediate khususnya
oligomer.
MANFAAT PENELITIAN
SelulosaTerdiri dari rantai homopolimer D-glukosa yang terikat oleh ikatan β (1-4)
Tidak melingkar, dan tidak bercabang
Tidak memiliki rasa, tidak berbau, dan tidak larut dalam air
Memiliki struktur yang kuat, lebih krital dari pati
Dalam tanaman tersusun bersama hemiselulosa, lignin, pektin, dan substansi lain
TINJAUAN PUSTAKA
Oligosakarida
Tersusun dari kurang dari 10 komponen monosakarida
Dapat dihidrolisis dengan asam
Dapat dimanfaatkan sebagai asam laktat dan komponen pembuat siklodekstrin
Salah satu jenis oligosakarida adalah cellodekstrin
OLIGOSAKARIDA
Cellopentaose
Cellotetraose
Cellotriose
Cellobiose
Mekanisme degradasi selulosa
Glukosa
Selulosa
Oligosakarida
Properti Air
Berat molekul (g/mol)
Suhu kritis (oC)
Titik beku (oC)
Tekanan kritis (MPa) Densitasn
pd 25oC (g/cm3)
0
374
18
0,99 22,1
H2O
Air kondisi standart ( T=25oC P=0,1 MPa)
Tidak larut dengan hidrokarbon dan gas
Larut dengan garam anorganik
Bersifat polar
Hot Compressed Water
Hot compressed water
(HCW) adalah air yang
berada pada daerah
nearcritical , subcritical
dan supercritical,
temperatur diatas
200oC dan tekanan
tinggi
Fluida Subkritis
Produk ion lebih tinggi dari kondisi standart
Air bersifat asam sehingga digunakan untuk prekursor katalis
Cocok digunakan sebagai media reaksi sintesa dan degradasi
Gelombang Ultrasonik
Frekuensi ultrasonik : 20 kHz – 100 MHz Frekuensi sonokimia : 20 – 40 kHz Pengaruh ultrasonik : - Kavitasi akustik, yaitu siklus
pembentukan, pertumbuhan, dankeruntuhan gelembung dalamcairan- Meningkatkan kereaktifan
kimiadan bertindak sebagai katalisuntuk lebih mereaktifkan atom-atom dalam molekul sistem.- Memecah padatan dari energi
yang timbul akibat runtuhnyakavitasi
Fenomena Pembentukan Kavitasi dan CollapseGelembung
Pengaruh Kavitasi
• Mengurangi waktu reaksi
• Meningkatkan yield dalam reaksi kimia
• Mengurangi suhu dan tekanan
• Meningkatkan selektivitas
• Membangkitkan radikal bebas
BahanGas N2 UHP; Aquades; Avicel
Microcrystalline Cellulose
Metode Penelitian
Variabel tetapRasio massa microcrystalline cellulose : air = 1 : 200
Ultrasonic Pretreatment
Variabel bebas
Waktu sonikasi(jam):
•1•2•3•4•5
Suhu sonikasi(oC) :•40•60
Hydrothermal Process
Variabel tetapTekanan = 25 MPa
Variabel bebas
Suhu (oC) :•280•300•320•340•360
Variabel
Frek : 28 kHzDimensi : 530 (p) x 325 (l) x 350 (t) mmUkuran Tub : 477 (p) x 272 (l) x 200 (t) mmKapasitas : 25 LPower Supply : AC100V, 50/60 Hz, 11APower Consumption : 1100WRange suhu : 35 – 60 oC
Bahan : Stainless steel (SS316)Dimensi : 340 (p) mm
¼ in (OD)0,035 in (thickness)0,18 in (ID)
Kapasitas : 5,580 ml
Ultrasonic Bath SU-27TH
Reaktor hidrotermal
Spesifikasi Alat
Skema Peralatan Reaksi Hidrotermal
Keterangan :
1. Reaktor
2. Band heater3. Insulator4. Thermocouple 5. Temperature
controller 6. Voltage Regulator7. AC source8. Pressure gauge9. Tabung Nitrogen10. Valve menuju booster
hidroulik11. Booster hidroulik12. Valve menuju udara13. Valve menuju reaktor14. Safety valve
AC
145
1
11
p
9
1012
13
8
7
4
3
2
1
6
Karakterisasi Hasil
Analisa sampel setelah ultrasonic pretreatment
Scanning Electron Microscopy (SEM)X-Ray Diffraction (XRD)
Particle Size Analyzer (PSA)
High Performance Liquid Chromatrography (HPLC)
Analisa sampel setelah reaksi hidrotermal
High Performance Liquid Chromatrography (HPLC)
(a) (b) (c)
SEMGambar pembesaran 1000x, untuk selulosa (a) standar, setelah sonikasi 40oC selama
(b) 1 dan (c) 5 jam
100m
HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar pembesaran 1000x, untuk selulosa (a) standar, setelah sonikasi 60oC selama(b) 1 dan (c) 5 jam
(a) (b) (c)
(a) (b) (c)
SEM
100m
HASIL DAN PEMBAHASAN
(a) (b) (c)
Gambar perbesaran 1000x, untuk selulosa (a) standar, setelah sonikasi (b) 40oC dan (c) 60oC selama 1 jam
Gambar perbesaran 1000x, untuk selulosa (a) standar, setelah sonikasi (b) 40oC dan (c) 60oC selama 5 jam
0 1 2 3 4 50
5
10
15
20
Waktu [jam]
Ukur
an pa
rtike
l [mi
krom
eter]
40oC60oC
PSA
10 20 30 40 50
2[°]
Xc = 72,89 %
Xc = 77,70 %
Xc = 73,95 %
Xc = 69,04 %
Xc = 63,60 %
Xc = 63,05 %
tanpa sonikasi
t = 1jam
t = 2jam
t = 3jam
t = 4jam
t = 5jam
T = 40oC
10 20 30 40 50
2[°]
Xc = 77,7 %
Xc = 75,5 %
Xc = 74,85 %
Xc = 70,1 %
Xc = 65,75 %
Xc = 64,63 %
tanpa sonikasi
t = 2jam
t = 3jam
t = 4jam
t = 5jam
t = 1jam
T = 60oC
Kristalinitas
XRD
Ukuran kristal (L) dan d-spacing
0 1 2 3 4 50
2
4
6
8
10
12
14
Waktu [jam]
L to
tal [
nano
met
er]
40oC60oC
0 1 2 3 4 50
1
2
3
4
5
6
7
Waktu [jam]
d-sp
acin
g [Å
mst
rong
]
40oC60oC
peak 14,8877
peak 16,1990
peak 22,5826
peak 34,4420
XRD
HPLC
Kromatogram HPLC Larutan Standar (a) Glukosa dan (b) Cellobiosa
Minutes0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Vo
lts
0
1000
2000
3000
Vo
lts
0
1000
2000
3000
4.093
glukosa
4.390
(cellobiosa)
(cellotriosa)
(cellotetraosa)
(cellopentaosa)
RI2300
Name
Retention Time
Minutes0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Vo
lts
0
1000
2000
3000
Vo
lts
0
1000
2000
3000
3.023
cellobiosa
5.057
RI2300
Name
Retention Time
(a) (b)
volt
s
HPLCKromatogram HPLC pada 250 kgf/cm2 dan 320oC
(tanpa sonikasi)
Minutes0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Vol
ts
0
1000
2000
3000
Vol
ts
0
1000
2000
3000
0.133
0.220
0.487
0.767
0.857
1.193
1.270
1.560
1.633
1.823
1.933
2.133
2.223
2.313
2.477
2.700
3.073
3.220
cellobiosa
4.787
(cellotriosa)
(cellotetraosa)
(cellopentaosa)
10.297
10.337
10.457
10.697
10.773
10.957
11.070
11.153
11.367
11.557
11.780
11.860
12.070
12.137
12.320
12.460
12.540
12.603
12.880
13.083
13.223
13.377
13.730
14.427
14.637
14.750
14.893
RI2300
Name
Retention Time
HPLCKromatogram HPLC pada 250 kgf/cm2 dan 320oC
(dengan waktu sonikasi 1 jam) pada suhu sonikasi (a) 40oC dan (b) 60oC)
Minutes0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Vo
lts
-500
0
500
1000
1500
2000
Vo
lts
-500
0
500
1000
1500
2000
0.040
3.233
glukosa
4.530
(cellobiosa)
RI2300
Name
Retention Time
Minutes0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Vo
lts
0
500
1000
1500
2000
2500
Vo
lts
0
500
1000
1500
2000
2500
0.050
glukosa
4.520
(cellobiosa)
RI2300
Name
Retention Time
(a) (b)
Kesimpulan
Perlakuan awal sonikasi memberikan pengaruh dalam degradasi selulosa. Penurunan kristalinitas, ditunjukkan oleh penurunan nilai L dan tidak cenderung berubahnya nilai d-
spacing, sebanding dengan lamanya waktu sonikasi. Pengurangan ukuran fiber dan diameter ukuran partikel sebanding dengan lamanya waktu sonikasi. Produk yang dihasilkan dari degradasi selulosa adalah glukosa dan cellobiosa. Diperoleh yield glukosa
pada suhu sonikasi 40oC sebesar 3,179% dan pada suhu sonikasi 60oC sebesar 3,031%. Sedangkan padasampel tanpa sonikasi diperoleh yield cellobiosa sebesar 18,34%.
Sampel dengan sonikasi pada hidrotermal cenderung membentuk glukosa dibandingkan dengan sampeltanpa sonikasi.