BAB II

BAB II – PEMILIHAN DAN URAIAN PROSESUniversitas Surabaya

BAB II

PEMILIHAN DAN URAIAN PROSES

II.1 Perancangan Proses

Xylitol yang dikenal sebagai gula pengganti atau pemanis dalam

industri makanan, produk farmasi, dan produk kesehatan mulut dapat

diproduksi dari kulit pisang melalui 2 tahapan, yaitu:

Gambar II.1. Tahapan pembuatan xylitol

1. Proses pembuatan xylose dari Kulit Pisang

2. Proses pembuatan xylitol dari xylose

II.1.1 Proses Pembuatan Xylose dari Kulit Pisang

Proses pembuatan xylose dari kulit pisang dapat dilakukan dengan

2 cara, yaitu dengan proses hidrolisa enzimatik dan dengan proses

hidrolisa menggunakan asam kuat.

II.1.1.1 Proses Hidrolisa Enzimatik

Ada beberapa tahap yang perlu dilakukan dalam pembuatan xylose

dari kulit pisang menggunakan proses hidrolisa enzimatik.

Desain Proyek Pabrik Xylitol dari Bahan Baku Kulit Pisang II-1dengan Proses Hidrogenasi

Kulit Pisang Xylose Xylitol

Hidrolisa Hidrogenasi

Kulit Pisang

p

Pemasakan Hidrolisa

Enzim

Pemisahan dan Pemurnian Xylose


Gambar II.2. Proses pembuatan xylose dengan menggunakan hidrolisa

enzimatik

Tahap-tahap tersebut adalah sebagai berikut.

1. Pemasakan Kulit Pisang dengan Menggunakan Steam Jenuh

Kulit pisang yang di dalamnya terdapat kandungan hemiselulosa,

selulosa, lignin, dan air, dimasak dengan steam jenuh pada suhu

160°C sampai 230°C selama 10 sampai 60 menit. Larutan yang

dihasilkan dari proses ini memiliki kandungan padatan sekitar 40

sampai 60% berat.

2. Hidrolisa Enzimatik

Tahap ini bertujuan untuk menghasilkan xylose dengan

menghidrolisa hemiselulosa yang terdapat pada kulit pisang. Xylan

yang terdapat di dalam hemiselulosa dapat dihidrolisa menjadi xylose

dengan bantuan enzim xylanase. Enzim xylanase ini menyebabkan

reaksi hidrolisa berjalan secara spesifik terhadap xylan saja, sehingga

kandungan lain di dalam kulit pisang tidak mengalami perubahan.

Proses hidrolisa enzimatik ini dapat dikondisikan pada temperatur



30°-60°C, tetapi untuk menghasilkan yield yang optimal perlu

dikondisikan pada temperatur 40°-45°C. Hidrolisa ini juga perlu

dikondisikan agar larutan memiliki pH antara 4 sampai 5.

Penambahan buffer yang tepat perlu dilakukan untuk menjaga pH

larutan. Buffer yang digunakan dalam proses ini adalah asam sulfat

(H2SO4). Proses ini menggunakan proses batch dan akan mengubah

semua kandungan xylan di dalam kulit pisang menjadi xylose dalam

waktu proses 4 jam. Larutan yang dihasilkan dalam proses ini

mengandung xylose, enzim xylanase, lignin, air, asam sulfat, selulosa,

dan hemiselulosa sisa.

3. Netralisasi

Larutan hasil hidrolisa enzimatik masih mengandung sedikit asam

sulfat, sehingga perlu dinetralisasi dengan menggunakan Ca(OH)2.

Hasil dari proses netralisasi ini berupa endapan CaSO4 yang dapat

dengan mudah dipisahkan.

4. Pemisahan Xylose dari Zat-Zat Pengotor (Filtrasi dan Adsorbsi)

CaSO4, lignin, selulosa dan hemiselulosa sisa yang tidak larut pada

proses sebelumnya dapat dipisahkan dengan menggunakan pemisahan

mekanik, seperti filtrasi. Setelah difiltrasi, larutan xylose dilewatkan

pada sebuah adsorber yang di dalamnya terdapat karbon aktif dan akan

menghasilkan larutan yang telah mengalami proses penghilangan warna

dan bebas dari enzim xylanase.

5. Pemekatan

Larutan xylose yang telah mengalami proses filtrasi dan adsorpsi

selanjutnya dibawa menuju ke evaporator untuk dipekatkan.

II.1.1.2 Proses Hidrolisa dengan Asam Kuat

Xylose dapat dibuat dengan menggunakan proses hidrolisa

menggunakan asam kuat. Tahapannya hampir sama dengan proses

hidrolisa enzimatik. Kulit pisang dimasak terlebih dahulu dengan steam



pada suhu tinggi. Polisakarida yang terdapat di kulit pisang kemudian

dihidrolisa menjadi monosakarida dengan bantuan asam penghidrolisa,

seperti asam sulfat, asam klorida, asam trikloroasetat, dan asam

monokloroasetat. Komponen-komponen yang tidak diinginkan

dipisahkan dengan filtrasi dan adsorpsi.

Gambar II.3. Proses pembuatan xylose dengan menggunakan hidrolisa asam

kuat

II.1.2 Proses Pembuatan Xylitol dari Xylose

Proses pembuatan xylitol dari xylose dapat dilakukan dengan 2

cara, yaitu dengan proses hidrogenasi dan dengan proses fermentasi.

II.1.2.1 Proses Hidrogenasi

Pada proses ini, ada beberapa tahap produksi xylitol, Tahap-tahap

tersebut adalah:

1. Reaksi Hidrogenasi

Tahap ini bertujuan untuk menghasilkan xylitol dari xylose. Kristal-

kristal xylose yang ada direaksikan dengan gas H2 (hidrogenasi) pada

suhu 80°C dan tekanan 30 atm, sehingga terbentuk xylitol. Reaksi ini

dapat dengan mudah berjalan jika konsentrasi larutan xylose sebesar

40%. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

n (C5H10O5) + H2 n(C5H12O5) (1)

Xylose Xylitol

Reaksi ini terjadi di permukaan katalis Raney-nickel dan reaksi ini

bersifat eksotermis

2. Evaporasi dan Kristalisasi


Kulit Pisang

Pemasakan Hidrolisa

Asam Kuat

Pemisahan dan Pemurnian Xylose


Pada tahap ini, larutan xylitol yang berasal dari proses hidrogenasi

dipekatkan menggunakan evaporator. Setelah itu, larutan pekat

tersebut dikeringkan dan dikristalkan dengan menggunakan spray

dryer.

Gambar II.4. Proses pembuatan xylitol dengan menggunakan proses

hidrogenasi

II.1.2.2 Proses Fermentasi

Xylitol didapatkan dari hasil fermentasi xylose dengan bakteri.

Bakteri yang dapat menghasilkan enzim untuk mengkonversi xylose

menjadi xylitol adalah bakteri Candida fukumayaensis, Candida

guilliermondii, Candida boidinii, Pachysolen tannophillus dan

Debaryomyces hansenii, tetapi yang biasa digunakan adalah bakteri

Candida fukumayaensis.

Gambar II.5. Proses pembuatan xylitol dengan menggunakan proses

fermentasi

II.1.3 Pemilihan Proses

Proses pembuatan xylitol dari kulit pisang melewati dua tahapan

proses, yaitu proses pembuatan xylose dari kulit pisang dan proses

pembuatan xylitol dari xylose. Proses pembuatan xylose dari kulit pisang

dapat menggunakan proses hidrolisa enzimatik ataupun dengan asam


Xylose Hidrogenasi

Gas H2

Pemisahan dan Kristalisasi Xylitol

Xylose Fermentasi

Bakteri

Pemisahan dan Pemurnian Xylitol


kuat, sedangkan pada proses pembuatan xylitol dari xylose dapat

menggunakan proses hidrogenasi atau proses fermentasi.

Pada proses pembuatan xylose dari kulit pisang menggunakan

hidrolisa, ada beberapa keuntungan dan kerugian jika menggunakan

proses hidrolisa enzimatik dibandingkan dengan menggunakan proses

hidrolisa dengan asam kuat. Perbandingannya dapat dilihat pada tabel di

bawah ini

Tabel II.1. Perbandingan proses hidrolisa enzimatik dengan proses hidrolisa dengan

asam kuat

No Proses hidrolisa enzimatik Proses hidrolisa dengan asam kuat

1 Proses hidrolisa berjalan spesifik

hanya terhadap xylan dengan

menggunakan enzim xylanase

Proses hidrolisa berjalan tidak

spesifik terhadap xylan, di mana

polisakarida lain yang terkandung

di dalam kulit pisang juga akan ikut

terhidrolisa menjadi beberapa

produk seperti glukosa, xylose dan

arabinosa.

2 Tidak memerlukan proses

pemisahan lebih lanjut sebab tidak

dihasilkan produk samping

Memerlukan proses pemisahan

lebih lanjut untuk mendapatkan

xylose murni karena terdapat

banyak hasil sampingan dari reaksi

hidrolisa

3 Biaya yang dibutuhkan jauh lebih

murah

Biaya yang dibutuhkan akan jauh

lebih mahal

4 Prosesnya lebih mudah sebab

tidak diperlukan proses-proses

pemisahan

Prosesnya lebih rumit sebab

memerlukan banyak proses

pemisahan

5 Xylose yang dihasilkan lebih

murni

Xylose yang dihasilkan kurang

murni



6 Prosesnya lebih aman tidak

melibatkan bahan kimia yang

berbahaya

Prosesnya lebih berbahaya karena

melibatkan asam kuat dalam jumlah

besar

Dari tabel tersebut, dapat dilihat keuntungan dari proses hidrolisa

enzimatik ini adalah proses pembuatan xylose lebih mudah, produk yang

dihasilkan lebih murni dan biayanya juga lebih murah. Enzim xylanase

ini menyebabkan reaksi hidrolisa berjalan secara spesifik terhadap xylan

saja, sehingga kandungan lain di dalam kulit pisang tidak mengalami

perubahan. Jika menggunakan proses hidrolisa dengan asam kuat,

polisakarida yang ada di dalam kulit pisang dapat terhidrolisa menjadi

beberapa produk, seperti glukosa, xylose dan arabinosa. Dengan adanya

produk-produk samping selain xylose, menyebabkan proses hidrolisa ini

membutuhkan banyak sekali proses untuk pemisahan produk-produk

sampingnya. Proses pemisahan ini membutuhkan biaya yang lebih

banyak dan produk yang dihasilkan kurang murni akibat adanya produk-

produk samping yang susah dipisahkan. Proses hidrolisa ini juga

berhubungan dengan bahan kimia yang berbahaya, yaitu asam kuat.

Asam kuat ini digunakan dalam jumlah yang besar, sehingga tingkat

bahaya dalam proses ini lebih besar daripada proses hidrolisa dengan

menggunakan enzim.



Pada proses pembuatan xylitol dari xylase, ada beberapa keuntungan dan

kerugian jika menggunakan proses hidrogenasi dibandingkan dengan

proses fermentasi dapat dilihat pada tabel di bawah ini.

Tabel II.2. Perbandingan proses hidrogenasi dengan proses fermentasi

No Proses Hidrogenasi Proses Fermentasi

1 Dari tingkat kemudahan, proses

hidrogenasi lebih mudah dilakukan

karena hanya memerlukan katalis

dan gas H2.

Proses fermentasi lebih rumit karena

berhubungan dengan

mikroorganisme di mana

memerlukan pengetahuan tambahan

tentang sifat-sifat, kondisi

pertumbuhan dari mikroorganisme

yang digunakan dan kondisi operasi

yang optimal untuk mikroorganisme

tersebut.

2 Dari segi ekonomi, proses

hidrogenasi memerlukan biaya

yang jauh lebih murah karena

hanya menggunakan gas H2 dan

katalis.

Proses fermentasi memerlukan biaya

yang lebih mahal karena

membutuhkan mikroorganisme, di

mana dalam prosesnya juga

memerlukan biaya untuk

pemeliharaan mikroorganisme

3 Dari segi keamanan, proses

hidrogenasi lebih berbahaya

dibandingkan dengan proses

fermentasi karena terdapat proses

hidrogenasi yang melibatkan gas

H2 yang mudah meledak, sehingga

diperlukan kontrol yang baik

Proses fermentasi lebih aman sebab

tidak melibatkan adanya bahan-

bahan atau zat-zat kimia yang

berbahaya

4 Dari segi waktu, proses

hidrogenasi memerlukan waktu

yang lebih singkat

Proses fermentasi memerlukan

waktu yang lebih lama karena

diperlukan perlakuan khusus bagi

mikroorganisme untuk terjadi proses

fermentasi



Dari tabel di atas dapat dilihat bahwa dengan proses hidrogenasi,

pembuatan xylitol lebih mudah dan biaya prosesnya juga lebih murah jika

dibandingkan dengan proses fermentasi. Namun, penggunaan gas

hidrogen yang mudah meledak menjadi salah satu kerugiannya, sehingga

dibutuhkan kontrol yang sangat baik.

Proses fermentasi juga memiliki beberapa keuntungan dan

kerugian. Keuntungan dari proses ini adalah produk yang dihasilkan

lebih murni jika dibandingkan dengan proses hidrogenasi, sedangkan

kerugiannya terkait pada waktu. Apabila menggunakan proses

fermentasi, waktu yang dibutuhkan untuk proses produksi lebih lama

sehingga biaya yang dibutuhkan juga lebih banyak. Selain itu, proses

pembuatan xylitol juga lebih sulit karena diperlukannya perlakuan-

perlakuan tertentu terhadap mikroorganisme yang terlibat. Beberapa

diantaranya adalah penjagaan pH, suhu dan penghilangan komponen-

komponen pada hasil hidrolisa yang bersifat racun yang terbentuk pada

saat proses hidrolisis berlangsung karena dapat menghambat kerja enzim

dalam proses pembuatan dari xylose menjadi xylitol.

Berdasarkan penjelasan yang telah diuraikan di atas, proses-proses

yang dipilih dalam pembuatan xylitol dari kulit pisang adalah proses

hidrolisa enzimatik dan proses hidrogenasi.



II.1.4 Uraian Proses

II.1.4.1 Pembuatan Xylose dari Kulit Pisang dengan Proses Hidrolisa

Enzimatik

Pada awal proses kulit pisang dipindahkan menuju cutter dengan

menggunakan belt conveyor. Kemudian, kulit pisang hasil potongan

dengan cutter tersebut dipindahkan dengan menggunakan screw

conveyor menuju bucket elevator. Dari bucket elevator, kulit pisang

dipindahkan menuju ke cooker dengan screw conveyor.

Kulit pisang yang di dalamnya terdapat kandungan hemiselulosa,

selulosa, lignin, dan air, dimasak dengan steam jenuh pada suhu 160 °C

selama 10 menit menggunakan cooker. Cooker ini berjalan dengan

proses batch. Larutan yang dihasilkan dari proses ini memiliki

kandungan padatan sekitar 40 sampai 60% berat.

Kulit pisang yang telah diproses dengan steam jenuh tersebut

kemudian dialirkan menuju mixer. Di mixer ini terjadi proses

pencampuran dengan air dan juga proses penurunan suhu. Kemudian

dilakukan penyaringan, dimana filtrat dibuang sedangkan ampas basah

diambil. Ampas yang basah tadi dilakukan pengeringan menggunakan

dryer dengan suhu 60oC selama 24 jam. Hasil ampas yang sudah kering

digiling menggunakan crusher kemudian diayak dengan ayakan sebesar

20 mesh hingga diperoleh substrat xylan. Setelah itu, substrat xylan yang

telah terbentuk dialirkan ke reaktor hidrolisa enzimatik untuk dihidrolisa

secara enzimatik. Xylose dapat dihasilkan dengan menghidrolisa xylan

yang merupakan salah satu komponen hemiselulosa dalam kulit pisang.

Hidrolisa enzimatik ini dilakukan dengan bantuan enzim xylanase dan

dikondisikan pada temperatur 55 °C dan dalam rentang waktu 30 – 180

menit. Di bawah ini adalah reaksi hidrolisanya:

n (C5H8O4) (aq) + H2O (aq) n (C5H10O5) (aq)

Xylan Xylose

Hidrolisa ini juga perlu dikondisikan agar larutan memiliki pH

netral. Untuk itu, digunakan asam sulfat (H2SO4) sebagai asam untuk

menjaga pH larutan. Proses ini menggunakan proses batch dan akan


Enzim xylanase (s)


mengubah semua kandungan xylan di dalam kulit pisang menjadi xylose

dalam waktu proses 4 jam. Konversi reaksi yang terjadi adalah 100%

(Jurnal “Process for the production of xylose by enzymatic hydrolysis of

xylan – US Patent 4200692”). Proses hidrolisa ini bersifat endotermis,

sehingga dibutuhkan adanya coil pendingin untuk menjaga agar reaksi

tetap berada pada suhu 55°C. Larutan yang dihasilkan dalam proses ini

mengandung xylose, enzim xylanase, lignin, air, asam sulfat, selulosa,

dan hemiselulosa sisa.

Larutan hasil hidrolisa enzimatik kemudian dialirkan menuju

tangki penampung hasil hidrolisa. Setelah itu, dialirkan menuju reaktor

netralisasi. Larutan ini perlu dinetralisasi karena masih mengandung

sedikit asam sulfat. Proses netralisasi ini menggunakan Ca(OH)2 0,185%.

Hasil dari proses netralisasi ini berupa endapan CaSO4 yang dapat

dengan mudah dipisahkan.

CaSO4, lignin, selulosa, dan hemiselulosa sisa yang tidak larut pada

proses sebelumnya dapat dipisahkan dengan menggunakan rotary

vacuum filter. Larutan yang dihasilkan kemudian dilewatkan pada sebuah

adsorber yang di dalamnya terdapat karbon aktif dalam bentuk fixed bed,

sehingga dapat menghasilkan larutan yang telah mengalami proses

penghilangan warna dan bebas dari enzim xylanase. Larutan xylose yang

telah mengalami proses filtrasi dan adsorbsi selanjutnya dibawa menuju

ke evaporator untuk dipekatkan dengan suhu operasi 100,65 °C pada

tekanan 1 atm agar didapatkan larutan xylose sebesar 40%.

II.1.4.2 Pembuatan Xylitol dari Xylose dengan Proses Hidrogenasi

Larutan xylose yang telah terbentuk kemudian dialirkan menuju

cooler untuk didinginkan hingga mencapai suhu 80 oC agar sesuai

dengan suhu operasi proses hidrogenasi. Kemudian, larutan xylose

tersebut kemudian dialirkan menuju reaktor hidrogenasi dan direaksikan

dengan gas H2 sehingga terbentuk xylitol. Proses hidrogenasi ini dapat

berjalan dengan baik jika larutan memiliki konsentrasi 40% dan



menggunakan katalis Raney-nickel (“Aqueous crystalllization of xylitol –

US Patent 3985815”). Di bawah ini adalah reaksi hidrogenasinya:

(C5H10O5) (aq) + H2 (g) (C5H12O5) (aq)

Xylose Xylitol

Proses hidrogenasi ini akan berjalan pada suhu 80 oC dan tekanan

30 atm dengan space time 2,077 jam. Konversi reaksi yang terjadi adalah

99% (Jurnal “Hydrogenation Process – US Patent”). Produk yang keluar

kemudian dialirkan melalui throttle valve untuk diturunkan tekanannya

menjadi 1 atm agar pemisahan antara gas H2 sisa dan larutannya menjadi

lebih mudah. Setelah itu, larutan tersebut dialirkan menuju gas-liquid

separator untuk memisahkan larutan xylitol dengan gas H2 sisa. Gas H2

sisa yang telah dipisahkan tersebut kemudian dialirkan menuju compressor

untuk dinaikkan tekanannya menjadi 30 atm. Gas H2 tersebut dicampur

dengan umpan gas H2 baru yang sebelumnya dinaikkan tekanannya dahulu

dengan compressor.

Larutan xylitol yang keluar dari gas-liquid separator kemudian

dipekatkan hingga jenuh di evaporator dengan suhu operasi 102,286 °C

dan tekanan 1 atm agar larutan xylitol ini mudah dikeringkan dan

dikristalkan. Setelah dipekatkan, larutan xylitol dialirkan menuju spray

dryer untuk dikeringkan dan dikristalkan dengan menggunakan udara

panas 130 °C dan akan menghasilkan kristal xylitol dengan suhu 120 °C.

Kristal xylitol yang terbawa oleh udara panas, dipisahkan menggunakan

cyclone. Kristal xylitol dari spray dryer dan dari cyclone tersebut

kemudian disimpan di dalam silo xylitol.


Raney nickel (s)


II.2 Diagram Alir Proses


Ca(OH)2

Xylose, enzim xylanase, lignin(s), H2SO4, selulosa, hemiselulosa sisa

Xylose, enzim xylanase, lignin(s), CaSO4(s), selulosa, hemiselulosa sisa

PEMASAKAN

160 °C (6,099 atm)

KULIT PISANG

Steam

160 °C (6,099 atm)

Enzim xylanase

PENYARINGAN

Asam kuat (H2SO4 75%)

PENDINGINAN

76,32 °C (1 atm)

PENGERINGAN60oC, 24 jam40 °C (1 atm)

PENGGILINGAN(20 mesh)

Cake (20% retention liquid)

Lignin(s), CaSO4, selulosa,hemiselulosa sisaXylose, enzim xylanase

PENGAYAKAN

HIDROLISA55oC, 1 atm,30-180 menit

(

FILTRASI

NETRALISASI

Filtrat dibuang


Gambar II.6. Diagram alir proses pembuatan Xylose dari kulit pisang


Larutan xylose 40%100,653 °C

ADSORBSI

PEMEKATAN100,88oC (1 atm)

Kondensat 160 °CSteam160 °C (6,099 atm)

Enzim xylanase (terakumulasi), Zat warna

Karbon aktif

Xylose


Gambar II.7. Diagram alir proses pembuatan xylitol dari xylose


Xylitol

KRISTAL XYLITOL98,02%

PEMEKATAN102,286 °C (1 atm)

PENGKRISTALAN120 °C (1 atm)

Steam160 °C (6,099 atm)

Kondensat 160 °C

Udara130 °C

Udara61 °C

HIDROGENASI80 °C (30 atm)

Larutan xylose 40%100,653 °C

PENDINGINAN80°C

PEMISAHAN80 °C (1 atm)

PENDINGINAN80 °C (30 atm)

Fresh H2

30 °C (1atm)

KOMPRESI30 atm

H2 570,249 °C(30 atm)

H2 sisa80 °C (1 atm)

H2 80 °C(30 atm)

Xylitol, H2 sisa

KOMPRESI30 atm

H2 547,312 °C (30 atm)

Larutan xylose 40%80 °C

H2 677,613 °C(30 atm)

BAB II – PEMILIHAN DAN URAIAN PROSES Universitas Surabaya

SCHEDULING REAKTOR HIDROLISA ENZIMATIK (R-210)

Waktu (menit)

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870

Reaktor ke

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Waktu pengisian

Waktu reaksi

Waktu pengeluaran


BAB II

Documents

Transcript of BAB II