SEMINAR SKRIPSIDEGRADASI SELULOSA MENGGUNAKAN PROSES

HIDROTERMAL DENGAN PRETREATMENT SONIKASI DALAM LARUTAN BERKATALIS

Zaky Darmawan 2309100032

Hamam Sahroni 2309100138

Pembimbing :Dr. Ir. Sumarno, M.Eng

Laboratorium Teknologi Material

Jurusan Teknik Kimia

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

LATAR BELAKANG

TINJAUAN PUSTAKA

METODOLOGI PENELITIAN

HASIL PENELITIAN

KESIMPULAN

LATAR BELAKANG

Biosintesis 1011 ton/tahun

Selulosa melimpah di alam

LATAR BELAKANG

Industri Pemakai

Kertas

Bioplastik

Pemanfaatan langsung

Chemical intermediet

LATAR BELAKANG

Salah satu potensi besar dalam pemanfaatan selulosa

hidrolisis

Glukosa + Oligomer

bernilai ekonomi,bahan makananbahan intermediet

sulitnya memecahstruktur selulosa yang kompleks dan kuat

Selulosa

LATAR BELAKANG

1.Enzimatik dan Fermentasi

+ Terkontrol (karena sifat enzim yang spesifik)

- waktu yang lamatingkat sterilisasi proses yang tinggi,biaya operasional tinggi (penyediaan enzim dan mikroba)

2. Hidrolisis dengan asam kuat

+ Waktu hidrolisis relatif singkat

- produk harus dipisahkan dari asam sebelum dimanfaatkan

METODE DEGRADASI SELULOSA

LATAR BELAKANG

Metode yang sedan Berkembang

3. Hidrothermal

Pelarut non-ionik spesiesPolar seperti acetonePH turun sebanyak 3 unitReaktifitas meningkat

+ : MurahTidak beracunTidak mudah terbakarRamah lingkungan

- : Tekanan tinggi Suhu tinggi

Produk :oligomer, glukosa dan produk degrasi sebagai pyruvaldehide, hidroxymetilefurfural(HMF).

Subkritis dan superkritis

PENELITIAN TERDAHULU

Metode yang sedan Berkembang

Peneliti Metode Hasil

Minowa, dkk.(1994)

hidrolisis selulosa menggunakan Hot Compressed Water dalam autoclave, dan Nitrogen sebagai pressure gas. Dengan variasi proses tanpa katalis, katalis nikel, dan katalis nikel + sodium karbonate

Katalis nikel + sodium karbonat memperbesar yield methane

Sasaki, dkk.(1997)

mengusulkan metode untuk menghidrolisisselulosa secara cepat dalam supercritical water(SCW) untuk mendapatkan glukosa, fruktosa, danoligomer seperti cellobiose, cellotriose, dan lain-lain

Yield produkhidrolisis 75%.

Katsunobu Ehara dan Shiro Saka(2004)

mendegradasi selulose dalam air superkritis,sub kritis dan kombinasi keduanya

46% (superkritis) 22,7 % (subkritis) 66 %(superkritis + subkritis )

PENELITIAN TERDAHULU

Metode yang sedan Berkembang

Peneliti Metode Hasil

Jun Seok Kim (2001)

hydrolisis selulose dengan asam sulfat konsentrasi rendah 0,07% (%berat) dan temperatur tinggi

yield tertinggi 90,8 % (glukosa dan oligomer)

Huayu Wang, dkk (2011)

Mengusulkan hidrolisis selulosemenggunakan katalis silika (SiO2) padakondisi hidrothermal

yield tertinggi 73%(glukosa dan oligomer)

Pinjari dan Pandit (2010)

membuktikan bahwa metode sonikasi sangat efisien dalam mereduksi ukuran material selulosa

penurunan kristaliniti dari 86,56% menjadi 37,76% dan penurunan melting temperature dari 101,78oC menjadi 60,13o

Stein dkk(2010)

melakukan degradasi selulosa dengan metode hidrothermal dengan katalis asam dalam garam inorganik

Glukosa dan oligomer terbentuk secara optimal dengan katalis asam oksalat 0,1 M dalam 30% (w/w) NaCl

RUMUSAN MASALAH

Selulosa tidak larut dalam air

Asam Oksalat

Proses Sonikasi

GLUKOSA

Degradasi

Proses Hidrothermal

Efektif pada suhu >160oC

Penambahan jumlah ion reaktif

NaCl

Berkoordinasi dengan Asam

oksalat sehingga suhu reaksi <130oC

Memecah ikatan hidrogen dalam selulosa

Selulosa tidak larut dalam air

Degradasi Glukosa

TUJUAN PENELITIAN

1. Mempelajari pengaruh ultrasonic pre-treatmentpada penggunaan degradasi selulosamenggunakan metode hydrothermal denganpenambahan katalis asam pada larutan ionikuntuk mendapatkan produk glukosa.

2. Menemukan suhu dan waktu proses yang sesuai(dengan tekanan tetap, pada kondisi sub kritis)dalam hidrolisis selulosa untuk mendapatkanproduk glukosa

MANFAAT PENELITIAN

1. Penelitian ini diharapkan memberikankontribusi terhadap pemanfaatan selulosa.Sehingga diperoleh bahan kimia yangbernilai ekonomi baik sebagai kimia antara(chemical intermediate) atau sebagaiproduk

2. Penelitian ini juga diharapkan dapatmemberikan kontribusi terhadappengembangan metode hidrothermaluntuk mendegradasi selulosa denganultrasonic pretreatment dan penambahankatalis dalam larutan berionik agar dapatditerapkan dalam proses produksi skalayang lebih besar.

TINJAUAN PUSTAKA

Struktur Selulosa(Yun Yu, 2009)

TINJAUAN PUSTAKA

Skema degradasi selulosa(Sasaki,1998)

TINJAUAN PUSTAKA

SONIKASI KAVITASI HOT SPOT LOKAL

Gelombang ultrasonik terdiri dari siklus kompresi & ekspansi

hot spot lokal. Suhu sekitar 5000oC, tekanan 2000 atm

TINJAUAN PUSTAKA

Air Subkritis :Air pada kondisi di atas titik didih pada tekanan ambien (>100oC dan 0,1MPa) dan di bawah titik kritisnya (374oC dan 22,1 Mpa) (Möller, 2011)

Ambient

temperature

Subcritical water Supercritical water

Temperatur (oC)

Vapor pressure (MPa)

Agregate state

Density (g.cm-3)

Viscosity (µPas)

Heat Capacity, Cp

(Jg-1K-1)

Dielectric constant

Compressibility

Ion product, Kw

(mol2L-2)

0-100

0.003 (24oC)

Liquid

0.997 (25oC)

L: 884 G: 9.9(25oC)

L: 4.2 G: 2.0(25oC)

78.5 (25oC, 0.1 MPa)

No

10-14

(increasing to 10-12

at 100oC)

100-374

0.1(100oC) – 22.1 (374oC)

Liquid

0.958 (101 oC, 0.11 MPa)

0.692 (330 oC, 30 MPa)

L: 277 G: 12.3 (101oC)

L: 50.4 G: 30.7 (371oC)

L: 4.2 G: 2.1 (101oC)

L: 69 G: 145 (371oC)

27.1 (250 oC, 5 MPa)

18.2 (330oC, 30 MPa)

slightly increased, but still

a liquid at 370oC

increases from 10-12 (100oC) to 10-11 (300oC)

>374

>22.1

No phase separation

Between gas like and liquid like

densities,e.q 0.252 (410oC,

30MPa)

Low

1300 (400oC, 25MPa)

5.9 (400oC, 25MPa)

10.5 (400oC, 25MPa)

Yes

Strongly decreasing to below 10-20

(400oC) and below 10-23 (550oC)

increases slightly with

TINJAUAN PUSTAKA

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Solu

bili

ty o

f C

O2

(m

ol/

kg

wat

er)

T (oC)

P= 50 bar

P=100 bar

P=200 bar

P=300 bar

Profil Kelarutan CO2

dalam Air dengan

Kenaikan Suhu pada Berbagai Tekanan

(Duan & Sun, 2002)

TINJAUAN PUSTAKA

Katalis Padat : logam Pt atauRu, nickel catalyst atau alkali catalyst

Katalis cair : asam sulfat, asam asetatatau asam karboksilat

PENAMBAHAN KATALIS

KATALIS ASAM DIKARBOKSILAT(ASAM OKSALAT)

TINJAUAN PUSTAKA

Usaha peningkatan hasil depolimerisasi selulosa

LARUTAN IONIK

METODOLOGI PENELITIAN

BAHAN YANG DIGUNAKAN

Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah:•Avicell Microcrystalline Cellulose PH 102 : DP 100-300(Asehi Kasei Chemical Corp.)•Aquadest•Pressurizer Gas : Gas CO2(PT. Tri Gases)•Katalis Asam Oksalat•Larutan NaCl

METODOLOGI PENELITIAN

VARIABEL PENELITIAN

Kondisi operasi yang digunakan pada penelitian ini adalah: •Rasio selulosa : air = 20 : 1000 ( massa : volume )•Tekanan = 70 bar•Penambahan Katalis Asam Oksalat 0,1 M dalam Larutan NaCl30% (w/w)

Dengan variabel operasi:•Suhu sonikasi = 40, 60 (oC)•Suhu reaksi = 80, 90, 100, 110, 125, 140, 155(oC) •Waktu reaksi = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 (jam)

1. Probe ultrasonik

2. Gelas beaker

3. Water bath

4. Sumber ultrasonik

5. Chiller

6. Sumber listrik

7. Termokopel

8. Pemanas

PROSES SONIKASI

1. Isolator

2. Thermocouple

3. Reaktor

4. Band heater

5. Temperature controller

6. Sumber arus AC

7. Valve menuju udara

8. Valve menuju reaktor

9. Pressure gauge

10. Safety valve

11. Tabung Nitrogen

12. Valve menuju reaktor

13. Temperature indicator

PROSES HIDROTERMAL

METODOLOGI PENELITIAN

Karakterisasi produk:- Analisa XRD- Analisa SEM

Karakterisasi produk:- Analisa DNS

Proses Sonikasi Proses Hidrotermal

Analisa XRD : untuk mengetahui derajat kristalinitasAnalisa SEM : untuk mengetahui morfologiAnalisa DNS : untuk mengetahui jumlah glukosa

KARAKTERISASI PRODUK

Analisa SEM

Analisa XRD

TANPA SONIKASI DENGAN SONIKASI

Gambar Analisa SEM selulosa murni pembesaran 500x

Analisa SEM

A B CA B C

SEM pembesaran 2000x, untuk hidrotermal selulosa 6 jam: (a) tanpa proses sonikasi (b) dengan proses sonikasi 40oC dan (c) dengan proses sonikasi 60oC

Analisa SEM

SEM pembesaran 2000x, untuk hidrotermal selulosa 6 jam: (a) tanpa proses sonikasi (b) dengan proses sonikasi 40oC dan (c) dengan proses sonikasi 60oC

A B CA B C

Analisa XRD

Analisa XRD

Grafik XRD untuk selulosa murni dan pre-treatment sonikasi

Analisa XRD

Grafik XRD untuk residu selulosa tanpa pre-treatment sonikasi

Analisa XRD

Grafik XRD untuk residu selulosa dengan pretreatment sonikasi 40oC selama 1 jam

Analisa XRD

Grafik XRD untuk residu selulosa dengan pretreatment sonikasi 60 C selama 1 jam

Analisa DNS

Konsentrasi glukosa tanpa pretreatment sonikasi pada tekanan 70 bar dan waktu reaksi 6 jam

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Ko

nse

ntr

asi (

mg/

ml)

Suhu (C)

Analisa DNS

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Ko

nse

ntr

asi (

mg/

ml)

Suhu (C)

Konsentrasi glukosa dengan pretreatment sonikasi 40oC selama 1 jam pada tekanan 70 bar dan waktu reaksi 6 jam

Analisa DNS

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Ko

nse

ntr

asi (

mg/

ml)

Suhu (C)

Konsentrasi glukosa dengan pretreatment sonikasi 60oC selama 1 jam pada tekanan 70 bar dan waktu reaksi 6 jam

Analisa DNS

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Ko

nse

ntr

asi (

mg/

ml)

Waktu (jam)

Konsentrasi glukosa tanpa pretreatment sonikasi pada tekanan 70 bar dan suhu reaksi 140oC

Analisa DNS

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Ko

nse

ntr

asi (

mg/

ml)

Waktu (jam)

Konsentrasi glukosa dengan pretreatment sonikasi 40oC selama 1 jam pada tekanan 70 bar dan suhu operasi 140oC

Analisa DNS

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Ko

nse

ntr

asi (

mg/

ml)

Waktu (jam)

Konsentrasi glukosa dengan pretreatment sonikasi 60oC selama 1 jam pada tekanan 70 bar dan suhu operasi 140oC

Perlakuan awal sonikasi memberikan pengaruh dalam degradasi selulosa, yaitu: a) Penurunan derajat kristalinitas dari 30,4% menjadi 29,53%

pada sonikasi 40 C selama 1 jam dan 27,51 % pada sonikasi 60 C selama 1 jam

b) Suhu sonikasi 60oC menghasilkan ukuran fiber yang lebihkecil daripada suhu sonikasi 40oC

Produk yang dapat dianalisa dari degradasi selulosa adalah glukosa.Konsentrasi tertinggi yang didapatkan adalah 3,841 mg/ml pada waktuoperasi 5 jam dengan pretretment sonikasi 60oC selama 1 jam

KESIMPULAN

T E R I M A

K A S I H