55
III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Kerangka Pemikiran Penelitian perancangan proses sulfonasi lignin isolat TKKS menjadi NLS diawali dengan adanya gagasan/ide yaitu melimpahnya TKKS sebagai sumber bahan berlignoselulosa yang berpotensi sebagai bahan dasar pembuatan kertas dan pulp serta natrium lignosulfonat (NLS), kebutuhan Indonesia akan NLS yang sampai saat ini masih seratus persen mengimpor dari negara-nagara Skandinavia, serta peluang pendirian NLS secara mandiri. Perancangan proses mengacu pada Seider et.al, 1999, meliputi kreasi/sintesis proses serta pengembangan proses. Sintesis proses meliputi pemilihan jalur pemasakan/pulping TKKS dan pemilihan teknik isolasi lignin yang tepat untuk memperoleh lignin isolat terbaik serta proses sulfonasi lignin menjadi NLS. Selajutnya melakukan optimasi kondisi proses sulfonasi lignin untuk mendapatkan hasil NLS terbaik, identifikasi dan karakterisasi NLS dengan membandingkan karakteristik NLS standar (NLSAldrich). Untuk mengetahui kinerja produk NLS sebagai bahan pendispersi, maka dilakukan uji kinerja NLS yang diaplikasikan pada pasta gipsum dengan mengamati nilai alir (flow value) pada penambahan berbagai kadar NLS yang dicampurkan dalam pasta gipsum. Hasil kinerja NLS juga dibandingkan dengan kinerja NLS-Aldrich. Pengembangan proses untuk mendapatkan perancangan lengkap, yaitu melakukan penggandaan skala (scale up) melalui pendekatan sistematis empiris (pemodelan). Model kinetika reaksi proses sulfonasi lignin yaitu model persamaan kecepatan reaksi (rA) dan konstanta laju reaksi (k), merupakan model yang menghubungkan antara proses reaksi dan volume/kapasitas reaktor. Simulasi neraca massa pada berbagai kapasitas dilakukan untuk mendapatkan persamaan matematik biaya produksi total (tC) NLS sebagai fungsi kapasitas produksi (P) dan melakukan optimasi untuk mendapatkan kapasitas produksi NLS optimum. Kondisi proses optimum, konversi, dan kapasitas NLS optimum digunakan sebagai data (input) dalam pembuatan diagran alir yaitu process engineering flow diagram (PEFD) yang hasil (output) nya merupakan gambaran riil proses sulfonasi lignin menjadi NLS, yang melibatkan rangkaian peralatan, kondisi 55
56 proses di setiap alat, distribusi neraca massa dan energi disetiap alat (tahapan proses). PEFD dibuat dengan paket program HYSYS. Untuk mengetahui apakah industri surfaktan NLS layak dikembangkan atau tidak, dilakukan analisis finansial dengan menentukan beberapa kriteria kelayakan yaitu NPV, IRR, Net B/C, BEP dan PBP, juga dilakukan analisis tingkat sensitivitas pada beberapa perubahan kondisi. Kerangka pemikiran perancangan proses sulfonasi lignin menjadi surfaktan natrium lignosulfonat (NLS) disajikan pada Gambar 3.1 KEGIATAN 1. Kreasi proses (sintesis proses) : penentuan jalur proses pemasakan/pulping TKKS, dan penentuan teknik isolasi lignin untuk mendapatkan lignin isolat yang baik. Selanjutnya melakukan optimasi kondisi proses sulfonasi lignin menjadi NLS, identifikasi dan karakterisasi NLS, serta uji kinerja NLS sebagai bahan pendispersi. 2. Pengembangan proses meliputi: penentuan model kinetika reaksi, simulasi dan optimasi kapasitas produksi NLS, validasi model, serta integrasi dalam process engineering flow diagram (PEFD) 3. Analisis kelayakan finansial pendirian industri NLS HASIL 1. Informasi jalur pemasakan/pulping TKKS, serta teknik isolasi lignin terbaik, kondisi proses sulfonasi optimum, hasil identifikasi dan karakteristik NLS, serta hasil kinerja NLS sebagai bahan pendispersi 2. Model kinetika reaksi, hasil simulasi neraca massa untuk berbagai kapasitas, kapasitas produksi NLS optimum , serta integrasi dalam PEFD 3. Informasi kelayakan finansial pendirian industri NLS Rancangan proses produksi NLS berbahan dasar TKKS Gambar 3.1 Kerangka pemikiran perancangan proses sulfonasi lignin isolat TKKS menjadi natrium lignosulfonat (NLS). 3.2 Metode penelitian 3.2.1 Alat dan Bahan Untuk Preparasi Lignin Isolat dan Proses Sulfonasi A. Preparasi lignin Peralatan yang digunakan pada tahap preparasi lignin isolat dan proses sulfonasi lignin menjadi NLS yaitu: peralatan proses pemasakan
57 atau proses pulping serpih TKKS adalah digester (500 ml); penyaring vakum dengan corong kaca masir, sentrifus untuk pemurnian lignin serta oven pengering lignin; B. Proses Sulfonasi Peralatan yang digunakan untuk proses sulfonasi adalah rangkaian reaktor tangki berpengaduk (batch) dan alat pendukungnya. (labu leher tiga dilengkapi dengan pengaduk, pemanas (hot plate stirrer), pendingin balik, termometer; water bath); peralatan untuk identifikasi dan karakterisasi antara lain : Spektro UV-Vis HP tipe 8452 A, diode array spectrophotometer untuk mengukur absorbansi pada panjang gelombang tertentu. Spectrophotometer FTIR digunakan untuk pencirian
gugus
fungsi lignin dan natrium lignosulfonat (NLS), LC-MS untuk mengetahui fragmen-fragmen bobot molekul gugus fungsi NLS (m/z), peralatan untuk evaluasi kinerja NLS adalah tabung yang terbuat dari botol plastik yang dibentuk cincin dengan diameter 50 mm dan tinggi 50 mm. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: TKKS, yang diperoleh dari PTPN VIII, Pandeglang, Jawa Barat; bahan-bahan kimia untuk proses pulping adalah etanol dan NaOH; bahan-bahan kimia untuk isolasi lignin yaitu: H2SO4, NaOH dan aquades; bahan-bahan kimia untuk sulfonasi yaitu natrium bisulfit (NaHSO3) dan NaOH; Bahan kimia untuk pemurnian natrium lignosulfonat (NLS) dari sisa reaktan yang tidak bereaksi adalah metanol; serta gipsum yang digunakan untuk uji kinerja NLS sebagai bahan pendispersi.
3.2.2 Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dilakukan di Laboratorium Proses Kimia, Universitas Muhammadiyah Jakarta (UMJ), Laboratorium Kimia Hasil Hutan, Fakultas Kahutanan Institut Pertanian Bogor (IPB). Beberapa pengujian dilakukan di Laboratorium Kimia Polimer LIPI Serpong. Penelitian dilakukan pada bulan Maret 2006 sampai dengan Agustus 2007.
58 3.2.3 Tahapan Penelitian Tahapan penelitian meliputi sintesis proses dan pengembangan proses seperti terlihat pada Gambar 3.2 Pemilihan jalur pemasakan/pulping bahan baku TKKS (metoda heuristik)
Jalur pemasakan terbaik Pemilihan teknik isolasi lignin (metoda heuristik)
Sintesis Proses
Jalur isolasi lignin terbaik
Analisis
¾ harga, ¾ kandungan lignin, ¾ dampak lingkungan
¾ ¾ ¾ ¾
harga, rendemen, kemurnian lignin, kadar metoksil Analisis
Optimasi kondisi proses sulfonasi lignin (nisbah pereaksi, pH, suhu) metode RSM
¾ Konversi lignin menjadi NLS ¾ Kemurnian NLS
Kondisi proses optimum
NLS
¾ Identifikasi NLS ¾ Karakterisasi NLS ¾ Uji kinerja NLS
Pemodelan kinetika reaksi
Model Persamaan kecepatan reaksi (rA) dan model konstanta laju reaksi (kA)
Pengembangan Proses
Optimasi kapasitas produksi NLS
¾ Simulasi neraca massa pada berbagai kapasitas NLS ¾ Biaya produksi total (tc)
Kapasitas NLS optimum
Integrasi proses (PEFD) Kriteria kelayakan Analisis kelayakan finansial
NPV, IRR, Net B/C, BEP, PBP
Rancangan proses sulfonasi lignin isolat TKKS menjadi natrium lignosulfonat (NLS) Gambar 3.2 Tahapan Penelitian.
59 3.2.3.1 Sintesis Proses 3.2.3.1.1 Pemilihan Jalur Pemasakan/pulping TKKS dan Pemilihan Teknik Isolasi Lignin Pemilihan jalur proses pemasakan/pulping TKKS dan pemilihan teknik isolasi Lignin yaitu dengan mensintesis hasil dari beberapa peneliti yang telah dilakukan maupun dari pustaka yang menunjang. Ada beberapa proses pulping yang biasa digunakan yaitu proses kraft (sulfat), proses sulfit (NSSC) serta proses organosolv. Pemilihan proses didasari atas beberapa pertimbangan yaitu harga bahan pemasak, kandungan lignin dalam lindi, sifat fisiko-kimia serta dampak lingkungan. Teknik isolasi lignin yang biasa dipakai adalah cara presipitasi asam (metode Kim) serta cara ekstraksi, masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Pertimbangan teknik isolasi didasari oleh harga bahan untuk isolasi, rendemen lignin, kemurnian lignin serta kadar metoksil.
Metode Pengambilan Keputusan Dalam Sintesis Proses Ada beberapa metode pengambilan keputusan dalam sintesis proses yang dapat digunakan yaitu metode kualitatif dengan menggunakan aturan heuristik (berdasarkan pengalaman pada kaidah umum) atau secara algoritma seperti metode perbandingan eksponensial (MPE). Aturan Heuristik Aturan heuristik menurut Hartmann dan Kaplick, 1990 adalah teori dan penyelesaian yang dapat dipercaya tetapi tidak sempurna, merupakan rule of thumb, sebagai pendekatan dalam pengambilan keputusan. Aturan heuristik untuk mensintesis proses dikelompokkan menjadi 5 (lima), yaitu aturan heuristik untuk persiapan dan modifikasi, menentukan struktur sistem, memilih sistem dan parameternya, memodifikasi sistem dan evaluasi sistem, sedangkan menurut Seider et al, 1999, aturan heuristik untuk sintesis proses meliputi pemilihan reaksi kimia untuk mengeliminasi perbedaan jenis-jenis molekul, pencampuran dan daur ulang untuk mendistribusikan bahan kimia, pemisahan untuk mengeliminasi perbedaan komposisi, suhu, tekanan dan perubahan fase, integrasi proses untuk mengkombinasikan tugas-tugas satuan proses. Aturan heuristik untuk sintesis sistem proses adalah: mengurangi kuantitas aliran proses agar buangan tidak
60 banyak, mengurangi bahan tambahan, mengurangi kuantitas bahan kimia, mengurangi pencampuran, usahakan adanya integrasi proses, memilih kondisi proses yang memungkinkan.
3.2.3.1.2 Preparasi Lignin Isolat TKKS A. Proses Pemasakan/pulping TKKS. Proses pemasakan/pulping dilakukan dengan metode organosolv dengan alat pemasak digester, metode ini sering dilakukan pada jenis kayu lunak seperti TKKS. Bahan pemasak yang digunakan adalah pelarut organik etanol dengan katalisator NaOH dengan komposisi terhadap TKKS divariasikan. Serpih TKKS, larutan pemasak etanol, dan katalisator NaOH dipulping atau dimasak dalam digester . Proses pemasakan dilakukan dua tahap, yaitu proses pemasakan mulai suhu kamar sampai suhu maksimum (170oC), kemudian pemasakan dipertahankan pada suhu maksimum tersebut selama waktu tertentu (1,5 jam) Tahapan dan kondisi proses pulping/delignifikasi serpih TKKS adalah sebagai berikut: • Berat kering serpih TKKS
: 250 gram
• Komposisi larutan pemasak
: etanol teknis 95% : air (1:1)
• Komposisi larutan pemasak terhadap TKKS
: 10 : 1 (v/b)
• Komposisi Katalis (NaOH) terhadap TKKS
: 5, 10, dan 15 % (b/b)
• Suhu maksimum
: 170 oC
• Lama pemasakan
: 1,5 jam
• Lama proses pada suhu maksimum
: 1 jam
Hasil proses pulping/delignifikasi terdiri atas dua bagian yaitu lindi hitam (black liquor) dan serpih (pulp) yang agak lunak. Serpih yang dihasilkan dicuci dengan aseton teknis kemudian dengan air dan sisa cairan pencucian ditambahkan ke dalam lindi hitam (black liquor). Lindi hitam tersebut disaring dengan menggunakan penyaring kain nylon 20 µm untuk memisahkan bahan terlarut dalam lindi hitam (filtrat) dan tidak terlarut (residu). Filtrat atau lindi hitam yang telah bebas dari residu kemudian dianalisa pH dan kadar padatan totalnya.
61 B. Proses Isolasi Lignin Dari Lindi Hitam TKKS. Teknik isolasi lignin dari lindi hitam TKKS dilakukan dengan metode presipitasi asam yaitu isolasi yang dikembangkan oleh Kim et al. (1987). Tahapan proses isolasi lignin meliputi: 1) Pengendapan dengan asam sulfat (H2SO4) pada konsentrasi yang divariasikan; 2) Pelarutan endapan lignin dengan menggunakan NaOH 1 N ; 3) Pengendapan lignin kembali dengan menggunakan H2SO4 dengan konsentrasi yang sama pada pengendapan pertama; 4) Pencucian dengan H2SO4 0,01N;
5) Dilanjutkan pencucian
dengan air; 6) Pengeringan dengan oven pada suhu 50- 60 OC. Parameter yang diamati adalah rendemen lignin isolat dan kemurnian lignin isolat yang dihasilkan. Tahapan dan kondisi proses isolasi lignin adalah sebagai berikut: Sebanyak 500 ml lindi hitam yang telah disaring (filtrat) diendapkan ligninnya dengan cara dititrasi dengan asam sulfat dengan konsentrasi yang divariasikan yaitu H2SO4 5, 20 dan 35 % (v/v). Titrasi dilakukan secara perlahan-lahan (± 1 ml per menit) hingga mencapai pH 2, kemudian didiamkan selama minimal 8 jam agar pengendapan sempurna. Larutan asam bagian atas di pisahkan dari endapan lignin. Endapan lignin dilarutkan dalam larutan alkali yaitu NaOH 1N hingga volume mencapai 2 kali, Selanjutnya larutan lignin diendapkan kembali dengan cara titrasi menggunakan asam sulfat (H2SO4) dengan konsentrasi yang sama seperti pada proses pengendapan pertama. Endapan lignin dipisahkan dari larutan dengan menggunakan alat sentrifuse, kemudian endapan dicuci menggunakan H2SO4 0.01N, dilanjutkan pencucian dengan aquadest dan disaring menggunakan penyaring vakum. Endapan yang telah dicuci dikeringkan dalam oven 50-60oC selama 24 jam sehingga dihasilkan lignin isolat dengan kemurnian tinggi berbentuk serbuk/tepung. Secara rinci tahap preparasi lignin isolat TKKS disajikan pada Gambar 3.3
62 Proses pemasakan/pulping (Proses organosolv) Serpih TKKS 250 gram + 2,5 liter etanol teknis 50% dalam digester dengan penambahan katalis NaOH yang divariasikan (0 %, 5%, 10 % dan 15 %).
Penyaringan
Selulosa/pulp
Lindi hitam/ black liquor
Isolasi lignin (Metode presipitasi asam (H2SO4) (Kim et al., 1978 ) Pengendapan lignin : 500 ml lindi ditetrasi dengan H2SO4 dengan konsentrasi yang divariasi 5, 20 dan 35 %, hingga pH 2
Pengendapan bertingkat
Larutan zat ekstraktif
Lignin terisolasi (lignin isolat)
Gambar 3.3 Tahap preparasi lignin isolat TKKS. C. Karakterisasi Lignin Isolat. Karakterisasi dilakukan untuk mengetahui sifat fisiko-kimia lignin isolat yang dihasilkan. Karakteristik lignin isolat meliputi : rendemen lignin isolat, kadar padatan total lignin, keasaman, kadar metoksil lignin dan bobot molekul lignin (Mr), serta identifikasi gugus fungsi yang terkandung didalamnya dengan Fourrier Transform Infrared ( FT-IR). Prosedur karakterisasi lignin isolat disajikan pada Lampiran 1.
3.2.3.1.3 Optimasi Kondisi Proses Sulfonasi Lignin Isolat Menjadi NLS. Proses sulfonasi lignin dengan bahan penyulfonasi natrium bisulfit (NaHSO3) menghasilkan natrium lignosulfonat (NLS) dilakukan dengan memodifikasi metode Syahmani (2001) dan Yasuda (2004). Variabel bebas yang divariasikan adalah nisbah pereaksi (NaHSO3 terhadap lignin), pH, serta suhu
63 reaksi. Parameter yang diamati adalah nilai konversi lignin menjadi NLS serta kemurnian NLS yang dihasilkan. Tahapan optimasi kondisi proses sulfonasi lignin isolat menjadi NLS adalah sebagai berikut: Lignin isolat dengan bobot tertentu (5 gram) disuspensikan dengan 150 ml air atau perbandingan lignin : air (1 : 30 b/v), dalam labu bulat leher 3 ukuran 500 ml dan diaduk menggunakan magnetic-stirrer. Suspensi ini ditambahkan natrium bisulfit (NaHSO3) sebagai bahan penyulfonasi dengan nisbah pereaksi (NaHSO3 terhadap lignin) divariasikan yaitu 40, 50, 60, dan 70 % b/b , pH divariasikan yaitu 4, 5, 6, dan 7 dengan menambahkan NaOH konsentrasi 20 % sebagai katalis yang ditunjukkan dalam skala indikator pH universal. Campuran tersebut diaduk dengan magnetic stirrer agar campuran bereaksi sempurna. Suhu reaksi divariasikan yaitu 70, 80, 90 dan 100 oC, dengan pemanas water bath selama 4 jam, yang dimonitor dengan termometer. Hasil reaksi berupa produk NLS, sisa reaksi (lignin dan natrium bisulfit) serta air. Proses pemisahan dan pemurnian produk NLS dilakukan melalui beberapa tahap yaitu: hasil reaksi dievaporasi guna mengurangi volume air pada suhu 100 o
C, larutan yang telah pekat disaring dengan corong buchner untuk memisahkan
sisa lignin yang tidak bereaksi. Filtrat berupa larutan NLS yang masih mengandung sisa natrium bisulfit yang tidak bereaksi. Filtrat kemudian ditambahkan metanol (teknis yang didestilasi) sebanyak kurang lebih 30 ml sambil dikocok kuat sehingga natrium bisulfit sisa terikat oleh metanol, kemudian dipisahkan menggunakan corong buchner untuk memisahkan sisa natrium bisulfit tersebut. Larutan NLS diuapkan pada suhu 60 oC untuk mengurangi metanol dan mendapatkan NLS pekat, kemudian dikeringkan dalam oven vakum maksimum suhu 50oC, ditimbang sampai diperoleh NLS dengan bobot konstan. NLS yang dihasilkan berupa serbuk/bubuk dan memiliki kemurnian yang tinggi. Secara rinci proses sulfonasi lignin isolat TKKS menjadi NLS disajikan pada Gambar 3.4
64
Optimasi proses sulfonasi lignin isolat TKKS 5 gram lignin isolat disuspensikan dengan 150 ml air atau perbandingan lignin : air (1 : 30 w/w) disulfonasi dengan natrium bisulfit (NaHSO 3) variasi : nisbah pereaksi (NaHSO3 thd lignin) yaitu 40, 50, 60, dan 70 % b/b , pH: 4,5,6, dan 7 (dengan penambahan katalis NaOH), serta suhu reaksi yaitu 70, 80, 90 dan 100 OC.
Penyaringan
Lignin sisa
Larutan NLS
metanol
Pemurnian
Penyaringan
Sisa NaHSO3
Natrium lignosulfonat (NLS)
Gambar 3.4 Proses sulfonasi lignin isolat TKKS menjadi natrium lignosulfonat (NLS).
3.2.3.1.4 Identifikasi Produk Natrium Lignosulfonat (NLS) Identifikasi produk natrium lignosulfonat (NLS) dilakukan untuk melihat letak gugus fungsi dari lignin sebagai bahan baku dan NLS setelah mengalami sulfonasi dengan spektrofotometer FTIR; mengetahui fragmen bobot molekul gugus fungsi NLS (m/z) dengan spektrofotometer LC-MS serta menentukan kemurnian NLS dengan spektrofotometer UV. Hasil
identifikasi kemudian
dibandingkan dengan natrium lignosulfonat standar dari Aldrich (NLS-Aldrich).
3.2.3.1.5 Karakterisasi Sifat fisiko-kimia Natrium Lignosulfonat (NLS). Karakterisasi NLS yang dihasilkan dilakukan untuk melihat beberapa sifat fisiko-kimia untuk dibandingkan dengan NLS komersial. Karakterisasi NLS
65 meliputi % gula pereduksi, bobot jenis, viskositas dan kandungan total unsur kimia (kandungan S, Na, N, Ca dan Fe) (Wesco Technology, 1995)
3.2.3.1.6 Evaluasi Kinerja NLS Sebagai Bahan Pendispersi (dispersant) Pasta Gipsum Kinerja NLS sebagai bahan pendispersi (dispersant) diaplikasikan pada pasta gipsum yaitu dengan menambahkan NLS dengan konsentrasi tertentu ke dalam pasta gipsum. Evaluasi kinerja NLS sebagai bahan pendispersi pasta gipsum dengan menghitung persen nilai alir ( % flow value). Air sebanyak 88 ml pada suhu 20OC, dicampur dengan NLS dengan konsentrasi (bobot NLS/bobot gipsum) divariasikan yaitu: 0,05 ; 0,1 ; 0,15; 0,20 dan 0,25% (b/b). Gipsum sebanyak 110 gram dimasukkan ke dalam larutan NLS, kemudian diaduk dengan stirrer selama 15 detik. Setelah gipsum membentuk pasta dimasukkan ke dalam tempat yang berbentuk cincin (diameter 50 mm, dan tinggi 50 mm), diletakkan di atas piring kaca yang datar. Setelah 10 detik, cincin ditarik ke atas, dan pasta gipsum akan menyebar di atas piring gelas. Setelah penyebaran berhenti, Ukur diameter akhir φ final , Flow value atau nilai alir
dihitung dengan persamaan sebagai berikut (Nadif et al, 2002) % Nilai alir =
φ final − φ in x 100% φ in
φ in adalah diameter awal yaitu 50 mm
3.2.3.1.7 Rancangan Percobaan A. Pengaruh Penambahan Konsentrasi NaOH Pada Proses Pulping dan Pengaruh Konsentrasi H2SO4 Pada Isolasi Lignin TKKS Proses pulping adalah proses pemasakan TKKS guna memisahkan lignin dari selulosa, pemutusan lignin dipengaruhi oleh basa (NaOH) yang ditambahkan, sedangkan isolasi lignin dari lindi hitam/black liquor dari hasil pemasakan dipengaruhi oleh jumlah asam (H2SO4) yang mengakibatkan lignin dalam lindi hitam terkondensasi. Rancangan percobaan yang digunakan pada penelitian ini adalah rancangan dua faktor dalam rancangan acak lengkap (faktorial RAL). Faktor yang dikenakan pada proses pulping yaitu
66 empat taraf penambahan katalis (NaOH) pada saat pulping organosolv : yaitu NaOH= 0% ; NaOH=5% ; NaOH=10% dan NaOH=15%. Sedangkan pada isolasi lignin faktor yang dikenakan yaitu tiga taraf konsentrasi H2SO4 pada pengendapan lignin yaitu : H2SO4=5% ; H2SO4=20% dan H2SO4=35% Model rancangan percobaan tersebut adalah sebagai berikut: Yijkm = μ + αi + βj + αβij + ε m (ij) Keterangan : Yijk : rendemen lignin dan kemurnian lignin μ : rata-rata yang sebenarnya : pengaruh konsentrasi NaOH (i = 1,2,3,4) αi βj : pengaruh konsentrasi H2SO4 (j = 1,2,3) : pengaruh interaksi antara konsentrasi NaOH ke-i dengan αβij konsentrasi H2SO4 ke-j : galat dari ulangan ke-k, akibat perlakuan ij ε m (ijk) Untuk melihat pengaruh faktor penambahan konsentrasi katalis NaOH dan konsentrasi H2SO4 yang digunakan pada isolasi lignin terhadap karakteristik lignin yaitu rendemen lignin dan kemurnian lignin isolat, dilakukan analisis keragaman dari data hasil penelitian dengan kriteria sebagai berikut: apabila (Pr > F) < α berarti pengaruh faktor terhadap respon yang diuji nyata atau sangat nyata pada tingkat kepercayaan 95 % begitu sebaliknya. Jika perlakuan memberikan pengaruh yang nyata akan dilakukan uji beda nyata Duncan untuk melihat pengaruh tiap perlakuan (taraf faktor) terhadap respon yang diamati (Mattjik,2002).
B. Optimasi Proses Sulfonasi Lignin Isolat TKKS Menjadi NLS Proses sulfonasi adalah proses pemasukan gugus sulfonat kedalam suatu senyawa, keberhasilan proses sulfonasi untuk mendapatkan konversi tinggi dan kemurnian tinggi dipengaruhi oleh nisbah pereaksi (NaHSO3 terhadap lignin) ; pH serta suhu reaksi. Faktor yang dioptimasi adalah nisbah pereaksi, pH dan suhu reaksi masing-masing empat tarap yaitu:
¾ Nisbah pereaksi (X1) yaitu rasio natrium bisulfit (NaHSO3) terhadap lignin isolat : 40 , 50, 60 70 % (b/b)
¾ pH (X2) : 4, 5, 6, 7
67
¾ Suhu reaksi (X3) : 70, 80, 90, 100 oC Rancangan percobaan untuk menentukan nilai optimum pada percobaan pembuatan NLS dilakukan dengan menggunakan metode permukaan respon (Response Surface Method/RSM). Desain eksperimen adalah 23 faktorial dengan 3 variabel bebas yang dicobakan yaitu: 1) nisbah pereaksi (NaHSO3 terhadap lignin) dikodekan dengan X1, 2) pH proses sulfonasi dikodekan dengan X2, 3) suhu reaksi
dikodekan dengan X3. Variabel respon yang
diamati adalah konversi (lignin bereaksi) serta kemurnian NLS yang dihasilkan. Jumlah satuan percobaan terdiri atas 20 unit percobaan faktorial, 6 ulangan center point (titik pusat) dan 6 pengaruh kuadrat. Pada percobaan model kuadratik dengan 3 variabel bebas dilakukan dengan rancangan komposit terpusat (central composite design/CCD) menggunakan α = 1,68. Faktor, kode dan taraf kode pada percobaan pembuatan NLS dapat dilihat pada Tabel 3.1 dan matrik satuan percobaan disajikan pada Tabel 3.2 Tabel 3.1 Faktor, kode dan taraf kode pada proses sulfonasi lignin menjadi NLS No
Faktor
Kode
1
Nisbah Pereaksi/reaktan pH sulfonasi Suhu sulfonasi
X1
2 3
X2 X3
-α -1,68
Tarafkode Rendah Tengah Tinggi -1 0 +1
+α + 1,68
68 Tabel 3.2 Rancangan percobaan proses sulfonasi lignin menjadi NLS dengan desain 23 Run 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
X1 Nisbah pereaksi (%) -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 0 0 0 0 0 0 - 1,68 1,68 0 0 0 0
X2 pH -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 - 1,68 1.68 0 0
X3 (suhu sulfonasi) O C -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - 1,68 1.68
Hasil Konversi Kemurnian (%) NLS (%)
Model persamaan kondisi optimum untuk proses produksi NLS dengan desain faktorial 23 adalah :
Y = β 0 + β1 X 1 + β 2 X 2 + β12 X 1 X 2 + β13 X 1 X 3 + β 23 X 2 X 3 + β11 X 1 2
2
2
β 22 X 2 + β 33 X 3 + ε Keterangan: Y adalah konversi lignin menjadi NLS β0 = intersep; ε nilai galat β1, β2, β3 adalah koefisien regresi variabel X1, X2 dan X3 β12, β13, dan β23 adalah koefisien interaksi antar faktor β11, β22, dan β33 adalah koefisian kuadrat X12, X22 dan X32 Pengolahan data dilakukan menggunakan metode RSM, regresi kuadratik terkecil dalam perangkat lunak Statistical Analysis System (SAS)
69 3.2.3.2 Tahap Pengembangan Proses
Pengembangan proses dilakukan melalui pendekatan sistematis empiris (pemodelan) , simulasi, optimasi serta integrasi proses, adapun tahapannya adalah sebagai berikut: 1. Melakukan pemodelan kinetika reaksi proses sulfonasi lignin TKKS menjadi NLS a) Membuat hubungan antara konversi (xA) lignin menjadi NLS yang diperoleh pada berbagai suhu (70 , 90 dan 100 OC) dan waktu (2,3,4 dan 5 jam) b) Mentukan nilai perbandingan antara konsentrasi lignin isolat dibanding dengan konsentrasi NaHSO3 (M = CB0/CA0, mol/mol) c) Melakukan linierisasi (penentuan orde reaksi), dengan membuat hubungan antara ln(CB/CA) tarhadap waktu reaksi pada berbagai suhu, akan diperoleh persamaan linier dan diperoleh nilai slope, kemudian nilai k (konstanta laju reaksi) diketahui. Dengan perhitungan matematik didapat nilai A (faktor frekuensi tumbukan) dan E (tenaga aktivasi), sehingga diperoleh model kinetika reaksi yaitu persamaan laju reaksi (rA) dan konstanta laju reaksi (k). d) Melakukan perhitungan kembali atau validasi model kinetika yang dihasilkan. 2. Melakukan penyusunan neraca massa berdasarkan data hasil penelitian laboratorium pada aliran (stream) masuk maupun keluar di setiap alat. Melakukan simulasi untuk berbagai kapasitas bahan baku lindi hitam, akan diperoleh model neraca massa untuk kebutuhan bahan baku dan bahan pembantu lainnya serta produk NLS yang dihasilkan. 3. Menentukan perkiraan biaya peralatan (purchased cost) pada berbagai kapasitas produksi serta dikonversikan menggunakan indeks harga pada tahun tertentu terhadap tahun pembelian 4. Menentukan kapasitas produksi NLS optimum. Dari simulasi neraca massa untuk berbagai kapasitas produksi NLS akan diketahui biaya tetap dan biaya variabel dan biaya produksi total (tc) pada
70 berbagai kapasitas produksi NLS. Dari grafik hubungan antara biaya produksi total (tc) dengan kapasitas produksi NLS, akan diperoleh model persamaan matematisnya. Untuk menentukan kapasitas produksi NLS, dilakukan optimasi dengan cara analitik dimana turunan fungsi objektifnya bernilai nol. 5. Integrasi dalam process engineering flow diagram (PEFD) Data hasil penelitian laboratorium (input) yaitu kondisi proses optimum dan konversi lignin isolat menjadi NLS, model kinetika reaksi, kapasitas produksi NLS optimum, selanjutnya diintegrasikan dalam process engineering flow diagram (PEFD) yang hasil (output) nya merupakan gambaran riil proses
sulfonasi lignin yang melibatkan rangkaian peralatan. yang dilengkapi dengan kondisi proses dan distribusi neraca massa dan energi di setiap alat (tahapan proses). PEFD dibuat dengan paket program HYSYS. 6. Analisis kelayakan finansial a) Mengevaluasi analisis kelayakan finansial pendirian industri NLS pada kapasitas optimum dengan beberapa kriteria kelayakan yaitu Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR), Net Benefit Cost Ratio (Net
B/C), Break Event Point (PEP) dan Pay Back Periode (PBP) b) Mengevaluasi tingkat sensitivitas terhadap kenaikan bahan baku dan penurunan harga jual produk NLS
3.2.3.3 Menentukan Harga Alat
Harga perkiraan (purchased cost) berbagai peralatan untuk tahun tertentu disediakan dalam Peter and Timmerhouse, 2000. Menurut Sinnot (1989) salah satu hal yang penting yang dihadapi oleh estimator dalam menentukan harga alat yang dikoleksi tidak mutlak namun cepat berubah dengan perubahan kondisi ekonomi. Untuk mengantisipasi perubahan harga yang cepat dapat didekati dengan nilai indeks harga. Nilai indeks harga
menurut metode Marshal (
Ulrich.G.D, 1987), dengan perhitungan sebagai berikut:
Ex = Ey x (Nx/Ny) Keterangan : Ex Ey Nx Ny
: harga alat pada tahun ke x : harga alat pada tahun ke y : indeks harga alat pada tahun ke x : indeks harga alat pada tahun ke y
71 Tersedia indeks harga mulai tahun 1950 hingga 1980 disajikan pada Tabel 3.3 Tabel 3.3 Indeks harga alat Tahun
Indeks
X
Y
X^2
Y^2
XY
1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980
170 180 240 245 300 450 650
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
-480 -470 -410 -405 -350 -200 0
900 625 400 225 100 25 0
230.400 220.900 168.100 164.025 122.500 40.000 0
14400 11750 8200 6075 3500 1000 0
Dengan cara regresi linier diperoleh persamaan regresi sebagai berikut: Y=19,747X - 38449,5 Dengan cara ekstrapolasi , didapat indeks harga alat untuk tahun-tahun berikutnya Tahun 2000 2002 2006 2007 2008
Indeks 1044,945 1084,44 1163,429 1183,176 1202,923
