Pembuatan Pulp Batang Jagung dengan Larutan Pemasak Ekstrak Abu Tandan Kosong Sawit Hari Rionaldo, Edison, Zulfansyah*, Muhammad Iwan Fermi Jurusan Teknik Kimia, Universitas Riau, Pekanbaru 28293 Indonesia
[email protected]
Abstract Studied on the using extract of palm empty fruit bunch ash as pulping liquor has been conduct in an effort to develop a potassium-based pulping. The corn stalk pulped by using chemimechanical process at various pulping condition (solid to liquor ratio 10/1 – 14/1, cooking time 3 – 4 hours and mechanical time 1 – 3 minutes). The material cooking was running on laboratory scale using Erlenmeyer 2 liters at standard pressure and temperature 110oC. The results obtained yield 55 – 63.5% and lignin content 6.5 – 20.5% varies depend on operation condition. A RSM central composite design used to examine the influence pulping variables on the pulp quality (yield and lignin content of pulp) via Excel’s software. Variation of refining time is not significant, but cooking time and solid to liquor ratio is significant effect to yield and lignin content. The optimum conditions were solid to liquor ratio of 8.6/1 and cooking time of 340.92 minutes. Value predicted by optimization of multiple respond using Excel’s solver for yield and lignin content at the optimum are 61.66% and 13.7 %, respectively. This result indicates that pulping corn stalk with extract of oil palm empty fruit bunch ash as pulping liquor is possible to develop further. Keywords:Pulping, EFB ash, Response Surface Method (RSM), Central Composite Design (CCD)
1. Pendahuluan Pengembangan proses pembuatan pulp non-wood terus dilakukan dengan tujuan untuk menemukan proses yang lebih efisien, ramah lingkungan dan juga untuk mengatasi kurangnya pasokan kayu sebagai bahan baku utama industri pulp (Ali et al. 2001, Pahkala 2001, Snell et al. 2004, Byrd dan Hurter 2005). Proses-proses pembuatan pulp seperti organosolv pulping dan mechanical pulping (CTMP dan TMP) adalah proses pembuatan pulp yang ramah lingkungan, karena tidak melibatkan senyawa sulfur. Namun proses-proses tersebut masih tergolong mahal, karena pelarut organik yang digunakan pada organosolv pulping relatif mahal harganya dan sulit untuk mengambil kembali seluruh pelarut. Sedangkan pada proses CTMP dan TMP membutuhkan energi yang relatif besar. Proses pembuatan pulp bebas sulfur yang diproses secara semi kimia telah menjadi alternatif untuk mengatasi mahalnya pelarut organik dan besarnya energi yang dibutuhkan dalam pembuatan pulp. Biasanya proses ini menggunakan NaOH atau KOH sebagai larutan pemasak. Selain itu kemungkinan penggunaan limbah perkebunan sebagai sumber alkali
dalam proses pembuatan pulp semi kimia juga telah dilakukan (Hosokawa et al. 1989, Kamishima et al. 1994, Snell et al. 2004). Sumber alkali bisa didapatkan dari ekstrak abu tandan kosong sawit (TKS), dengan perbandingan abu dengan air yaitu 1 : 4. Hosokawa et al. (1989) melaporkan pH ekstrak abu TKS yaitu berkisar 13. Pada pembuatan pulp soda maupun pulp soda semi-kimia larutan pemasak yang digunkan memiliki pH dengan kisaran pH 13 – 14. Kekuatan basa yang hampir sama ini menunjukkkan kemungkinan bahwa ekstrak abu TKS dapat digunakan sebagai larutan pemasak dalam pembuatan pulp. Selanjutnya, Snell et al. (2004) melaporkan penggunaan ekstrak abu TK yang telah dipijar kembali dan dikostikasi sebagai larutan pemasak dalam pembuatan pulp berbahan baku TKS. Pulp yang dihasilkan memiliki kualitas yang sebanding dengan pulp yang diproses dengan proses soda konvensional. Sayangnya abu TKS yang digunakan tersebut dipijar pada suhu ± 600oC, sehingga membutuhkan energi yang cukup besar. Jika ekstrak abu TKS tanpa dikostikasi dan pemijaran dapat digunakan sebagai larutan pemasak dalam pembuatan pulp non-wood, maka proses pembuatan pulp berbasis alkali akan menjadi lebih efisien. Disamping bahan kimia yang murah dan mudah diperoleh, umumnya sifat biomassa non-wood lebih mudah terdelignifikasi. Sehingga penggunaan ekstrak abu TKS dalam pembuatan pulp semi kimia dari bahan non-wood, seperti batang jagung menjadi menarik untuk dikembangkan. 2. Metodologi Bahan baku pulp yang digunakan adalah batang jagung (corn stalk). Sebelum digunakan, batang jagung dibersihkan dan dirajang dengan panjang ± 5 cm. Selanjutnya, batang jagung dikeringkan di bawah sinar matahari untuk mengurangi kadar airnya hingga kurang dari 10%. Cairan pemasak yang digunakan adalah ekstrak abu TKS. Abu TKS yang diperoleh dari hasil pembakaran TKS dalam incenerator pabrik CPO dikecilkan partikelnya dan diayak dengan saringan 40 mesh. Selanjutkan abu TKS dicampur air dengan perbandingan abu dan air 1 : 4. Campuran abu dan air diaduk selama 15 menit dan dibiarkan selama 48 jam hingga semua abu terendapkan. Ekstrak abu TKS diperoleh dengan memisahkan larutan dan abu yang terendapkan. Percobaan pembuatan pulp dari batang jagung dilangsungkan dalam erlenmeyer 2 liter, sebagai digester, dilengkapi dengan erlenmeyer 1 liter yang berfungsi sebagai penutup sekaligus pendingin balik uap yang terbentuk, dan electrical hot plate sebagai sumber pasokan energi. Pemasakan dilakukan pada suhu didih normal cairan pemasak dan perhitungan waktu pemasakan dimulai saat cairan mulai mendidih. Tahapan percobaan meliputi pemasakan, penyaringan, pencucian, penggilingan (refining) dan pengeringan pulp. Variasi variabel pemasakan yang dilakukan adalah nisbah cairan pemasak terhadap batang jagung 10/1 sampai 14/1, waktu pemasakan 3 sampai 5 jam, dan waktu refining 1 sampai 3 menit. Analisis hasil pulp yang dilakukan meliputi perolehan pulp (yield) dan kadar lignin pulp. Perolehan pulp merupakan perbandingan berat pulp kering dengan berat bahan baku kering. Batang jagung yang digunakan untuk setiap pemasakan sebanyak 25 gram. Sedangkan kadar lignin pulp dianalisis dengan metode Klason.
Rangkaian percobaan pembuatan pulp dilaksanakan dengan rancangan percobaan RSM-CCD, melalui 20 tempuhan yang dipilih secara acak (Montgomery 1991). Variasi variabel proses dan hasil yang diperoleh dicantumkan dalam Tabel 1. Pengaruh variabel proses terhadap variabel respon (yield dan kadar lignin pulp) dipelajari dengan menggunakan model regresi multivariabel hingga orde dua, seperti berikut, Yi = bo + b1 X1 + b2 X2 + b3 X3 + b11 X1 2 + b22 X2 2 + b33 X3 2 + b12 X1 X2 + b13 X1 X3 + b23 X2 X3 ......................................... (1) dengan, Yi = variabel respon, bi, bii, bij = koefisien-koefisien model Xi = variabel proses Data percobaan digunakan untuk mengevaluasi koefisien-koefisien model dengan regresi multivariabel. Pengujian terhadap keberhasilan model dalam memprediksi nilai dari variabel respon dilakukan dengan uji-F. Sedangkan pengaruh variabel proses terhadap variabel respon dapat diketahui dari hasil uji-t. Koefisien-koefisien model dianalisis secara statistik dengan uji-t pada tingkat signifikasi tertentu. Sehingga persamaan yang diperoleh hanya memuat variabel yang memenuhi tingkat signifikasi tersebut. 3. Hasil dan Pembahasan Hasil percobaan dari variasi kondisi proses menghasilkan pulp dengan yield dan kadar lignin seperti yang ditampilkan dalam Tabel 1. Secara keseluruhan, yield yang dihasilkan berkisar dalam rentang 56 – 63% dengan kadar lignin pulp 8,5 – 20,5%. Yield pulp dari hasil penelitian ini lebih rendah, jika dibandingkan dengan pulp berbahan baku kayu yang diproses dengan proses soda semi-kimia. Yield pulp kayu yang diproses dengan proses soda semikimia menurut industri pulp berkisar antara 65 – 90% (Fengel dan Wegener 1985). Namun hasil tersebut masih cukup berimbang jika dibandingkan dengan yield pulp non-wood lainnya. Yield pulp non-wood baik yang diproses secara kimia maupun semi-kimia berkisar antara 35 – 65%. Snell et al. (2004) mengkaji percobaan pembuatan pulp TKS dengan larutan pemasak KOH dari abu TKS. Hasil dari penelitian tersebut menghasilkan yield sebesar 40%. Byrd dan Hurter (2005) mengkaji percobaan pembuatan pulp dari batang jagung dengan proses soda semi-mekanis. Hasil penelitian tersebut melaporkan bahwa proses soda semi-mekanis mampu menghasilkan pulp dengan yield sebesar 38%.
Kadar lignin pulp yang dihasilkan dalam penelitian ini cukup berimbang jika dibandingkan dengan kadar lignin hasil pulp dari penelitian Snell et al. (2004). Sedangkan jika dibandingkan dengan kadar lignin pulp dari bahan baku kayu, kadar lignin pulp hasil penelitian ini cenderung lebih rendah. Umumnya pulp dari bahan baku kayu yang diproses secara semi-kimia khususnya Neutral Sulfite Semi Chemical (NSSC) menghasilkan pulp dengan kadar lignin antara 15 – 20%. Pulp NSSC tersebut banyak dijadikan sebagai bahan baku untuk pembuatan karton bergelombang (corrugated medium paper) tanpa melalui proses pemucatan.
Tabel 1. Hasil Percobaan pada Variasi Kondisi Proses Variabel Proses No.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
L/P
Waktu Pemasakan (menit)
Waktu Refining (menit)
10 10 10 10 14 14 14 14 8,636 15,364 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12
180 180 300 300 180 180 300 300 240 240 139,08 340,92 240 240 240 240 240 240 240 240
1 3 1 3 1 3 1 3 2 2 2 2 0,318 3,682 2 2 2 2 2 2
Yield Pulp (%)
Kadar Lignin (%)
62.9 62.9 60.3 60.1 58.9 58.9 57.5 57.6 58.9 58.3 62.7 58.1 60.5 55.9 56.6 60.3 58.6 60.1 60.5 58.1
11,5 11,5 12,0 8,5 10,0 9,5 11,0 11,0 14,0 6,5 20,5 9,5 12,5 9,5 12,5 9,5 10,0 9,0 9,5 10,0
Hasil analisis regresi multivariabel yang merupakan keluaran dari program Excel ditampilkan pada Tabel 2. Dari hasil uji-t, model persamaan untuk yield dan kadar lignin pulp secara berurut dituliskan sebagai berikut, Y1 = 59,024 – 1,057X1 – 1,162X2 + 0,645(X2)2
………………………...(2)
Y2 = 10,732 – 0,828X1 – 1,585X2 + 1,165(X2)2
………………………...(3)
Dengan, Y1 = Perolehan pulp (yield) Y2 = Kadar lignin X1 = Nisbah larutan-padatan X2 = Waktu pemasakan Pengaruh nisbah cairan-padatan dan waktu pemasakan terhadap yield dan kadar lignin pulp diperlihatkan pada Gambar 1. Dari analisis data yang dilakukan, variabel waktu pemasakan (X2) memberikan pengaruh yang paling besar terhadap yield pulp, kemudian diikuti dengan nisbah cairan-padatan (X1) dan pengaruh kuadratik variabel waktu pemasakan(X22). Variabel proses waktu pemasakan memberikan pengaruh yang paling besar terhadap kadar lignin pulp, kemudian diikuti dengan nisbah larutan-padatan dan pengaruh kuadratik variabel waktu
pemasakan. Sedangkan variabel prosses waktu refining (X3) tidak memberikan pengaruh yang nyata, baik terhadap yield maupun kadar lignin pulp yang dihasilkan. Tabel 2. Hasil regresi multi variabel Koefisien Model
Yield Nilai Koef.
b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9
59,024 -1,057 -1,162 -0,578*) 0,028*) 0,645 -0,104*) 0,348*) 0,031*) 0,014*)
R2 Radj
0,791 0,289 1,862 0,173 0,2
Fperhitungan P-value α
Kadar Lignin Pulp P-value 9,14 x 10 0,039 0,026 0,225 0,950 0,168 0,815 0,564 0,958 0,980
-16
Nilai Koef.
P-value
10,723 -0,828 -1,585 -0,578*) 0,028 1,165 -0,104*) 0,348*) 0,031*) 0,014*)
1,97 x 10-08 0,094 0,005 0,225 0,950 0,023 0,815 0,564 0,958 0,981
0,847 0,465 2,835 0,060 0,2
Yield (%)
Kadar Lignin (%)
*) NS = tidak signifikan
t (jam)
L/P (berat/berat)
t (jam)
L/P (berat/berat)
Gambar 1. Variasi yield dan kadar lignin pulp terhadap waktu (t) dan nisbah cairan-padatan (L/P)
Pengaruh nisbah cairan-padatan Nisbah cairan-padatan memberikan pengaruh yang nyata terhadap yield dan kadar lignin pulp. Pada waktu pemasakan dan waktu refining tetap, peningkatan variasi nisbah cairan-padatan cenderung menurunkan yield dan kadar lignin pulp. Nisbah cairan-padatan memberikan pengaruh yang linier terhadap yield pulp, sehingga pada saat kondisi proses nisbah cairanpadatan minimum (8,636) memberikan respon yield maksimum. Begitu juga untuk kadar lignin pulp, nisbah cairan-padatan memperlihatkan pengaruh yang linier, sehingga respon yield dan kadar lignin pulp minimum terjadi pada saat nisbah larutan-padatan maksimum (15,364). Meningkatnya jumlah cairan pemasak berarti bertambahnya jumlah ion OH- yang berperan dalam pemutusan ikatan lignin. Semakin banyak putus ikatan lignin dari makromolekul lignoselulosa akan menyebabkan berkurangnya kadar lignin dalam pulp. Pengaruh waktu pemasakan Variasi waktu pemasakan memberikan pengaruh yang nyata terhadap yield dan kadar lignin pulp. Pada nisbah cairan-padatan dan waktu pemasakan tetap, peningkatan variasi waktu pemasakan cenderung menyebabkan turunnya yield dan kadar lignin pulp. Waktu pemasakan memberikan pengaruh kuadratik baik untuk yield maupun kadar lignin pulp. Pengaruh kuadratik tersebut terlihat dari surface curve untuk kedua respon. Pada surface curve untuk yield, terlihat sedikit peningkatan pada waktu pemasakan 280 menit ke 341 menit. Sedangkan peningkatan kadar lignin pulp terlihat pada peningkatan waktu pemasakan 280 menit ke 341 menit. Waktu pemasakan yang lebih lama dapat cenderung menaikkan yield dan kadar lignin pulp, penyebab kenaikan ini diduga akibat terpolimerisasinya lignin yang telah larut. Pengaruh waktu refining Variasi waktu refining pada rentang yang dipelajari yaitu 1 – 3 menit tidak memberikan pengaruh yang berarti terhadap yield maupun kadar lignin pulp. Variasi waktu refining terlihat berpengaruh terhadap tekstur pulp. Pulp yang diproses dengan waktu refining paling lama memiliki tekstur yang lebih halus dibandingkan pulp dengan waktu refining yang lebih singkat. Waktu refining yang lebih lama dapat meningkatkan kekuatan ikatan antar serat (Biermann 1996). Namun perlu diperhatikan bahwa peningkatan waktu refining membutuhkan energi yang lebih besar dan berdampak pada naiknya biaya produksi. 4.
Kesimpulan
Pembuatan pulp batang jagung dengan larutan ekstrak abu TKS memiliki prospek yang cukup baik untuk dikembangkan di masa yang akan datang. Jika dilihat dari sifat pulp yang dihasilkan, pulp batang jagung yang dihasilkan hampir menyamai kualitas pulp soda. Yield pulp yang dihasilkan berkisar antara 55 – 63,5% dengan kadar lignin 6,5 – 20,5%. Waktu pemasakan dan nisbah cairan-padatan memberikan pengaruh yang nyata terhadap yield dan kadar lignin pulp. Sedangkan waktu refining tidak memberikan pengaruh yang nyata. Kondisi operasi yang menghasilkan kualitas pulp yang terbaik yaitu waktu pemasakan 4 jam dan nisbah cairan-padatan 12/1, dengan perkiraan yield pulp 61,66% dan kadar lignin pulp 13,7%.
Daftar Pustaka Ali, M. Byrd, M. Jameel, H. (2001) Soda-AQ Pulping of Cotton Stalks, Dept. of Wood & Paper Science, NC State University. http://www.hurter-consult.com (12 Agustus 2006). Biermann, C. J. (1996) Handbook of Pulping and Papermaking, 2nd ed., USA, Academic Press. Byrd, M. and Hurter, R.W. (2005) Simplified Pulping and Bleaching of Corn Stalk, Dept. of Wood & Paper Science, NC State University. http://www.hurter-consult.com (12 Agustus 2006). Fengel, D. and Wegener, G. (1985) Kayu: Kimia, Ultrastruktur, Reaksi-reaksi. Translated from the English by H. Sastrohamidjojo. Yogyakarta, Gajah Mada University Press. Hosokawa, J. Matsuo, R. Kamishima, H. Akamatsu, I. Bin Husin, M. Bin Miswan, O. Ramli, R. O. (1989) Chemi-thermomechanical Pulping of Oil Palm Fronds Using Bunch Ash Extract as Chemicals. Appita, Vol. 42 (No. 6), pp.429-432. Kamishima, H. Hosokawa, J. Akamatsu, I. Satoh, T. Bin Hassan, K. Bin Ramli, R. Bin Husin, M. Hassan, D. H. A. H. (1994) Development of Chemi-thermomechanical Pulping Process of Oil Palm Fronds. Mokuzai Gakkaishi, Vol. 40 (No. 7), pp.777-782. Montgomery, D. C. (1991) Design and Analysis of Experiments. 3nd ed. New York, J. Wiley & Sons. Pahkala, K.S. (2001) Non-Wood Plants as Raw Material for Pulp and Paper, Faculty of Agriculture and Forestry, University of Helsinky. http://www.ethesis.helsinki.fi (12 Agustus 2006). Snell, R. Mott, L. Suleman, A. Sule, A. Mayhead, G. (2004) Potassium-Based Pulping Regimes For Oil Palm Empty Fruit Bunch Material, Biocomposite Center Bangor UK, http://www.bc.bangor.ac.uk (12 Agustus 2006). Stern, B. (2002) A Guide to Making Straw Pulp a Reality, Department of Agriculture Montana, http://www.nativeforest.org (12 Agustus 2006)
