Seminar Teknik Kimia
Soehadi Reksowardojo ISSN 0854-7769 © 2007 http://www.che.itb.ac.id/stksr
Pengaruh Variabel Hidrodinamika Pada Proses Hidrolisis Limbah Padat PT. Tanjung Enim Lestari Pulp and Paper dalam Kondisi Asam dengan Aliran Osilasi 1.
Sri Haryati1, Erfina Oktariani2, Triana Prihatin2 Program Studi Teknik Kimia,Program Pasca Sarjana Universitas Sriwijaya, Palembang Jalan Padang Selasa No. 524, Bukit Besar, Palembang 30139 Telp: (0711)352132 354222, Fax: (0711) 317202 320310, Email :
[email protected]
Abstrak: Salah satu sektor industri yang tergolong penting di Indonesia adalah industri pulp dan kertas. Adanya limbah yang sudah dianggap sebagai classical problems dalam industri ini yaitu berupa limbah padat, limbah cair dan limbah gas menjadikan tantangan bagi para peneliti untuk mengolah ketiga jenis limbah tersebut agar tidak mencemari lingkungan dan memberikan manfaat bagi masyarakat. Objek penelitian ini adalah limbah padat dari PT. Tanjung Enim Lestari Pulp & Paper berupa serbuk kayu Akasia karena mengandung lignoselulosa tergolong biomassa pertanian yang mempunyai potensi untuk diproses menjadi D-Glukosa, Furfural, dan n-Butanol-Etanol (ABE). Salah satu proses penanggulangan limbah yang sangat menjanjikan adalah konversi limbah lignoselulosa menjadi substrat berupa larutan gula (D-Glukosa) dengan proses hidrolisis dalam kondisi asam. Penelitian ini difokuskan untuk mengkonversi kandungan α-Selulosa menjadi D-Glukosa menggunakan proses hidrolisis dalam suasana asam dengan mempelajari variabel hidrodinamika (amplitudo dan frekuensi) dengan dan tanpa osilasi pada temperatur dan tekanan konstan (1300C dan 1,8 atm). Dari eksperimen yang dilakukan dalam mengkonversi α-Selulosa menjadi larutan DGlukosa menunjukkan adanya pengaruh variable hidrodinamika (amplitude dan frekuensi) terhadap besarnya konversi yang diperoleh. Hal ini dapat membuktkan bahwa arus osilasi memberikan pengaruh terhadap konversi α-Selulosa menjadi larutan D-Glukosa. Keywords: D-Glukosa, lignoselulosa, arus osilasi.
Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 20
2
1. Pendahuluan Perubahan lingkungan strategis dan krisis multidimensi yang sedang dihadapi oleh bangsa Indonesia harus mendorong pemerintah untuk melakukan repositioning terhadap kebijakankebijakan berdasarkan perkembangan paradigma-paradigma baru. Meningkatnya kesadaran internasional terhadap masalah-masalah diluar aspek perdagangan yang dikaitkan dengan perdagangan internasional suatu negara, seperti HAM, kepedulian terhadap lingkungan (environment friendly) dan perburuhan, atau adanya kecenderungan tuntutan akan standar dan kualitas internasional termasuk sanitary dan phytosanitary yang meliputi keamanan, kesehatan, dan kelestarian lingkungan akan berpengaruh pada produk ekspor Indonesia. Salah satu produk ekspor Indonesia berasal dari sektor industri. Industri yang tergolong penting di Indonesia adalah industri pulp dan kertas, karena tugasnya adalah memenuhi kebutuhan kertas dalam negeri yang semakin meningkat disamping meningkatkan kapasitas ekspor non migas dari produk olahan hasil hutan Kebijakan pengembangan industri pulp dan kertas di Indonesia saat ini harus lebih diarahkan pada peningkatan (enhancement) dan efisiensi proses yang dapat diimplementasikan dalam penelitian dan pengembangan teknologi pembuatan pulp dan kertas baik pada sisi perbaikan kualitas pulp, peningkatan rendemen, minimasi kebutuhan energi dan pengurangan tingkat pencemaran lingkungan. Permasalahan yang acap dianggap classical problem yaitu merebaknya permasalahan limbah dan sampah manakala salah satu jenis produk menjadi suatu komoditas diproduksi dengan kapasitas yang cukup besar. Melihat lebih dalam tentang limbah-limbah yang dihasilkan oleh industri pulp dan kertas di lapangan telah dideteksi bahwa limbah-limbah yang dihasilkan oleh proses produksi pulp berwujud cair, padat dan gas. Solusi dengan mencari alternatif yang terbaik sangat diperlukan untuk mengurangi pencemaran industri terutama pabrik pulp dan kertas, diantaranya dengan memanfaatkan limbah sebagai bahan baku untuk dikonversi menjadi bahan kimia dan bahan bakar. Limbah padat yang mengandung lignoselulosa tergolong Biomassa pertanian, mempunyai potensi untuk diproses menjadi bahan kimia contohnya larutan gula (D-Glukosa), Furfural, Aseton-Butanol-Etanol (ABE). Tetapi yang tak kalah penting dan diharapkan menjadi proses dengan prospek yang progresif adalah konversi limbah lignoselulosa menjadi substrat berupa larutan gula dengan proses hidrolisis. Proses ini lebih mudah dilakukan, karena D-Glukosa terbentuk pada temperatur yang lebih rendah daripada furfural dan ABE. Selain itu kebutuhan (demand side) larutan D-Glukosa masih tinggi, sedangkan ketersediaannya belum mencukupi karena permintaan pasar (supply side) tidak mencukupi. Penelitian tentang teknologi hidrolisis lignoselulosa menjadi glukosa dalam kondisi asam telah dilakukan oleh beberapa peneliti sejak tahun 1980-an. Antara lain Rugg dan Stanton pada
Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 20
3
tahun 1980 meneliti proses hidrolisis asam limbah lignoselulosa menjadi glukosa dengan bahan baku serbuk gergaji, asam sulfat dipakai sebagai katalis dan reaksi berlangsung pada tekanan 28,79 atm dan temperatur 228,30C dimana konversi glukosa tertinggi berhasil diperoleh yaitu 50%. Kemudian Rugg dan Brenner melakukan penelitian lanjutan dengan menurunkan temperatur dan tekanan operasi menjadi 204,40C dan 17 atm sehingga berhasil diperoleh konversi glukosa sebesar 40%. Selanjutnya Clausen dan Gaddy melakukan proses hidrolisis dengan dua metode. Metode pertama adalah single step, dimana biomassa padatan dimasukkan ke dalam vessel yang telah berisi asam sulfat. Kemudian dilakukan penyaringan terhadap hasil hidrolisis untuk memisahkan larutan asam dan gula dengan lignin. Metode kedua adalah modifikasi single step, dimana hidrolisis dilakukan dalam dua tahapan meliputi hidrolisis awal (pre-hydrolisis) yaitu biomassa dihidrolisis dengan asam sulfat pekat. Hidrolisis kedua (post-hydrolisis) dilakukan dengan asam sulfat encer dimana diberikan penambahan air. Setelah itu dilakukan penyaringan untuk memisahkan lignin dari larutan produk. Pada penelitian pertama, berhasil didapat konversi sebesar 56%, sedangkan pada penelitian yang kedua, diperoleh konversi tertinggi sebesar 92%. Brelsford dan Bozeman melakukan hidrolisis lignoselulosa dengan menggunakan two-stage plug flow reactor, dimana pada penelitian ini menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi dari penelitian-penelitian sebelumnya. Produk yang dihasilkan berupa sirup glukosa dengan konversi sebesar 58,4% (tanpa recycle) dan 65,2% (dengan recycle) dengan total biaya produksi yang besar. Torgel et. al. meneliti tentang proses hidrolisis asam pada kolom fraksionasi yang dipasang secara seri. Bahan baku yang digunakan adalah serbuk gergaji dengan pelarut larutan asam sulfat 0,07% wt dengan konversi glukosa yang didapat sebesar 92%. Keunggulan penelitian ini adalah tingginya rendemen yang dihasilkan, sedangkan kelemahannya pada temperatur proses yang tinggi. 2. Metodologi Penelitian Proses yang melibatkan perpindahan panas dan massa seperti reaksi kimia mempunyai pengaruh penting dalam masalah energi. Dari beberapa studi dan penelitian telah dilakukan penggunaan arus osilasi untuk meningkatkan perpindahan panas dan massa, baik secara hidrodinamika maupun geometri alat. Variabel-variabel yang dipelajari adalah variabel-variabel yang berpengaruh terhadap konversi α-Selulosa menjadi larutan D-Glukosa yaitu variabel hidrodinamika dan variabel kinetika. Tetapi pada penelitian kali ini, lebih difokuskan pada bagaimana pengaruh variabel hidrodinamika dari aliran osilasi terhadap persentase konversi yang diperoleh. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan dua jenis bahan baku yaitu kayu Akasia Mangium segar untuk mendapatkan kondisi optimum proses dan limbah kayu sisa digester PT. Tanjung Enim Lestari Pulp and Paper.
Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 20
4
2.1. Persiapan Bahan Baku Proses delignifikasi merupakan proses awal yang dilakukan untuk mempersiapkan bahan baku sebelum dimasukkan ke dalam reaktor. Proses ini bertujuan untuk mengurangi kandungan lignin yang terdapat dalam bahan baku kayu dan terjadinya proses swelling (pengembangan) struktur selulosa. 2.2. Tahap Hidrolisis Pada tahap hidrolisis, lignoselulosa dikonversi menjadi D-Glukosa dengan menggunakan katalis asam (H2SO4) dengan konsentrasi dan perbandingan antara massa kayu dan katalis yang berbeda-beda. NaOH
Lignoselulosa Na2 S
DELIGNIFIKASI
FILTRASI
Larutan Lignin
Selulosa PENCUCIAN Selulosa kering
HIDROLISIS SELULOSA Recycle Larutan Glukosa
H 2SO Steam
Larutan Glukosa
Gambar 1. Diagram Alir Hidrolisis Lignoselulosa
3. Hasil dan Diskusi 2.1. Proses Delignifikasi Proses delignifikasi pada penelitian ini mengacu kepada kondisi proses yang telah dihasilkan pada penelitian sebelumnya, yaitu pada temperatur 80 oC dan tekanan 1 atm dengan larutan NaOH 18% dan sulfiditas 20%. Bahan baku yang digunakan adalah serbuk kayu Akasia Mangium segar dan setelah memperoleh kondisi optimum dilanjutkan dengan limbah kayu sisa digester PT. Tanjung Enim Lestari Pulp and Paper.
Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 20
5
2.2. Proses Hidrolisis Kondisi proses terbaik pada hidrolisis kayu akasia segar yaitu pada amplitudo 4 cm, frekuensi 12 Hz, perbandingan bahan baku terhadap larutan asam 20 kg/kg dan konsentrasi asam 6%, kemudian dilakukan untuk limbah kayu. Hasil konversi yang didapat pada hidrolisis αSelulosa dari limbah kayu menunjukkan adanya kenaikan dengan pertambahan waktu reaksi, dapat dilihat pada Gambar 2. Ternyata konversi yang dihasilkan dengan pengaruh arus osilasi sebesar 5,53%, sedangkan konversi tanpa osilasi relatif lebih kecil yaitu sebesar 3,54%. Jika dibandingkan dengan konversi yang didapat dengan mempergunakan bahan baku kayu akasia segar, terlihat adanya penurunan konversi yang cukup signifikan, hal ini disebabkan karena kandungan α-Selulosa yang terdapat pada limbah kayu telah banyak berkurang akibat terdegradasi di dalam digester pulp. Namun bila ditinjau dari peningkatan (enhancement) konversi yang dihasilkan akibat adanya pengaruh arus osilasi.
Dengan Osilasi Tanpa Osilasi
4.00
2.00
0.0 0
20
40
60
80
Waktu (menit)
Gambar 2. Pengaruh Waktu Terhadap Konversi α-Selulosa Dari Limbah Kayu Pada Kondisi Dengan dan Tanpa Osilasi, Rasio 1:50, Konsentrasi Asam 6% dan Amplitudo 4 cm 4. Kesimpulan Pengaruh aliran osilasi terhadap peningkatan (enhancement) konversi α-Selulosa menjadi D-Glukosa dengan proses hidrolisis dalam suasana asam menunjukkan kenaikan yang cukup berarti dibandingkan dengan aliran tanpa osilasi. Daftar Pustaka 1. Adisesha, Hendayani. Perkembangan Industri Pulp dan Kertas Menuju Industri Bebas Air Limbah”. 1996.Berita Selulosa Vol.XXXII(4):9-16 2. Bambang, P. Pengaruh Perubahan Komponen Kimia Kayu Terhadap Sifat Higroskopisnya”. 1994.Prosiding Simposium Fisika Jakarta. 3. Breisford dan Bozeman. Bei Hydrolysis Process System an Improved Process for the Continous Hydrolysis Saccarification of Lignocellulosic in Two-Stage Plug-Flow-Reactor System”. 1995. US 50376663.
Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo 2007, 20 4. Casey. Pulp and Paper. Chemistry and Chemical Technology” 1994. (3rd John Wiley and Sons Publishing.
6 edition) Volume 1.
5. Clausen dan Gaddy. Concentrated Sulfuric Acid Process for Converting Lignocellulosic Materials to Sugars”. 1993.US 5188673. 6. Fengel dan Wegener. Kayu, Kimia Ultrastruktur Reaksi-reaksi”. 1983. Gajah Mada University Press. 7. Gregg dan Sadaler. Factors Affecting Cellulose Hydrolysis and the Potential of Enzym Recycle to Enhance The Efficiency of an Integrated Wood of Ethanol Process. Biotechnology and Bioengineering”. 1996. Volume 51 : 375-383.ssssss
