PERANCANGAN PROSES PEMBUATAN SELULOSA ASETAT DARI SELULOSA MIKROBIAL UNTUK MEMBRAN ULTRAFILTRASI
Oleh : DESIYARNI
SEKOLAH PASCA SARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2006
PERANCANGAN PROSES PEMBUATAN SELULOSA ASETAT DARI SELULOSA MIKROBIAL UNTUK MEMBRAN ULTRAFILTRASI
Oleh DESIYARNI P. 25600001
Disertasi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2006
Judul Disertasi
: Perancangan Proses Pembuatan Selulosa Asetat dari Selulosa Mikrobial untuk Membran Ultrafiltrasi
Nama
: Desiyarni
Nrp
: P. 256.00001
Program studi
: Teknologi Industri Pertanian
Menyetujui, 1. Komisi pembimbing
Prof. Dr. Ir. H. Abdul Aziz Darwis, MSc Ketua
Prof. Dr. Ir.Hj. Tun Tedja Irawadi, MS Anggota
Dr. Ir. Ani Suryani, DEA Anggota
2. Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian
Dr. Ir. Irawadi Jamaran Tanggal lulus :
Dr. Ir.Hj. Erliza Noor Anggota
Dr. Ir. Kaseno, M.Eng Anggota Mengetahui, 3. Dekan Pascasarjana
Dr. Ir. Khairil Anwar Notodiputro, MS
Desiyarni, P.25600001. Perancangan Proses Pembuatan Selulosa Asetat dari Selulosa Mikrobial untuk Membran Ultrafiltrasi. Dibawah bimbingan A. Aziz Darwis, Tun Tedja Irawadi, Erliza Noor , Ani Suryani dan Kaseno. =========================================================== ABSTRAK Selulosa asetat merupakan salah satu jenis polimer yang banyak digunakan untuk industri, salah satunya sebagai polimer pada pembuatan membran ultrafiltrasi. Selulosa asetat secara umum dibedakan atas dua jenis yaitu selulosa triasetat (selulosa asetat primer) dan selulosa diasetat (selulosa asetat sekunder). Selulosa asetat primer dibuat melalui reaksi esterifikasi (asetilasi) selulosa dengan pereaksi anhidrida asetat, sedangkan selulosa asetat sekunder dibuat dengan cara menghidrolisis selulosa asetat primer. Secara komersial selulosa asetat dibuat dengan menggunakan bahan baku pulp kayu berkualitas tinggi. Salah satu masalah dalam produksi selulosa asetat dari pulp kayu adalah rendahnya kualitas dan kemurnian selulosa kayu karena pulp kayu masih mengandung hemiselulosa dan lignin. Selulosa mikrobial adalah jenis selulosa yang dihasilkan oleh mikroorganisme. Selulosa mikrobial bersifat renewable (dapat diperbarui), mempunyai karakteristik yang unik dan relatif lebih murni dibandingkan dengan selulosa kayu. Selulosa mikrobial merupakan salah satu alternatif sebagai sumber selulosa pada pembuatan selulosa asetat. Membran ultrafiltrasi (UF) selulosa asetat merupakan salah satu jenis membran yang banyak digunakan pada proses pemisahan makromolekul. Membran UF mempunyai ukuran pori berkisar 0,1 – 0,001µm. Membran UF selulosa asetat umumnya dibuat dengan metoda inversi fasa menggunakan pelarut yang sesuai dengan jenis selulosa asetat yang digunakan Penelitian ini bertujuan untuk (1) mendapatkan kondisi proses (konsentrasi asam sulfat, rasio anhidrida asetat dengan selulosa, waktu dan suhu reaksi) yang optimum pada proses asetilasi selulosa mikrobial menjadi selulosa triasetat (2) mendapatkan kondisi proses (rasio air terhadap selulosa mikrobial, konsentrasi asam sulfat, waktu dan suhu reaksi) yang optimum pada proses hidrolisis selulosa triasetat menjadi selulosa diasetat kadar asetil 37-42 % dan (3) mendapatkan karakteristik (MWCO) membran ultrafiltrasi yang dihasilkan. Penelitian ini dilakukan secara bertahap yang terdiri atas 3 tahap yaitu (1) optimasi proses asetilasi pada pembuatan selulosa triasetat dari selulosa mikrobial (2) optimasi proses hidrolisis selulosa triasetat menjadi selulosa diasetat dan (3) pembuatan dan karakterisasi membran ultrafiltrasi dari selulosa diasetat mikrobial. Penentuan kondisi optimum proses asetilasi dan hidrolisis dilakukan dengan menggunakan Metoda Permukaan Respon-Rancangan Komposit Pusat (Response Surface Methodology-Central Composite Design. Pembuatan membran UF dilakukan dengan dengan metode inversi fasa–presipitasi immersi, dengan pelarut dimetilformamida dan non pelarut berupa air. Selulosa diasetat mikrobial yang digunakan mempunyai kadar asetil berkisar 37% – 40 %, konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak berkisar 12-20% dan suhu air koagulasi berkisar 2-26 o C. Karakteristik membran UF yang diamati meliputi fluks dan rejeksi membran dengan menggunakan umpan Bovin Serum Albumin bobot molekul 67 kDa dan dekstran bobot molekul 37 kDa dan MWCO membran.
Hasil optimasi proses asetilasi pada pembuatan selulosa triasetat dari selulosa mikrobial menunjukkan kondisi optimum proses asetilasi terjadi pada konsentrasi asam sulfat 1,5% (v/b), rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial 3,35, suhu 50 oC, dan waktu asetilasi 323 menit dengan hasil perolehan maksimum selulosa triasetat sebesar 1,79 (b/b) dan kadar asetil selulosa triasetat sebesar 45,78 %. Perlakuan rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial dan waktu asetilasi berpengaruh nyata terhadap terhadap perolehan dan kadar asetil selulosa triasetat yang dihasilkan sedangkan konsentrasi asam sulfat dan suhu asetilasi tidak berpengaruh nyata. Pengaruh rasio anhidrida asetat terhadap selulosa mikrobial (X1) dan waktu asetilasi (X 2) terhadap perolehan (Yper STA) dan kadar asetil selulosa triasetat (Ykasetil STA) pada proses asetilasi selulosa mikrobial dapat dinyatakan seperti persamaan berikut: Y per STA =1,7425 + 0,1659 X1 + 0,0773X2 – 0,1230 X12 – 0,0200 X 1X 2 – 0,1205 X22 Y kasetil STA = 45,7950 + 0,2321X 1 + 0,2147X2 – 0,2777X 12 –0,0508X 1X2 – 0,3528 X 22
Hasil optimasi proses hidrolisis selulosa triasetat menjadi selulosa diasetat menunjukkan kondisi optimum hidrolisis terjadi pada konsentrasi asam sulfat 1% (v/b), rasio air terhadap selulosa mikrobial 1,066 dan suhu 50 oC. Perlakuan rasio air terhadap selulosa mikrobial, konsentrasi asam sulfat, waktu dan suhu hidrolisis berpengaruh nyata terhadap kadar asetil selulosa diasetat. Pengaruh faktor rasio air terhadap selulosa mikrobial (X1), waktu (X2), konsentrasi asam sulfat (X3 ) dan suhu (X4 ) terhadap kadar asetil selulosa diasetat (Yka SDA) yang dihasilkan pada proses hidrolisis selulosa triasetat menjadi selulosa diasetat dapat dinyatakan seperti persamaan berikut:
Yka SDA = 41,5200- 0,2198X 1 - 1,5915X 2 - 0,6582X 3 - 1,6582X4 - 0,6255X1 2 -0,1330X3 2 -0,2940X2X3 - 0,2040X 1X4 - 0,7028X 2X 4 - 0,1760X 3X 4
Selulosa diasetat mikrobial yang dihasilkan (kadar asetil 37-42%) dapat digunakan sebagai polimer pada pembuatan membran. Membran ultrafiltrasi yang dibuat dari selulosa diasetat kadar asetil 37,21% (konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak 14%, 16%, 18%, 20%) dan membran yang dibuat dari selulosa diasetat kadar asetil 38,11% (konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak 12% dan 14%) merupakan membran ultrafiltrasi dengan MWCO sebesar 67 kDa. Membran yang dibuat dari selulosa diasetat kadar asetil 38,11% (konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak 18%, 20%) dan membran yang dibuat dari SDA kadar asetil 39,19% (konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak 12%, 14%, 16%,18%) serta membran yang dibuat dari selulosa diasetat kadar asetil 40,22% (konsentrasi selulosa diasetat dalam larutan cetak 12%, 14%) merupakan membran ultrafiltrasi dengan MWCO sebesar 60 kDa
PRAKATA Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan penelitian dan menuliskan hasilnya dalam disertasi yang berjudul Perancangan Proses Pembuatan Selulosa Asetat dari Selulosa Mikrobial untuk Membran Ultrafiltrasi. Disertasi ini dibuat sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada program studi Teknologi Industri Pertanian (TIP) pada Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sangat tulus dan mendalam kepada yang terhormat Prof. Dr. Ir. H. Abdul Aziz Darwis, MSc sebagai ketua komisi pembimbing dan Prof. Dr. Ir. Hj. Tun Tedja Irawadi, MS, Dr. Ir. Hj. Erliza Noor, Dr. Ir. Ani Suryani, DEA dan Dr. Ir. Kaseno, M.Eng masing-masing sebagai anggota komisi pembimbing yang dengan tulus ikhlas telah membimbing penulis hingga disertasi ini terwujud. Penghargaan dan ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Dr. Ir. Hj. Liesbetini Hartato, MS dan Dr. Ir. H. Amril Aman atas kesediaannya menjadi dosen penguji luar komisi pada ujian tertutup penulis. Penghargaan dan ucapan terima kasih juga
penulis sampaikan kepada
Direktur Akademi Teknologi Industri Padang – Departemen Perindustrian yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk melanjutkan pendidikan di Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Dekan Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor, Dekan Fakultas Teknologi Industri Pertanian, Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian dan seluruh staf pengajar Sekolah Pascasarjana IPB khususnya Pogram Studi Teknologi Industri Pertanian (TIP) yang telah memberi ilmu pengetahuan dan bimbingan kepada penulis selama menimba ilmu pengetahuan di Institut Pertanian Bogor.
Penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih kepada Bagian Proyek Pengkajian dan Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Terapan, Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional Republik Indonesia yang telah memberikan dukungan finasia l bagi pelaksanaan penelitian melalui Penelitian Hibah Bersaing IX. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Ibu Rini Purnawati atas bantuannya selama melaksanakan penelitian. Kepada yang mulia Ayahanda H. Ahmad dan Ibunda Hj. Rosni, Ayah Mertua H. Bahar (alm) dan Ibu mertua Hj. Ratna penulis persembahkan terima kasih tak terhingga atas segala doa , dukungan, bimbingan dan
nasehat yang tiada henti-
hentinya diberikan kepada penulis. Kepada suami tercinta M. Arifin SE, MM dan anak-anakku tersayang Faiz Rahman Arifin, Hanif Rahman Arifin dan Azzahra Arifin penulis ucapkan terima kasih tak terhingga atas dukungan, kesabaran, pengorbanan dan iringan doa yang tulus ikhlas. Kepada kakanda Afrizal dan Ardiamsyah, adinda Novi Erni, Susi, Mayesti, Arsil, Yosi Septriani, dan Aulia Rahim penulis ucapkan terima kasih tak terhingga atas doa dan dukungannya. Akhir kata, kepada semua pihak yang telah membantu penulis yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, penulis ucapkan terima kaih. Semoga Allah SWT membalasnya berlipat ganda. Bogor, Agustus 2006 Desiyarni
PENDAHULUAN
Latar belakang Selulosa asetat merupakan salah satu jenis polimer yang penting dan banyak digunakan pada industri antara lain sebagai polimer pada industri plastik cetakan (moulding), film fotografi dan membran. Selulosa asetat secara umum dibedakan atas dua jenis yaitu selulosa triasetat (selulosa asetat primer) dan selulosa diasetat (selulosa asetat sekunder). Selulosa asetat primer dibuat (asetilasi) selulosa dengan pereaksi
melalui reaksi esterifikasi
anhidrida asetat, sedangkan
selulosa asetat
sekunder dibuat dengan cara menghidrolisis selulosa asetat primer. Secara komersial selulosa asetat dibuat dengan menggunakan bahan baku berupa kapas dan pulp kayu berkualitas tinggi. Salah satu masalah dalam produksi selulosa asetat dari pulp kayu adalah rendahnya kualitas dan kemurnian selulosa kayu karena pulp kayu masih mengandung hemiselulosa dan lignin. Hemiselulosa dan lignin merupakan
senyawa yang tidak diinginkan terdapat dalam bahan baku
produksi selulosa asetat. Hemiselulosa yang terdapat dalam pulp kayu seperti xylan dan glukomanan akan berubah menjadi xylan asetat dan glukomanan asetat selama reaksi esterifikasi. Kedua senyawa ini akan menyebabkan kekeruhan dan viskositas palsu pada selulosa asetat yang dihasilkan. Selulosa
mikrobial
adalah
mikroorganisme. Selulosa mikrobial
jenis
selulosa
merupakan
yang
dihasilkan
oleh
jenis selulosa non kayu yang
2
sedang dikembangkan antara lain untuk diafragma speaker mutu tinggi (high fidelity audio speaker diaphragma), bahan pembuatan kertas sangat kuat (ultrahigh strength paper), campuran pada produk perawat luka (wound care products), sumber selulosa pada pembuatan mikrokristalin selulosa (MCC)
dan sebagai bahan
(diaper). Selulosa jenis ini bersifat dapat diperbarui (renewable).
penyerap
Disamping itu
selulosa mikrobial mempunyai beberapa keunggulan antara lain (1) relatif murni sehingga tidak membutuhkan proses delignifikasi , (2) sifat hidrofilik yang sangat tinggi dan (3) dapat diproduksi dari berbagai macam substrat yang relatif mudah dan murah. Berdasarkan keunggulan yang dimiliki tersebut maka selulosa jenis ini merupakan alternatif sebagai sumber selulosa yang relatif murni pada produksi selulosa asetat. Penelitian pembuatan selulosa asetat dari selulosa mikrobial telah dilakukan antara lain oleh Tabuchi et al. (1998), Safriani (2000) dan Darwis et al. (2003). Tabuchi et al. (1998) menyatakan bahwa selulosa triasetat yang dibuat dari selulosa mikrobial mempunyai derajat polimerisasi yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan selulosa triasetat yang dibuat pulp kayu. Safriani (2000) telah meneliti pembuatan selulosa asetat dari selulosa mikrobial berbahan baku kedelai (nata de soya) dan menggunakan selulosa asetat yang dihasilkan sebagai polimer pada pembuatan edible coating. Darwis et al. (2003) telah meneliti pembuatan selulosa triasetat dari selulosa mikrobial berbahan baku air kelapa (nata de coco) dan menggunakan selulosa triasetat yang dihasilkan sebagai polimer pada pembuatan membran mikrofiltrasi. Meskipun pembuatan selulosa triasetat dari selulosa
3
mikrobial telah berhasil dilakukan namun kondisi optimum pembuatannya belum diketahui. Tahapan yang paling penting pada proses pembuatan selulosa triasetat adalah asetilasi. Pada pembuatan selulosa triasetat secara komersial terdapat beberapa faktor penting yang mempengaruhi kecepatan reaksi asetilasi dan kualitas selulosa triasetat yang dihasilkan antara lain karakteristik bahan baku, rasio anhidrida asetat dengan selulosa, jenis dan konsentrasi katalis serta suhu dan lama asetilasi. Kondisi proses asetilasi dan karakteristik selulosa asetat primer yang dihasilkan oleh Tabuchi et al. (1998), Safriani (2000) dan Darwis et al. (2003) berbeda-beda dan belum diketahui kondisi optimumnya. Agar dapat dihasilkan selulosa triasetat yang berkualitas baik dari selulosa mikrobial maka perlu dilakukan sehingga dapat diperoleh informasi
optimasi proses pembuatannya
faktor- faktor yang berpengaruh pada proses
asetilasi selulosa mikrobial dan kondisi optimumnya. Karakteristik selulosa asetat yang terpenting adalah kemampuannya larut dalam pelarut tertentu dan derajat polimerisasinya. Selulosa diasetat mempunyai beberapa sifat yang berbeda dari selulosa triasetat terutama kemampuannya larut dalam pelarut organik tertentu. Kelarutan selulosa asetat dalam pelarut organik dipengaruhi oleh kadar asetilnya. Selulosa diasetat mempunyai kadar asetil sekitar 37 - 42 % dan bersifat larut dalam aseton, sedangkan selulosa triasetat mempunyai kadar asetil sekitar 42 – 46% dan tidak larut dalam aseton. Pengaturan kadar asetil selulosa diasetat dilakukan melalui reaksi hidrolisis. Proses hidrolisis dilakukan dengan menambahkan sejumlah air ke dalam larutan selulosa triasetat dengan atau tanpa
