Pengaruh Variabel Hidrodinamika Pada Proses Hidrolisis Limbah

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