PEMBUATAN SELULOSA HIDROKSI METIL ESTER LEMAK SAWIT DARI TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS) DAN ASAM LEMAK SAWIT DISTILAT (ALSD) DISERTASI Oleh EKA NURYANTO 078103003/KIM FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012 Universitas Sumatera Utara
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dalam Program Studi Doktor Ilmu Kimia
pada Program Pascasarjana Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara
Oleh
EKA NURYANTO 078103003/KIM
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2012
Universitas Sumatera Utara
PENGESAHAN DISERTASI
Judul Disertasi : PEMBUATAN SELULOSA HIDROKSI METIL ESTER LEMAK SAWIT DARI TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS) DAN ASAM LEMAK SAWIT DISTILAT (ALSD)
Nama Mahasiswa : EKA NURYANTO Nomor Induk Mahasiswa : 078103003 Program Studi : Doktor Kimia Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara
Menyetujui Komisi Pembimbing
Promotor Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D
Dr. Ir. Tjahjono Herawan, M.Sc Co. Promotor Co. Promotor
Prof. Dr. Harry Agusnar, M.Sc., M.Phil
Ketua Program Studi, Dekan FMIPA, Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D Dr. Sutarman, M.Sc.
Tanggal lulus pada sidang ujian terbuka : 07 September 2012
Universitas Sumatera Utara
Telah diuji pada sidang ujian terbuka
Tanggal : 07 September 2012
PANITIA PENGUJI DISERTASI Ketua : Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D
Dengan ini saya menyatakan bahwa saya mengakui semua karya disertasi ini adalah hasil kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan sumbernya dengan benar.
Medan, Juni 2012
EKA NURYANTO NIM 078103003
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : EKA NURYANTO NIM : 078103003 Program Studi : Doktor Kimia Jenis Karya Ilmiah : Disertasi
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive Royalty Free Right) atas Disertasi saya yang berjudul:
Pembuatan selulosa hidroksi metil ester lemak sawit dari Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) Dan Asam Lemak Sawit Distilat (ALSD)
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak menyimpan, mengalih media, memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasikan Disertasi saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta. Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya. Medan, Juni 2012 EKA NURYANTO
Universitas Sumatera Utara
RIWAYAT HIDUP
DATA PRIBADI Nama Lengkap berikut Gelar : Drs. Eka Nuryanto, M.Si.
Tempat dan Tanggal Lahir : Cirebon, 14 Januari 1968
Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) merupakan salah satu limbah padat Pabrik Kelapa Sawit (PKS) yang jumlahnya hampir sama dengan jumlah Minyak Sawit Mentah/Crude Plam Oil (CPO) yang dihasilkan. TKKS mengandung selulosa yang sangat tinggi sehingga TKKS dapat digunakan sebagai sumber selulosa yang potensial. Turunan selulosa dari TKKS yang dapat dibuat adalah selulosa asetat. Asam Lemak Sawit Distilat (ALSD) merupakan hasil samping dari Pabrik Minyak Goreng Kelapa Sawit (PMGKS) yang jumlahnya sekitar 3,5 % dari CPO yang diolah. ALSD mengandung sekitar 50 % asam lemak sawit tak jenuh yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan senyawa epoksi. Reaksi antara selulosa asetat dengan epoksi ester lemak sawit diharapkan diperoleh produk biopolimer yang dapat bermanfaat dan bernilai ekonomis. Pemisahan asam lemak jenuh dan tak jenuh di dalam ALSD dilakukan dengan alat Short Path Distillation Molecular Plant type KDL 5 , kondisi optimum untuk pemisahan ini adalah pada suhu wiper 350 oC dan suhu evaporator 200 oC. Proses epoksidasi asam lemak tak jenuh hasil pemisahan optimum pada waktu reaksi 6 jam ditandai dengan turunnya Bilangan Iod dari 64,5 menjadi 2,0 g I2/100 g sampel dan adanya Bilangan Oksiran 2,23 g O/100g sampel. Isolasi selulosa dari TKKS menggunakan basa memberikan rendemen 63,15 %. Pita-pita serapan yang muncul pada spektrum FTIR selulosa TKKS sama dengan pita-pita serapan selulosa standar. Asetilasi selulosa dari TKKS telah dapat dilakukan ditandai dengan adanya kandungan asetil 43,05 % pada suhu 40 o
C selama 20 menit waktu reaksi. Spektrum FTIR selulosa asetat TKKS sangat berbeda dengan spktrum FTIR dari selulosa TKKS. Sementara itu spektrum FTIR selulosa asetat dari TKKS sama persis dengan spektrum FTIR selulosa asetat standar. Reaksi antara selulosa asetat dari TKKS dengan senyawa epoksi ester lemak sawit (9-epoksi metil ester lemak sawit) dilakukan di dalam pelarut metanol kering dengan bantuan katalis natrium metoksi. Produk hasil reaksi (selulosa-9-(10-hidroksi-metil ester lemak sawit)) merupakan padatan berwarna putih dengan perolehan sebesar 47 % dan kadar asetil 1,76 % serta oksiran oksigennya 0. Hasil ini menunjukkan telah berkurangnya gugus asetil di dalam selulosa dan cincin oksiran dari senyawa epoksi sudah terbuka semuanya. Ada perbedaan yang nyata pada spektrum FTIR dari selulosa hidroksi metil ester lemak sawit (produk) dengan spektrum selulosa asetat maupun spektrum 9-epoksi metil ester lemak sawit (reagen). Di samping itu, hasil analisis SEM dan XRD menegaskan adanya perbedaan antara selulosa TKKS, selulosa asetat TKKS, dan hasil reaksi antara selulosa asetat TKKS dengan senyawa epoksi dari lemak sawit. Dengan demikian diduga telah terjadi reaksi antara selulosa asetat dengan senyawa epoksi ester lemak sawit menjadi selulosa hidroksi metil ester lemak sawit.
Kata kunci : Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS), Asam Lemak Sawit Distilat (ALSD), selulosa, epoksi.
Universitas Sumatera Utara
SYNTHESIS OF CELLULOSE HYDROXY PALM FATTY METHYL ESTER FROM PALM OIL EMPTY FRUIT BUNCHES (EFB)
AND PALM FATTY ACID DISTILLATE (PFAD)
ABSTRACT
Palm Oil Empty Fruit Bunches (EFB) is one of the solid waste plant oil palm, which amount almost equal to the amount of Crude Palm Oil (CPO). Palm oil EFB contains cellulose which is can be used as a source of cellulose. Derivative of cellulose from palm oil EFB that can be made cellulose acetate. Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) is a by product of palm oil refinery which amount for about 3.5% of the CPO is processed. PFAD contains about 50% unsaturated fatty acid that can be utilized as raw material for epoxy compounds. The reaction between cellulose acetate with an epoxy fatty acid are expected to biopolymers that can be useful and economically valuable. Separation of saturated fatty acids and unsaturated in the PFAD performed by means of Short Path Molecular Distillation Plant type KDL 5. The process of epoxidation of unsaturated fatty acid has been successfully characterized by falling iodine value from 64.5 to 2.0 g I2/100 g sample and 2.23 g of oxirane O/100g of samples. Epoxidation reaction is optimum at a reaction time of 6 hours. Isolation of cellulose from palm oil EFB with base is obtained yield of 63.15%. Fourier Transform Infra Red (FTIR) spectra of cellulose from palm oil EFB is same with the spectra of cellulose standard. Acetylation of cellulose from palm oil EFB can be done by the presence of acetyl content of 43.05% at 40 ° C for 20 min reaction time. FTIR spectra of cellulose acetate from palm oil EFB appeared in 1.756 cm-1 are typical for group-C = O ester acetate. Meanwhile, FTIR spectra of cellulose acetate from palm oil EFB exactly the same FTIR spectra of cellulose acetate standard. The reaction between cellulose acetate from palm oil EFB with the epoxy compound in dry methanol solvent in the presence of sodium methoxy has been done. Products of reaction (cellulose hydroxyl palm fatty methyl ester) is a white solid with the yield 47 % and acetil contents 1.76 % and oxygen oxiranes 0. This result showed reduce the acetil content in the produsct and has no oxygen oxiranes. There are noticeable differences in the FTIR spectra of cellulose hydroxyl palm fatty methyl ester with cellulose acetic or cellulose. Thus alleged to have occurred between cellulose acetate reaction with the epoxy fatty methyl ester compound become to cellulose hydroxyl palm fatty methyl ester. Key words: Palm Oil Empty Fruit Bunches (EFB), Palm Fatty Acid Distillate
(PFAD), cellulose, epoxy, biopolymer.
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR i
ABSTRAK iii
ABSTRACT v
DAFTAR ISI vii
DAFTAR TABEL x
DAFTAR GAMBAR xi
DAFTAR PUBLIKASI xiii
BAB 1 PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Perumusan Masalah 3
1.3 Tujuan Penelitian 4
1.3.1 Tujuan Umum 4
1.3.2 Tujuan Khusus 4
1.4 Manfaat Penelitian 4
1.5 Batasan Masalah 5
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 6
2.1. Asam Lemak Sawit Distilat (ALSD) 6
2.1.1 Pemisahan Asam Lemak Jenuh dan Tak Jenuh di dalam
ALSD 8
2.1.2 Distilasi Molekuler 10
2.1.3 Epoksidasi 12
2.1.3.1 Epoksidasi dengan Hidrogen
Peroksida (H2O2
2.1.3.2 Reaksi Pembukaan Cincin Epoksida 15
) 15
2.2 Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) 17
2.3 Proses Pembuburan TKKS (Pulping) 19
2.3.1 Bilangan Kappa 19
Universitas Sumatera Utara
lanjutan
Halaman
2.4 Selulosa 20
2.4.1 Sifat Kimia Selulosa 22
2.5 Selulosa Asetat 23
2.5.1 Proses pembuatan selulosa asetat 26
2.6 Biopolimer 29
2.6.1 Reaksi antara Selulosa Asetat dengan
Senyawa Epoksi 29
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN 32
3.1 Lokasi Penelitian 32
3.2 Bahan dan Alat 32
3.2.1 Bahan 32
3.2.2 Alat 32
3.3 Prosedur Penelitian 33
3.3.1 Pemisahan Asam Lemak Jenuh dan Tak Jenuh 34
3.3.1.1 Prosedur Esterfikasi ALSD 34
3.3.1.2 Prosedur Pemisahan Ester ALSD 35
3.3.2 Prosedur Epoksidasi 37
3.3.3 Delignifikasi Tandan Kosong Kelapa Sawit 37
3.3.4 Pembuatan Selulosa Asetat dari pulp TKKS 38
3.3.5 Reaksi antara Senyawa Epoksi
dengan Selulosa Asetat 39
3.4 Prosedur Analisis 39
3.4.1 Bilangan Asam 39
3.4.2 Bilangan Penyabunan 39
3.4.3 Gas Chromatography 40
3.4.4 Bilangan Iod 40
3.4.5 Bilangan Oksiran 40
3.4.6 Uji Bilangan Kappa 41
Universitas Sumatera Utara
lanjutan
Halaman
3.4.7 Analisis Kadar Asetil 41
3.4.8 Analisis Fourier Transform Infra Red (FTIR) 42
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 45
4.1 Pemisahan Asam Lemak Sawit Distilat (ALSD) 45
4.1.1 Esterifikasi Asam Lemak Sawit Distilat (ALSD) 45
4.2 Epoksidasi Metil Ester Asam Lemak Sawit Tak Jenuh 54
4.3 Isolasi Selulosa dari TKKS 59
4.4 Pembuatan Selulosa Asetat 65
4.5 Reaksi Selulosa Asetat dengan Senyawa Epoksi 70
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 77
5.1 Kesimpulan 77
5.2 Saran 78
DAFTAR PUSTAKA 79
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Nomor Tabel Judul Halaman
2.1 Komposisi Asam Lemak di dalam ALSD 8
2.2 Komposisi kimia TKKS 19
2.3 Kandungan asetil dalam selulosa asetat dan
kegunaannya
26
4.1 Karakteristik ALSD dan ME-ALSD 46
4.2 Komposisi Asam Lemak di dalam ALSD dan ME-
ALSD
48
4.3 Komposisi Asam Lemak di dalam Fraksi Distilat 53
4.4 Komposisi Asam Lemak di dalam Fraksi Residu 54
4.5 Hasil Uji Bilangan Iod selama Berlangsung Reaksi
Epoksidasi
55
4.6 Hasil Uji Bilangan Oksiran selama Berlangsung Reaksi Epoksidasi
57
4.7 Hasil Ekstraksi TKKS 59
4.8 Massa Hasil Isolasi Selulosa 60
4.9 Massa Hasil Bleaching Selulosa TKKS 63
4.10 Hasil Pembuatan Selulosa Asetat dari TKKS 66
4.11 Pita serapan spektrum FTIR selulosa asetat dari TKKS dan SIGMA
68
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Nomor Gambar Judul Halaman
2.1 Skema pengolahan CPO menjadi minyak goreng kelapa sawit
7
2.2 Dasar-dasar evaporasi dan kondensasi pada distilasi molekuler
11
2.3 Mekanisme reaksi epoksidasi alkena dengan asam peroksi 14
2.4 Mekanisme reaksi pembukaan cincin epoksida berkatalis basa
16
2.5 Mekanisme reaksi pembukaan cincin epoksida berkatalis asam
17
2.6 Struktur selulosa 21
2.7 Reaksi selulosa dengan anhidrida asetat 24
2.8 Struktur selulosa asetat 24
2.9 Reaksi antara selulosa asetat dengan epoksi asam lemak 31
3.1 Skema kerja penelitian 33
3.2 Rangkaian alat untuk proses esterifikasi 34
4.1 Kromatogram Gas Chromatography ALSD 49
4.2 Kromatogram Gas Chromatography ME-ALSD 49
4.3 Spektrum FTIR ALSD 50
4.4 Spektrum FTIR ME-ALSD 51
4.5 Spektrum FTIR ALSD (hitam) dan ME-ALSD (merah) 52
4.6 Pola penurunan Bilangan Iod selama reaksi epoksidasi 56
4.7 Pola penurunan Bilangan Oksiran selama reaksi epoksidasi
57
4.8 Spektrum FTIR senyawa epoksi dari ALSD 58
Universitas Sumatera Utara
lanjutan
Nomor Gambar Judul Halaman
4.9 Mekanisme Reaksi Lignin dengan NaOH 60
4.10 Mekanisme Reaksi Selulosa dengan NaOH pada gugus –OH primer
61
4.11 Mekanisme Reaksi Selulosa dengan NaOH pada gugus –OH sekunder
62
4.12 Spektrum FTIR selulosa yang berasal dari TKKS (merah) dan selulosa standar dari SIGMA (biru)
63
4.13 Hasil analisis selulosa TKKS dengan alat SEM 64
4.14 Reaksi Asetilasi Secara Umum 65
4.15 Kandungan asetil selam reaksi asetilasi selulosa dari TKKS
67
4.16 Spektrum FTIR selulosa asetat dari TKKS (biru) dan selulosa asetat standar dari SIGMA (merah)
68
4.17 Spektrum FTIR selulosa dari TKKS (merah) dan selulosa hasil asetilasi (biru)
69
4.18 Hasil analisis selulosa asetat TKKS dengan alat SEM 70