OPTIMASI HIDROLISIS ASAM PADA PREPARASI

MIKROKRISTALIN SELULOSA DARI TANDAN KOSONG

KELAPA SAWIT

Disusun Oleh :

SEPTI PUJIASIH

M0313066

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar sarjana

sains dalam bidang ilmu kimia

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2017

ii

HALAMAN PENGESAHAN

SKRIPSI

OPTIMASI HIDROLISIS ASAM PADA PREPARASI MIKROKRISTALIN

SELULOSA DARI TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT

SEPTI PUJIASIH

M0313066

Skripsi ini dibimbing oleh :

Pembimbing I Pembimbing II

Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si Dr. Abu Masykur, M.Si

NIP. 19730124 199903 2001 NIP. 19710426 199702 1001

Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada :

Hari : Rabu

Tanggal : 25 Oktober 2017

Anggota Tim Penguji :

1. Dr. Desi Suci Handayani, M.Si 1.............................................

NIP. 19721207 199903 2001

2. Dra. Tri Martini, M.Si 2.............................................

NIP. 19581029 198503 2002

Disahkan Oleh :

Kepala Program Studi Kimia

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret Surakarta

Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si.

NIP. 19730124 199903 2001

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “Optimasi

Hidrolisis Asam Pada Preparasi Mikrokristalin Selulosa dari Tandan Kosong

Kelapa Sawit” belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di

suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis

atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam

naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Surakarta, September 2017

SEPTI PUJIASIH

iv

OPTIMASI HIDROLISIS ASAM PADA PREPARASI MIKROKRISTALIN

SELULOSA DARI TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT

SEPTI PUJIASIH

Program Studi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan salah satu limbah utama

yang dihasilkan dari industri kelapa sawit dan belum dimanfaatkan secara optimal

di Indonesia. TKKS dapat dimanfaatkan menjadi sumber bahan terbarukan untuk

meningkatkan nilai gunanya, karena kandungan lignoselulosa yang tinggi pada

TKKS. Transformasi TKKS menjadi mikrokristalin selulosa (MKS) merupakan

salah satu alternatif penanganan limbah TKKS. Pada penelitian ini telah berhasil

dilakukan optimasi hidrolisis asam pada preparasi MKS dari serat TKKS.

Preparasi MKS dilakukan melalui tahapan bleaching menggunakan NaOCl,

alkalisasi dengan NaOH, dan hidrolisis. Hidrolisis selulosa dilakukan

menggunakan asam sulfat (H2SO4) pada variasi konsentrasi 45%, 55% dan 65%.

Analisis Fourier Transform Infra Red (FTIR) serat TKKS hasil preparasi

menunjukkan adanya serapan khas selulosa dan hilangnya serapan khas lignin dan

hemiselulosa. Indeks kristalinitas hidrolisat H2SO4 pada masing-masing

konsentrasi H2SO4 sebesar 66,99%; 21,28%; dan 34,19%. Hidrolisis asam

optimum diperoleh pada konsentrasi H2SO4 45% Berdasarkan analisis morfologi

Transmission Electron Microscopy (TEM), MKS hidrolisat H2SO4 45% yang

dihasilkan berwarna putih dengan bentuk partikel berupa batang dengan diameter

rata-rata pada kisaran 88,80 nm. Pengukuran distribusi rata-rata ukuran partikel

MKS dengan Particle Size Analyzer (PSA) diketahui sebesar 2240,1 nm, dan

MKS relatif stabil dalam suspensi dengan nilai zeta potensial sebesar –40,7 mV.

Sedangkan, hasil pengukuran luas permukaan diketahui MKS memiliki luas

permukaan sebesar 24,62 m2/g.

Kata kunci : asam sulfat, hidrolisis, mikrokristalin, selulosa, TKKS

v

OPTIMIZATION OF ACID HYDROLYSIS ON MICROCYSTALLINE

CELLULOSE PREPARATION FROM OIL PALM EMPTY FRUIT

BUNCHES

SEPTI PUJIASIH

Department of Chemistry, Faculty of Mathematics and Natural Science,

Sebelas Maret University

ABSTRACT

Oil palm empty fruit bunches (OPEFB) is one of the main waste products

residues generated from the palm oil industry and has not been utilized optimally

in Indonesia. OPEFB can be utilized as a renewable material source to increase its

value product, due to its higher lignocellulosic content. Transforming OPEFB into

microcystalline cellulose (MCC) is one of the alternative handling of OPEFB

waste. In this research, optimization of acid hydrolysis has been done on the

preparation of MCC from OPEFB fiber. MCC preparation was carried out through

the bleaching process using NaOCl, alkalization with NaOH, and hyrolysis.

Hydrolysis of cellulose was carried out using sulfuric acid (H2SO4) varied at 45%,

55%, and 65% concentration. Fourier Transform Infra-Red (FTIR) analysis of

preparation OPEFB fiber exhibits the typical cellulose and disappearing typical

absorptions of lignin and hemicellulose. Hydrolyzate crystallinity index at each

level concentration of H2SO4 were 66.99%; 21.28%; and 34.19%. The optimum

acid hydrolysis concentration was reached at H2SO4 45%. According to

morphology result of Transmission Electron Microscopy (TEM), MCC

hydrolyzate H2SO4 45% yielded as a white stem with the average diameter of its

particle was 88.80 nm. By using Particle Size Analyzer (PSA) measurement, the

average relative distribution of its particle was 2240.1 nm and showed the MCC

relatively stable in suspension with a potential zeta value –40.7 mV. Meanwhile,

surface area measurement was obtained to be 24.62 m2/g.

Keywords : cellulose, hydrolysis, microcrystalline, OPEFB, sulfuric acid

vi

MOTTO

“Maka sesungguhnya bersama kesulitan ada kemudahan. Sesungguhnya bersama kesulitan ada kemudahan. Maka apabila engkau telah selesai (dari sesuatu urusan), tetaplah bekerja keras (untuk urusan yang lain).

Dan hanya kepada Tuhanmulah engkau berharap.” (QS. Al-Insyirah,6-8)

"Musuh yang paling berbahaya di atas dunia ini adalah penakut dan bimbang. Teman yang paling setia, hanyalah keberanian dan keyakinan

yang teguh." (Andrew Jackson)

“Banyak kegagalan hidup terjadi karena orang-orang tidak menyadari, betapa dekatnya kesuksesan ketika mereka menyerah.” (Thomas Alfa

Edison)

"Apabila Anda berbuat kebaikan kepada orang lain, maka Anda telah berbuat baik terhadap diri sendiri." (Benyamin Franklin)

vii

PERSEMBAHAN

Dengan menyebut nama Allah yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang, puji

syukur atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya hingga terselesaikannya

skripsi ini

Saya persembahkan karya ini untuk :

Ibuku Purinah, Bapak Sugiono, dan kakakku tercinta, terimakasih untuk kasih

sayang, cinta, semangat, dan doa yang senantiasa mengiringi langkahku. Tiada

jalan terbaik selain ridho kedua orang tuaku.

Rizky Anugrah Putra, terimakasih mas telah sabar menemani, mengajari, dan

mendewasakanku.

Kakek dan nenek tercinta, terimakasih untuk segala doa dan nasehatmu.

Sahabat-sahabat terhebatku Kurnia, Marta, Wahyu terimakasih untuk

semangat dan semua hari-hari indah kita. Terimakasih Abang Ozi Adi Saputra

untuk bimbingan dan pengorbanan waktumu.

Teman-teman kimia 2013 yang selama 4 tahun berbagi keceriaan dan

semangat bersamaku.

viii

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, puji syukur kepada Allah SWT yang membuat segala

sesuatu dapat menjadi mudah dan sulit jika dikehendaki-Nya. Atas segala ridho-

Nya yang telah memberikan kemudahan, kekuatan, dan petunjuk, sehingga

penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini sebagai salah satu syarat guna

memperoleh gelar Sarjana Sains dari Program Studi Kimia Fakultas Matematika

dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret.

Pelaksanaan dan penyusunan tugas akhir ini tidak lepas dari dukungan,

bimbingan, serta bantuan dari berbagai pihak. Karenanya, dengan segala

kerendahan hati dan rasa hormat, melalui tulisan ini penulis ingin mengucapkan

terimakah yang setulus-tulusnya kepada :

1. Ibu Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si selaku Kepala Program Studi

Kimia FMIPA UNS sekaligus pembimbing I.

2. Bapak Dr. Abu Masykur, M.Si selaku pembimbing II.

3. Bapak Dr. rer. nat. Maulidan Firdaus, M.Sc selaku Pembimbing

Akademik.

4. Ibu Dr. Khoirina Dwi N, M.Si selaku Ketua Laboratorium Kimia

FMIPA UNS.

5. Bapak-Ibu dosen program studi kimia FMIPA UNS dan seluruh

jajaran laboratorium kimia dan laboratorium MIPA terpadu.

6. Ibu, Bapak, dan Kakakku yang senantiasa memberikan kasih sayang

dan doa.

7. Teman-teman satu tim riset (Kurnia, Marta, Wahyu) yang telah

berjuang bersama di laboratorium.

8. Abang Ozi Adi Saputra yang telah meluangkan waktu, tenaga, serta

pikiran.

9. Teman-teman Kimia angkatan 2013, semoga tali persaudaraan kita

akan tetap terjaga.

10. Semua pihak yang telah membantu dalam pelaksanaan penelitian ini

yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.

ix

Akhir kata, penulis berharap semoga laporan Tugas Akhir ini bermanfaat

bagi semua pihak. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan laporan ini masih

banyak kekurangan sehingga penulis mengharapkan kritik dan saran untuk

menyempurnakannya.

Surakarta, September 2017

SEPTI PUJIASIH

x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ........................................................................................ i

HALAMAN PENGESAHAN .......................................................................... ii

HALAMAN PERNYATAAN ......................................................................... iii

HALAMAN ABSTRAK .................................................................................. iv

HALAMAN ABSTRACT ............................................................................... v

HALAMAN MOTTO ...................................................................................... vi

PERSEMBAHAN ............................................................................................ vii

KATA PENGANTAR ..................................................................................... viii

DAFTAR ISI .................................................................................................... x

DAFTAR TABEL ............................................................................................ xiii

DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xiv

DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xvi

BAB I PENDAHULUAN ................................................................................ 1

A. Latar Belakang Masalah ....................................................................... 1

B. Perumusan Masalah ............................................................................. 3

1. Identifikasi Masalah ........................................................................ 3

2. Batasan Masalah .............................................................................. 4

3. Rumusan Masalah ........................................................................... 5

C. Tujuan Penelitian ................................................................................. 5

D. Manfaat Penelitian ............................................................................... 5

BAB II LANDASAN TEORI .......................................................................... 6

A. Tinjauan Pustaka .................................................................................. 6

1. Tandan Kosong Kelapa Sawit ......................................................... 6

a. Selulosa ...................................................................................... 8

b. Hemiselulosa ............................................................................. 12

c. Lignin ........................................................................................ 13

2. Mikrokristalin Selulosa .................................................................. 15

3. Pemutihan serat (Bleaching) .......................................................... 16

4. Proses pemutihan serat menggunakan hipoklorit (NaOCl) ............ 18

5. Hidrolisis ........................................................................................ 19

xi

6. Instrumen analisis........................................................................... 21

a. FTIR (Fourier Transform Infra-Red)....................................... 21

b. XRD (X-Ray Diffraction) ......................................................... 22

c. TEM (Transmission Electron Microscopy) ............................. 24

d. PSA (Particle Size Analyzer) ................................................... 25

e. Zeta Potensial ........................................................................... 27

f. SAA (Surface Area Analyzer) .................................................. 28

B. Kerangka Pemikiran ............................................................................. 29

C. Hipotesis ............................................................................................... 30

BAB III METODOLOGI PENELITIAN......................................................... 32

A. Metode Penelitian................................................................................. 32

B. Tempat dan Waktu Penelitian .............................................................. 32

C. Alat dan Bahan yang Digunakan.......................................................... 32

1. Alat .................................................................................................. 32

2. Bahan ............................................................................................... 33

D. Prosedur Penelitian............................................................................... 33

1. Penentuan komponen kimia serat TKKS ........................................ 33

2. Preparasi mikrokristalin selulosa (MKS) ........................................ 35

a. Preparasi TKKS-bleaching (TKKSb) ........................................ 36

b. Preparasi TKKS-alkali (TKKSa) ............................................... 36

c. Optimasi hidrolisis asam dalam preparasi MKS ....................... 36

3. Karakterisasi Material...................................................................... 37

E. Teknik Pengumpulan Data ................................................................... 38

1. Teknik pengumpulan data ............................................................... 38

2. Teknik analisis data ......................................................................... 38

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................... 40

A. Studi pendahuluan komponen kimia dalam serat TKKS ..................... 40

B. Karakterisasi FTIR hasil preparasi bleaching dan alkalisasi ............... 40

C. Analisis optimasi hasil hidrolisis asam ................................................ 43

D. Karakterikasi mikrokristalin selulosa (MKS) ...................................... 46

1. Analisis gugus fungsi MKS ........................................................... 46

xii

2. Analisis diameter partikel rata-rata MKS ...................................... 48

3. Analisis distribusi ukuran partikel dan stabilitas suspensi MKS ... 49

4. Analisis luas permukaan MKS ....................................................... 51

BAB V PENUTUP ........................................................................................... 55

A. Kesimpulan ........................................................................................... 55

B. Saran ..................................................................................................... 55

DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 56

LAMPIRAN-LAMPIRAN ............................................................................... 64

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Komposisi tandan kosong kelapa sawit (TKKS) .................................. 8

Tabel 2. Sifat kimia selulosa, hemiselulosa, dan lignin ...................................... 15

Tabel 3. Kandungan kimia dalam TKKS ............................................................ 40

Tabel 4. Daftar serapan gugus fungsi dari TKKS, TKKSb, dan TKKSa............ 42

Tabel 5. Daftar serapan gugus fungsi dari TKKSa dan MKS ............................. 47

Tabel 6. Perbandingan luas permukaan MKS ..................................................... 53

Tabel 7. Karakteristik fisika dari MKS ............................................................... 54

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Limbah tandan kosong kelapa sawit ................................................. 8

Gambar 2. Struktur selulosa ................................................................................ 9

Gambar 3. Perbedaan struktur (a) selulosa I, (b) selulosa II ............................... 10

Gambar 4. Struktur α-Selulosa ............................................................................ 10

Gambar 5. Struktur β-Selulosa ............................................................................ 11

Gambar 6. Struktur penyusun hemiselulosa........................................................ 13

Gambar 7. Model lignin ...................................................................................... 14

Gambar 8. Depolimerisasi selulosa menjadi mikrokristal selulosa .................... 16

Gambar 9. Reaksi perusakan lignin .................................................................... 19

Gambar 10. Mekanisme hidrolisis asam pada selulosa ....................................... 21

Gambar 11. Spektra FTIR dari TKKS, TKKS bleach, TKKS alkali, dan MKS 22

Gambar 12. Ilustrasi difraksi sinar-X pada XRD ................................................ 23

Gambar 13. Pola difraksi dari TKKS, TKKS bleach, TKKS alkali, dan MKS .. 24

Gambar 14. Morfologi TEM nanokristal selulosa dari serat TKKS ................... 25

Gambar 15. Particle Size Analyzer (PSA) Horiba SZ-100 ................................. 26

Gambar 16. Lapisan ganda muatan listrik yang mengelilingi nanopartikel........ 28

Gambar 17. Spektra inframerah dari TKKS, TKKSb, dan TKKSa .................... 41

Gambar 18. Penampakan fisik dari (a) TKKS, (b) TKKSb, (c) TKKSa ............ 43

Gambar 19. Pola difraksi dari TKKS, MKS45, MKS55, dan MKS65 ............... 44

Gambar 20. Penampakan fisik dari (a) MKS45, (b) MKS55, (c) MKS65 ......... 45

Gambar 21. Spektra inframerah dari TKKSa dan MKS ..................................... 47

Gambar 22. Morfologi TEM dari MKS .............................................................. 48

Gambar 23. Grafik distribusi ukuran partikel dari MKS .................................... 50

Gambar 24. Grafik zeta potensial dari MKS ....................................................... 51

Gambar 25. Grafik distribusi ukuran pori dari MKS .......................................... 52

Gambar 26. Grafik BET-BJH isotermal adsorpsi-desorpsi dari MKS ................ 53

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Diagram alir percobaan .................................................................. 64

a. Penentuan komponen kimia serat TKKS .................................. 64

1) Kadar zat ekstraktif yang terlarut dalam air panas ............. 64

2) Kadar holoselulosa ............................................................. 65

3) Kadar α-selulosa ................................................................ 65

b. Preparasi mikrokristalin selulosa (MKS) .................................. 66

1) Preparasi tandan kosong kelapa sawit ................................ 66

2) Preparasi TKKS-bleaching (TKKSb) ................................ 66

3) Preparasi TKKS-alkali (TKKSa) ....................................... 67

4) Optimasi hidrolisis asam pada preparasi MKS .................. 67

Lampiran 2. Perhitungan konsentrasi larutan...................................................... 68

a. Pembuatan larutan NaOCl 15% ....................................... 68

b. Pembuatan larutan NaOH 17,5% ..................................... 68

c. Pembuatan larutan H2SO4 ......................................................... 68

Lampiran 3. Spektra FTIR .................................................................................. 71

a. Spektra FTIR TKKS ................................................................. 71

b. Spektra FTIR TKKSb ............................................................... 71

c. Spektra FTIR TKKSa ................................................................ 72

d. Spektra FTIR MKS ................................................................... 72

Lampiran 4. Pola difraktogram XRD .................................................................. 73

a. Pola difraktogram XRD TKKS ................................................. 73

b. Pola difraktogram XRD MKS45 ............................................... 74

c. Pola difraktogram XRD MKS55 ............................................... 75

d. Pola difraktogram XRD MKS65 ............................................... 76

Lampiran 5. Hasil pengukuran zeta potensial ..................................................... 77

Lampiran 6. Hasil pengukuran Particle Size Analyzer ....................................... 78

Lampiran 7. Hasil uji SAA.................................................................................. 79

a. Grafik BET-BJH isotermal adsorpsi-desorpsi .......................... 79

b. Single point surface area .......................................................... 80

xvi

c. Multi-point BET data ................................................................ 80

d. Area volume summary ............................................................... 81

e. Total pore volume ..................................................................... 82

f. Average pore size ...................................................................... 82

Lampiran 8. Perhitungan komponen kimia dalam serat TKKS .......................... 83

Lampiran 9. Perhitungan kristalinitas ................................................................. 85

Lampiran 10. Perhitungan diameter rata-rata MKS ............................................ 86

Lampiran 11. JCPDS selulosa ............................................................................. 87

Lampiran 12. Sertifikat pengujian zeta potensial ................................................ 88

Lampiran 13. Sertifikat pengujian Particle Size Analyzer .................................. 89

Lampiran 14. Gambar-gambar penelitian ........................................................... 90

a. Proses pembersihan limbah serat TKKS ................................... 90

b. Penentuan komponen kimia dalam serat TKKS ....................... 91

c. Proses bleaching serat TKKS.................................................... 92

d. Proses alkalisasi serat TKKS .................................................... 92

e. Proses hidrolisis selulosa .......................................................... 93

ii