Pembuatan dan Karakteristisasi Selulosa Mikrokristal dari Kertas HVS Bekas dengan Variasi Waktu Hidrolisis
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kertas
Menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia tahun 2015, kertas merupakan
barang lembaran dibuat dari bubur rumput, jerami, kayu dan sebagainya yang
biasa ditulisi,pembungkus dan sebagainya. Natural paper atau kertas seni dapat
dibuat dari serat- serat tanaman, seperti jerami, ijuk, dan eceng gondok.Kertas
adalah material yang berasal dari pulp(bubur) yang menjalani proses
penggilingan. Serat yang digunakan untuk membuat kertas biasanya adalah serat
alami yang mengandung selulosa dan hemiselulosa. Pemakaian bahan pembuatan
kertas sering dibuat dengan gabungan antara serat panjang dan serat pendek untuk
menghasilkan kertas yang kuat dan halus (Dahlan,2011).
Kertas HVS adalah jenis kertas yang paling terkenal dan sangat sering
digunakan, berwarna putih dan memiliki permukaan kasar. Biasa digunakan untuk
fotocopy dan untuk mencetak buku. Ukuran kertas HVS juga bervariasi, tersedia
ukuran A4 (21 x 29,7 cm) hingga A0 (84,1 x 118,8 cm), ukuran F4 (21,5 x 33
cm), dan ukuran Q4 (21,6 x 27,9 cm). Berat kertas yang tersedia dipasaran adalah
70g, 80g, dan 100g (Jamila, dkk., 2015).
Menurut Mufridayati (2013), kayu sebagai bahan dasar dalam industri
kertas mengandung beberapa komponen antara lain:
a. Selulosa, tersusun atas molekul glukosa rantai lurus dan panjang yang
merupakan komponen paling disukai dalampembuatan kertas karena
panjang, dan kuat.
5
Universitas Sumatera Utara
b. Hemiselulosa, tersusun atas glukosa rantai pendek dan bercabang.
Hemiselulosa lebih mudah larut dalam air dan biasanya dihilangkan dalam
proses pulping(pembuburan).
c. Lignin, adalah jaringan polimer fenolik tiga dimensi yang berfungsi
merekatkan serat selulosa sehingga menjadikaku. Pulping(pembuburan)
kimia dan proses pemutihan akan menghilangkan lignin tanpa mengurangi
serat selusosa secara signifikan.
d. Ekstraktif, meliputi hormon tumbuhan, resin, asam lemak dan unsur lain.
Kertas bekas adalah sesuatu yang disebut sebagai sisa (yang telah rusak,
terbakar, tidak dipakai lagi, dan sudah pernah dipakai)(Anonim, 2015 ).Kertas
HVS bekas yang telah diolah kembali dengan baik dapat menjadi salah satu solusi
untuk menjaga lingkungan. Sebab pembuatan kertas daur ulang yang telah diberi
serat alami dan disempurnakan dapat menjadi suatu benda yang mempunyai nilai
jual, salah satunya adalah dalam pemanfaatan pembuatan mikrokristalin selulosa
sebagai bahan eksipien dalam pembuatan tablet pengganti Avicel pH 102 (Ahmad
dan Saftyaningsih, 2013).
2.2 Selulosa
Selulosa banyak ditemukan di alam yang merupakan konstituen utama dari
dinding sel tumbuh-tumbuhan dan rata-rata menduduki sekitar 50% dalam kayu
tertentu. Selulosa juga menjadi konstituen utama dari berbagai serat alam yang
terjadi sebagai rambut-rambut biji yang mengelilingi biji-bijian dari beberapa
jenis tumbuhan misalnya kapas, sebagai kulit bagian dalam kayu yang berserat,
batang, dan konstituen-konstituen berserat dari beberapa tangkai daun (serat-serat
daun) (Syahfriana, 2013).
6
Universitas Sumatera Utara
Selulosa adalah salah satu komponen utama dari lignoselulosa dan
merupakan homopolisakarida yang terdiri dari unit monomer D-glukosa yang
terikat pada ikatan 1,4-glikosidik. Selulosa cenderung membentuk mikrofibril
melalui ikatan inter dan intra. Mikrofibril selulosa terdiri dari 2 tipe, yaitu kristalin
dan amorf. Sumber selulosa yang dapat digunakan diantaranya adalah sisa-sisa
produk pertanian dan hasil hutan, kertas bekas, dan limbah industri (Fuadi, dkk.,
2015).
Selulosa berupa zat padat amorf, berwarna putih, yang tidak larut dalam
air dan pelarut organik umum.Daya tahan selulosa terhadap reaksi kimia
berhubungan dengan struktur serat selulosa.Kebanyakan bahan kimia yang
ditambahkan pada selulosa tidak dapat menembus permukaan serat sehingga tidak
dapat masuk ke dalam selulosa. Ini merupakan salah satu penyebab selulosa tidak
dapat larut dalam air dan pelarut organik yang umum (Agoes, 2008).
Jumlah selulosa dalam serat bervariasi menurut sumbernya dan biasanya
berkaitan dengan bahan-bahan seperti air, lilin, pektin, protein, lignin dan
substansi-substansi mineral. Sifat – sifat selulosa adalah berwarna putih, tidak
larut dalam air dan alkali, dapat dihidrolisis sempurna dalam suasana asam
menghasilkan glukosa, hidrolisis tak sempurna menghasilkan maltosa. Menurut
Syahfriana (2013), berdasarkan derajat polimerisasi dan kelarutan dalam senyawa
natrium hidroksida 17,5%, selulosa dapat dibedakan atas tiga jenis yaitu :
a. Selulosa α (Alfa Cellulose) adalah selulosa berantai panjang, tidak
larut dalam larutan NaOH 17,5% atau larutan basa kuat dengan derajat
polimerisasi 600 – 1500
7
Universitas Sumatera Utara
b.
Selulosa β (Beta Cellulose) adalah selulosa berantai pendek, larut
dalam larutan NaOH 17,5 % atau basa kuat dengan derajat polimerisasi
15 – 90, dapat mengendap bila dinetralkan.
c.
Selulosa γ (Gamma Cellulose) adalah sama dengan selulosa β, tetapi
derajat polimerisasinya kurang dari 15.
Gambar 2.1 Struktur kimia Selulosa(Mufridayati, 2013).
Ditinjau dari strukturnya, diharapkan selulosa mempunyai kelarutan yang
besar dalam air, karena banyaknya kandungan gugus hidroksil yang dapat
membentuk ikatan hidrogen dengan air (antar aksi yang tinggi antara pelarutterlarut). Akan tetapi kenyataannya tidak demikian, selulosa bukan hanya tidak
larut dalam air tetapi juga dalam pelarut lain. Penyebabnya ialah kekakuan rantai
dan tingginya gaya antarrantai karena ikatan hidrogen antar gugus hidroksil pada
rantai yang berdekatan. Faktor ini dipandang menjadi penyebab kekristalan yang
tinggi dari serat selulosa. Jika ikatan hidrogen berkurang, gaya antaraksi pun
berkurang, sehingga gugus hidroksil selulosa harus diganti sebagian atau
seluruhnya oleh pengesteran (Syahfriana, 2013).
Turunan selulosa telah digunakan secara luas dalam sediaan farmasi
seperti etilselulosa, metilselulosa, karboksimetilselulosa, dan dalam bentuk
lainnya yang digunakan dalam sediaan oral, topikal, dan injeksi. Sebagai contoh,
karboksimetilselulosa merupakan bahan utama dari SeprafilmTM, yang digunakan
8
Universitas Sumatera Utara
untuk mencegah adhesi setelah pembedahan. Bentuk sediaan selulosa banyak
digunakan karna sifatnya yang inert dan biokompatibilitas yang sangat baik
(Sumaiyah, 2014).
Hemiselulosa adalah polimer bercabang atau tidak linier. Rantai
hemiselulosa lebih pendek dari pada rantai selulosa Selama pembuatan pulp,
hemiselulosa bereaksi lebih cepat dengan larutan penghidrolisis dibandingkan
dengan selulosa. Hemiselulosa bersifat hidrofil (mudah menyerap air) yang
mengakibatkan strukturnya jadi kurang teratur. Kadar hemiselulosa dalam pulp
jauh lebih kecil dibandingkan dengan serat asal, karena selama proses hidrolisis
hemiselulosa bereaksi dan lebih mudah terlarut daripada selulosa (Purba, 2010).
Lignin merupakan polimer kompleks fenil propana, amorf, bersifat
aromatis. Berat molekul 1500-2000 yang bervariasi dengan jenis kayu.Lignin
merupakan bagian yang tidak diinginkan dalam pulp, sehingga harus dihilangkan
atau diputihkan sesuai dengan mutu pulp yang diinginkan. Hal ini disebabkan oleh
lignin yang mempunyai sifat tidak suka air (hidrofobik). Lignin dapat dijumpai
pada tumbuh-tumbuhan sebagai zat perekat yang berhubungan dengan kekuatan
kayu (Purba, 2010).
2.2.1 Sifat Fisikokimia
Sifat-sifat selulosa terdiri dari sifat fisika dan sifat kimia. Selulosa dengan
rantai panjang mempunyai sifat fisik yang lebih kuat, lebih tahan lama terhadap
degadasi yang disebabkan oleh pengaruh panas, bahan kimia maupun
pengaruhbiologis. Menurut Syahfriana 2013, sifat fisik lain dari selulosa adalah:
a. Dapat terdegadasi oleh hidrolisa, oksidasi, secara kimia maupun
mekanis sehingga berat molekulnya menurun.
9
Universitas Sumatera Utara
b. Tidak larut dalam air maupun pelarut organik, tetapi sebagian larut
dalam larutan alkali.
c. Dalam keadaan kering, selulosa bersifat higoskopis, keras dan rapuh.
Bila selulosa banyak mengandung air maka akan bersifat lunak.
d. Selulosa dalam bentuk kristal, mempunyai kekuatan lebih baik jika
dibandingkan dengan bentuk amorfnya.
Berikut adalah sifat kelarutan dari selulosa, hemiselulosa, dan lignin dapat
dilihat pada Tabel 2.1 dibawah ini.
Tabel 2.1 Perbedaan sifat kelarutan dari Selulosa, Hemiselulosa dan Lignin
Selulosa
Hemiselulosa
Tidak larut dalam pelarut
organik dan air
Sedikit larut dalam air
Tidak larut dalam alkali
Larut dalam alkali
Larut dalam asam pekat
Terhidrolisis dan larut
dalam asam
Lignin
Tidak larut dalam air
dan asam mineral kuat
Larut dalam pelarut
organik dan larutan
organik
maupunlarutan alkali
encer
Terhidrolisis relatif lebih
Lebih mudah
cepat pada temperature
terhidrolisis
tinggi
dibandingkan n-selulosa
Sumber : (Ramdja, dkk., 2010)
2.2.2
Hidrolisis
Proses pemisahan selulosa dari lignin dan hemiselulosa disebut juga
dengan proses pulping. Secara kimia proses pulping dapat dilakukan dengan
proses sulfit, basa, dan sulfat untuk melarutkan lignin dan hemiselulosa, dan
meninggalkan senyawa selulosa sebagai bentuk padatan. Pembuatannya dari pulp
melalui proses mekanik yaitu proses penguraian dan homogenisasi tekanan tinggi
dan menghasilkan selulosa yang memiliki luas permukaan yang besar.
10
Universitas Sumatera Utara
Pembuatannya selama ini berasal dari selulosa kayu dan pemanfaatannya baru
terbatas pada bahan aditif dalam makanan, cat, kosmetik dan produk medis
(Jackson, dkk., 2011).
Dalam proses hidrolisis rantai polisakarida tersebut dipecah menjadi
monosakarida-monosakarida. Hidrolisis meliputi proses pemecahan polisakarida
di dalam biomassa lignoselulosa, yaitu selulosa dan hemiselulosa menjadi
monomer gula penyusunnya. Hidrolisis sempurna pada selulosa menghasilkan
glukosa, sedangkan hemiselulosa menghasilkan beberapa monomer gula pentose
(C5) dan heksosa (C6) (Fuadi, dkk., 2015).
Hidrolisis selulosa dapat dilakukan secara enzimatis dan kimiawi.
Hidrolisis secara enzimatis dapat dilakukan dengan menggunakan enzim selulase,
enzim Tridermae dan enzim lain-lainnya. sedangkan hidrolisis secara kimiawi
dapat dilakukan dengan menggunakan asam, yaitu asam kuat konsentrasi rendah
maupun asam lemah konsentrasi tinggi. Hidrolisis selulosa secara asam dapat
dilakukan dengan menggunakan asam kuat encer pada temperatur dan tekanan
tinggi, dan dapat dilakukan dengan menggunakan asam pekat pada temperatur dan
tekanan rendah. Hidrolisis dengan larutan asam biasanya menggunakan asam
encer, dimana kecepatan reaksinya berbanding dengan konsentrasi asam
(Syahfriana, 2013).
Hidrolisis selulosa yang umum digunakan adalah dengan menggunakan
asam kuat. Asam kuat dapat menghilangkan bagian amorf dari suatu rantai
selulosa sehingga isolasi pada bagian kristalin selulosa dapat dilakukan (Effendi,
dkk., 2015). Hidrolisis asam dapat menghilangkan bagian amorf dari selulosa
ditunjukkan pada Gambar 2.2 dan mekanisme hidrolisis asam ditunjukkan pada
Gambar 2.3.
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Hidrolisis asam dapat menghilangkan bagian amorf dari
selulosa (Effendi, dkk., 2015)
Gambar 2.3 Mekanisme Hidrolisis Asam (Effendi, dkk., 2015)
Hidrolisis dipengaruhi oleh suhu reaksi, waktu, pencampuran pereaksi dan
konsentrasi asam yang digunakan. Semakin tinggi suhu reaksi, semakin cepat pula
jalannya reaksi. Tapi jika suhu yang digunakan terlalu tinggi konversi akan
menurun karena selulosa akan terdegadasi menjadi karbon. Semakin lama waktu
hidrolisis, konversi yang dicapai semakin besar sampai pada batas waktu tertentu
akan diperoleh konversi yang relatif dan apabila waktu tersebut diperpanjang,
pertambahan konversi akan kecil sekali (Edison, dkk., 2015).
12
Universitas Sumatera Utara
2.3 Selulosa Mikrokristal
2.3.1 Sinonim
Avicel pH, Cellets, Celex, gel selulosa, hellulosum microcristallinum,
Celphere, Ceolus KG, selulosa kristalin, E460, Emcocel, Etisfer, Fibrocel,
SMKHB Sanaq, Pharmacel, Tabulose, Vivapur (Rowe, dkk., 2009).
2.3.2 Rumus empiris dan berat molekul
(C6 H10 O5 )n ≈ 36000
Dimana n ≈ 220 (Rowe, dkk., 2009).
2.3.3 Struktur kimia
Struktur kimia selulosa mikrokristal dapat dilihat pada Gambar 2.4
dibawah ini.
Gambar 2.4Struktur kimia Selulosa Mikrokristal (Rowe, dkk., 2009).
Awal tahun 1960-an selulosa mikrokristal diperkenalkan sebagai bahan
eksipien (pengikat, pengisi dan penghancur) dalam pembuatan tablet secara cetak
langsung yang akan menghasilkan tablet dengan kekerasan yang baik, tidak
mudah rapuh dan mempunyai waktu hancur yang singkat serta dapat memperbaiki
sifat aliran ganul. Selulosa mikrokristal dapat dibuat dengan cara hidrolisis
terkontrol dari α-selulosa dengan larutan asam mineral encer (Sumaiyah, 2014).
13
Universitas Sumatera Utara
Selulosa mikrokristal adalah produk yang sangat penting pada bidang
farmasetik, makanan, kosmetik dan industri lain. Selulosa mikrokristal dapat
diperoleh dari proses yang dimediasi oleh enzim dan hidrolisis asam. Hidrolisis
asam membutuhkan waktu reaksi yang lebih singkat daripada proses yang lain
dan dapat digunakan secara berkesinambungan (Chauhan, dkk., 2009).
Selulosa mikrokristal diakui secara umum sebagai salah satu bahan pengisi
dan pengikat terbaik dalam pembuatan tablet cetak langsung. Tablet cetak
langsung adalah pencetakan bahan obat berbentuk serbuk atau campuran obat
dengan bahan tambahan. Bahan tambahan merupakan komponen lain selain
bahanaktif
obat.Olehkarenametode
kerjanya
lebih
sederhana,
metode
inimerupakan teknik yang paling ekonomis untuk menghasilkan jumlah tablet
yang besar (Thoorens, dkk., 2014).
Selulosa mikrokristal stabil meskipun higoskopis dan harus disimpan
dalam wadah yang tertutup, kering dan sejuk. Selulosa mikrokristal dapat
diproduksi dengan hidrolisis terkontrol selulosa dari bahan tanaman berserat
dengan larutan asam mineral encer. Setelah hidrolisis, hidroselulosa yang
diperoleh dimurnikan dengan penyaringan dan dengan metode spraydried untuk
membentuk partikel berpori kering dengan distribusi ukuran partikel yang luas
(Rowe, dkk., 2009).
Untuk mendapatkan sifat fisik dan kimia yang lebih baik dan memperluas
aplikasinya, selulosa dibuat dalam berbagai turunannya diantaranya turunan ester
dan eter. Ester selulosa banyak digunakan sebagai serat dan plastik, sedangkan
eter selulosa sebagai pengikat dan bahan tambahan untuk mortir khusus atau
kimia khusus untuk bangunan dan konstruksi juga stabilisator viskositas pada cat,
14
Universitas Sumatera Utara
makanan, produk farmasetik, dan lain-lain. Selulosa juga merupakan bahan dasar
dalam pembuatan kertas. Seratnya mempunyai kekuatan dan durabilitas yang
tinggi. Jika dibasahi dengan air, menunjukkan pengembangan ketika jenuh, dan
juga higoskopis. Bahkan dalam keadaan basah, serat selulosa alami tidak
kehilangan kekuatannya (Sirait, 2014).
Selulosa mikrokristal dapat digunakan dalam pembuatan termoplastik
yang dikombinasikan dengan berbagai polimer seperti polietilen, polistiren, dan
lain-lain. DibidangIndustri-indusri yang menggunakan selulosa sebagai bahan
baku meliputi industri kertas, industri yang memproduksi bahan penyerap
(absorbent) seperti popok bayi, kertas, tissue, pembalut wanita dan lain-lain.
Industri yang memproduksi Carboxy Methyl Cellulose (CMC) untuk digunakan
pada industri makanan dan industri memproduksi selulosa asetat dan selulosa
nitrat sebagai bahan plastik dan tekstil (rayon). Berbagai jenis kayu dapat juga
dimanfaatkan sebelum diolah untuk diambil selulosanya, misalnya:untuk
keperluan bahan bangunan seperti untuk lantai, dinding, pintu, dan kusen.
Beberapa penelitian menunjukkan bahwa selulosa mikrokristal dapat
dihasilkan dariampas tebu (Zulharmita, dkk., 2012), jerami padi (Pratiwi, dkk.,
2016), serat tanaman sisal (Bhimte dan Tayade, 2007), limbah kain katun dan
kaus kaki (Chauhan, dkk., 2009), kulit kacang (Ohwoavworhua dan Adelakun,
2009), batang rumput gajah (Zulharmita, dkk., 2011), kulit buah kakao (Nisa dan
Putri, 2014), batang jagung (Ohwoavworhua, dkk., 2005) dan Tandan aren
(Sumaiyah, dkk., 2014). Selain itu, limbah serbuk kayu gergaji juga telah
dimanfaatkan sebagai sumber bahan baku pembuatan selulosa mikrokristal
(Gusrianto, dkk., 2011).
15
Universitas Sumatera Utara
2.4Instrumen Identifikasi Selulosa Mikrokristal
Spektroskopi inframerah merupakan salah satu metode yang umum
digunakan, dan merupakan salah satu metode penting dalam teknik analisis suatu
senyawa yang ada saat ini. Salah satu keuntungan besar dari spektroskopi
inframerah adalah hampir semua sampel di hampir setiap negara dapat dipelajari,
baik itu dalam bentuk cairan, larutan, pasta, serbuk, film, serat, gas dapat
diperiksa (Masfria, dkk., 2013).
Spektroskopi inframerah adalah suatu tehnik yang didasarkan pada getaran
dari atom-atom molekul. Spektrum inframerah umumnya diperoleh dengan
melewatkan radiasi inframerah sampel dan menentukan sebagian kecil dari energi
radiasi tertentu yang diserap, yaitu energi dimana setiap puncak dalam spektrum
absorbsi muncul sesuai dengan frekuensi getaran bagian tertentu dari suatu
molekul sampel (Masfria, dkk., 2013).
Penggunaan spektrofotometer FT-IR untuk analisa banyak diajukan untuk
identifikasi suatu senyawa. Hal ini disebabkan spektrum FT-IR suatu senyawa
(misalnya organik) bersifat khas, artinya senyawa yang berbeda akan mempunyai
spektrum berbeda pula. Vibrasi ikatan kimia pada suatu molekul menyebabkan
pita serapan hampir seluruh di daerah spektrum IR 4000-450 cm-1 (Muis, 2011).
Scanning Electron Microscopy(SEM) adalah alat yang dapat membentuk
bayangan permukaan spesimen secara mikroskopik. Berkas elektron dengan
diameter 5-10 nm diarahkan pada spesimen. Interaksi berkas elektron dengan
spesimen menghasilkan beberapa fenomena yaitu hamburan balik berkas elektron,
sinar X, elektron sekunder dan absorbsi elektron.Teknik SEM pada hakikatnya
merupakan pemeriksaan dan analisa permukaan. Data atau tampilan yang
diperoleh adalah data dari permukaan atau dari lapisan yang tebalnya sekitar 20
16
Universitas Sumatera Utara
μm dari permukaan. Gambar permukaan yang diperoleh merupakan tofografi
segala tonjolan, lekukan dan lubang pada permukaan.Gambar topografi diperoleh
dari penangkapan elektron sekunder yang dipancarkan oleh spesimen. Sinyal
elektron sekunder yang dihasilkan ditangkap oleh detektor dan diteruskan ke
monitor. Pada monitor akan diperoleh gambar yang khas yang menggambarkan
struktur permukaan spesimen. Selanjutnya gambar dimonitor dapat dipotret
dengan menggunakan film hitam putih atau dapat pula direkam ke dalam suatu
disket. Sampel yang dianalisa dengan teknik ini harus mempunyai permukaan
dengan konduktifitas tinggi, karena polimer mempunyai konduktifitas rendah,
maka bahan perlu dilapisi dengan bahan konduktor (bahan penghantar) yang tipis.
Pada umumnya yang digunakan adalah perak, tetapi jika dianalisa dalam waktu
yang lama, lebih baik digunakan emas atau campuran emas (Au) dan palladium
(Pd) (Muis, 2011).
17
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kertas
Menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia tahun 2015, kertas merupakan
barang lembaran dibuat dari bubur rumput, jerami, kayu dan sebagainya yang
biasa ditulisi,pembungkus dan sebagainya. Natural paper atau kertas seni dapat
dibuat dari serat- serat tanaman, seperti jerami, ijuk, dan eceng gondok.Kertas
adalah material yang berasal dari pulp(bubur) yang menjalani proses
penggilingan. Serat yang digunakan untuk membuat kertas biasanya adalah serat
alami yang mengandung selulosa dan hemiselulosa. Pemakaian bahan pembuatan
kertas sering dibuat dengan gabungan antara serat panjang dan serat pendek untuk
menghasilkan kertas yang kuat dan halus (Dahlan,2011).
Kertas HVS adalah jenis kertas yang paling terkenal dan sangat sering
digunakan, berwarna putih dan memiliki permukaan kasar. Biasa digunakan untuk
fotocopy dan untuk mencetak buku. Ukuran kertas HVS juga bervariasi, tersedia
ukuran A4 (21 x 29,7 cm) hingga A0 (84,1 x 118,8 cm), ukuran F4 (21,5 x 33
cm), dan ukuran Q4 (21,6 x 27,9 cm). Berat kertas yang tersedia dipasaran adalah
70g, 80g, dan 100g (Jamila, dkk., 2015).
Menurut Mufridayati (2013), kayu sebagai bahan dasar dalam industri
kertas mengandung beberapa komponen antara lain:
a. Selulosa, tersusun atas molekul glukosa rantai lurus dan panjang yang
merupakan komponen paling disukai dalampembuatan kertas karena
panjang, dan kuat.
5
Universitas Sumatera Utara
b. Hemiselulosa, tersusun atas glukosa rantai pendek dan bercabang.
Hemiselulosa lebih mudah larut dalam air dan biasanya dihilangkan dalam
proses pulping(pembuburan).
c. Lignin, adalah jaringan polimer fenolik tiga dimensi yang berfungsi
merekatkan serat selulosa sehingga menjadikaku. Pulping(pembuburan)
kimia dan proses pemutihan akan menghilangkan lignin tanpa mengurangi
serat selusosa secara signifikan.
d. Ekstraktif, meliputi hormon tumbuhan, resin, asam lemak dan unsur lain.
Kertas bekas adalah sesuatu yang disebut sebagai sisa (yang telah rusak,
terbakar, tidak dipakai lagi, dan sudah pernah dipakai)(Anonim, 2015 ).Kertas
HVS bekas yang telah diolah kembali dengan baik dapat menjadi salah satu solusi
untuk menjaga lingkungan. Sebab pembuatan kertas daur ulang yang telah diberi
serat alami dan disempurnakan dapat menjadi suatu benda yang mempunyai nilai
jual, salah satunya adalah dalam pemanfaatan pembuatan mikrokristalin selulosa
sebagai bahan eksipien dalam pembuatan tablet pengganti Avicel pH 102 (Ahmad
dan Saftyaningsih, 2013).
2.2 Selulosa
Selulosa banyak ditemukan di alam yang merupakan konstituen utama dari
dinding sel tumbuh-tumbuhan dan rata-rata menduduki sekitar 50% dalam kayu
tertentu. Selulosa juga menjadi konstituen utama dari berbagai serat alam yang
terjadi sebagai rambut-rambut biji yang mengelilingi biji-bijian dari beberapa
jenis tumbuhan misalnya kapas, sebagai kulit bagian dalam kayu yang berserat,
batang, dan konstituen-konstituen berserat dari beberapa tangkai daun (serat-serat
daun) (Syahfriana, 2013).
6
Universitas Sumatera Utara
Selulosa adalah salah satu komponen utama dari lignoselulosa dan
merupakan homopolisakarida yang terdiri dari unit monomer D-glukosa yang
terikat pada ikatan 1,4-glikosidik. Selulosa cenderung membentuk mikrofibril
melalui ikatan inter dan intra. Mikrofibril selulosa terdiri dari 2 tipe, yaitu kristalin
dan amorf. Sumber selulosa yang dapat digunakan diantaranya adalah sisa-sisa
produk pertanian dan hasil hutan, kertas bekas, dan limbah industri (Fuadi, dkk.,
2015).
Selulosa berupa zat padat amorf, berwarna putih, yang tidak larut dalam
air dan pelarut organik umum.Daya tahan selulosa terhadap reaksi kimia
berhubungan dengan struktur serat selulosa.Kebanyakan bahan kimia yang
ditambahkan pada selulosa tidak dapat menembus permukaan serat sehingga tidak
dapat masuk ke dalam selulosa. Ini merupakan salah satu penyebab selulosa tidak
dapat larut dalam air dan pelarut organik yang umum (Agoes, 2008).
Jumlah selulosa dalam serat bervariasi menurut sumbernya dan biasanya
berkaitan dengan bahan-bahan seperti air, lilin, pektin, protein, lignin dan
substansi-substansi mineral. Sifat – sifat selulosa adalah berwarna putih, tidak
larut dalam air dan alkali, dapat dihidrolisis sempurna dalam suasana asam
menghasilkan glukosa, hidrolisis tak sempurna menghasilkan maltosa. Menurut
Syahfriana (2013), berdasarkan derajat polimerisasi dan kelarutan dalam senyawa
natrium hidroksida 17,5%, selulosa dapat dibedakan atas tiga jenis yaitu :
a. Selulosa α (Alfa Cellulose) adalah selulosa berantai panjang, tidak
larut dalam larutan NaOH 17,5% atau larutan basa kuat dengan derajat
polimerisasi 600 – 1500
7
Universitas Sumatera Utara
b.
Selulosa β (Beta Cellulose) adalah selulosa berantai pendek, larut
dalam larutan NaOH 17,5 % atau basa kuat dengan derajat polimerisasi
15 – 90, dapat mengendap bila dinetralkan.
c.
Selulosa γ (Gamma Cellulose) adalah sama dengan selulosa β, tetapi
derajat polimerisasinya kurang dari 15.
Gambar 2.1 Struktur kimia Selulosa(Mufridayati, 2013).
Ditinjau dari strukturnya, diharapkan selulosa mempunyai kelarutan yang
besar dalam air, karena banyaknya kandungan gugus hidroksil yang dapat
membentuk ikatan hidrogen dengan air (antar aksi yang tinggi antara pelarutterlarut). Akan tetapi kenyataannya tidak demikian, selulosa bukan hanya tidak
larut dalam air tetapi juga dalam pelarut lain. Penyebabnya ialah kekakuan rantai
dan tingginya gaya antarrantai karena ikatan hidrogen antar gugus hidroksil pada
rantai yang berdekatan. Faktor ini dipandang menjadi penyebab kekristalan yang
tinggi dari serat selulosa. Jika ikatan hidrogen berkurang, gaya antaraksi pun
berkurang, sehingga gugus hidroksil selulosa harus diganti sebagian atau
seluruhnya oleh pengesteran (Syahfriana, 2013).
Turunan selulosa telah digunakan secara luas dalam sediaan farmasi
seperti etilselulosa, metilselulosa, karboksimetilselulosa, dan dalam bentuk
lainnya yang digunakan dalam sediaan oral, topikal, dan injeksi. Sebagai contoh,
karboksimetilselulosa merupakan bahan utama dari SeprafilmTM, yang digunakan
8
Universitas Sumatera Utara
untuk mencegah adhesi setelah pembedahan. Bentuk sediaan selulosa banyak
digunakan karna sifatnya yang inert dan biokompatibilitas yang sangat baik
(Sumaiyah, 2014).
Hemiselulosa adalah polimer bercabang atau tidak linier. Rantai
hemiselulosa lebih pendek dari pada rantai selulosa Selama pembuatan pulp,
hemiselulosa bereaksi lebih cepat dengan larutan penghidrolisis dibandingkan
dengan selulosa. Hemiselulosa bersifat hidrofil (mudah menyerap air) yang
mengakibatkan strukturnya jadi kurang teratur. Kadar hemiselulosa dalam pulp
jauh lebih kecil dibandingkan dengan serat asal, karena selama proses hidrolisis
hemiselulosa bereaksi dan lebih mudah terlarut daripada selulosa (Purba, 2010).
Lignin merupakan polimer kompleks fenil propana, amorf, bersifat
aromatis. Berat molekul 1500-2000 yang bervariasi dengan jenis kayu.Lignin
merupakan bagian yang tidak diinginkan dalam pulp, sehingga harus dihilangkan
atau diputihkan sesuai dengan mutu pulp yang diinginkan. Hal ini disebabkan oleh
lignin yang mempunyai sifat tidak suka air (hidrofobik). Lignin dapat dijumpai
pada tumbuh-tumbuhan sebagai zat perekat yang berhubungan dengan kekuatan
kayu (Purba, 2010).
2.2.1 Sifat Fisikokimia
Sifat-sifat selulosa terdiri dari sifat fisika dan sifat kimia. Selulosa dengan
rantai panjang mempunyai sifat fisik yang lebih kuat, lebih tahan lama terhadap
degadasi yang disebabkan oleh pengaruh panas, bahan kimia maupun
pengaruhbiologis. Menurut Syahfriana 2013, sifat fisik lain dari selulosa adalah:
a. Dapat terdegadasi oleh hidrolisa, oksidasi, secara kimia maupun
mekanis sehingga berat molekulnya menurun.
9
Universitas Sumatera Utara
b. Tidak larut dalam air maupun pelarut organik, tetapi sebagian larut
dalam larutan alkali.
c. Dalam keadaan kering, selulosa bersifat higoskopis, keras dan rapuh.
Bila selulosa banyak mengandung air maka akan bersifat lunak.
d. Selulosa dalam bentuk kristal, mempunyai kekuatan lebih baik jika
dibandingkan dengan bentuk amorfnya.
Berikut adalah sifat kelarutan dari selulosa, hemiselulosa, dan lignin dapat
dilihat pada Tabel 2.1 dibawah ini.
Tabel 2.1 Perbedaan sifat kelarutan dari Selulosa, Hemiselulosa dan Lignin
Selulosa
Hemiselulosa
Tidak larut dalam pelarut
organik dan air
Sedikit larut dalam air
Tidak larut dalam alkali
Larut dalam alkali
Larut dalam asam pekat
Terhidrolisis dan larut
dalam asam
Lignin
Tidak larut dalam air
dan asam mineral kuat
Larut dalam pelarut
organik dan larutan
organik
maupunlarutan alkali
encer
Terhidrolisis relatif lebih
Lebih mudah
cepat pada temperature
terhidrolisis
tinggi
dibandingkan n-selulosa
Sumber : (Ramdja, dkk., 2010)
2.2.2
Hidrolisis
Proses pemisahan selulosa dari lignin dan hemiselulosa disebut juga
dengan proses pulping. Secara kimia proses pulping dapat dilakukan dengan
proses sulfit, basa, dan sulfat untuk melarutkan lignin dan hemiselulosa, dan
meninggalkan senyawa selulosa sebagai bentuk padatan. Pembuatannya dari pulp
melalui proses mekanik yaitu proses penguraian dan homogenisasi tekanan tinggi
dan menghasilkan selulosa yang memiliki luas permukaan yang besar.
10
Universitas Sumatera Utara
Pembuatannya selama ini berasal dari selulosa kayu dan pemanfaatannya baru
terbatas pada bahan aditif dalam makanan, cat, kosmetik dan produk medis
(Jackson, dkk., 2011).
Dalam proses hidrolisis rantai polisakarida tersebut dipecah menjadi
monosakarida-monosakarida. Hidrolisis meliputi proses pemecahan polisakarida
di dalam biomassa lignoselulosa, yaitu selulosa dan hemiselulosa menjadi
monomer gula penyusunnya. Hidrolisis sempurna pada selulosa menghasilkan
glukosa, sedangkan hemiselulosa menghasilkan beberapa monomer gula pentose
(C5) dan heksosa (C6) (Fuadi, dkk., 2015).
Hidrolisis selulosa dapat dilakukan secara enzimatis dan kimiawi.
Hidrolisis secara enzimatis dapat dilakukan dengan menggunakan enzim selulase,
enzim Tridermae dan enzim lain-lainnya. sedangkan hidrolisis secara kimiawi
dapat dilakukan dengan menggunakan asam, yaitu asam kuat konsentrasi rendah
maupun asam lemah konsentrasi tinggi. Hidrolisis selulosa secara asam dapat
dilakukan dengan menggunakan asam kuat encer pada temperatur dan tekanan
tinggi, dan dapat dilakukan dengan menggunakan asam pekat pada temperatur dan
tekanan rendah. Hidrolisis dengan larutan asam biasanya menggunakan asam
encer, dimana kecepatan reaksinya berbanding dengan konsentrasi asam
(Syahfriana, 2013).
Hidrolisis selulosa yang umum digunakan adalah dengan menggunakan
asam kuat. Asam kuat dapat menghilangkan bagian amorf dari suatu rantai
selulosa sehingga isolasi pada bagian kristalin selulosa dapat dilakukan (Effendi,
dkk., 2015). Hidrolisis asam dapat menghilangkan bagian amorf dari selulosa
ditunjukkan pada Gambar 2.2 dan mekanisme hidrolisis asam ditunjukkan pada
Gambar 2.3.
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Hidrolisis asam dapat menghilangkan bagian amorf dari
selulosa (Effendi, dkk., 2015)
Gambar 2.3 Mekanisme Hidrolisis Asam (Effendi, dkk., 2015)
Hidrolisis dipengaruhi oleh suhu reaksi, waktu, pencampuran pereaksi dan
konsentrasi asam yang digunakan. Semakin tinggi suhu reaksi, semakin cepat pula
jalannya reaksi. Tapi jika suhu yang digunakan terlalu tinggi konversi akan
menurun karena selulosa akan terdegadasi menjadi karbon. Semakin lama waktu
hidrolisis, konversi yang dicapai semakin besar sampai pada batas waktu tertentu
akan diperoleh konversi yang relatif dan apabila waktu tersebut diperpanjang,
pertambahan konversi akan kecil sekali (Edison, dkk., 2015).
12
Universitas Sumatera Utara
2.3 Selulosa Mikrokristal
2.3.1 Sinonim
Avicel pH, Cellets, Celex, gel selulosa, hellulosum microcristallinum,
Celphere, Ceolus KG, selulosa kristalin, E460, Emcocel, Etisfer, Fibrocel,
SMKHB Sanaq, Pharmacel, Tabulose, Vivapur (Rowe, dkk., 2009).
2.3.2 Rumus empiris dan berat molekul
(C6 H10 O5 )n ≈ 36000
Dimana n ≈ 220 (Rowe, dkk., 2009).
2.3.3 Struktur kimia
Struktur kimia selulosa mikrokristal dapat dilihat pada Gambar 2.4
dibawah ini.
Gambar 2.4Struktur kimia Selulosa Mikrokristal (Rowe, dkk., 2009).
Awal tahun 1960-an selulosa mikrokristal diperkenalkan sebagai bahan
eksipien (pengikat, pengisi dan penghancur) dalam pembuatan tablet secara cetak
langsung yang akan menghasilkan tablet dengan kekerasan yang baik, tidak
mudah rapuh dan mempunyai waktu hancur yang singkat serta dapat memperbaiki
sifat aliran ganul. Selulosa mikrokristal dapat dibuat dengan cara hidrolisis
terkontrol dari α-selulosa dengan larutan asam mineral encer (Sumaiyah, 2014).
13
Universitas Sumatera Utara
Selulosa mikrokristal adalah produk yang sangat penting pada bidang
farmasetik, makanan, kosmetik dan industri lain. Selulosa mikrokristal dapat
diperoleh dari proses yang dimediasi oleh enzim dan hidrolisis asam. Hidrolisis
asam membutuhkan waktu reaksi yang lebih singkat daripada proses yang lain
dan dapat digunakan secara berkesinambungan (Chauhan, dkk., 2009).
Selulosa mikrokristal diakui secara umum sebagai salah satu bahan pengisi
dan pengikat terbaik dalam pembuatan tablet cetak langsung. Tablet cetak
langsung adalah pencetakan bahan obat berbentuk serbuk atau campuran obat
dengan bahan tambahan. Bahan tambahan merupakan komponen lain selain
bahanaktif
obat.Olehkarenametode
kerjanya
lebih
sederhana,
metode
inimerupakan teknik yang paling ekonomis untuk menghasilkan jumlah tablet
yang besar (Thoorens, dkk., 2014).
Selulosa mikrokristal stabil meskipun higoskopis dan harus disimpan
dalam wadah yang tertutup, kering dan sejuk. Selulosa mikrokristal dapat
diproduksi dengan hidrolisis terkontrol selulosa dari bahan tanaman berserat
dengan larutan asam mineral encer. Setelah hidrolisis, hidroselulosa yang
diperoleh dimurnikan dengan penyaringan dan dengan metode spraydried untuk
membentuk partikel berpori kering dengan distribusi ukuran partikel yang luas
(Rowe, dkk., 2009).
Untuk mendapatkan sifat fisik dan kimia yang lebih baik dan memperluas
aplikasinya, selulosa dibuat dalam berbagai turunannya diantaranya turunan ester
dan eter. Ester selulosa banyak digunakan sebagai serat dan plastik, sedangkan
eter selulosa sebagai pengikat dan bahan tambahan untuk mortir khusus atau
kimia khusus untuk bangunan dan konstruksi juga stabilisator viskositas pada cat,
14
Universitas Sumatera Utara
makanan, produk farmasetik, dan lain-lain. Selulosa juga merupakan bahan dasar
dalam pembuatan kertas. Seratnya mempunyai kekuatan dan durabilitas yang
tinggi. Jika dibasahi dengan air, menunjukkan pengembangan ketika jenuh, dan
juga higoskopis. Bahkan dalam keadaan basah, serat selulosa alami tidak
kehilangan kekuatannya (Sirait, 2014).
Selulosa mikrokristal dapat digunakan dalam pembuatan termoplastik
yang dikombinasikan dengan berbagai polimer seperti polietilen, polistiren, dan
lain-lain. DibidangIndustri-indusri yang menggunakan selulosa sebagai bahan
baku meliputi industri kertas, industri yang memproduksi bahan penyerap
(absorbent) seperti popok bayi, kertas, tissue, pembalut wanita dan lain-lain.
Industri yang memproduksi Carboxy Methyl Cellulose (CMC) untuk digunakan
pada industri makanan dan industri memproduksi selulosa asetat dan selulosa
nitrat sebagai bahan plastik dan tekstil (rayon). Berbagai jenis kayu dapat juga
dimanfaatkan sebelum diolah untuk diambil selulosanya, misalnya:untuk
keperluan bahan bangunan seperti untuk lantai, dinding, pintu, dan kusen.
Beberapa penelitian menunjukkan bahwa selulosa mikrokristal dapat
dihasilkan dariampas tebu (Zulharmita, dkk., 2012), jerami padi (Pratiwi, dkk.,
2016), serat tanaman sisal (Bhimte dan Tayade, 2007), limbah kain katun dan
kaus kaki (Chauhan, dkk., 2009), kulit kacang (Ohwoavworhua dan Adelakun,
2009), batang rumput gajah (Zulharmita, dkk., 2011), kulit buah kakao (Nisa dan
Putri, 2014), batang jagung (Ohwoavworhua, dkk., 2005) dan Tandan aren
(Sumaiyah, dkk., 2014). Selain itu, limbah serbuk kayu gergaji juga telah
dimanfaatkan sebagai sumber bahan baku pembuatan selulosa mikrokristal
(Gusrianto, dkk., 2011).
15
Universitas Sumatera Utara
2.4Instrumen Identifikasi Selulosa Mikrokristal
Spektroskopi inframerah merupakan salah satu metode yang umum
digunakan, dan merupakan salah satu metode penting dalam teknik analisis suatu
senyawa yang ada saat ini. Salah satu keuntungan besar dari spektroskopi
inframerah adalah hampir semua sampel di hampir setiap negara dapat dipelajari,
baik itu dalam bentuk cairan, larutan, pasta, serbuk, film, serat, gas dapat
diperiksa (Masfria, dkk., 2013).
Spektroskopi inframerah adalah suatu tehnik yang didasarkan pada getaran
dari atom-atom molekul. Spektrum inframerah umumnya diperoleh dengan
melewatkan radiasi inframerah sampel dan menentukan sebagian kecil dari energi
radiasi tertentu yang diserap, yaitu energi dimana setiap puncak dalam spektrum
absorbsi muncul sesuai dengan frekuensi getaran bagian tertentu dari suatu
molekul sampel (Masfria, dkk., 2013).
Penggunaan spektrofotometer FT-IR untuk analisa banyak diajukan untuk
identifikasi suatu senyawa. Hal ini disebabkan spektrum FT-IR suatu senyawa
(misalnya organik) bersifat khas, artinya senyawa yang berbeda akan mempunyai
spektrum berbeda pula. Vibrasi ikatan kimia pada suatu molekul menyebabkan
pita serapan hampir seluruh di daerah spektrum IR 4000-450 cm-1 (Muis, 2011).
Scanning Electron Microscopy(SEM) adalah alat yang dapat membentuk
bayangan permukaan spesimen secara mikroskopik. Berkas elektron dengan
diameter 5-10 nm diarahkan pada spesimen. Interaksi berkas elektron dengan
spesimen menghasilkan beberapa fenomena yaitu hamburan balik berkas elektron,
sinar X, elektron sekunder dan absorbsi elektron.Teknik SEM pada hakikatnya
merupakan pemeriksaan dan analisa permukaan. Data atau tampilan yang
diperoleh adalah data dari permukaan atau dari lapisan yang tebalnya sekitar 20
16
Universitas Sumatera Utara
μm dari permukaan. Gambar permukaan yang diperoleh merupakan tofografi
segala tonjolan, lekukan dan lubang pada permukaan.Gambar topografi diperoleh
dari penangkapan elektron sekunder yang dipancarkan oleh spesimen. Sinyal
elektron sekunder yang dihasilkan ditangkap oleh detektor dan diteruskan ke
monitor. Pada monitor akan diperoleh gambar yang khas yang menggambarkan
struktur permukaan spesimen. Selanjutnya gambar dimonitor dapat dipotret
dengan menggunakan film hitam putih atau dapat pula direkam ke dalam suatu
disket. Sampel yang dianalisa dengan teknik ini harus mempunyai permukaan
dengan konduktifitas tinggi, karena polimer mempunyai konduktifitas rendah,
maka bahan perlu dilapisi dengan bahan konduktor (bahan penghantar) yang tipis.
Pada umumnya yang digunakan adalah perak, tetapi jika dianalisa dalam waktu
yang lama, lebih baik digunakan emas atau campuran emas (Au) dan palladium
(Pd) (Muis, 2011).
17
Universitas Sumatera Utara