Optimasi Hidrolisis Selulosa dari Tandan Kosong Kelapa Sawit menjadi Selulosa Mikrokristal dan Aplikasi sebagai Pengisi pada Komposit Polimer Termoplastik Pati Singkong
OPTIMASI HIDROLISIS SELULOSA DARI TANDAN KOSONG
KELAPA SAWIT MENJADI SELULOSA MIKROKRISTAL
DAN APLIKASI SEBAGAI PENGISI PADA KOMPOSIT
POLIMER TERMOPLASTIK PATI SINGKONG
TESIS
OLEH :
NOVIE HAIRANI
127022001/TK
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
OPTIMASI HIDROLISIS SELULOSA DARI TANDAN KOSONG
KELAPA SAWIT MENJADI SELULOSA MIKROKRISTAL
DAN APLIKASI SEBAGAI PENGISI PADA KOMPOSIT
POLIMER TERMOPLASTIK PATI SINGKONG
TESIS
Untuk memperoleh Gelar Magister Teknik
dalam Program Studi Magister Teknik Kimia
pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara
OLEH :
NOVIE HAIRANI
127022001/TK
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua
:
Dr. Ir. Hamidah Harahap, M.Sc
Anggota
:
1. Dr. Ir. Tjahjono Herawan, M.Sc
2. Dr. Ir. Iriany, M.Si
3. Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hasibuan, MT
4. Dr. Ir. Taslim, M.Si
Universitas Sumatera Utara
HALAMAN PERSETUJUAN
Judul Penelitian
: Optimasi Hidrolisis Selulosa dari Tandan Kosong Kelapa
Sawit menjadi Selulosa Mikrokristal dan Aplikasi sebagai
Pengisi pada Komposit Polimer Termoplastik Pati Singkong
Nama Mahasiswa
: Novie Hairani
Nomor Pokok/NIM
: 127022001
Program Studi
: Magister Teknik Kimia
Menyetujui
Komisi Pembimbing,
Dr. Ir. Hamidah Harahap, M.Sc
Ketua
Dr. Ir. Tjahjono Herawan, M.Sc.
Anggota
Ketua Program Studi,
Dekan FT - USU
(Dr. Ir. Taslim, M.Si)
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)
Tanggal Disetujui/Lulus : 07 Juli 2014
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Penelitian ini meliputi 2 tahapan proses, yaitu optimasi kondisi proses hidrolisis
selulosa dari tandan kosong kelapa sawit menjadi selulosa mikrokristal dan aplikasi
selulosa mikrokristal yang diperoleh pada komposit termoplastik pati singkong.
Metode response surface dengan bantuan minitab 16 statistical software digunakan
untuk memperoleh kondisi optimum proses hidrolisis selulosa dari tandan kosong
kelapa sawit. Derajat kristalinitas selulosa mikrokristal yang dihasilkan merupakan
parameter respon dalam optimasi dan diperoleh kondisi optimum hidrolisis yaitu pada
konsentrasi HCl 2,16 N, suhu hidrolisis 110,1 °C dan waktu hidrolisis 180,7 menit.
Morfologi, derajat kristalinitas dan spektra campuran selulosa mikrokristal yang
dihasilkan pada kondisi optimum tersebut juga dianalisa, diperoleh partikel berukuran
15 – 75 µm dengan permukaan yang kasar dan derajat kristalinitas sebesar 80,9487%.
Selanjutnya, komposit termoplastik pati singkong dibuat dengan menggunakan
selulosa mikrokristal sebagai pengisi dan gliserol sebagai plastisiser. Pengaruh
penambahan selulosa mikrokristal dan gliserol pada komposit pati singkong dianalisa
meliputi sifat mekanik, daya serap air, morfologi dan spektra FTIR. Peningkatan
kandungan selulosa mikrokristal hingga 10% meningkatkan kekuatan tarik dan
modulus elastisitas serta menurunkan elongation at break dan daya serap air.
Namun, peningkatan kandungan gliserol memberikan pengaruh yang berlawanan.
Pengaruh terhadap sifat mekanik komposit juga diperjelas dengan interaksi
antarmolekul yang terlihat pada morfologi dan spektra komposit. Untuk memperoleh
sifat jangka panjang plastik, perlakuan termal aging pada suhu 70°C selama 7 hari
dilakukan terhadap komposit pati singkong. Hasil analisa uji tarik menunjukkan
bahwa termal aging meningkatkan kekuatan tarik komposit, tetapi menurun dengan
penambahan selulosa mikrokristal dan gliserol pada komposit.
Kata kunci : selulosa mikrokristal, tandan kosong kelapa sawit, pati singkong,
komposit, termal aging
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
This study included 2 phases, that were optimization of hydrolysis conditions of oil
palm empty fruit bunches cellulose into microcrystalline cellulose and their
application in cassava starch thermoplastic composite. Response surface method with
the help of minitab 16 statistical software was used for obtaining hydrolysis optimum
condition of oil palm empty fruit bunches cellulose. Degree of crystallinity of
microcrystalline cellulose was a response parameter in optimization and hydrolysis
optimum condition was determined to be 2,16 N HCl, at 110,1°C for 180,7 minutes.
Morphology, degree of crystallinity and spectrum of microcrystalline cellulose that
was obtained in optimum condition were investigated, at which particles with a size
range 15 – 75 µm, rough surface and degree of crystallinity of 80,9487% were
produced. Cassava starch thermoplastic composites subsequently were prepared
using microcrystalline cellulose as filler and glycerol as plasticizer. Effect of
microcrystalline cellulose and glycerol loading on cassava starch composite
properties was investigated such as mechanical properties, water absorption,
morphology and FTIR spectrum. Increasing of microcrystalline cellulose content up
to 10% enhanced tensile strength and elastic modulus while lowered elongation at
break and water absorption. However, increasing of glycerol content produced
opposite effects. Effects on mechanical properties of composite were also explained
by intermolecular interaction that shown in morphology and spectrum of composite.
Thermal aging was performed on cassava starch composite at 70°C for 7 days for
obtaining long-term behaviour of plastic. Tensile test results showed that thermal
aging enhanced tensile strength of composite, but decreased by microcrystalline
cellulose and glycerol loading in composite.
Keywords : microcrystalline cellulose, oil palm empty fruit bunch, cassava starch,
composite, thermal aging
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Alhamdulillahi rabbil ‘alamin, segala puji bagi Allah yang telah memberikan
hidayah, kesehatan, kesempatan dan pertolongan-Nya sehingga penulis dapat
menyelesaikan tesis yang berjudul “Optimasi Hidrolisis Selulosa dari Tandan Kosong
Kelapa Sawit menjadi Selulosa Mikrokristal dan Aplikasi sebagai Pengisi pada
Komposit Polimer Termoplastik Pati Singkong”. Tesis ini disusun setelah melalui
bimbingan dan konsultasi dengan dosen pembimbing Dr. Ir. Hamidah Harahap, M.Sc
dan Dr. Ir. Tjahjono Herawan, M.Sc, sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan
studi di Program Magister Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara.
Penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih yang tidak terhingga kepada
berbagai pihak yang telah memberikan bantuan dalam penyelesaian tesis ini baik
dalam hal bimbingan, diskusi keilmuan, dukungan moral serta material terutama
kepada yang terhormat Bapak Dr. Ir. Taslim, M.Si selaku Ketua Program Studi,
seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Magister Teknik Kimia Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara, Direksi PT. Perkebunan Nusantara III (Persero),
peneliti dan seluruh teknisi Laboratorium Oleokimia Pusat Penelitian Kelapa Sawit
Medan, kedua orang tua, kakak dan adik – adik, rekan – rekan mahasiswa Magister
Teknik Kimia serta seluruh pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
Universitas Sumatera Utara
Ibarat pepatah “Tak Ada Gading yang Tak Retak”, penulis menyadari bahwa
tesis ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu, penulis sangat mengharapkan kritik
dan saran yang konstruktif untuk perbaikan dan perkembangan keilmuan di masa
yang akan datang. Dengan segala kerendahan hati, penulis memohon maaf untuk
segala kekurangan dalam tesis ini dan berharap agar tesis ini dapat bermanfaat bagi
semua pihak.
Medan, Juli 2014
Penulis,
Novie Hairani
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman Persetujuan .............................................................................................
i
Abstrak/Abstract ...................................................................................................
ii
Kata Pengantar ......................................................................................................
iii
Daftar Isi................................................................................................................
v
Daftar Gambar .......................................................................................................
xi
Daftar Tabel ..........................................................................................................
xv
BAB I
BAB II
PENDAHULUAN ...............................................................................
1
1.1
Latar Belakang .......................................................................
1
1.2
Perumusan Masalah ................................................................
4
1.3
Tujuan Penelitian ....................................................................
4
1.4
Lingkup Penelitian .................................................................
5
1.5
Manfaat Penelitian ..................................................................
6
TINJAUAN PUSTAKA .....................................................................
8
2.1
Tandan Kosong Kelapa Sawit ................................................
8
2.2
Selulosa ..................................................................................
9
2.3
Selulosa Mikrokristal .............................................................
11
2.3.1
Hidrolisis Selulosa dengan Fraksi Kristal dan Amorf ............
12
Universitas Sumatera Utara
2.3.2
Penelitian Terdahulu mengenai Pembuatan Selulosa
Mikrokristal ............................................................................
13
2.3.3
Aplikasi Selulosa Mikrokristal ...............................................
21
2.4
Komposit Polimer...................................................................
23
2.4.1
Polimer Termoplastik .............................................................
27
2.4.2
Polimer Termosetting .............................................................
27
2.4.3
Elastomer ................................................................................
28
2.5
Pati ..........................................................................................
28
2.5.1
Mekanisme Peleburan dan Transformasi Pati ........................
29
2.5.2
Pati sebagai Matriks Komposit Termoplastik ........................
30
2.5.3
Penelitian Terdahulu mengenai Komposit Pati ......................
31
2.6
Singkong (Mannihot esculenta) .............................................
32
2.7
Gliserol ...................................................................................
34
2.8
Response Surface Methodology untuk Optimasi Proses ........
35
2.8.1
Rancangan Percobaan untuk Model Orde Dua ......................
36
2.8.2
Analisis Response Surface Orde Dua .....................................
38
BAB III METODE PENELITIAN ..................................................................
40
3.1
Tempat dan Waktu .................................................................
40
3.2
Bahan dan Peralatan ...............................................................
40
3.2.1
Bahan ......................................................................................
40
3.2.2
Peralatan .................................................................................
41
Universitas Sumatera Utara
3.2.3
Peralatan Analisis ...................................................................
41
3.3
Rancangan yang digunakan dalam Pelaksanaan Penelitian ...
41
3.3.1
Rancangan Percobaan Optimasi Hidrolisis Selulosa dari
Tandan Kosong Kelapa Sawit ................................................
41
3.3.2
Rancangan Percobaan Pembuatan Komposit .........................
43
3.4
Flowchart Prosedur Penelitian................................................
44
3.5
Analisis Hasil Penelitian ........................................................
48
3.5.1
Analisis Selulosa Mikrokristal ...............................................
48
3.5.1.1 X – Ray Diffraction.................................................................
48
3.5.1.2 Analisis Spektra Campuran dengan Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) ................................................
49
3.5.1.3 Scanning Electron Microscopy (SEM)...................................
50
3.5.2
Pengujian dan Analisis Komposit Pati Singkong ...................
51
3.5.2.1 Sifat Mekanik (Uji Tarik) .......................................................
51
3.5.2.2 Daya Serap Air (Moisture Absorption) ..................................
52
3.5.2.3 Morfologi Produk ...................................................................
53
3.5.2.4 Analisis Spektra Komposit dengan Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) ................................................
53
Jadwal Pelaksanaan ................................................................
54
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................
55
3.6
4.1
Optimasi Hidrolisis Selulosa dari Tandan Kosong Kelapa
Universitas Sumatera Utara
Sawit .......................................................................................
55
4.1.1
Analisa Statistik Metode Response Surface ...........................
57
4.1.2
Karakteristik Selulosa Mikrokristal pada Titik Optimum ......
65
4.1.2.1 Derajat Kristalinitas dari Pengukuran X – Ray Diffraction ....
65
4.1.2.2 Analisis Spektra Campuran dengan Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) ................................................
66
4.1.2.3 Morfologi Partikel ..................................................................
70
4.2
Komposit Termoplastik Pati Singkong ..................................
71
4.2.1
Sifat Mekanik Komposit ........................................................
72
4.2.1.1 Kekuatan Tarik (Tensile Strength) .........................................
72
4.2.1.2 Pemanjangan pada saat Putus (Elongation at Break) .............
74
4.2.1.3 Modulus Elastisitas.................................................................
76
4.2.2
Daya Serap Air Komposit ......................................................
78
4.2.3
Morfologi Komposit ...............................................................
79
4.2.4
Analisis Gugus Fungsi Komposit ...........................................
81
4.3
Perlakuan Termal Aging pada Komposit Pati Singkong........
82
4.3.1
Pengaruh Penambahan Selulosa Mikrokristal Tandan Kosong
Kelapa Sawit terhadap Sifat Mekanik Komposit setelah
Termal Aging .........................................................................
84
4.3.1.1 Kekuatan Tarik .......................................................................
84
4.3.1.2 Pemanjangan pada saat Putus (Elongation at Break) .............
85
4.3.1.3 Modulus Elastisitas.................................................................
87
Universitas Sumatera Utara
4.3.2
Pengaruh Penambahan Gliserol terhadap Sifat Mekanik
Komposit setelah Termal Aging.............................................
88
4.3.2.1 Kekuatan Tarik .......................................................................
88
4.3.2.2 Pemanjangan pada saat Putus (Elongation at Break) .............
90
4.3.2.3 Modulus Elastisitas.................................................................
91
4.4
Potensi Pengembangan Selulosa Mikrokristal Tandan Kosong
Kelapa Sawit sebagai Pengisi pada Komposit Termoplastik
BAB V
Pati Singkong .........................................................................
92
KESIMPULAN DAN SARAN...........................................................
97
5.1
Kesimpulan .............................................................................
97
5.2
Saran .......................................................................................
98
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 100
LAMPIRAN A
LA-1.
PERHITUNGAN .................................................................. LA-1
Rancangan Percobaan Optimasi Hidrolisis Selulosa
dari Tandan Kosong Kelapa Sawit ......................................... LA-1
LA-2.
Rancangan Percobaan Optimasi dalam Minitab 16
Statistical Software ................................................................. LA-2
LA-3.
Analisis Percobaan Optimasi dalam Minitab 16
Statistical Software ................................................................. LA-6
Universitas Sumatera Utara
LAMPIRAN B
DATA DAN PERHITUNGAN DERAJAT
KRISTALINITAS SELULOSA MIKROKRISTAL
TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT ............................ LB-1
LAMPIRAN C
GAMBAR KOMPOSIT PATI SINGKONG ..................... LC-1
LAMPIRAN D
DATA KARAKTERISTIK KOMPOSIT PATI
SINGKONG TANPA TERMAL AGING .......................... LD-1
LAMPIRAN E
DATA KARAKTERISTIK KOMPOSIT PATI
SINGKONG DENGAN TERMAL AGING....................... LE-1
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Struktur Kimia Dasar Selulosa ......................................................
9
Gambar 2.2
Skema Dinding Sel Selulosa dan Susunan Serat Mikro ................
10
Gambar 2.3
Model Skematis Antarmuka Komposit Polimer............................
26
Gambar 2.4
Central Composite Design untuk k=2 dan k=3 .............................
36
Gambar 3.1
Flowchart Prosedur Optimasi Hidrolisis Selulosa dari Tandan
Kosong Kelapa Sawit menjadi Selulosa Mikrokristal ...................
Gambar 3.2
44
Flowchart Prosedur Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis dan
Pembuatan Selulosa Mikrokristal pada Kondisi Optimum ...........
46
Gambar 3.3
Flowchart Prosedur Pembuatan Komposit Pati Singkong.............
47
Gambar 3.4
Spektra X – Ray Diffraction dari Sampel Selulosa yang
Menggambarkan Metode Tinggi Puncak ......................................
49
Gambar 3.5
Scanning Electron Microscopy......................................................
50
Gambar 3.6
Alat Universal Testing Machine (UTM) GOTECH Al-7000M
Grid Tensile ...................................................................................
52
Gambar 3.7
Alat Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) ................
53
Gambar 4.1
Pola X-Ray Diffraction dari Selulosa Tandan Kosong
Kelapa Sawit dan Selulosa Mikrokristal .......................................
Gambar 4.2
Interaksi antara Konsentrasi HCl dan Suhu Hidrolisis dengan
Derajat Kristalinitas Selulosa Mikrokristal ...................................
Gambar 4.3
55
60
Interaksi antara Konsentrasi HCl dan Waktu Hidrolisis dengan
Universitas Sumatera Utara
Derajat Kristalinitas Selulosa Mikrokristal ...................................
Gambar 4.4
61
Interaksi antara Suhu dan Waktu Hidrolisis dengan Derajat
Kristalinitas Selulosa Mikrokristal ................................................
62
Gambar 4.5
Plot Probabilitas Normal Residual ................................................
63
Gambar 4.6
Perbandingan Derajat Kristalinitas Selulosa Mikrokristal
Hasil Percobaan dan Prediksi Model .............................................
Gambar 4.7
64
Kurva X-ray Diffraction Selulosa Mikrokristal pada Kondisi
Hidrolisis Optimum .......................................................................
66
Gambar 4.8
Spektra FTIR .................................................................................
68
Gambar 4.9
Morfologi Partikel Hasil Analisa SEM .........................................
71
Gambar 4.10 Pengaruh Selulosa Mikrokristal (MCC) dan Gliserol terhadap
Kekuatan Tarik Komposit Pati Singkong ......................................
74
Gambar 4.11 Pengaruh Selulosa Mikrokristal (MCC) dan Gliserol terhadap
Elongation at Break Komposit Pati Singkong ..............................
76
Gambar 4.12 Pengaruh Selulosa Mikrokristal (MCC) dan Gliserol terhadap
Modulus Elastisitas Komposit Pati Singkong ...............................
77
Gambar 4.13 Pengaruh Selulosa Mikrokristal (MCC) dan Gliserol terhadap
Daya Serap Air Komposit Pati Singkong ......................................
79
Gambar 4.14 Morfologi Komposit Pati Singkong ..............................................
80
Gambar 4.15 Spektrum FTIR Komposit Pati Singkong......................................
83
Gambar 4.16 Pengaruh Termal Aging terhadap Kekuatan Tarik Komposit
Pati Singkong (Kandungan Gliserol 20%) ....................................
85
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.17 Pengaruh Termal Aging terhadap Pemanjangan pada saat Putus
Komposit Pati Singkong (Kandungan Gliserol 20%) ...................
86
Gambar 4.18 Pengaruh Termal Aging terhadap Modulus Elastisitas Komposit
Pati Singkong (Kandungan Gliserol 20%) ....................................
88
Gambar 4.19 Pengaruh Termal Aging terhadap Kekuatan Tarik Komposit
Pati Singkong (Kandungan Selulosa Mikrokristal 10%)...............
90
Gambar 4.20 Pengaruh Termal Aging terhadap Pemanjangan pada
saat Putus Komposit Pati Singkong (Kandungan Selulosa
Mikrokristal 10%) .........................................................................
91
Gambar 4.21 Pengaruh Termal Aging terhadap Modulus Elastisitas Komposit
Pati Singkong (Kandungan Selulosa Mikrokristal 10%)...............
92
Gambar LA-1 Central Composite Design untuk 3 Faktor .................................... LA-1
Gambar LA-2 Kotak Dialog Create Response Surface ........................................ LA-3
Gambar LA-3 Kotak Dialog Response Surface Design – Display Available
Design ............................................................................................ LA-3
Gambar LA-4 Kotak Dialog Create Response Surface Design – Designs ........... LA-4
Gambar LA-5 Kotak Dialog Create Response Surface Design – Factors ........... LA-4
Gambar LA-6 Kotak Dialog Create Response Surface Design – Options ........... LA-5
Gambar LA-7 Hasil Desain Response Surface ..................................................... LA-5
Gambar LA-8 Kotak Dialog Analyze Response Surface ...................................... LA-6
Gambar LA-9 Kotak Dialog Analyze Response Surface Design – Graphs .......... LA-7
Gambar LA-10 Kotak Dialog Analyze Response Surface – Storage .................... LA-7
Universitas Sumatera Utara
Gambar LC-1 Komposit Pati Singkong tanpa Selulosa Mikrokristal Tandan
Kosong Kelapa Sawit .................................................................... LC-1
Gambar LC-2 Komposit Pati Singkong dengan Selulosa Mikrokristal Tandan
Kosong Kelapa Sawit 5% .............................................................. LC-2
Gambar LC-3 Komposit Pati Singkong dengan Selulosa Mikrokristal Tandan
Kosong Kelapa Sawit 10% ............................................................ LC-3
Gambar LC-4 Komposit Pati Singkong dengan Selulosa Mikrokristal Tandan
Kosong Kelapa Sawit 15% ............................................................ LC-4
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Penelitian Terdahulu mengenai Pembuatan Selulosa Mikrokristal....
19
Tabel 2.2 Penelitian Terdahulu mengenai Komposit Pati dengan Selulosa
Sebagai Bahan Pengisi .......................................................................
32
Tabel 2.3 Beberapa Central Composite Design yang terblok secara Ortogonal
38
Tabel 3.1 Variabel Bebas Optimasi Hidrolisis Selulosa dari Tandan Kosong
Kelapa Sawit ......................................................................................
42
Tabel 3.2 Central Composite Design untuk Optimasi Hidrolisis Selulosa
dari Tandan Kosong Kelapa Sawit .....................................................
42
Tabel 3.3 Variasi Komposisi Gliserol dan Selulosa Mikrokristal pada
Komposit Pati Singkong ....................................................................
43
Tabel 3.4 Jadwal Pelaksanaan Penelitian ...........................................................
54
Tabel 4.1 Variabel Bebas dab Parameter Respon Optimasi Hidrolisis
Selulosa dari Tandan Kosong Kelapa Sawit ......................................
56
Tabel 4.2 Interaksi Faktor terhadap Derajat Kristalinitas ..................................
58
Tabel 4.3 Analisis Puncak Spektrum FTIR ........................................................
67
Tabel 4.4 Perbandingan Aspek Ekonomi Kondisi Proses Hidrolisis .................
94
Tabel 4.5 Perbandingan Karakteristik Material Plastik......................................
95
Tabel LA-1 Matriks Central Composite Design .................................................... LA-2
Tabel LB-1 Data dan Perhitungan Derajat Kristalinitas Selulosa Mikrokristal
Tandan Kosong Kelapa Sawit ............................................................ LB-1
Universitas Sumatera Utara
Tabel LB-2 Data dan Perhitungan Derajat Kristalinitas Selulosa Mikrokristal
Tandan Kosong Kelapa sawit pada Kondisi Hidrolisis Optimum ..... LB-1
Tabel LD-1 Data Sifat Mekanik Komposit Pati Singkong tanpa Termal Aging ... LD-1
Tabel LD-2 Data dan Perhitungan Daya Serap Air Komposit Pati Singkong
tanpa Termal Aging ............................................................................ LD-4
Tabel LE-1 Data Sifat Mekanik Komposit Pati Singkong dengan Termal
Aging .................................................................................................. LE-1
Universitas Sumatera Utara
KELAPA SAWIT MENJADI SELULOSA MIKROKRISTAL
DAN APLIKASI SEBAGAI PENGISI PADA KOMPOSIT
POLIMER TERMOPLASTIK PATI SINGKONG
TESIS
OLEH :
NOVIE HAIRANI
127022001/TK
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
OPTIMASI HIDROLISIS SELULOSA DARI TANDAN KOSONG
KELAPA SAWIT MENJADI SELULOSA MIKROKRISTAL
DAN APLIKASI SEBAGAI PENGISI PADA KOMPOSIT
POLIMER TERMOPLASTIK PATI SINGKONG
TESIS
Untuk memperoleh Gelar Magister Teknik
dalam Program Studi Magister Teknik Kimia
pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara
OLEH :
NOVIE HAIRANI
127022001/TK
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua
:
Dr. Ir. Hamidah Harahap, M.Sc
Anggota
:
1. Dr. Ir. Tjahjono Herawan, M.Sc
2. Dr. Ir. Iriany, M.Si
3. Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hasibuan, MT
4. Dr. Ir. Taslim, M.Si
Universitas Sumatera Utara
HALAMAN PERSETUJUAN
Judul Penelitian
: Optimasi Hidrolisis Selulosa dari Tandan Kosong Kelapa
Sawit menjadi Selulosa Mikrokristal dan Aplikasi sebagai
Pengisi pada Komposit Polimer Termoplastik Pati Singkong
Nama Mahasiswa
: Novie Hairani
Nomor Pokok/NIM
: 127022001
Program Studi
: Magister Teknik Kimia
Menyetujui
Komisi Pembimbing,
Dr. Ir. Hamidah Harahap, M.Sc
Ketua
Dr. Ir. Tjahjono Herawan, M.Sc.
Anggota
Ketua Program Studi,
Dekan FT - USU
(Dr. Ir. Taslim, M.Si)
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)
Tanggal Disetujui/Lulus : 07 Juli 2014
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Penelitian ini meliputi 2 tahapan proses, yaitu optimasi kondisi proses hidrolisis
selulosa dari tandan kosong kelapa sawit menjadi selulosa mikrokristal dan aplikasi
selulosa mikrokristal yang diperoleh pada komposit termoplastik pati singkong.
Metode response surface dengan bantuan minitab 16 statistical software digunakan
untuk memperoleh kondisi optimum proses hidrolisis selulosa dari tandan kosong
kelapa sawit. Derajat kristalinitas selulosa mikrokristal yang dihasilkan merupakan
parameter respon dalam optimasi dan diperoleh kondisi optimum hidrolisis yaitu pada
konsentrasi HCl 2,16 N, suhu hidrolisis 110,1 °C dan waktu hidrolisis 180,7 menit.
Morfologi, derajat kristalinitas dan spektra campuran selulosa mikrokristal yang
dihasilkan pada kondisi optimum tersebut juga dianalisa, diperoleh partikel berukuran
15 – 75 µm dengan permukaan yang kasar dan derajat kristalinitas sebesar 80,9487%.
Selanjutnya, komposit termoplastik pati singkong dibuat dengan menggunakan
selulosa mikrokristal sebagai pengisi dan gliserol sebagai plastisiser. Pengaruh
penambahan selulosa mikrokristal dan gliserol pada komposit pati singkong dianalisa
meliputi sifat mekanik, daya serap air, morfologi dan spektra FTIR. Peningkatan
kandungan selulosa mikrokristal hingga 10% meningkatkan kekuatan tarik dan
modulus elastisitas serta menurunkan elongation at break dan daya serap air.
Namun, peningkatan kandungan gliserol memberikan pengaruh yang berlawanan.
Pengaruh terhadap sifat mekanik komposit juga diperjelas dengan interaksi
antarmolekul yang terlihat pada morfologi dan spektra komposit. Untuk memperoleh
sifat jangka panjang plastik, perlakuan termal aging pada suhu 70°C selama 7 hari
dilakukan terhadap komposit pati singkong. Hasil analisa uji tarik menunjukkan
bahwa termal aging meningkatkan kekuatan tarik komposit, tetapi menurun dengan
penambahan selulosa mikrokristal dan gliserol pada komposit.
Kata kunci : selulosa mikrokristal, tandan kosong kelapa sawit, pati singkong,
komposit, termal aging
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
This study included 2 phases, that were optimization of hydrolysis conditions of oil
palm empty fruit bunches cellulose into microcrystalline cellulose and their
application in cassava starch thermoplastic composite. Response surface method with
the help of minitab 16 statistical software was used for obtaining hydrolysis optimum
condition of oil palm empty fruit bunches cellulose. Degree of crystallinity of
microcrystalline cellulose was a response parameter in optimization and hydrolysis
optimum condition was determined to be 2,16 N HCl, at 110,1°C for 180,7 minutes.
Morphology, degree of crystallinity and spectrum of microcrystalline cellulose that
was obtained in optimum condition were investigated, at which particles with a size
range 15 – 75 µm, rough surface and degree of crystallinity of 80,9487% were
produced. Cassava starch thermoplastic composites subsequently were prepared
using microcrystalline cellulose as filler and glycerol as plasticizer. Effect of
microcrystalline cellulose and glycerol loading on cassava starch composite
properties was investigated such as mechanical properties, water absorption,
morphology and FTIR spectrum. Increasing of microcrystalline cellulose content up
to 10% enhanced tensile strength and elastic modulus while lowered elongation at
break and water absorption. However, increasing of glycerol content produced
opposite effects. Effects on mechanical properties of composite were also explained
by intermolecular interaction that shown in morphology and spectrum of composite.
Thermal aging was performed on cassava starch composite at 70°C for 7 days for
obtaining long-term behaviour of plastic. Tensile test results showed that thermal
aging enhanced tensile strength of composite, but decreased by microcrystalline
cellulose and glycerol loading in composite.
Keywords : microcrystalline cellulose, oil palm empty fruit bunch, cassava starch,
composite, thermal aging
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Alhamdulillahi rabbil ‘alamin, segala puji bagi Allah yang telah memberikan
hidayah, kesehatan, kesempatan dan pertolongan-Nya sehingga penulis dapat
menyelesaikan tesis yang berjudul “Optimasi Hidrolisis Selulosa dari Tandan Kosong
Kelapa Sawit menjadi Selulosa Mikrokristal dan Aplikasi sebagai Pengisi pada
Komposit Polimer Termoplastik Pati Singkong”. Tesis ini disusun setelah melalui
bimbingan dan konsultasi dengan dosen pembimbing Dr. Ir. Hamidah Harahap, M.Sc
dan Dr. Ir. Tjahjono Herawan, M.Sc, sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan
studi di Program Magister Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara.
Penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih yang tidak terhingga kepada
berbagai pihak yang telah memberikan bantuan dalam penyelesaian tesis ini baik
dalam hal bimbingan, diskusi keilmuan, dukungan moral serta material terutama
kepada yang terhormat Bapak Dr. Ir. Taslim, M.Si selaku Ketua Program Studi,
seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Magister Teknik Kimia Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara, Direksi PT. Perkebunan Nusantara III (Persero),
peneliti dan seluruh teknisi Laboratorium Oleokimia Pusat Penelitian Kelapa Sawit
Medan, kedua orang tua, kakak dan adik – adik, rekan – rekan mahasiswa Magister
Teknik Kimia serta seluruh pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
Universitas Sumatera Utara
Ibarat pepatah “Tak Ada Gading yang Tak Retak”, penulis menyadari bahwa
tesis ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu, penulis sangat mengharapkan kritik
dan saran yang konstruktif untuk perbaikan dan perkembangan keilmuan di masa
yang akan datang. Dengan segala kerendahan hati, penulis memohon maaf untuk
segala kekurangan dalam tesis ini dan berharap agar tesis ini dapat bermanfaat bagi
semua pihak.
Medan, Juli 2014
Penulis,
Novie Hairani
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman Persetujuan .............................................................................................
i
Abstrak/Abstract ...................................................................................................
ii
Kata Pengantar ......................................................................................................
iii
Daftar Isi................................................................................................................
v
Daftar Gambar .......................................................................................................
xi
Daftar Tabel ..........................................................................................................
xv
BAB I
BAB II
PENDAHULUAN ...............................................................................
1
1.1
Latar Belakang .......................................................................
1
1.2
Perumusan Masalah ................................................................
4
1.3
Tujuan Penelitian ....................................................................
4
1.4
Lingkup Penelitian .................................................................
5
1.5
Manfaat Penelitian ..................................................................
6
TINJAUAN PUSTAKA .....................................................................
8
2.1
Tandan Kosong Kelapa Sawit ................................................
8
2.2
Selulosa ..................................................................................
9
2.3
Selulosa Mikrokristal .............................................................
11
2.3.1
Hidrolisis Selulosa dengan Fraksi Kristal dan Amorf ............
12
Universitas Sumatera Utara
2.3.2
Penelitian Terdahulu mengenai Pembuatan Selulosa
Mikrokristal ............................................................................
13
2.3.3
Aplikasi Selulosa Mikrokristal ...............................................
21
2.4
Komposit Polimer...................................................................
23
2.4.1
Polimer Termoplastik .............................................................
27
2.4.2
Polimer Termosetting .............................................................
27
2.4.3
Elastomer ................................................................................
28
2.5
Pati ..........................................................................................
28
2.5.1
Mekanisme Peleburan dan Transformasi Pati ........................
29
2.5.2
Pati sebagai Matriks Komposit Termoplastik ........................
30
2.5.3
Penelitian Terdahulu mengenai Komposit Pati ......................
31
2.6
Singkong (Mannihot esculenta) .............................................
32
2.7
Gliserol ...................................................................................
34
2.8
Response Surface Methodology untuk Optimasi Proses ........
35
2.8.1
Rancangan Percobaan untuk Model Orde Dua ......................
36
2.8.2
Analisis Response Surface Orde Dua .....................................
38
BAB III METODE PENELITIAN ..................................................................
40
3.1
Tempat dan Waktu .................................................................
40
3.2
Bahan dan Peralatan ...............................................................
40
3.2.1
Bahan ......................................................................................
40
3.2.2
Peralatan .................................................................................
41
Universitas Sumatera Utara
3.2.3
Peralatan Analisis ...................................................................
41
3.3
Rancangan yang digunakan dalam Pelaksanaan Penelitian ...
41
3.3.1
Rancangan Percobaan Optimasi Hidrolisis Selulosa dari
Tandan Kosong Kelapa Sawit ................................................
41
3.3.2
Rancangan Percobaan Pembuatan Komposit .........................
43
3.4
Flowchart Prosedur Penelitian................................................
44
3.5
Analisis Hasil Penelitian ........................................................
48
3.5.1
Analisis Selulosa Mikrokristal ...............................................
48
3.5.1.1 X – Ray Diffraction.................................................................
48
3.5.1.2 Analisis Spektra Campuran dengan Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) ................................................
49
3.5.1.3 Scanning Electron Microscopy (SEM)...................................
50
3.5.2
Pengujian dan Analisis Komposit Pati Singkong ...................
51
3.5.2.1 Sifat Mekanik (Uji Tarik) .......................................................
51
3.5.2.2 Daya Serap Air (Moisture Absorption) ..................................
52
3.5.2.3 Morfologi Produk ...................................................................
53
3.5.2.4 Analisis Spektra Komposit dengan Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) ................................................
53
Jadwal Pelaksanaan ................................................................
54
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................
55
3.6
4.1
Optimasi Hidrolisis Selulosa dari Tandan Kosong Kelapa
Universitas Sumatera Utara
Sawit .......................................................................................
55
4.1.1
Analisa Statistik Metode Response Surface ...........................
57
4.1.2
Karakteristik Selulosa Mikrokristal pada Titik Optimum ......
65
4.1.2.1 Derajat Kristalinitas dari Pengukuran X – Ray Diffraction ....
65
4.1.2.2 Analisis Spektra Campuran dengan Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR) ................................................
66
4.1.2.3 Morfologi Partikel ..................................................................
70
4.2
Komposit Termoplastik Pati Singkong ..................................
71
4.2.1
Sifat Mekanik Komposit ........................................................
72
4.2.1.1 Kekuatan Tarik (Tensile Strength) .........................................
72
4.2.1.2 Pemanjangan pada saat Putus (Elongation at Break) .............
74
4.2.1.3 Modulus Elastisitas.................................................................
76
4.2.2
Daya Serap Air Komposit ......................................................
78
4.2.3
Morfologi Komposit ...............................................................
79
4.2.4
Analisis Gugus Fungsi Komposit ...........................................
81
4.3
Perlakuan Termal Aging pada Komposit Pati Singkong........
82
4.3.1
Pengaruh Penambahan Selulosa Mikrokristal Tandan Kosong
Kelapa Sawit terhadap Sifat Mekanik Komposit setelah
Termal Aging .........................................................................
84
4.3.1.1 Kekuatan Tarik .......................................................................
84
4.3.1.2 Pemanjangan pada saat Putus (Elongation at Break) .............
85
4.3.1.3 Modulus Elastisitas.................................................................
87
Universitas Sumatera Utara
4.3.2
Pengaruh Penambahan Gliserol terhadap Sifat Mekanik
Komposit setelah Termal Aging.............................................
88
4.3.2.1 Kekuatan Tarik .......................................................................
88
4.3.2.2 Pemanjangan pada saat Putus (Elongation at Break) .............
90
4.3.2.3 Modulus Elastisitas.................................................................
91
4.4
Potensi Pengembangan Selulosa Mikrokristal Tandan Kosong
Kelapa Sawit sebagai Pengisi pada Komposit Termoplastik
BAB V
Pati Singkong .........................................................................
92
KESIMPULAN DAN SARAN...........................................................
97
5.1
Kesimpulan .............................................................................
97
5.2
Saran .......................................................................................
98
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 100
LAMPIRAN A
LA-1.
PERHITUNGAN .................................................................. LA-1
Rancangan Percobaan Optimasi Hidrolisis Selulosa
dari Tandan Kosong Kelapa Sawit ......................................... LA-1
LA-2.
Rancangan Percobaan Optimasi dalam Minitab 16
Statistical Software ................................................................. LA-2
LA-3.
Analisis Percobaan Optimasi dalam Minitab 16
Statistical Software ................................................................. LA-6
Universitas Sumatera Utara
LAMPIRAN B
DATA DAN PERHITUNGAN DERAJAT
KRISTALINITAS SELULOSA MIKROKRISTAL
TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT ............................ LB-1
LAMPIRAN C
GAMBAR KOMPOSIT PATI SINGKONG ..................... LC-1
LAMPIRAN D
DATA KARAKTERISTIK KOMPOSIT PATI
SINGKONG TANPA TERMAL AGING .......................... LD-1
LAMPIRAN E
DATA KARAKTERISTIK KOMPOSIT PATI
SINGKONG DENGAN TERMAL AGING....................... LE-1
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Struktur Kimia Dasar Selulosa ......................................................
9
Gambar 2.2
Skema Dinding Sel Selulosa dan Susunan Serat Mikro ................
10
Gambar 2.3
Model Skematis Antarmuka Komposit Polimer............................
26
Gambar 2.4
Central Composite Design untuk k=2 dan k=3 .............................
36
Gambar 3.1
Flowchart Prosedur Optimasi Hidrolisis Selulosa dari Tandan
Kosong Kelapa Sawit menjadi Selulosa Mikrokristal ...................
Gambar 3.2
44
Flowchart Prosedur Penentuan Kondisi Optimum Hidrolisis dan
Pembuatan Selulosa Mikrokristal pada Kondisi Optimum ...........
46
Gambar 3.3
Flowchart Prosedur Pembuatan Komposit Pati Singkong.............
47
Gambar 3.4
Spektra X – Ray Diffraction dari Sampel Selulosa yang
Menggambarkan Metode Tinggi Puncak ......................................
49
Gambar 3.5
Scanning Electron Microscopy......................................................
50
Gambar 3.6
Alat Universal Testing Machine (UTM) GOTECH Al-7000M
Grid Tensile ...................................................................................
52
Gambar 3.7
Alat Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) ................
53
Gambar 4.1
Pola X-Ray Diffraction dari Selulosa Tandan Kosong
Kelapa Sawit dan Selulosa Mikrokristal .......................................
Gambar 4.2
Interaksi antara Konsentrasi HCl dan Suhu Hidrolisis dengan
Derajat Kristalinitas Selulosa Mikrokristal ...................................
Gambar 4.3
55
60
Interaksi antara Konsentrasi HCl dan Waktu Hidrolisis dengan
Universitas Sumatera Utara
Derajat Kristalinitas Selulosa Mikrokristal ...................................
Gambar 4.4
61
Interaksi antara Suhu dan Waktu Hidrolisis dengan Derajat
Kristalinitas Selulosa Mikrokristal ................................................
62
Gambar 4.5
Plot Probabilitas Normal Residual ................................................
63
Gambar 4.6
Perbandingan Derajat Kristalinitas Selulosa Mikrokristal
Hasil Percobaan dan Prediksi Model .............................................
Gambar 4.7
64
Kurva X-ray Diffraction Selulosa Mikrokristal pada Kondisi
Hidrolisis Optimum .......................................................................
66
Gambar 4.8
Spektra FTIR .................................................................................
68
Gambar 4.9
Morfologi Partikel Hasil Analisa SEM .........................................
71
Gambar 4.10 Pengaruh Selulosa Mikrokristal (MCC) dan Gliserol terhadap
Kekuatan Tarik Komposit Pati Singkong ......................................
74
Gambar 4.11 Pengaruh Selulosa Mikrokristal (MCC) dan Gliserol terhadap
Elongation at Break Komposit Pati Singkong ..............................
76
Gambar 4.12 Pengaruh Selulosa Mikrokristal (MCC) dan Gliserol terhadap
Modulus Elastisitas Komposit Pati Singkong ...............................
77
Gambar 4.13 Pengaruh Selulosa Mikrokristal (MCC) dan Gliserol terhadap
Daya Serap Air Komposit Pati Singkong ......................................
79
Gambar 4.14 Morfologi Komposit Pati Singkong ..............................................
80
Gambar 4.15 Spektrum FTIR Komposit Pati Singkong......................................
83
Gambar 4.16 Pengaruh Termal Aging terhadap Kekuatan Tarik Komposit
Pati Singkong (Kandungan Gliserol 20%) ....................................
85
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.17 Pengaruh Termal Aging terhadap Pemanjangan pada saat Putus
Komposit Pati Singkong (Kandungan Gliserol 20%) ...................
86
Gambar 4.18 Pengaruh Termal Aging terhadap Modulus Elastisitas Komposit
Pati Singkong (Kandungan Gliserol 20%) ....................................
88
Gambar 4.19 Pengaruh Termal Aging terhadap Kekuatan Tarik Komposit
Pati Singkong (Kandungan Selulosa Mikrokristal 10%)...............
90
Gambar 4.20 Pengaruh Termal Aging terhadap Pemanjangan pada
saat Putus Komposit Pati Singkong (Kandungan Selulosa
Mikrokristal 10%) .........................................................................
91
Gambar 4.21 Pengaruh Termal Aging terhadap Modulus Elastisitas Komposit
Pati Singkong (Kandungan Selulosa Mikrokristal 10%)...............
92
Gambar LA-1 Central Composite Design untuk 3 Faktor .................................... LA-1
Gambar LA-2 Kotak Dialog Create Response Surface ........................................ LA-3
Gambar LA-3 Kotak Dialog Response Surface Design – Display Available
Design ............................................................................................ LA-3
Gambar LA-4 Kotak Dialog Create Response Surface Design – Designs ........... LA-4
Gambar LA-5 Kotak Dialog Create Response Surface Design – Factors ........... LA-4
Gambar LA-6 Kotak Dialog Create Response Surface Design – Options ........... LA-5
Gambar LA-7 Hasil Desain Response Surface ..................................................... LA-5
Gambar LA-8 Kotak Dialog Analyze Response Surface ...................................... LA-6
Gambar LA-9 Kotak Dialog Analyze Response Surface Design – Graphs .......... LA-7
Gambar LA-10 Kotak Dialog Analyze Response Surface – Storage .................... LA-7
Universitas Sumatera Utara
Gambar LC-1 Komposit Pati Singkong tanpa Selulosa Mikrokristal Tandan
Kosong Kelapa Sawit .................................................................... LC-1
Gambar LC-2 Komposit Pati Singkong dengan Selulosa Mikrokristal Tandan
Kosong Kelapa Sawit 5% .............................................................. LC-2
Gambar LC-3 Komposit Pati Singkong dengan Selulosa Mikrokristal Tandan
Kosong Kelapa Sawit 10% ............................................................ LC-3
Gambar LC-4 Komposit Pati Singkong dengan Selulosa Mikrokristal Tandan
Kosong Kelapa Sawit 15% ............................................................ LC-4
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Penelitian Terdahulu mengenai Pembuatan Selulosa Mikrokristal....
19
Tabel 2.2 Penelitian Terdahulu mengenai Komposit Pati dengan Selulosa
Sebagai Bahan Pengisi .......................................................................
32
Tabel 2.3 Beberapa Central Composite Design yang terblok secara Ortogonal
38
Tabel 3.1 Variabel Bebas Optimasi Hidrolisis Selulosa dari Tandan Kosong
Kelapa Sawit ......................................................................................
42
Tabel 3.2 Central Composite Design untuk Optimasi Hidrolisis Selulosa
dari Tandan Kosong Kelapa Sawit .....................................................
42
Tabel 3.3 Variasi Komposisi Gliserol dan Selulosa Mikrokristal pada
Komposit Pati Singkong ....................................................................
43
Tabel 3.4 Jadwal Pelaksanaan Penelitian ...........................................................
54
Tabel 4.1 Variabel Bebas dab Parameter Respon Optimasi Hidrolisis
Selulosa dari Tandan Kosong Kelapa Sawit ......................................
56
Tabel 4.2 Interaksi Faktor terhadap Derajat Kristalinitas ..................................
58
Tabel 4.3 Analisis Puncak Spektrum FTIR ........................................................
67
Tabel 4.4 Perbandingan Aspek Ekonomi Kondisi Proses Hidrolisis .................
94
Tabel 4.5 Perbandingan Karakteristik Material Plastik......................................
95
Tabel LA-1 Matriks Central Composite Design .................................................... LA-2
Tabel LB-1 Data dan Perhitungan Derajat Kristalinitas Selulosa Mikrokristal
Tandan Kosong Kelapa Sawit ............................................................ LB-1
Universitas Sumatera Utara
Tabel LB-2 Data dan Perhitungan Derajat Kristalinitas Selulosa Mikrokristal
Tandan Kosong Kelapa sawit pada Kondisi Hidrolisis Optimum ..... LB-1
Tabel LD-1 Data Sifat Mekanik Komposit Pati Singkong tanpa Termal Aging ... LD-1
Tabel LD-2 Data dan Perhitungan Daya Serap Air Komposit Pati Singkong
tanpa Termal Aging ............................................................................ LD-4
Tabel LE-1 Data Sifat Mekanik Komposit Pati Singkong dengan Termal
Aging .................................................................................................. LE-1
Universitas Sumatera Utara