Studi Penyediaan Nanokristal dari Tandan Kosong Sawit (TKS)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Tandan Kosong Sawit (TKS)

Limbah industri kelapa sawit adalah limbah yang dihasilkan pada saat proses pengolahan kelapa sawit. Limbah jenis ini digolongkan dalam tiga jenis yaitu limbah padat, limbah cair, dan limbah gas.Salah satu jenis limbah padat industri kelapa sawit adalah Tandan Kosong Sawit (TKS).Tempurung kelapa sawit termasuk juga limbah padat hasil pengolahan kelapa sawit. Limbah padat mempunyai ciri khas pada komposisinya. Komponen terbesar dalam limbah padat tersebut adalah selulosa, disamping komponen lain meskipun lebih kecil seperti abu, hemiselulosa, dan lignin (Fauzi,2003).

Limbah cair juga dihasilkan pada proses pengolahan kelapa sawit. Limbah ini berasal dari kondensat, stasiun klarifikasi, dan dari hidrosilikon. Limbah kelapa sawit memiliki kadar bahan organik yang tinggi. Tingginya kadar tersebut menimbulkan beban pencemaran yang besar, karena diperlukan degradasi bahan organic yang lebih besar pula. Selain limbah padat dan cair, industry pengolahan kelapa sawit juga menghasilkan limbah bahan gas. Limbah bahan gas ini antara lain gas cerobong dan uap air buangan pabrik kelapa sawit.Berbagai penelitian telah dilakukan menunjukkan bahwa limbah kelapa sawit dapat dimanfaatkan untuk berbagai kebutuhan.Tandan kosong kelapa sawit dapat dimanfaatkan sebagai sumber pupuk organic yang memiliki kandungan unsur hara yang dibutuhkan oleh tanah dan tanaman. Tandan kosong kelapa sawit mencapai 23 % dari jumlah pemanfaatan limbah kelapa sawit tersebut sebagai alternatif pupuk organik juga akan memberikan manfaat lain dari sisi ekonomi. Bagi perkebunan kelapa sawit, dapat menghemat penggunaan pupuk sintetis sampai dengan 50 %. Ada beberapa alternatifpemanfaatan yang dapat dilakukan, yaitu sebagai pupuk kompos. Pupuk kompos merupakan bahan organik yang telah mengalami proses fermentasi atau dekomposisi yang dilakukan oleh mikroorganisme. Pada prinsipnya pengomposan untuk menurunkan nisbah

C/N yang terkandung dalam tandan agar mendekati nisbah C/N tanah. Nisbah C/N yang mendekati nisbah C/N tanah akan mudah diserap oleh tanaman (Herawan, 1999).

Tempurung kelapa sawit merupakan salah satu limbah pengolahan minyak kelapa sawit yang cukup besar, yaitu mencapai 60% dari produksi minyak.Tempurung buah kelapa sawit dapat dimanfaatkan sebagai arang aktif. Arang aktif dimanfaatkan oleh berbagai industry, antara lain industry minyak, karet, gula, dan farmasi. Selama ini tempurung kelapa sawit digunakan hanya sebagai bahan bakar pembangkit tenaga uap dan bahan pengeras jalan (Darnoko, 1995).

Batang dan tandan sawit digunakanuntuk pembuatan pulp kertas. Kebutuhan pulp kertas di Indonesia sampai saat ini masih dipenuhi dari impor. Padahal potensi untuk menghasilkan pulp di dalam negeri cukup besar.Salah satu alternative itu adalah dengan memanfaatkan batang dan tandan kosong kelapa sawit untuk digunakan bahan pulp kertas dan papan serat. Di Indonesia sudah mulai banyak industri kertas memanfaatkan limbah kelapa sawit tersebut sebagai alternatif bahan baku. Proses pembuatan pulp kertas dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu proses dengan NaOH dan proses dengan sulfat. Berbagai hasil penelitian menunjukkan bahwa pengolahan dengan sulfat memenuhi Standar Industri Indonesia (SII).Jumlah yang dihasilkan oleh industri perkebunan kelapa sawit Indonesia tahun 1993 mencapai 1,47 juta ton berat kering atau setara dengan 3,68 juta ton berat basah. Pada tahun 2000, jumlah yang dihasilkan meningkat menjadi sekitar 2,85 juta ton berat kering atau setara dengan 7,1 juta ton berat basah. Jika tidak dikelola dengan baik maka jumlah yang berlimpah ini akan menjadi sumber pencemaran lingkungan (Nuryanto,2000).

2.2 Selulosa

2.2.1. Pengertian Selulosa

Selulosa adalah polisakarida yang paling melimpah, senyawa ini menyusun sekitar setengah dari tanaman keras dan sekitar sepertiga dari tanaman setahun. Bobot molekulnya tinggi, strukturnya teratur berupa polimer linear dengan unit ulangan B_{-D- glukopiranosa,} karena keteraturan strukturnya selulosa adalah polimer yang nisbi, murah dengan sifat fisik dan kimia yang istimewa(Suminar,1990).

Berdasarkan struktur kimia, selulosa merupakan polimer alam yang paling sederhana dalam artian bahwa terdiri dari unit ulangan tunggal D- glukosa yang terikat

melalui karbon 1 dan 4 oleh ikatan – ikatan beta (Steven, 2001). Struktur kimia selulosa ditunjukkan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Struktur Kimia Selulosa (Atalla, 1989).

2.2.2 Sumber Selulosa

Serat dicirikan oleh modulus dan kekuatannya yang tinggi, elongasi (daya rentang) yang baik, stabilitas panas yang baik (sebagai contoh, cukup untuk menahan panas setrika), spinabilitas panas yang baik (kemampuan untuk di ubah menjadi filamen – filamen) dan sejumlah sifat – sifat lain yang bergantung pada apakah dia dipakai dalam tekstil, kawat, tali, dan kabel. Sifat – sifat serat juga termasuk daya celup, resistensi bahan kimia, resistensi terhadap serangga dan jamur, resistensi kekusutan.Ada dua serat alam yang utama yaitu kapas dan wol, yang awal merupakan selulosa polisakarida, dan yang belakangan merupakan suatu protein.Sutera, serat protein lainnya, diproduksi kuantitas yang sangat sedikit.Serat – serat sintesis diklasifikasikan sebagai selulosa dan nonselulosa (Stevens, 2000).

Teknologi serat ; serat dapat di peroleh dari alam maupun di sintesis. Beberapa polimer digunakan sebagai serat , seperti nilon dan selulosa asetat, dinyatakan hamper sama. Sebagai suatu plastik.Dalam analisis akhir, penggolongan dan substansi dinyatakan sebagai serat (Bilmeyer, 1984).

Selulosa alkali, biasanya dipreparasi dari bubur kayu yang di pisahkan dari ligninnya melalui reaksi dengan larutan alkali dan dibiarkan menjadi matang, yang bersamaan dengan itu berat molekulnya berkurang.Peranan alkali yang sesungguhnya tidak diketahui dengan pasti, tetapi di yakini bahwa ion – ion natrium gen.Pengurangan berat molekul mungkin timbul terutama dari degradasi oksidatif.Etilselulosa yang paling banyak di gunakan, terutama dalam aplikasi – aplikasi plastic yang mirip dengan aplikasi selulosa asetat.Metilselulosa dapat larut dalam air dan dipakai sebagai bahan pengental makanan dan sebagai bahan dalam beberapa perekat, tinta, dan formulasi – formulasi pemrosesan akhir tekstil dan sebagai bahan pengemulsi (misalnya, dalam cat – cat

lateks).Hidroksilpropilselulosa yang di apit antara dua film yang tidak larut dalam air akhir

– akhir ini telah di pakai dalam pembuatan botol – botol yang dapat terdegradasi (degradable). Ketika film luar terkelupas, hidroksipropilselulosa segera larut, yang dengan demikian mengurangi masalah sampah padat yang biasanya dikaitkan dengan botol – botol yang tidak dapat di daur ulang (Stevens, 2000).

Selulosa merupakan struktur dasar sel – sel tanaman.Oleh karena itu merupakan bahan yang sangat penting yang dibuat oleh organism makhluk hidup. Pernyataan yang sama ini berlaku pada terdapatnya selulosa secara kuantitatif. Di dalam kayu, selulosa tidak hanya disertai dengan poliosa dan lignin tetapi juga terikat erat dengannya, dan pemisahannya yang memerlukan perlakuan kimia yang intensif.Selulosa yang diisolasi tetapi tidak murni, untuk tujuan – tujuan analitik cukup untuk menentukan alfa selulosa (Fengel, 1995).

Selulosa merupakan senyawa organik yang paling banyak berlimpah di bumi, membentuk struktur pendukung tumbuhan.Sekitar 25% dari berat pohon dan lebih 90% kapas merupakan selulosa. Secara struktural terkait dengan sellubiosa dengan cara yang sama bahwa pati berhubungan dengan maltose. Bagian monosakarida dari selulosa – molekul glukosa yang dihubungkan oleh 14 hubungan ke unit selubiosa, seperti dalam unit selulosa (Solomons, 1987).

Polimer karbohidrat juga merupakan bahan struktural utama pada tumbuhan.Komponen utama dari kayu adalah selulosa. Berat total selulosa lebih dari satu

– setengah bahan organic yang ada dalam makhluk hidup di bumi. Selulosa merupakan polimer D – glukosa dengan unit monosakarida individu bergabung dengan ikatan glikosidik (Widom, 1981).

Molekul selulosa adalah linier, tetapi tidak seperti amilosa (juga linier) tidak larut dalam air. Karena kebanyakan hewan tidak memiliki enzim yang diperlukan untuk membelah hubungan beta – 1,4, mereka tidak dapat menggunakan selulosa untuk makanan. Pengecualian termasuk ternak dan rayap, pencernaan bakteri yang mampu mencerna selulosa.Rayap dapat menyerap gula yang di produksi sebagai hasil pencernaan awal.Selulosa dan turunannya memiliki kegunaannya komersial.Rayon adalah serat yang terbuat dari selulosa.Disebut selulosa terpal plastic transparan.Ketika digabung dengan asam nitrat dan asam sulfat, suatu polimer dengan berbagai jumlah gugus hidoksil nitrasi. Selulosa nitrat dengan 12,5% - 13,4% nitrogen dikenal sebagai kapas dan sangat eksplosif (Van der Hart, 1984).

Selulosa nitrat yang mengandung 11% – 12% nitrogen dalam seluloid, produknya di gunakan dalam plastic, dan film fotografi karena polimer ini lebih stabil. Ester asetat dari selulosa , dibuat dari reaksi selulosa dengan asam asetat merupakan polimer yang digunakan sebagai pengganti seluloid. Selulosa asetat digunakan dalam kain, kain pelapis, dan filter rokok. Hal ini memungkinkan untuk membuat turunan pati yang sesuai, tetapi polimer ini tidak berguna secara komersial. Campuran yang mengandung rantai molekul yang terbuka baik bentuk anomerik alfa dan beta yang mengkonversi dari satu ke lain bentuk dengan proses yang dikenal sebagai mutarotasi. Rumus proyeksi Haworth sangat berguna untuk mewakili stereokimia lengkap dari monosakarida siklik.Kelompok yang mengarah ke formula proyeksi Fisher dalam formula Haworth.Pengurangan gula telah meninggalkan kelompok aldehid atau keton dan dapat teroksidasi oleh Tollens atau pereaksi Benedict.Seluruh monosakarida merupakan gula pereduksi.Para hemiasetal atau hemiketal hidroksil bereaksi dengan molekul alkohol untuk membentuk senyawa yang disebut glikosida asetal.

Hubungan glikosidik merupakan bentuk – bentuk yang khas yang bergabung dengan alkohol monosakarida untuk membentuk disakarida dan polisakarida.Hubungan ini ditandai dengan stereokimia ari hemiasetal kelompok –CH dan jumlah atom C terkait. Maltosa disakarida D – glukosa + beta (D - glukosa + D – glukosa), selubiosa (D – galaktosa + D-glukosa), dan laktosa. Sukrosa (D-fruktosa), atau susunan gula adalah gula non-pereduksi beta-D-glukosa + alfa, beta hubungan yang mengikat kedua atom C, pati merupakan campuran dari dua polisakarida yang terbentuk dari salah satu komponen amilase, molekul polimer linier yang mengandung 1,4 D-glukosa, dan yang lainnya merupakan amilopektin.

Glikogen, merupakan suatu molekul pati yang sangat bercabang, juga tersusun dari monomer glukosa, dan juga merupakan bentuk pati yang di simpan dalam hewan.Selulosa merupakan polimer dari glukosa.Selulosa tidak dapat di belah oleh enzim yang disekresikan oleh saluran pencernaan hewan, dan karenanya selulosa tidak dapat dijadikan sumber makanan.Selulosa (dalam bentuk rayon dan plastic) dan turunannya (seperti nitrat selulosa dan selulosa asetat) dipakai dalam banyak kebutuhan rumah tangga dan industri (Solomons, 1987).

Selulosa pada tumbuhan terdapat di dalam dinding sel pelindung tanaman, terutama pada tangkai, batang, dahan, dan semua bahan kayu.Selnya hidup di dalam jaringan kolenkim.Selulosa juga terdapat pada biji kopi dan serat kulit kacang. Selulosa

pada daun, pembuluh xylem dan floem akan terletak berdampingan dan jaringannya tersusun pada tulang daun. Meskipun susunan jala yang tampak pada daun. Kedua jaringan ini akan disatukan dalam berkas – berkas (bundles) yang direkatkan oleh pectin dan selulosa.Selulosa pada hewan tingkat rendah terdapat di dalam organism primitif, seperti rumput laut, flagelata, dan bakteri, misalnya pada bakteri Acetobacter xylinum. Nata de coco merupakan sumber selulosa yang diproduksi sebagai hasil proses fermentasi dalam substrat air kelapa dengan menggunakan bakteri Acetobacter xylinum. Kelebihan selulosa yang dihasilkan dari nata de coco adalah tidak bercampur dengan lignin dan hemiselulosa (Saxena, 1995).

2.2.3 Jenis – Jenis Selulosa Struktur Kristal Selulosa

Selulosa I adalah suatu agregat dari rantai glukan yang disusun secara spesifik ke dalam bagian kristallin. Meskipun pada kenyataannya, bahwa semua selulosa, dihasilkan dari tumbuhan, bakteri, atau organisme lainnya, mempunyai beberapa kandungan yang sama, terdapat beberapa rumus kimia yang sebenarnya antara selulosa dari sumber yang berbeda, terutama terminologi dari sifat fisikanya, seperti rantai glukannya, Kristal yang di peroleh dari selulosa. Bagian Kristal , yang sifat fisikanya, seperti kekuatanya, kelarutannya dalam berbagai berbagai pelarut (Saxena, 1995).

Struktur Kristal selulosa merupakan satu dari banyak pembelajaran masalah struktur dalam kimia polimer.Selulosa terdiri dari bagian yang tidak beraturan dan bagian kristallin (Thygesen, 2005).

Dapat dilakukan pengujian dari kristallin mikrofibril dari selulosa I, II, III, dan IV (Marchessault and Sarko, 1967, Walton and Slackwell, 1967). Fraksi kristallin ditunjukkan sebagai suatu hasil indeks kristal. Berbagai metode kristalinitas, digunakan melalui metode difraksi sinar x (Segal et al_{., 1959), NMR (Van der Hurtand, 1984), and Fourier Transform} Infra Red (FTIR)- spectroscopy (Nelson and O’Connor, 1964).

Selulosa I merupakan bentuk asli dari selulosa.bentuk selulosa disusun dari perbandingan yang spesifik antara dua, yaitu kristal dan amorf, ditunjukkan sebagai selulosa alfa dan selulosa beta (Van der Hart, 1984).

Bentuk kristal selulosa I mempunyai perbedaan ikatan hydrogen intermolekul, meskipun susunan konfigurasi atomnya mirip. Penggunaan difraksi electron dan kombinasi sinar x, dan difraksi neutron dinyatakan bahwa selulosa alfa mempunyai unit triklinik, dan

terutama selulosa yang berasal dari bakteri serta alga, yang mana selulosa betanya mempunyai unit monoklinik dan terdapat dalam selulosa yang berasal dari tumbuhan tingkat tinggi seperti jenis kapas (Horri, 1987 and Bielecki, 2005). Terdapat beberapa perbedaan yang dapat mempengaruhi sifat fisika selulosa. Selulosa beta lebih stabil dari pada selulosa alfa, tetapi kenyataannya selulosa alfa lebih mudah dikonversikan ke selulosa beta ketika dilarutkan dalam hidrolisis asam (Atalla, 1989), atau dimasukkan ke dalam uap air (Horri, 1987).

Selulosa II, yang mana di temukan di alam, dihasilkan dengan merkerisasi dari bentuk selulosa atau regenerasi selulosa I yang dilarutkan dalam pelarut dan di tunjukkan dengan re – presipitasi oleh pencairan dalam air.Merkerisasi pelarut kristallin yang besar dari selulosa dalam konsentrasi NaOH dan dilakukan penurunan serta rekristalisasi.Regenerasi pelarut disiapkan dalam larutan dari selulosa dalam pelarut yang tepat atau penyediaan dari tingkat penurunan yang ditunjukkan dengan adanya koagulasi. Sel satuan selulosa ditunjukkan pada Gambar 2.2 dan model struktur kristal selulosa α dan

β ditunjukkan pada Gambar 2.3 (a) dan 2.3 (b).

Gambar 2.3 . Model struktur kristal selulosa Iα (a) dan Iβ (b) rantai satu-triklinik dan kristal monoklinik rantai dua

Berdasarkan Derajat Polimerisasi (DP) dan kelarutan dalam senyawa natrium hidroksida (NaOH) 17,5%, selulosa dapat dibedakan menjadi tiga jenis :

1. α-Selulosa : selulosa berantai panjang, tidak larut dalam larutan NaOH 17,5% atau larutan basa kuat dengan DP (Derajat Polimerisasi) 600 – 1500

2. β-Selulosa : selulosa berantai pendek, larut dalam larutan NaOH 17,5% atau basa kuat dengan DP 15 – 90 dan juga dapat mengendap bila di netralkan

3. Selulosa gamma : sama seperti selulosa beta, tetapi DP nya kurang dari 15

Selulosa alfa merupakan kualitas selulosa yang paling tinggi (murni). Selulosa alfa digunakan sebagai penentu tingkat kemurnian selulosa. Struktur α dan β selulosa dapat dilihat pada gambar 2.4(a) dan 2.4(b).

Gambar 2.4 (a) Struktur α-Selulosa, (b)

Struktur β-Selulosa (Sugiyama et al_{., 1991).}

(a)

(b)

2.2.4 Sifat Kimia Selulosa

Hidrolisa selulosa dapat diperhatikan bahwa molekul selulosa hampir sama dengan molekul glukosa kemudian sejak diketahui tiap unit glukosa memiliki tiga gugus hidroksil bebas terlihat juga adanya dua grup alkohol sekunder dan satu grup alcohol primer yang mana posisinya pada 2,3, dan 6 pada unit glukosa diikat bersama ikatan oksigen 1,4 glukosidik, molekul selulosa sangat panjang.Unit anhidrida berantai lurus diikat dengan pasangan selebiosa.Molekul selulosa grup alkohol dengan tipe reaksi alkohol seperti bentuk alkohol, bentuk ester, oksidasi, dan sebagainya (Casey, 1960).

Ditinjau dari strukturnya selulosa memiliki kelarutan yang tinggi dalam air. Karena banyaknya kandungan gugus hidoksil yang dapat membentuk ikatan hydrogen dengan air (anteraksi yang tinggi dengan pelarut – terlarut). Akan tetapi kenyataannya tidak demikian, selulosa bukan hanya tidak larut dalam air tetapi juga pelarut yang lain. Jika ikatan hydrogen pada selulosa berkurang, maka gaya antar aksi pun berkurang oleh gugus hidroksil selulosa harus diganti sebagian atau seluruhnya oleh pengesteran.

Sifat – sifat selulosa dengan pereaksi kimia : 1. Selulosa dengan asam encer tidak dapat terhidrolisis

2. Selulosa dengan asam konsentrasi yang tinggi dapat terhidolisis menjadi selubiosa dan D-glukosa

3. Selulosa asetat, berperan dalam film fotografi, bahan perekat, dan serat sintetik. Sifat – sifat selulosa asetat :

a. Tidak stabil b. Mudah terbakar

c. Bila bereaksi dengan oksigen, film selulosa asetat menjadi rusak dan tidak dapat digunakan lagi, serta melepaskan asam asetat

4. Dengan asam sulfat, untuk pembuatan aluminium sulfat yang dapat bereaksi dengan sejumlah kecil sabun pada pulp kertas untuk menghasilkan aluminium karboksilat yang membantu mengentalkan serat pulp menjadi permukaan kertas yang keras (Cowd, 1991).

Pembelajaran pengerjaan ekstraksi selulosa dari serat tumbuhan dapat dilakukan dengan mudah , dengan dua cara yang penting. Proses ini di sertai dengan reaksi kimia seperti hidrolisis asam, klorinasi, ekstraksi alkali, dan pemutihan. Kemudian hasil akhirnya dikarakterisasi dengan menggunakan Scanning Electronic Microscopy (SEM).

Selulosa adalah komponen utama dari beberapa serat alam. Seperti kapas, batang, rami, dan lain – lain. Polimer alam ini di jumpai 1 – 3 dari beberapa jenis tumbuhan dan juga dapat di peroleh atau dihasilkan dari proses fotosintesis. Biosintesis dari polimer alam di kerjakan kurang lebih sekitar 1.000 ton per tahunnya di dunia (Goodger, 1976).

Hemiselulosa merupakan komponen penting dari sakarida, seperti xylose, mannose, dan glukosa , dan yang lainnya. Bentuknya merupakan struktur yang serampangan.Lignin adalah polimer yang tidak berbentu dan di susun dari unit – unit penil

– propane. Terdiri dari unit aromatik , seperti guaiacil, syringil, dan penil propana. Terdapat beberapa penomoran penting selulosa dalam beberapa industri yang berbeda. Di dalam pembahasan ini, isolasi selulosa dari serat alam akan menjadi pembahasan yang umumnya melibatkan serat dengan alkali ke dalam pemisahan lignin dan ekstraksi hemiselulosa. Dalam reaksi adisi, proses ekstraksi ditunjukkan dengan jenis prosedur yang berbeda. Setiap metodenya dari proses yang berbeda memiliki keuntungan masing – masing yang kemudian di relasikan ke jumlah atau kualitas dari selulosa (komposisi dari bagian akhirnya). Dalam hal ini, selulosa di ekstraksi dari serat tumbuhan.Komposisi nya berupa selulosa, hemiselulosa, lignin, dan pectin. Karena adanya kandungan selulosa yang tinggi, ekstraksi dari selulosa ini dapat dilakukan dengan kuantitas yang tinggi sampai ke dalam nano selulosanya (Bledzki, 1990).

Prosedur ekstraksi juga dilakukan untuk pemurnian selulosa . Keuntungan dan ketidakuntungan didapatkan dari proses analisis ini. Pada akhirnya, nano selulosa dapat di hasilkan dari hidrolisis dengan menggunakan asam dan setelah itu dapat di karakterisasi.Komponen utama di dalam serat tumbuhan adalah selulosa, hemiselulosa, dan lignin.Selulosa merupakan bagian alami dari serat dalam bentuk mikro.Disertai dengan dua komponen utama lainnya yaitu hemiselulosa dan lignin(Vignon, 2004). Struktur kimia dari hemiselulosa dan lignin dapat dilihat pada Gambar 2.5 dan Gambar 2.6 (Persson, 2004).

Gambar 2.6 Struktur Kimia Lignin

Tahap isolasi α-Selulosa dapat dilakukan melalui beberapa metode diantaranya metode kraft (proses sulfat). Merupakan proses pemasakan dengan proses metode basa. Larutan yang digunakan adalah natrium hidroksida, natrium sulfit, dan natrium karbonat. Hasil pulp yang digunakan relatif baik daya tariknya (Austin, 1988).

2.3 Nanokristal Selulosa

Nanokristal selulosa adalah suatu material yang dapat diperbarui dalam banyak aplikasi berbeda, seperti dalam bidang kimia, makanan, farmasi, dan lain-lain.Modifikasi nanokristal selulosa, berbagai fungsi nanomaterial dikaitkan dengan fisika, kimia, biologi. Nanopartikel distabilkan dalam suspensi aqua melalui proses hidrolisis dengan asam. Suspensi nanokristal selulosa dapat dibentul menjadi suatu fase kristallin liquid.Modifikasi kimia sederhana dalam permukaan nanokristal selulosa dapat mengalami dispersabilitas dalam pelarut yang berbeda. Nanokristal selulosa diperoleh dari proses hidrolisis menggunakan asam dari alfa selulosa, diklasifikasikan dalam pembahasan baru nanomaterial. Proses isolasi nanokristal selulosa memiliki banyak peninjauan, seperti dimensi skala nano, tinggi kekuatan spesifik dan modulus, dan tinggi daerah permukaan (Habibi, et al_{, 2010).}

Nanokristal selulosa dapat dihasilkan dari sumber yang bervariasi, seperti kayu, kapas, serat, ataupun bakteri.Mikrokristal selulosa, rami, dan lain-lain.Dimensi geometri (panjang, L dan diameter, d) (Miller, 2003).

Mikro selulosa di temukan di dalam dinding sel tumbuhan dengan ukuran dia meter 2 – 20 mikro meter dan 100 – 40000 nano meter panjangnya bergantung pada masing – masing sumber selulosa yang dihasilkan (Benziman, 1980).

Mikro serat maupun nano serat merupakan bagian dari selulosa dengan diameter 5

nano Kristal, sedangkan ukuran nanokristal antara 0,1-100 nm. Kondisi hidrolisis asam dikendalikan dengan pemisahan beberapa bagian Kristal dengan modulus keelastisan 150 GPa, dimana lebih tinggi dari S- glass (85 GPa) dan serat Aramid (65 GPa) (Samir, 2004).

Suspensi koloid dari selulosa dapat diperoleh dengan mengontrol degradasi asam sulfat dari serat selulosa.Tansmisi elektroskopi elektron menggambarkan suspensi kering yang ditunjukkan dalam bentuk agregat dari partikel yang berbentuk jarum, yang di analisis dengan difraksi elektron. Degradasi serat selulosa dengan bantuan asam yang didapatkan dari pulp kayu berkualitas tinggi, dilanjutkan dengan proses sonifikasi. Nanokristal selulosa memiliki berbagai macam kegunaan, misalnya dalam industri farmasi berperan sebagai pengikat tablet, pada aplikasi makanan sebagai tektstur dan pengganti lemak serta sebagai aditif paper dan komposit setelah kondisi hidrolisis asam dioptimumkan (Marchessault et al_{, 1983).}

Nanokristal selulosa memiliki potensi yang penting dari kelas nanomaterial yang dapat diperbaharui dan dapat memiliki berbagai manfaat di dalam bidang tertentu.Aplikasi utama nanokristal selulosa adalah sebagai penguat matriks polimer pada bahan nanokomposit.Oleh karena itu, maka sejumlah nanokomposit dikembangkan dengan memadukan nanokristal selulosa kedalam berbagai rentang matriks polimerik.Sifat-sifat dari nanokomposit selulosa ini bergantung pada tipe dan karakterisasi nanokristal selulosa serta matriks polimer (yang keduanya alami dan merupakan polimer sintesis).Fungsionalitas dari nanokristal selulosa adalah memperbaiki dispersabilitasnya dalam pelarut organik dan juga dapat dikembangkan aplikasi potensialnya dalam berbagai sektor (Favier et al_{, 1995).}

2.4 Ultrasonifikasi

Banyak inovasi teknologi yang telah dilakukan di dunia pangan, salah satunya pada proses ekstraksi. Inovasi teknologi dibutuhkan dalam proses ekstraksi yang bertujuan untuk memperoleh hasil yang tinggi dalam waktu relatif singkat. Untuk tujuan tersebut, metode yang dapat dijadikan pilihan adalah metode ultrasonik.Dalam bidang pangan metode ultrasonik belum begitu populer, tetapi telah banyak dikembangkan di bidang biologi dan kedokteran. Cara kerja metode ultrasonik dalam mengekstraksi adalah dengan menggunakan gelombang ultrasonik yang terbentuk dari pembangkit ultrasound secara lokal dari kavitasi mikro pada sekeliling bahan yang akan diekstraksi sehingga terjadi pemanasan pada bahan tersebut, sehingga melepaskan senyawa ekstrak. Terdapat efek

ganda yang dihasilkan, yaitu pengacauan dinding sel sehingga membebaskan kandungan senyawa yang ada didalamnya dan pemanasan lokal pada cairan dan meningkatkan difusi ekstrak. Energi kinetik dilewatkan ke seluruh bagian cairan, diikuti dengan munculnya gelembung kavitasi pada dinding atau permukaan sehingga meningkatkan transfer massa antara permukaan padat-cair (Keil, 2007).

Beberapa keunggulan pada penggunaan teknologi ultrasonik dalam aplikasinya untuk berbagai macam pati dan polisakarida adalah : 1) proses ultrasonik tidak membutuhkan penambahan kimia dan bahan tambahan lain, 2) prosesnya cepat dan mudah, yang berarti prosesnya tidak memerlukan biaya yang tingg, 3) prosesnya tidak mengakibatkan perubahan yang signifikan pada struktur kimia, partikel, dan senyawa -senyawa bahan yang digunakan. Hal-hal yang mempengaruhi kemampuan ultrasonik untuk menimbulkan efek kavitasi yang diaplikasikan pada produk pangan antara lain, karakteristik ultrasonik seperti frekuensi, intensitas, amplitudo, daya karakteristik produk (seperti viskositas, tegangan permukaan) dan kondisi sekitar seperti suhu dan tekanan (Williams, 1983).

2.5 Membran Dialisis

Gambar 2.7 Membran Dialisis

Membran dialisis adalah jenis membran semi-permeabel yang terbuat dari selulosa diregenerasi atau plastik. Membran dialisis dapat dilihat pada Gambar 2.6 Dapat digunakan untuk difusi dengan zat terlarut atau osmosis jika digunakan dengan air. Peristiwa osmosis adalah ketika air melewati lapisan semi-permeabel untuk mencapai kesetimbangan.Difusi, di sisi lain, memungkinkan pergerakan molekul dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Ini hanya akan memungkinkan molekul untuk melewati membran semmi-permeabel jika molekul yang cukup kecil masuk melalui pori-pori

membran. Membran dialisis digunakan dalam keadaan untuk memastikan aliran air disaring dari molekul, mencegah aliran molekul zat terlarut lebih besar.Molekul lecil dapat dilewatkan melalui larutan yang dipompa kedalam air.Larutan yang mengandung beberapa jenis molekul, biasanya glukosa dan pati, ditempatkan kedalam kantong dialisis semi-permeabel, seperti membran selulosa dengan pori-pori, ditutup dengan simpul.Kantong dialisis disegel dan ditempatkan dalam wadah larutan atau aquadest. Molekul cukup kecil untuk melewati membran (air, garam, monosakarida, dan molekul kecil lainnya) cenderung bergerak kedalam atau keluar dari kantong dialisis ke arah konsentrasi yang rendah, sehingga terjadilah difusi. Molekul yang lebih besar (seperti protein, atau polisakarida) yang memiliki dimensi jauh lebih besar dari pada diameter pori dipertahankan dalam kantong dialisis (Sarah M. Andrew, 2000).

2.4 Scanning Electron Microscopy (SEM)

Prinsip yang mendasari SEM adalah elektron. Dalam SEM, digunakan sinyal elektron BSEs (Backscettered Electrons) dan Ses (Secondary Electrons). Perbedaaan spesimen dan topografi permukaan dipengaruhi terus-menerus, pengangkutan, dan tempat keluarnya sinyal elektron. Gambar dibentuk sebagai hasil SEM dan variasi-variasi intensitas sinyal elektron dikumpulkan berupa elektron beam dengan daerah scan (Stokes, 2008).

Scanning Electron Microscopy (SEM) merupakan alat yang dapat membentuk bayangan permukaan.Struktur permukaan suatu benda dapat dipelajari dengan mikroskop electron pancaran karena jauh lebih mudah untuk mempelajari struktur permukaannya secara langsung.Pada dasarnya, SEM menggunakan sinyal yang dihasilkan electron untuk dipantulkan atau berkas sinar electron sekunder.SEM menggunakan prinsip scanning dengan prinsip utamanya adalah berkas electron diarahkan pada titik – titik permukaan specimen. Gerakan electron diarahkan dari satu titik ke titik lain pada permukaan specimen. Jika seberkas sinar electron ditembakkan pada permukaan specimen maka sebagian electron itu akan di pantulkan kembali dan sebagian lagi akan di teruskan. Jika permukaan specimen tidak rata, banyak lekukan, lipatan atau lubang – lubang maka tiap bagian permukaan itu akan memantulkan elektron dengan jumlah dan arah yang berbeda dan jika ditangkap detector akan diteruskan ke system layer dan akan diperoleh gambaran yang jelas dari permukaan spesimen dalam bentuk tiga dimensi (Nur, 1997).

Resolusi untuk TEM berkisar 0,1 nm, sedangkan untuk SEM resolusi maksimum paling baik 1 nm. Ditinjau dari aspek teknologi, satu perbedaan utama antara SEM dan TEM adalah ketebalan spesimen yang digunakan.Ketebalan spesimen harus berukuran kecil antara 10-100 nm.Dimana spesimen SEM dapat menggunakan ketebalan dalam satuan cm, yang dianalisa dengan SEM dan dikomparasikan dengan TEM, dalam hal ini, ultimasi resolusin kapabilitas TEM tidak merupakan suatu syarat kebutuhan (Stokes, 2008).

2.5 Thermogravimetry Analysis (TGA)

Metode ini digolongkan kedalam metode fisika, dimana sampel secara terus-menerus dinyatakan sebagai fungsi temperatur, sampel disubjeksikan ke suatu pengendalian perubahan suhu, penentuan titik lebur dari sampel yang berbentuk solid atau padatan. Bahan yang dikarakterisasi biasanya berupa senyawa organik atau suatu bahan yang murni. Menggunakan proses pemanasan, kemudian sampel akan mengalami proses dekomposisi dan secara fisika analisisnya ditinjau dari titik lebur yang diperoleh dari sampel atau bahan yang telah mengalami proses pemanasan. Temperatur merupakan kondisi suatu bahan kepenyaluran panas atau pemanasan yang berasal dari bahan lain. Pengaruh dari proses pemanasan terjadi banyak perubahan dari sampel, perubahan berat didasari dari termogravimetri dan ditentukan perubahan energinya dengan metode Differensial Thermal Analysis (DTA) dan Differensial Scanning Calorimetri (DSC). Teknik ini penting dalam analisis termal (Dodd, 1987).

Pembelajaran lain yang mendekati ke fase transisi diperoleh dari alat yang disebut thermobalance, dimana hasil dibaca dari penurunan berat sampel yang terdekomposisi selama proses pemanasan (Ewing, 1960).

Thermogravimetry ditentukan dari berat bahan yang hilang melalui DSA dan DSC yang akan ditunjukkan sebagai suatu reaksi endotermik atau eksotermik ketika dekomposisi terjadi. Analisis termal memiliki beberapa bagian penting dalam prosesnya : (a) Data termal dipengaruhi oleh panas yang spesifik, konduktivitas termal, panas

peleburan, dan kebanyakan dari titik lebur dari logam murni seperti Au, Pb, Sn, dan lain-lain sering digunakan sebagai standar umtuk kalibrasi data dalam bentuk DSA/DSC

(b) Perubahan fase solid-fase liquid (seperti titik lebur) atau fase liquid-fase uap (titik didih)

(c) Perubahan struktur transisi solid-solid dimana terjadi perubahan struktur yang berupa reaksi endotermik/eksotermik

(d) Stabilitas termal untuk material atau bahan polimer

(e) Dekomposisi termal, termogravimetri digunakan untuk pembelajaran stoikiometri dari dekomposisi termal dari sampel

(f)Analisis kualitatif (identifikasi)

(g) Pengendalian kualitas yang berkaitan dengan kemurnian. Metode analisis termal disini digunakan untuk mengidentifikasi kemurnian dari sampel atau bahan (Dodd, 1987).

Gambar 2.6 Struktur Kimia Lignin

Tahap isolasi α-Selulosa dapat dilakukan melalui beberapa metode diantaranya metode kraft (proses sulfat). Merupakan proses pemasakan dengan proses metode basa. Larutan yang digunakan adalah natrium hidroksida, natrium sulfit, dan natrium karbonat. Hasil pulp yang digunakan relatif baik daya tariknya (Austin, 1988).

2.3 Nanokristal Selulosa

Nanokristal selulosa adalah suatu material yang dapat diperbarui dalam banyak aplikasi berbeda, seperti dalam bidang kimia, makanan, farmasi, dan lain-lain.Modifikasi nanokristal selulosa, berbagai fungsi nanomaterial dikaitkan dengan fisika, kimia, biologi. Nanopartikel distabilkan dalam suspensi aqua melalui proses hidrolisis dengan asam. Suspensi nanokristal selulosa dapat dibentul menjadi suatu fase kristallin liquid.Modifikasi kimia sederhana dalam permukaan nanokristal selulosa dapat mengalami dispersabilitas dalam pelarut yang berbeda. Nanokristal selulosa diperoleh dari proses hidrolisis menggunakan asam dari alfa selulosa, diklasifikasikan dalam pembahasan baru nanomaterial. Proses isolasi nanokristal selulosa memiliki banyak peninjauan, seperti dimensi skala nano, tinggi kekuatan spesifik dan modulus, dan tinggi daerah permukaan (Habibi, et al_{, 2010).}

Nanokristal selulosa dapat dihasilkan dari sumber yang bervariasi, seperti kayu, kapas, serat, ataupun bakteri.Mikrokristal selulosa, rami, dan lain-lain.Dimensi geometri (panjang, L dan diameter, d) (Miller, 2003).

Mikro selulosa di temukan di dalam dinding sel tumbuhan dengan ukuran dia meter 2 – 20 mikro meter dan 100 – 40000 nano meter panjangnya bergantung pada masing – masing sumber selulosa yang dihasilkan (Benziman, 1980).

Mikro serat maupun nano serat merupakan bagian dari selulosa dengan diameter 5 – 50 nano meter dan panjang beberapa mili meter yang di konformasikan oleh daerah

nano Kristal, sedangkan ukuran nanokristal antara 0,1-100 nm. Kondisi hidrolisis asam dikendalikan dengan pemisahan beberapa bagian Kristal dengan modulus keelastisan 150 GPa, dimana lebih tinggi dari S- glass (85 GPa) dan serat Aramid (65 GPa) (Samir, 2004).

Suspensi koloid dari selulosa dapat diperoleh dengan mengontrol degradasi asam sulfat dari serat selulosa.Tansmisi elektroskopi elektron menggambarkan suspensi kering yang ditunjukkan dalam bentuk agregat dari partikel yang berbentuk jarum, yang di analisis dengan difraksi elektron. Degradasi serat selulosa dengan bantuan asam yang didapatkan dari pulp kayu berkualitas tinggi, dilanjutkan dengan proses sonifikasi. Nanokristal selulosa memiliki berbagai macam kegunaan, misalnya dalam industri farmasi berperan sebagai pengikat tablet, pada aplikasi makanan sebagai tektstur dan pengganti lemak serta sebagai aditif paper dan komposit setelah kondisi hidrolisis asam dioptimumkan (Marchessault et al_{, 1983).}

Nanokristal selulosa memiliki potensi yang penting dari kelas nanomaterial yang dapat diperbaharui dan dapat memiliki berbagai manfaat di dalam bidang tertentu.Aplikasi utama nanokristal selulosa adalah sebagai penguat matriks polimer pada bahan nanokomposit.Oleh karena itu, maka sejumlah nanokomposit dikembangkan dengan memadukan nanokristal selulosa kedalam berbagai rentang matriks polimerik.Sifat-sifat dari nanokomposit selulosa ini bergantung pada tipe dan karakterisasi nanokristal selulosa serta matriks polimer (yang keduanya alami dan merupakan polimer sintesis).Fungsionalitas dari nanokristal selulosa adalah memperbaiki dispersabilitasnya dalam pelarut organik dan juga dapat dikembangkan aplikasi potensialnya dalam berbagai sektor (Favier et al_{, 1995).}

2.4 Ultrasonifikasi

Banyak inovasi teknologi yang telah dilakukan di dunia pangan, salah satunya pada proses ekstraksi. Inovasi teknologi dibutuhkan dalam proses ekstraksi yang bertujuan untuk memperoleh hasil yang tinggi dalam waktu relatif singkat. Untuk tujuan tersebut, metode yang dapat dijadikan pilihan adalah metode ultrasonik.Dalam bidang pangan metode ultrasonik belum begitu populer, tetapi telah banyak dikembangkan di bidang biologi dan kedokteran. Cara kerja metode ultrasonik dalam mengekstraksi adalah dengan menggunakan gelombang ultrasonik yang terbentuk dari pembangkit ultrasound secara lokal dari kavitasi mikro pada sekeliling bahan yang akan diekstraksi sehingga terjadi pemanasan pada bahan tersebut, sehingga melepaskan senyawa ekstrak. Terdapat efek

ganda yang dihasilkan, yaitu pengacauan dinding sel sehingga membebaskan kandungan senyawa yang ada didalamnya dan pemanasan lokal pada cairan dan meningkatkan difusi ekstrak. Energi kinetik dilewatkan ke seluruh bagian cairan, diikuti dengan munculnya gelembung kavitasi pada dinding atau permukaan sehingga meningkatkan transfer massa antara permukaan padat-cair (Keil, 2007).

Beberapa keunggulan pada penggunaan teknologi ultrasonik dalam aplikasinya untuk berbagai macam pati dan polisakarida adalah : 1) proses ultrasonik tidak membutuhkan penambahan kimia dan bahan tambahan lain, 2) prosesnya cepat dan mudah, yang berarti prosesnya tidak memerlukan biaya yang tingg, 3) prosesnya tidak mengakibatkan perubahan yang signifikan pada struktur kimia, partikel, dan senyawa -senyawa bahan yang digunakan. Hal-hal yang mempengaruhi kemampuan ultrasonik untuk menimbulkan efek kavitasi yang diaplikasikan pada produk pangan antara lain, karakteristik ultrasonik seperti frekuensi, intensitas, amplitudo, daya karakteristik produk (seperti viskositas, tegangan permukaan) dan kondisi sekitar seperti suhu dan tekanan (Williams, 1983).

2.5 Membran Dialisis

Gambar 2.7 Membran Dialisis

Membran dialisis adalah jenis membran semi-permeabel yang terbuat dari selulosa diregenerasi atau plastik. Membran dialisis dapat dilihat pada Gambar 2.6 Dapat digunakan untuk difusi dengan zat terlarut atau osmosis jika digunakan dengan air. Peristiwa osmosis adalah ketika air melewati lapisan semi-permeabel untuk mencapai kesetimbangan.Difusi, di sisi lain, memungkinkan pergerakan molekul dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Ini hanya akan memungkinkan molekul untuk melewati membran semmi-permeabel jika molekul yang cukup kecil masuk melalui pori-pori

membran. Membran dialisis digunakan dalam keadaan untuk memastikan aliran air disaring dari molekul, mencegah aliran molekul zat terlarut lebih besar.Molekul lecil dapat dilewatkan melalui larutan yang dipompa kedalam air.Larutan yang mengandung beberapa jenis molekul, biasanya glukosa dan pati, ditempatkan kedalam kantong dialisis semi-permeabel, seperti membran selulosa dengan pori-pori, ditutup dengan simpul.Kantong dialisis disegel dan ditempatkan dalam wadah larutan atau aquadest. Molekul cukup kecil untuk melewati membran (air, garam, monosakarida, dan molekul kecil lainnya) cenderung bergerak kedalam atau keluar dari kantong dialisis ke arah konsentrasi yang rendah, sehingga terjadilah difusi. Molekul yang lebih besar (seperti protein, atau polisakarida) yang memiliki dimensi jauh lebih besar dari pada diameter pori dipertahankan dalam kantong dialisis (Sarah M. Andrew, 2000).

2.4 Scanning Electron Microscopy (SEM)

Prinsip yang mendasari SEM adalah elektron. Dalam SEM, digunakan sinyal elektron BSEs (Backscettered Electrons) dan Ses (Secondary Electrons). Perbedaaan spesimen dan topografi permukaan dipengaruhi terus-menerus, pengangkutan, dan tempat keluarnya sinyal elektron. Gambar dibentuk sebagai hasil SEM dan variasi-variasi intensitas sinyal elektron dikumpulkan berupa elektron beam dengan daerah scan (Stokes, 2008).

Scanning Electron Microscopy (SEM) merupakan alat yang dapat membentuk bayangan permukaan.Struktur permukaan suatu benda dapat dipelajari dengan mikroskop electron pancaran karena jauh lebih mudah untuk mempelajari struktur permukaannya secara langsung.Pada dasarnya, SEM menggunakan sinyal yang dihasilkan electron untuk dipantulkan atau berkas sinar electron sekunder.SEM menggunakan prinsip scanning dengan prinsip utamanya adalah berkas electron diarahkan pada titik – titik permukaan specimen. Gerakan electron diarahkan dari satu titik ke titik lain pada permukaan specimen. Jika seberkas sinar electron ditembakkan pada permukaan specimen maka sebagian electron itu akan di pantulkan kembali dan sebagian lagi akan di teruskan. Jika permukaan specimen tidak rata, banyak lekukan, lipatan atau lubang – lubang maka tiap bagian permukaan itu akan memantulkan elektron dengan jumlah dan arah yang berbeda dan jika ditangkap detector akan diteruskan ke system layer dan akan diperoleh gambaran yang jelas dari permukaan spesimen dalam bentuk tiga dimensi (Nur, 1997).

Resolusi untuk TEM berkisar 0,1 nm, sedangkan untuk SEM resolusi maksimum paling baik 1 nm. Ditinjau dari aspek teknologi, satu perbedaan utama antara SEM dan TEM adalah ketebalan spesimen yang digunakan.Ketebalan spesimen harus berukuran kecil antara 10-100 nm.Dimana spesimen SEM dapat menggunakan ketebalan dalam satuan cm, yang dianalisa dengan SEM dan dikomparasikan dengan TEM, dalam hal ini, ultimasi resolusin kapabilitas TEM tidak merupakan suatu syarat kebutuhan (Stokes, 2008).

2.5 Thermogravimetry Analysis (TGA)

Metode ini digolongkan kedalam metode fisika, dimana sampel secara terus-menerus dinyatakan sebagai fungsi temperatur, sampel disubjeksikan ke suatu pengendalian perubahan suhu, penentuan titik lebur dari sampel yang berbentuk solid atau padatan. Bahan yang dikarakterisasi biasanya berupa senyawa organik atau suatu bahan yang murni. Menggunakan proses pemanasan, kemudian sampel akan mengalami proses dekomposisi dan secara fisika analisisnya ditinjau dari titik lebur yang diperoleh dari sampel atau bahan yang telah mengalami proses pemanasan. Temperatur merupakan kondisi suatu bahan kepenyaluran panas atau pemanasan yang berasal dari bahan lain. Pengaruh dari proses pemanasan terjadi banyak perubahan dari sampel, perubahan berat didasari dari termogravimetri dan ditentukan perubahan energinya dengan metode Differensial Thermal Analysis (DTA) dan Differensial Scanning Calorimetri (DSC). Teknik ini penting dalam analisis termal (Dodd, 1987).

Pembelajaran lain yang mendekati ke fase transisi diperoleh dari alat yang disebut thermobalance, dimana hasil dibaca dari penurunan berat sampel yang terdekomposisi selama proses pemanasan (Ewing, 1960).

Thermogravimetry ditentukan dari berat bahan yang hilang melalui DSA dan DSC yang akan ditunjukkan sebagai suatu reaksi endotermik atau eksotermik ketika dekomposisi terjadi. Analisis termal memiliki beberapa bagian penting dalam prosesnya : (a) Data termal dipengaruhi oleh panas yang spesifik, konduktivitas termal, panas

peleburan, dan kebanyakan dari titik lebur dari logam murni seperti Au, Pb, Sn, dan lain-lain sering digunakan sebagai standar umtuk kalibrasi data dalam bentuk DSA/DSC

(b) Perubahan fase solid-fase liquid (seperti titik lebur) atau fase liquid-fase uap (titik didih)

(c) Perubahan struktur transisi solid-solid dimana terjadi perubahan struktur yang berupa reaksi endotermik/eksotermik

(d) Stabilitas termal untuk material atau bahan polimer

(e) Dekomposisi termal, termogravimetri digunakan untuk pembelajaran stoikiometri dari dekomposisi termal dari sampel

(f)Analisis kualitatif (identifikasi)

(g) Pengendalian kualitas yang berkaitan dengan kemurnian. Metode analisis termal disini digunakan untuk mengidentifikasi kemurnian dari sampel atau bahan (Dodd, 1987).