S KIM 1001115 Chapter3

Penelitian konversi lignoselulosa jerami jagung (corn stover) menjadi 5-hidroksimetil-2-furfural (HMF) dalam media ZnCl2 dengan co-catalyst zeolit,

CrCl3, dan DMA-LiCl dilakukan di Laboratorium Riset Kimia Material-Hayati

dan Laboratorium Instrumen Kimia Jurusan Pendidikan Kimia Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Pendidikan Indonesia (FPMIPA UPI). Penelitian ini dilakukan selama 6 bulan terhitung bulan Januari - Agustus 2014.

3.2Alat dan Bahan

Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah jerami jagung yang berasal dari daerah Klari-Karawang, Jawa Barat. ZnCl2 dari Merck digunakan sebagai

pelarut pada proses konversi. Katalis yang digunakan pada proses konversi adalah CrCl3, zeolit, DMA, dan LiCl (Merck). Untuk proses delignifikasi jerami jagung

digunakan NaOH dan H2O2. Sedangkan pada tahap studi awal digunakan selulosa

mikrokristalin dan HMF dari supplier (Sigma Aldrich) dengan kemurnian 99,99% dan etanol 96% (Merck) digunakan sebagai pelarut. Proses pemisahan HMF dilakukan menggunakan pelarut organik etil asetat, Na2CO3, dan Na2SO4 anhidrat.

Alat yang digunakan adalah set alat refluks, statif, klem, kaca arloji, gelas kimia, termometer, stirer, heater, labu erlenmeyer berpenghisap, vakum, pH indikator, magnetic stirer, batang pengaduk, spatula, pipet tetes, pipet mikro, labu ukur, kertas saring whattman, alat dan tabung sentrifuge, set alat rotary vacuum evaporator, serta set neraca analitik. Analisis gugus fungsi hasil proses delignifikasi jerami jagung menggunakan instrumen FTIR-8400 SHIMADZU. Adapun analisis hasil konversi HMF dan pemisahan HMF menggunakan instrumen HPLC-D700 HITACHI dan AAS -Analyst100 PERKIN ELMER.

3.3Metode Penelitian

Penelitian konversi lignoselulosa jerami jagung (corn stover) dilakukan melalui 3 tahap, yaitu proses delignifikasi jerami jagung, konversi selulosa jerami jagung menjadi HMF, dan pemisahan HMF hasil reaksi. Adapun hasil delignifikasi akan dianalisis menggunakan instrumen FTIR. Hasil reaksi pada proses konversi selulosa jerami jagung menjadi HMF dianalisis menggunakan instrumen HPLC sedangkan untuk tahap pemisahan HMF hasil reaksi dilakukan analisis dengan instrumen HPLC dan AAS. Tahap umum penelitian ini seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Tahap umum penelitian konversi jerami jagung menjadi HMF

3.4Prosedur Penelitian

3.4.1 Proses Delignifikasi Jerami Jagung

Proses delignifikasi jerami jagung diawali dengan pengumpulan jerami jagung dari sisa panen perkebunan jagung di daerah Klari Kabupaten Karawang, Jawa Barat. Jerami jagung yang terkumpul dibersihkan dari tanah dan kotoran lain yang menempel menggunakan air mengalir kemudian dikeringkan di bawah sinar matahari selama seminggu. Selanjutnya, jerami jagung yang sudah kering dioven pada suhu 60°C. Sampel kemudian dihaluskan menggunakan blender dan disaring menggunakan saringan 100 mesh sehingga diperoleh jerami jagung halus.

Delignifikasi Jerami Jagung

Konversi Selulosa Jerami Jagung menjadi HMF

Pemisahan HMF Hasil Reaksi

Analisis FTIR

Analisis HPLC

Analisis HPLC dan AAS

 Dibersihkan dengan air mengalir

 Dikeringkan di bawah sinar matahari

Dioven pada suhu 60°C

 Dihaluskan

 Disaring dengan saringan 100 mesh

 Ditimbang sebanyak 20 gram

 Ditambahkan aquades ±200 mL

 Dipanaskan selama 1 jam pada suhu 100°C

 Disaring

 Ditambahkan NaOH 25% (1:10)

 Direfluks selama 2 jam pada suhu 92°C

 Disaring

 Dicuci dengan air sampai pH netral (6-7)

 Dioven pada suhu ±60°C selama 24 jam

 Ditambahkan H2O2 sebanyak 100 mL

 Direfluks selama 2 jam pada suhu ±60°C

 Disaring

 Dicuci dengan air sampai pH netral (6-7)

 Dioven selama 24 jam pada suhu ± 60°C

Gambar 3.2 Bagan alir proses delignifikasi

Jerami jagung

Jerami jagung bersih

Jerami jagung yang tersaring saringan

Residu Filtrat

Residu _Filtrat

Residu _Filtrat

Residu hasil proses delignifikasi Residu

Jerami jagung halus ditimbang sebanyak 20 gram dan ditambahkan air sebanyak ±200 mL serta dipanaskan pada suhu 100°C selama satu jam. Residu dari penyaringan proses ini ditambahkan larutan NaOH 25% sebanyak 200 mL (1:10) dan direfluks selama 2 jam pada suhu 92°C. Jerami jagung hasil refluks disaring menggunakan labu erlenmeyer berpenghisap. Residu dicuci menggunakan air sampai mencapai pH netral kemudian dioven selama 24 jam.

Residu jerami jagung yang telah kering direfluks kembali menggunakan larutan H2O2 sebanyak ±100 mL selama 2 jam pada suhu 60°C. Selanjutnya

dilakukan penyaringan dari hasil refluks dan residu dari penyaringan ini dicuci menggunakan air hingga pH netral. Pengeringan residu dilakukan dengan cara dioven selama 24 jam. Hasil proses delignifikasi ini dianalisis menggunakan instrumen FTIR. Selanjutnya hasil proses delignifikasi disebut selulosa jerami jagung. Prosedur penelitian untuk delignifikasi jerami jagung ini seperti tertuang dalam Gambar 3.2.

3.4.2 Konversi Selulosa Jerami Jagung menjadi HMF

Sebelum proses konversi selulosa jerami jagung menjadi HMF, dilakukan studi awal untuk mengetahui suhu reaksi yang cocok. Diambil dua sampel suhu yaitu suhu 80°C dan 120°C. Selulosa mikrokristalin sebanyak 0,5 gram direaksikan dengan larutan ZnCl2 67% sebanyak 15 gram dengan metode refluks

selama 40 menit dengan dua sampel variabel suhu tersebut. Proses refluks diiringi pengadukan dengan stirer. Hasil reaksi dianalisis menggunakan HPLC. Dari hasil HPLC dipilih suhu yang cocok untuk proses konversi selulosa jerami jagung menjadi HMF.

Setelah ditentukan suhu yang cocok, kemudian dilakukan konversi menggunakan selulosa jerami jagung. Selulosa jerami jagung ditimbang sebanyak 0,5 gram dan dicampurkan dengan ZnCl2 67% sebanyak 15 gram. Selanjutnya

direfluks disertai pengadukan stirer selama 40 menit. Hasil proses konversi dianalisis menggunakan HPLC. Penggunaan co-catalyst zeolit dan CrCl3 sebanyak

0,05 gram. Sedangkan DMA-LiCl sebanyak 10%. Proses konversi selulosa jerami jagung menjadi HMF ini seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.3.

 Ditimbang sebanyak 0,5 gram

 Dilarutkan dalam 15 gram larutan ZnCl2 67%

 Direfluks selama 40 menit pada suhu terpilih (80°C/120°C) disertai pengadukan

Gambar 3.3 Bagan alir konversi selulosa menjadi HMF 3.4.3 Pemisahan HMF Hasil Reaksi

3.4.3.1 Pengujian Metode Pemisahan HMF Menggunakan HMF Standar Sebelum dilakukan pemisahan pada HMF hasil reaksi, digunakan HMF standar yang direaksikan dengan ZnCl2 sebagai bahan uji coba. HMF standar

diambil sebanyak 0,4 mL dan direaksikan dengan ZnCl2 67% sebanyak 15 gram

menggunkan metode refluks selama ±5 menit. Selanjtunya dilakukan uji HPLC untuk mengetahui kadar HMF dan diuji dengan instrumen AAS untuk mengetahui kadar Zn. Proses reaksi HMF standar dengan ZnCl2 67% ini seperti ditunjukkan

oleh Gambar 3.4.

 Diambil sebanyak 0,4 mL

 Ditambahkan ZnCl2 67% sebanyak 15 gram

 Direfluks selama ± 5 menit pada suhu terpilih

Gambar 3.4 Bagan alir reaksi HMF standar dengan ZnCl2 67% untuk metode

pemisahan

Campuran selulosa dan larutan ZnCl2

Hasil reaksi Selulosa

HMF Standar

Hasil Reaksi HMF Standar

Analisis HPLC dan AAS Analisis HPLC

Hasil reaksi HMF standar dipisahkan menggunakan ekstraksi cair-cair dengan pelarut etil asetat. Sebanyak 5 mL hasil reaksi dicampurkan dengan 15 mL etil asetat. Campuran ini diaduk selama beberapa menit agar bercampur. Selanjutnya ditambahkan Na2CO3 jenuh sebanyak 5 mL, diaduk beberapa saat

hingga terbentuk dua lapisan. Yaitu, bagian cairan yang seperti minyak dan endapan garam. Campuran didiamkan terlebih dahulu selama 30 menit. Bagian cairan dipisahkan dan ditambahkan serbuk Na2SO4 anhidrat untuk mengikat sisa

air. Cairan ini diambil secukupnya dan dicampurkan etanol untuk diuji HPLC. Sisanya dievaporasi hingga kental cairan kental. Cairan ini diambil sebanyak 10 µL dan dilarutkan menggunakan etanol sampai 1 mL. Cairan yang telah dilarutkan, diuji HPLC untuk mengetahui jumlah HMF di dalamnya. Kemudian dilakukan uji AAS pada hasil reaksi sebelum dan sesudah tahap pemisahan. Setelahnya dilakukan pemisahan terhadap hasil reaksi. Proses pemisahan dari Hasil reaksi HMF standar seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.5.

 Ditakar sebanyak 5 mL

 Ditambahkan 15 mL etil asetat

 Ditambahkan 30 mL larutan Na2CO3 jenuh

 Ditambahkan Na2SO4 anhidrat

 Dievaporasi

Gambar 3.5 Bagan alir proses pemisahan Hasil Reaksi HMF Standar

Hasil Reaksi HMF Standar

Cairan _{Endapan garam}

Cairan hasil evaporasi

Analisis HPLC

Analisis HPLC dan AAS Cairan

3.4.3.2Pemisahan HMF pada Hasil Reaksi

Untuk pemisahan hasil reaksi, diambil sebanyak 1 mL hasil reaksi dan ditambahkan 3 mL etil asetat. Diaduk selama beberapa saat. Setelah bercampur ditambahkan Na2CO3 jenuh sebanyak 5 mL dan diaduk. Selanjutnya campuran

didiamkan selama 30 menit hingga terpisah 2 lapisan. Yaitu cairan dan endapan garam. Bagian cairan dipisahkan dari endapan. Carian ini diambil secukupnya untuk dianalisis menggunakan HPLC. Sisa cairan dievaporasi dan dianalisis menggunakan AAS dan HPLC. Proses pemisahan dari HMF hasil reaksi ini ditunjukkan oleh Gambar 3.6.

 Ditakar sebanyak 1 mL

 Ditambahkan 3 mL etil asetat

 Ditambahkan 6 mL larutan Na2CO3 jenuh

 Ditambahkan Na2SO4 anhidrat

 Dievaporasi

Gambar 3.6 Bagan alir proses pemisahan HMF Hasil Reaksi 3.5 Metode Analisis

3.5.1 Analisis dengan FTIR

Spektrofotometer FTIR (Fourier Transform Infra-Red) digunakan untuk mengetahui perubahan struktur pada jerami jagung. Pada penelitian ini digunakan selulosa mikrokristalin sebagai acuan standar untuk dua sampel lainnya, yaitu jerami jagung sebelum proses delignifikasi dan jerami jagung setelah proses delignifikasi. Preparasi untuk analisis ini menggunakan garam KBr yang dibuat pelet. Spektrofotometer FTIR yang digunakan adalah FTIR-8400 SHIMADZU.

Cairan _{Endapan garam}

Cairan hasil evaporasi

Analisis HPLC

Analisis HPLC dan AAS HMF Hasil Reaksi

Cairan

Gumpalan Na2SO4

3.5.2 Analisis dengan HPLC

Untuk mengetahui kandungan HMF pada hasil reaksi dilakukan analisi menggunakan instrumen HPLC (High Performance Liquid Chromatography). Preparasi dari analisis ini adalah hasil reaksi yang diperoleh dilarutkan menggunakan etanol 96%. Campuran disentrifugasi menggunakan alat sentrifuge

selama 10 menit dengan kecepatan 1200 rpm. Supernatan yang diperoleh diambil cairan bagian atas secukupnya untuk diuji HPLC. Analisis kualitatif dilakukan dengan membandingkan data waktu retensi yang diperoleh dengan waktu retensi HMF standar. Sedangkan untuk mengetahui jumlah HMF (analisis kuantitatif), dilakukan uji kalibrasi menggunakan HMF 99,9% yang dilarutkan etanol. Parameter dari HPLC pada proses uji ini adalah:

Instrumentasi: HPLC-D700 HITACHI Detektor : UV 280 nm

Laju alir : 1mL/menit

Fasa gerak : Asetonitril: aquabides (10:90) Suhu kolom : 50°C.

3.5.3 Analisis dengan AAS

Hasil reaksi yang telah melalui tahap pemisahan dianalisis dengan instrumen AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) untuk mengetahui kadar Zn2+ dari pelarut ZnCl2 yang terkandung. Sebelum pengukuran sampel hasil reaksi

HMF, dilakukan pengukuran standar Zn untuk memudahkan proses perhitungan menggunakan kurva kalibrasi. Larutan standar Zn dibuat dari larutan stok Zn yang tak berwarna. Dari larutan stok, diambil 1 mL dan dilarutkan dalam labu takar 100 mL menggunakan larutan HNO3 pH 1. Selanjutnya dari larutan induk dibuat

beberapa larutan standar dengan konsentrasi berbeda yaitu, 0,2; 1; 2; 3; 4; dan 6 ppm. Larutan standar merupakan larutan tak berwarna. Larutan blanko yang digunakan adalah HNO3 pH 1. Adapun parameter dari AAS adalah:

Instrumen : AAS

Bahan bakar : Asetilen-udara

Laju alir : 2:5

Lamp. Current : 7 mA

Slit : 0,7 nm

Panjang gelombang : 213,9 nm

Energi : 64%

Int. Time : 0,7 sec Replikasi : 3 (triplo)

Jerami jagung halus ditimbang sebanyak 20 gram dan ditambahkan air sebanyak ±200 mL serta dipanaskan pada suhu 100°C selama satu jam. Residu dari penyaringan proses ini ditambahkan larutan NaOH 25% sebanyak 200 mL (1:10) dan direfluks selama 2 jam pada suhu 92°C. Jerami jagung hasil refluks disaring menggunakan labu erlenmeyer berpenghisap. Residu dicuci menggunakan air sampai mencapai pH netral kemudian dioven selama 24 jam.

Residu jerami jagung yang telah kering direfluks kembali menggunakan larutan H2O2 sebanyak ±100 mL selama 2 jam pada suhu 60°C. Selanjutnya dilakukan penyaringan dari hasil refluks dan residu dari penyaringan ini dicuci menggunakan air hingga pH netral. Pengeringan residu dilakukan dengan cara dioven selama 24 jam. Hasil proses delignifikasi ini dianalisis menggunakan instrumen FTIR. Selanjutnya hasil proses delignifikasi disebut selulosa jerami jagung. Prosedur penelitian untuk delignifikasi jerami jagung ini seperti tertuang dalam Gambar 3.2.

3.4.2 Konversi Selulosa Jerami Jagung menjadi HMF

Sebelum proses konversi selulosa jerami jagung menjadi HMF, dilakukan studi awal untuk mengetahui suhu reaksi yang cocok. Diambil dua sampel suhu yaitu suhu 80°C dan 120°C. Selulosa mikrokristalin sebanyak 0,5 gram direaksikan dengan larutan ZnCl2 67% sebanyak 15 gram dengan metode refluks selama 40 menit dengan dua sampel variabel suhu tersebut. Proses refluks diiringi pengadukan dengan stirer. Hasil reaksi dianalisis menggunakan HPLC. Dari hasil HPLC dipilih suhu yang cocok untuk proses konversi selulosa jerami jagung menjadi HMF.

Setelah ditentukan suhu yang cocok, kemudian dilakukan konversi menggunakan selulosa jerami jagung. Selulosa jerami jagung ditimbang sebanyak 0,5 gram dan dicampurkan dengan ZnCl2 67% sebanyak 15 gram. Selanjutnya direfluks disertai pengadukan stirer selama 40 menit. Hasil proses konversi dianalisis menggunakan HPLC. Penggunaan co-catalyst zeolit dan CrCl3 sebanyak 0,05 gram. Sedangkan DMA-LiCl sebanyak 10%. Proses konversi selulosa jerami jagung menjadi HMF ini seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.3.

 Ditimbang sebanyak 0,5 gram

 Dilarutkan dalam 15 gram larutan ZnCl2 67%

 Direfluks selama 40 menit pada suhu terpilih

(80°C/120°C) disertai pengadukan

Gambar 3.3 Bagan alir konversi selulosa menjadi HMF

3.4.3 Pemisahan HMF Hasil Reaksi

3.4.3.1 Pengujian Metode Pemisahan HMF Menggunakan HMF Standar

Sebelum dilakukan pemisahan pada HMF hasil reaksi, digunakan HMF standar yang direaksikan dengan ZnCl2 sebagai bahan uji coba. HMF standar diambil sebanyak 0,4 mL dan direaksikan dengan ZnCl2 67% sebanyak 15 gram menggunkan metode refluks selama ±5 menit. Selanjtunya dilakukan uji HPLC untuk mengetahui kadar HMF dan diuji dengan instrumen AAS untuk mengetahui kadar Zn. Proses reaksi HMF standar dengan ZnCl2 67% ini seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.4.

 Diambil sebanyak 0,4 mL

 Ditambahkan ZnCl2 67% sebanyak 15 gram

 Direfluks selama ± 5 menit pada suhu terpilih

Gambar 3.4 Bagan alir reaksi HMF standar dengan ZnCl2 67% untuk metode

pemisahan

Campuran selulosa dan larutan ZnCl2

Hasil reaksi Selulosa

HMF Standar

Hasil Reaksi HMF Standar

Analisis HPLC dan AAS Analisis HPLC

Hasil reaksi HMF standar dipisahkan menggunakan ekstraksi cair-cair dengan pelarut etil asetat. Sebanyak 5 mL hasil reaksi dicampurkan dengan 15 mL etil asetat. Campuran ini diaduk selama beberapa menit agar bercampur. Selanjutnya ditambahkan Na2CO3 jenuh sebanyak 5 mL, diaduk beberapa saat hingga terbentuk dua lapisan. Yaitu, bagian cairan yang seperti minyak dan endapan garam. Campuran didiamkan terlebih dahulu selama 30 menit. Bagian cairan dipisahkan dan ditambahkan serbuk Na2SO4 anhidrat untuk mengikat sisa air. Cairan ini diambil secukupnya dan dicampurkan etanol untuk diuji HPLC. Sisanya dievaporasi hingga kental cairan kental. Cairan ini diambil sebanyak 10 µL dan dilarutkan menggunakan etanol sampai 1 mL. Cairan yang telah dilarutkan, diuji HPLC untuk mengetahui jumlah HMF di dalamnya. Kemudian dilakukan uji AAS pada hasil reaksi sebelum dan sesudah tahap pemisahan. Setelahnya dilakukan pemisahan terhadap hasil reaksi. Proses pemisahan dari Hasil reaksi HMF standar seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.5.

 Ditakar sebanyak 5 mL

 Ditambahkan 15 mL etil asetat

 Ditambahkan 30 mL larutan Na2CO3 jenuh

 Ditambahkan Na2SO4 anhidrat

 Dievaporasi

Gambar 3.5 Bagan alir proses pemisahan Hasil Reaksi HMF Standar

Hasil Reaksi HMF Standar

Cairan _{Endapan garam}

Cairan hasil evaporasi

Analisis HPLC

Analisis HPLC dan AAS Cairan

3.4.3.2Pemisahan HMF pada Hasil Reaksi

Untuk pemisahan hasil reaksi, diambil sebanyak 1 mL hasil reaksi dan ditambahkan 3 mL etil asetat. Diaduk selama beberapa saat. Setelah bercampur ditambahkan Na2CO3 jenuh sebanyak 5 mL dan diaduk. Selanjutnya campuran didiamkan selama 30 menit hingga terpisah 2 lapisan. Yaitu cairan dan endapan garam. Bagian cairan dipisahkan dari endapan. Carian ini diambil secukupnya untuk dianalisis menggunakan HPLC. Sisa cairan dievaporasi dan dianalisis menggunakan AAS dan HPLC. Proses pemisahan dari HMF hasil reaksi ini ditunjukkan oleh Gambar 3.6.

 Ditakar sebanyak 1 mL

 Ditambahkan 3 mL etil asetat

 Ditambahkan 6 mL larutan Na2CO3 jenuh

 Ditambahkan Na2SO4 anhidrat

 Dievaporasi

Gambar 3.6 Bagan alir proses pemisahan HMF Hasil Reaksi

3.5 Metode Analisis

3.5.1 Analisis dengan FTIR

Spektrofotometer FTIR (Fourier Transform Infra-Red) digunakan untuk mengetahui perubahan struktur pada jerami jagung. Pada penelitian ini digunakan selulosa mikrokristalin sebagai acuan standar untuk dua sampel lainnya, yaitu jerami jagung sebelum proses delignifikasi dan jerami jagung setelah proses

Cairan _{Endapan garam}

Cairan hasil evaporasi

Analisis HPLC

Analisis HPLC dan AAS HMF Hasil Reaksi

Cairan

Gumpalan Na2SO4 Analisis HPLC dan AAS

3.5.2 Analisis dengan HPLC

Untuk mengetahui kandungan HMF pada hasil reaksi dilakukan analisi menggunakan instrumen HPLC (High Performance Liquid Chromatography). Preparasi dari analisis ini adalah hasil reaksi yang diperoleh dilarutkan menggunakan etanol 96%. Campuran disentrifugasi menggunakan alat sentrifuge

selama 10 menit dengan kecepatan 1200 rpm. Supernatan yang diperoleh diambil cairan bagian atas secukupnya untuk diuji HPLC. Analisis kualitatif dilakukan dengan membandingkan data waktu retensi yang diperoleh dengan waktu retensi HMF standar. Sedangkan untuk mengetahui jumlah HMF (analisis kuantitatif), dilakukan uji kalibrasi menggunakan HMF 99,9% yang dilarutkan etanol. Parameter dari HPLC pada proses uji ini adalah:

Instrumentasi: HPLC-D700 HITACHI Detektor : UV 280 nm

Laju alir : 1mL/menit

Fasa gerak : Asetonitril: aquabides (10:90) Suhu kolom : 50°C.

3.5.3 Analisis dengan AAS

Hasil reaksi yang telah melalui tahap pemisahan dianalisis dengan instrumen AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) untuk mengetahui kadar Zn2+ dari pelarut ZnCl2 yang terkandung. Sebelum pengukuran sampel hasil reaksi HMF, dilakukan pengukuran standar Zn untuk memudahkan proses perhitungan menggunakan kurva kalibrasi. Larutan standar Zn dibuat dari larutan stok Zn yang tak berwarna. Dari larutan stok, diambil 1 mL dan dilarutkan dalam labu takar 100 mL menggunakan larutan HNO3 pH 1. Selanjutnya dari larutan induk dibuat beberapa larutan standar dengan konsentrasi berbeda yaitu, 0,2; 1; 2; 3; 4; dan 6 ppm. Larutan standar merupakan larutan tak berwarna. Larutan blanko yang digunakan adalah HNO3 pH 1. Adapun parameter dari AAS adalah:

Instrumen : AAS

Bahan bakar : Asetilen-udara

Laju alir : 2:5

Lamp. Current : 7 mA

Slit : 0,7 nm

Panjang gelombang : 213,9 nm

Energi : 64%

Int. Time : 0,7 sec Replikasi : 3 (triplo)