Laboratorium Teknologi Material

Penelitian Tahun:

Klik tahun di bawah ini untuk melihat rincian penelitian.

Publikasi Ilmiah Tahun:

Klik tahun di bawah ini untuk melihat rincian publikasi ilmiah.

Pengabdian Masyarakat Tahun:

Klik tahun di bawah ini untuk melihat rincian pengabdian masyarakat.

Pradesain Pabrik Fraksinasi Lignoselulosa dari Serbuk Gergaji Kayu Dengan Metode Steam Explosion

PRA DESAIN PABRIK FRAKSINASI LIGNOSELULOSA DARI SERBUK GERGAJI KAYU DENGAN METODE STEAM EXPLOSION

Disusun Oleh:

• Mohammad Faiz Rosidin (02211840000055)
• Lukmanul Hakim (02211840000080)

Pendahuluan

Indonesia merupakan negara yang memiliki kekayaan alam yang berlimpah. Salah satu kekayaan alam tersebut adalah pada sektor kehutanan. Dengan luas wilayah hutan sebesar lebih dari 124.023.000 hektar, maka hutan berpotensi untuk menghasilkan kayu dengan jumlah yang besar. Salah satu jenis kayu yang banyak dihasilkan adalah kayu sengon, produksi kayu sengon diindonesia sebesar 5.676.756,81. Kayu sengon (Albizia chinensis) memiliki ciri umum antara lain kayunya berwarna hampir putih atau coklat muda, mempunyai tekstur agak kasar dan merata, serta arah serat lurus, fast growing species 5-7 tahun dan bergelombang lebar atau berpadu.

Kayu sengon banyak digunakan sebagai bahan perumahan (papan, balok, dan tiang), Selain itu dapat juga digunakan untuk pembuatan peti, pulp, papan partikel, dan korek api. Sehingga jika penggunaan kayu sengon tinggi, maka akan dihasilkan juga limbah kayu yang tinggi pula, terutama limbah serbuk gergajinya sebanyak 497.851,572 ton. Sekarang limbah serbuk gergaji kayu sengon hanya dimanfaatkan sebagai media tanam jamur putih, bahan pembuatan briket, bahan pembuatan papan partikel, dan ada yang hanya dibakar atau dibiarkan saja terurai di tanah. Padahal limbah serbuk gergaji tersebut dapat diolah lebih lanjut menjadi suatu bahan dengan nilai jual tinggi.

Kayu sengon mengandung 49,40% selulosa, 24,10% hemiselulosa dan 26,50% lignin dengan kandungan selulosa yang tinggi tersebut, maka serbuk gergaji kayu sengon dapat dapat diolah lebih lanjut untuk diambil kandungan selulosanya. Selulosa, (C6H10O5)n, komponen utama yang ada pada hampir semua sel tumbuhan. Selulosa terdiri dari rantai panjang polimer yang terbentuk dari monomer glukosa. Selulosa dapat digunakan di berbagai industri, antara lain adalah pada pembuatan kertas, industri tekstil, packaging, dan produk turunannya, seperti glukosa, selulosa asetat, alkohol dan lainnya. Dalam lignoselulosa, selulosa terjebak didalam matrik lignin dan hemiselulosa. Sehingga perlu diperoleh suatu metode untuk mengekstraksi selulosa tersebut didalam lignoselulosa tersebut.

Kandungan selulosa pada bahan lignoselulosa secara mikro dapat diklasifikasikan berdasarkan metode isolasi yang digunakan. Pada dasarnya, ada empat kelompok atau tipe selulosa, yaitu selulosa murni, alam, komersial/teknis (pulp), dan laboratorium. Selulosa murni sering ditemukan pada kapas, sedangkan selulosa alam ditemukan pada kayu dan serat non kayu.

Pasar Selulosa bernilai USD 211,68 miliar pada tahun 2019 dan diproyeksikan mencapai USD 235 miliar pada tahun 2026 dengan CAGR 2,9% pada global market insight periode 2019 – 2026. Industri pulp, kertas dan karton regional memperoleh pangsa yang signifikan selama beberapa tahun terakhir di regional Asia Pasifik. Menurut Asosiasi Pulp dan Kertas Indonesia (APKI) Tahun 2019. Secara global, industri pulp Indonesia merupakan produsen terbesar kesepuluh sementara industri kertas menempati peringkat keenam di dunia.

URAIAN PROSES

Pada pembuatan selulosa dengan proses steam explosion dan delignifikasi secara umum dibagi menjadi 4 area yaitu :

1. Proses Persiapan Bahan Baku
2. Proses Pretrebarent Lignoselulosa
3. Proses Pemisahan Selulosa, Lignin, dan Hemiselulosa
4. Proses Pemurnian Selulosa

III.3.1 Proses Persiapan Bahan Baku

Pada proses persiapan bahan baku, Serbuk gergaji kayu yang sudah dikumpulkan dimasukkan kedalam tempat penyimpanan bahan baku. Selanjutnya serbuk gergaji kayu akan ditransportasikan dengan menggunakan belt conveyor (J-111), lalu  masuk kedalam screener (H-110) dengan ukuran 20 – 60 mesh. Screener adalah proses pemisahan secara mekanik berdasarkan perbedaan ukuran partikel (Ludwig’s, 2007). ketika ada ukuran yang tidak sesuai akan masuk kedalam Rotary Knife Cutter (C-112). Rotary Knife Cutter merupakan alat yang berfungsi untuk memotong serbuk gergaji hingga bentuknya seperti chip (Ulrich, 1984). Mula-mula serbuk gergaji kayu melalui rotary knife cutter sehingga ukurannya akan menjadi 20 sieve /  50 sieve dengan efisiensi 90 %. (Perry hal 8-55, 1973). dan Pada saat proses tersebut bahan baku akan masuk lewat atas kemudian keluar lewat bawah, lalu masuk ke dalam screw conveyor (J-113) untuk dialirkan ke tangki penyimpanan berjenis Bin (F-121). Bin ditunjukkan untuk menyimpan zat padat yang bisa terpengaruh cuaca, cepat rusak terkena udara, dan bisa larut dalam air. Setalah itu dimasukkan kedalam tangki (F-120) untuk proses maserasi. Proses maserasi adalah perendaman serbuk bahan dalam air untuk meningkatkan kadar selulosa dan menjaga kualitas selulosa ketika masuk dalam proses steam explosion, proses ini menggunakan suhu 30 °C dan tekanan 1 bar selama 2 jam. lalu difiltrasi menggunakan Continous Filtering Centrifuges (H-122) untuk memisahkan zat padat dari cairannya dengan efisiensi 92%, kemudian disimpan di tangki penyimpanan berjenis bin (F-123) untuk proses selanjutnya.

III.3.2 Proses Pretrebarent Lignoselulosa

Setelah proses persiapan bahan baku selesai, residu  diangkut menggunakan screw conveyor (J-211) untuk dialirkan ke dalam steam explosion (R-210). Pada metode ini biomassa diberi tekanan uap tinggi, selanjutnya tekanan dikurangi secara tiba-tiba, yang menyebabkan biomassa mengalami dekompresi eksplosif. Tekanan yang dikurangi secara tiba-tiba menyebabkan ledakan dekompresi, yang berakibat serat-serat biomassa terpisah. Pada metode ini juga terjadi hidrolisis (autohidrolisis) dari gugus asetil pada hemiselulosa. Autohidrolisis gugus asetil pada suhu tinggi menghasilkan asam asetat. Selain itu air pada suhu tinggi dapat bersifat seperti asam (Menon dan Rao 2012).

Proses steam ekplosion serbuk gergaji kayu menggunakan suhu 235 °C, tekanan 31 bar selama 15 menit menghasilkan Δp explosion 30 bar dengan faktor severity 4,4 (Pielhop, 2016). Proses tersebut menyebabkan degradasi lignin dan transformasi hemiselulosa akibat suhu dan tekanan tinggi, sehingga meningkatkan potensi hidrolisis selulosa. Sebuah proses ledakan uap menggunakan kayu sengon sebagai substrat dikembangkan di mana konstituen individu dipisahkan sebagai selulosa murni, hemiselulosa dan lignin (Shimizu. K, 1998). Kemudian steam dan padatan residu masuk kedalam Cyclone (H-212) dengan kondisi operasi tekanan 15,55 bar dan suhu 200 °C. Cyclone merupakan alat untuk memisahkan padatan residu dan steam sebagai keluaran dari steam explosion (Ludwig’s, 2007), steam masuk kedalam kondensor (E-214) untuk mengkondensasi steam agar menjadi udara segar ketika dikeluarkan ke lingkungan, sedangkan padatan residu akan dimasukkan kedalam Washing Tank (M-213). Washing tank Berfungsi sebagai tempat terjadinya ekstraksi lignoselulosa dengan menggunakan air, beroperasi pada suhu 90 ºC selama 15 menit. Proses ini bertujuan untuk memisahkan hemiselulosa karena sifat hemiselulosa yang larut dalam air. Fiber/Ratio : 1/20, (Montané, 2014). Lalu slurry masuk kedalam Top Suspended Basked Centrifuge dengan kondisi operasi 1 bar dan suhu 90 °C (H-215). Top Suspended Basked Centrifuge berfungsi sebagai alat pemisahan untuk memisahkan filtrat yang mengandung hemiselulosa dan padatan residu, serta ada proses pencucian pada washing inlet dengan air untuk melarutkan hemiselulosa yang tersisa pada padatan solid, proses ini dilakukan selama 5 siklus. kemudian cake akan disimpan di tangki penyimpanan berjenis bin (F-216) untuk proses selanjutnya. Sementara filtrat akan memasuki tanki penampung hemiselulosa (F-217).

III.3.3 Proses Pemisahan Selulosa, Lignin, dan Hemiselulosa

Serbuk gergaji kayu yang telah melalui tahap pretrebarent akan menuju tahap selanjutnya yaitu proses Pemisahan Selulosa, Lignin, dan Hemiselulosa. Dengan mengangkut residu hasil steam explosion menggunakan screw conveyor (J-311) untuk dialirkan ke dalam Reaktor (R-310) untuk proses delignifikasi. Sebelum memasuki reaktor, NaOH masuk kedalam tangki pelarutan (M-312) Berfungsi untuk melarutkan 98% NaOH menjadi 20% NaOH, didalam tangki pelarutan terjadi proses eksoterm. Setelah itu 20% NaOH masuk kedalam Reaktor (R-310). Di dalam Reaktor terjadi proses delignifikasi untuk menghilangkan kandungan lignin dan hemiselulosa yang terkandung dalam residu. Proses ini akan merusak struktur dari lignin dan diikuti dengan pemisahan antara lignin dengan selulosa. Reaktor tersebut beroperasi pada suhu 160 °C, tekanan 1 bar selama 60 menit dan ditambahkan larutan NaOH 20%, (Montane, et al, 1998). Larutan NaOH ini dapat merusak struktur lignin pada bagian kristalin dan amorf serta memisahkan sebagian hemiselulosa. Ion OH- dari NaOH akan memutuskan ikatan-ikatan dari struktur dasar lignin sedangkan ion Na+ akan berikatan dengan lignin membentuk natrium fenolat. Garam fenolat ini bersifat mudah larut. Yang terlarut ditandai dengan warna hitam pada larutan yang disebut lindi hitam (black liquor). (Rocha, et al, 2012). Sesudah proses delignifikasi, slurry akan dikeluarkan dari reaktor dan menuju Top Suspended Basked Centrifuge (H-314) untuk memisahkan antara black liquor atau pengotor (filtrat) dengan residu yang telah melalui proses delignifikasi. Penyaringan pada Top Suspended Basked Centrifuge nantinya akan disertai pencucian menggunakan air proses untuk membantu menghilangkan pengotor yang kemungkinan masih menempel pada residu, proses ini dilakukan selama 7 siklus. Sementara black liquor beserta pengotor lain akan memasuki tangki penampung filtrat (F-315) sebelum akhirnya dialirkan untuk direcovery. Sedangkan untuk cake akan di transportasikan menggunakan screw conveyor (J-316) untuk disimpan ditangki penyimpanan berjenis bin (F-317).

III.3.4 Pemurnian Selulosa

Serbuk gergaji yang telah melalui tahan delignifikasi kemudian akan diangkut menggunakan screw conveyor (R-411) menuju tahap proses pemurnian selulosa yang memiliki tujuan untuk memisahkan alpha selulosa dari pengotor dan air sehingga terbentuk produk akhir berupa alpha selulosa dengan kemurnian tinggi. Sebelum masuk kedalam reaktor bleaching, NaOCl dimasukkan kedalam tangki pelarutan (M-412) berfungsi untuk melarutkan NaOCl menjadi 5% NaOCl. kemudiam cake dimasukkan dalam reaktor (R-410) untuk proses bleaching dengan menggunakan larutan NaOCl 5%, suhu 50 °C, dan selama 30 menit. NaOCl merupakan salah satu agent bleaching yang umum digunakan pada proses pembersihan (black liquor). (Sghaie, et al 2012). Proses bleaching bertujuan untuk memperbaiki brightness, memperbaiki kemurnian, dan meminimalisir terjadinya degradasi serat selulosa, (Khan, et al 1996). Pada proses ini terjadi degradasi dari rantai lignin yang tersisa. Hal ini dikarenakan adanya ion hipoklorit yang merupakan active bleaching agent. Reaksi yang terjadi diperlihatkan pada Persamaan 1 :

NaOCl + H2O NaOH + HOCl

HOCl à H+ + –OCl

HOCl + H+ + Cl–   Cl2 +H2O ………………..(1)

Reaksi ini menyebabkan perubahan warna selulosa dari coklat menjadi putih. dimana terlihat bahwa warna padatan dan larutan menjadi lebih terang. (Saharman, et al 2011). Dilanjutkan dengan Penyaringan pada Top Suspended Basked Centrifuge (H-414) yang nantinya akan disertai pencucian menggunakan air proses untuk membantu menghilangkan pengotor yang kemungkinan masih menempel pada residu, dan pemisahan padatan dengan cairannya. Proses pencucian dilakukan selama 5 siklus, hingga pH netral (pH 7). Sedangkan untuk cake akan di transportasikan menggunakan screw conveyor (J-415) untuk dimasukkan kedalam Dilution Tank (M-416). Dilution Tank (M-416) Berfungsi untuk mengencerkan cake selulosa agar bisa dilanjutkan ke proses pengeringan menggunakan Spray Dryer, Fiber : Liquid Ratio, 1:7 untuk menghasilkan slurry. Slurry ditransportasikan menggunakan Screw Conveyor (J-421) masuk pada proses pengeringan menggunakan Spray Dryer (B-420). Spray Dryer merupakan jenis pengering yang digunakan untuk menguapkan dan mengeringkan bahan dalam bentuk larutan dan bubur (slurry) dengan menggunakan udara panas yang dihasilkan dari Heater (E-442) (Walas et al 2012), sehingga didapatkan hasil berupa butiran zat padat yang kering, Spray dryer beroperasi pada suhu 270 °C dengan Moisture Content 1% (Walas et al 2012), Sehingga didapatkan selulosa, lalu produk ditransportasikan menggunakan Screw Conveyor (J-424) menuju ke tempat penyimpanan produk selulosa.