Karakterisasi Selulosa Batang Kecombrang Hasil Isolasi dengan Metode Alkali Hidrogen Peroksida – Asam Perasetat

Abstract

Selulosa adalah biopolimer yang dapat dikonversi menjadi berbagai produk turunan berharga, seperti bahan awal nanoselulosa. Meskipun berbagai sumber selulosa tersedia, sebagian besar produk turunan selulosa saat ini berbasis kayu. Kecenderungan kelangkaan produksi kayu mendorong upaya untuk mengeksplorasi alternatif selulosa berbasis bukan kayu, seperti kecombrang. Kecombrang dapat menjadi sumber selulosa bukan kayu, mengingat kandungan selulosanya yang tinggi. Metode penghilangan lignin adalah kunci keberhasilan isolasi selulosa. Pengembangan metode penghilangan residu lignin dalam waktu relatif singkat menggunakan bahan kimia ramah lingkungan sangat penting. Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan metode isolasi selulosa yang efisien dengan menggunakan alkali hidrogen peroksida (AHP) dan asam perasetat (PAA).

Larutan AHP terdiri dari campuran hidrogen peroksida dan natrium hidroksida digunakan untuk delignifikasi tahap pertama, diikuti dengan mereaksikan sampel yang telah diberi perlakuan sebelumnya dengan asam asetat dan hidrogen peroksida yang menghasilkan PAA. Hidrogen peroksida, asam asetat, dan asam perasetat berada dalam keadaan setimbang selama perlakuan autoklaf. Dengan demikian, pra-hidrolisis dan delignifikasi berlangsung serentak dalam tahap yang sama. Selanjutnya, autoclaving diharapkan dapat mempercepat proses delignifikasi. Perlakuan ini diharapkan mempercepat laju dan meningkatkan derajat delignifikasi yang terjadi.

Komposisi kimia batang kecombrang ditentukan sebelum mengisolasi selulosa. Selulosa diisolasi melalui praperlakuan AHP dengan nisbah cairan terhadap padatan (L/S) sebesar tiga (3) dalam waktu bervariasi selama 30, 60, dan 90 menit dalam autoklaf. Autoclaving dilakukan pada 121 oC dan tekanan 0.1 MPa. AHP terdiri dari H2O2 dan NaOH. Komposisi AHP adalah 0, 16, dan 33 % (v/v) H2O2 dalam NaOH 5% (b/v) masing-masing ditetapkan sebagai AHP0, AHP5, dan AHP10. Perbandingan campuran H2O2 dan NaOH dalam AHP adalah 1:1 (v/v). Setelah praperlakuan AHP, sampel kemudian diberi perlakuan PAA. Rasio cairan terhadap padatan pada perlakuan PAA adalah 8/1 dilakukan dalam autoklaf dengan tekanan 0,1 MPa dan suhu 121 oC. Pada perlakuan ini, PAA dihasilkan dengan mereaksikan H2O2 dan CH3COOH. Komposisi PAA terdiri dari variasi campuran H2O2 30%, CH3COOH 100%, air distilat masing-masing sebesar 16, 10, dan 74 % (v/v); 33, 20, dan 47 % (v/v); serta 50, 30, dan 20 % (v/v), berturut-turut dinotasikan sebagai PAA10, PAA20, dan PAA30.

Rancangan percobaan yang digunakan adalah rancangan acak kelompok lengkap dengan tiga faktor, yaitu konsentrasi H2O2 dalam 5% (b/v) NaOH (A) dengan tiga taraf (0, 16, dan 33 % (v/v)), waktu praperlakuan AHP (B) dengan tiga taraf (30, 60, dan 90 menit), dan konsentrasi H2O2 dalam pembuatan PAA (konsentrasi PAA) (C) dengan tiga taraf (16, 33, dan 50 % (v/v)). Parameter respon yang diukur adalah rendemen, kadar lignin, derajat delignifikasi, selektivitas delignifikasi, holoselulosa, α-selulosa, dan hemiselulosa. Karakteristik selulosa yang dihasilkan dievaluasi dengan menentukan struktur morfologi, kristalinitas, sifat termal, dan analisis elemen sisa. Pengaruh perlakuan dievaluasi dengan analisis sidik ragam dan analisis Tukey.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa batang kecombrang berpotensi sebagai alternatif selulosa kayu. Konsentrasi AHP dan konsentrasi PAA berpengaruh nyata terhadap semua parameter respon. Durasi reaksi 1,5 jam untuk isolasi selulosa dari batang kecombrang lebih disukai. Durasi tersebut terdiri dari 30 menit perlakuan AHP5 diikuti 60 menit konsentrasi PAA30. Kondisi isolasi ini menghasilkan rendemen sebesar 47,8%; dengan kadar lignin, holoselulosa, dan α-selulosa masing-masing sebesar 0,15%; 98,84%; dan 64,78%. Keadaan kesetimbangan H2O2, CH3COOH, dan asam perasetat diduga mempercepat delignifikasi sampai derajat tinggi selama autoclaving. Delignifikasi melibatkan proses pra-hidrolisis, deaktivasi gugus kromofora, dan reaksi delignifikasi dalam satu tahap. Dapat disimpulkan bahwa metode yang dikembangkan saat ini sangat efisien untuk menghasilkan selulosa berkualitas tinggi untuk turunannya seperti produk berbasis nanoselulosa.

Cellulose is a bio-polymer convertible to various valuable derivative products, such as starting material of nanocellulose. Even though various sources of cellulose are available, currently, most derivative products of cellulose are based on wood. The tendency of wood production scarcity has driven endeavors to explore nonwood-based cellulose alternatives, such as torch ginger. Torch ginger could be an appropriate nonwood source of cellulose, considering its high content of cellulose. Lignin removal methods are keys to successful cellulose isolation. The development of residual lignin removal methods that are less time-consuming by using environmentally friendly chemicals is paramount. This research was intended to develop an efficient method of cellulose isolation by using alkaline hydrogen peroxide (AHP) and peracetic acid (PAA).

AHP solution consists of hydrogen peroxide and sodium hydroxide were used for the first stage of delignification, followed by reacting the pretreated sample with acetic acid and hydrogen peroxide that produced PAA. Hydrogen peroxide, acetic acid, and peracetic acid are in an equilibrium state during autoclaving; thus, pre-hydrolysis and delignification could proceed simultaneously in one stage. Reaction under autoclave conditions was expected to accelerate the delignification process; therefore, a higher degree of delignification in a short time would be obtained.

The chemicals composition of torch ginger was initially determined before isolating the cellulose. Cellulose was isolated by AHP pretreatment with the L/S ratio of 3 for 30, 60, and 90 minutes in an autoclave. The autoclaving process was carried out at 121 oC and 0.1 MPa of pressure. AHP consisted of H2O2 and NaOH. The AHP composition was 0, 16, and 33 % (v/v) H2O2 in a 5% (w/v) NaOH designated as AHP0, AHP5, and AHP10, respectively. The mixture ratio of H2O2 and NaOH in the AHP was 1:1 (v/v). Upon AHP pretreatment, the samples were then given a PAA treatment. The liquid to solid ratio (L/S) of PAA treatment was 8/1 carried out in an autoclave of 0.1 MPa pressure and 121 oC temperature. In this treatment, PAA was produced by reacting H2O2 and CH3COOH. The PAA compositions were varied at H2O2 30%, CH3COOH 100%, and distilled water of 16, 10, and 74 % (v/v); 33, 20, and 47 % (v/v); and 50, 30, and 20 % (v/v), designated as PAA10, PAA20, and PAA30, respectively.

The experiment design used was Randomized Complete Block Design with three factors, i.e. H2O2 concentration in 5% (w/v) NaOH (A) of three levels (0, 16, and 33 %), AHP pretreatment time (B) of three levels (30, 60, and 90 minutes), and H2O2 concentration in PAA formation (PAA concentration) (C) of three levels (16, 33, and 50 % (v/v)). The measured response parameters were yield, lignin content, degree of delignification, selectivity of delignification, holocellulose, α-cellulose, and hemicellulose. The characteristics of the resulting cellulose were evaluated by determining the morphological structure, crystallinity, thermal properties, and trace element analysis. The influence of treatments was evaluated by ANOVA and Tukey analysis.

Results showed that torch ginger is a potential alternative for wood cellulose. AHP concentration and PAA concentration were significantly influencing all response parameters. A 1.5 hours reaction duration for the isolation of torch ginger cellulose was preferred. It consisted of 30 minutes of AHP5 treatment followed by 60 minutes of the PAA30 concentration. This isolation condition resulted in a yield of 47.8%; and the lignin, holocellulose, and α-cellulose of 0.15%, 98.84%, and 64.78%, respectively. The equilibrium state of H2O2, CH3COOH, and peracetic acid was thought to accelerate the delignification to a high degree during autoclaving, which involving pre-hydrolysis, chromophoric group deactivation, and delignification reaction in one stage. It can be concluded that the currently developed method is very efficient to produce high-quality cellulose for derivatives such as nanocellulose based products.