Treatment Lignoselulosa dengan Deep Eutectic Solvents (DES) untuk Aplikasi Bioplastik

Yusi Prasetyaningsih, Prof. Ir. Muslikhin Hidayat, S.T., M.T., Ph.D., IPU ; Ir. Yuni Kusumastuti, S.T., M.Eng., D.Eng., IPM ; Dr.Ing. Ir. Teguh Ariyanto, S.T., M.Eng., IPM

2025 | Disertasi | S3 Teknik Kimia

Batang kelapa sawit termasuk salah satu sumber biomassa lignoselulosa yang belum termanfaatkan dengan maksimal. Secara umum, batang kelapa sawit memiliki kandungan selulosa 41,02%, hemiselulosa 32,04?n lignin 24,51%. Kandungan selulosa yang besar dapat dimanfaatkan lebih lanjut sebagai filler pada bioplastik. Untuk mengambil selulosa tersebut, diperlukan pelarut yang tepat dan dapat digunakan dalam proses delignifikasi. Deep Eutectic Solvent (DES) merupakan pelarut ramah lingkungan yang sedang dikembangkan untuk fraksinasi biomassa lignoselulosa. Dalam penelitian ini, empat variasi DES (ChCl–urea, ChCl–asam laktat, ChCl–asam levulinat, ChCl–gliserol) mewakili sifat senyawa asam, basa dan netral divariasikan untuk mengolah batang kelapa sawit melalui satu tahap delignifikasi dan fraksinasi. Pengaruh variasi DES pada berbagai suhu, dikaji untuk menghasilkan yield selulosa dan kadar Total Phenolic Content (TPC) terbesar di fraksi padatan maupun cairan. DES terpilih kemudian digunakan untuk menentukan kondisi optimasi yield selulosa. Karakterisasi padatan menggunakan FTIR, XRD, SEM dan TGA untuk mengetahui pengaruh treatment DES terhadap intensitas, kristalinitas, morfologi dan degradasi massa padatan. Selanjutnya, padatan selulosa diaplikasikan sebagai filler pada matrik bioplastik.

Yield selulosa tertinggi (91,13%) diperoleh dari batang kelapa sawit yang diolah menggunakan DES ChCl–asam levulinat pada suhu 110°C, sedangkan yield selulosa terendah (73,05%) dengan ChCl–urea pada suhu 80°C. Semakin tinggi suhu menyebabkan energi kinetik meningkat dan gerak molekul dalam cairan semakin cepat sehingga mengarah pada penurunan viskositas dan meningkatkan laju reaksi delignifikasi. Pada rasio yang sama, variasi DES menghasilkan pH, viskositas dan densitas yang berbeda. Kapasitas disosiasi proton dalam variasi DES juga dipengaruhi oleh ikatan hidrogen antar molekul. Ikatan hidrogen dalam pelarut eutektik menentukan pemutusan ikatan eter pada lignin, mengurangi energi yang dibutuhkan untuk pembelahannya. Kondisi asam secara efektif memotong ikatan Lignin – Carbohydrate Complexes (LCC) dan melarutkan lignin ke dalam pelarut. Pada fraksi cair, gugus fenolik dalam senyawa lignin dideteksi dengan Total Phenolic Content (TPC). Hasil penelitian menunjukkan bahwa kadar tertinggi diperoleh dengan menggunakan DES ChCl–asam levulinat (132,38 mg GAE/g sampel), dan kadar terendah diperoleh dengan menggunakan ChCl–urea (13,48 mg GAE/g sampel). Proses optimasi yield selulosa menghasilkan parameter rasio massa 5,05%, suhu 104,2°C, dan waktu reaksi 3,76 jam dengan menggunakan ChCl–asam levulinat. Hasil ini divalidasi dengan eksperimen yang menghasilkan yield selulosa sebesar 91,29%. Pada ChCl – gliserol diperoleh kondisi optimal dengan rasio massa 6,56%, suhu 92,46°C, dan waktu reaksi 5,93 jam, menghasilkan yield selulosa sebesar 82,12%.

Karakterisasi XRD menghasilkan kristalinitas batang kelapa sawit sebelum diolah sebesar 31,26% kemudian meningkat menjadi 35,75 – 41,41% setelah treatment. Hal ini mengindikasikan penurunan kandungan amorf akibat pelarutan lignin dan hemiselulosa. Spektrum FTIR menunjukkan pada puncak 1.316 cm-1 terjadi peregangan kelompok metil dan metilen yang mengindikasikan bahwa sejumlah besar lignin diekstraksi ke dalam DES selama proses treatment. Pengurangan massa hasil Thermal Gravimetric Analysis (TGA) pada suhu degradasi maksimum selulosa yaitu dari 64,64% menjadi 84,61% setelah perlakuan dengan DES.

Pembuatan bioplastik dengan menambahkan 2% selulosa ke Polyvinyl Alcohol (PVA), dapat meningkatkan kekuatan mekanik hingga 30,46 ± 0,40 MPa. Nilai tersebut mendekati kuat tarik selulosa komersial (MCC) sebesar 33,65 ± 0,15 MPa. Penambahan selulosa juga mampu menaikkan stabilitas termal bioplastik yang dihasilkan.

Oil palm trunk is one of the potential sources of lignocellulosic biomass that has not been fully utilized. Oil palm trunks contain 41.02?llulose, 32.04% hemicellulose, and 24.51% lignin. The significant cellulose content can be further utilized as filler in bioplastics. An appropriate solvent is required to extract the cellulose and can be utilized in the delignification process. Deep Eutectic Solvent (DES) is an environmentally friendly solvent being developed for the fractionation of lignocellulosic biomass. In this study, four variations of DES (ChCl–urea, ChCl–lactic acid, ChCl–levulinic acid, and ChCl–glycerol), representing acidic, basic, and neutral compound properties, were used to process oil palm trunks through a single stage of delignification and fractionation. The effect of temperature and DES type was studied to produce the highest cellulose yield and Total Phenolic Content (TPC) in solid and liquid fractions. The best DES was then used to determine the optimization condition of cellulose yield. Characterization used FTIR, XRD, SEM, and TGA to determine the effect of DES treatment on solid intensity, crystallinity, morphology, and mass degradation. Furthermore, the treated solids were applied as fillers in the primary matrix of bioplastics.

The highest cellulose yield (91.13%) was obtained from oil palm trunks processed using DES ChCl-levulinic acid at 110°C, while the lowest cellulose yield (73.05%) was obtained with ChCl-urea at 80°C. The higher temperature causes kinetic energy to increase and molecular motion in the liquid to accelerate, decreasing viscosity and increasing the rate of delignification reaction. At the same ratio, DES variation resulted in different pH, viscosity, and density. The proton dissociation capacity in DES variations is also influenced by hydrogen bonding between molecules. Hydrogen bonding in eutectic solvents determines the cleavage of ether bonds in lignin, reducing the energy required. Acidic conditions effectively cut the Lignin-Carbohydrate Complexes (LCC) bonds and dissolve the lignin into the solvent. In the liquid fraction, phenolic groups in lignin compounds were detected by Total Phenolic Content (TPC). The results showed that the highest yield was obtained using DES ChCl-levulinic acid (132.38 mg GAE/g sample), and the lowest yield was obtained using ChCl-urea (13.48 mg GAE/g sample). The cellulose yield optimization process resulted in mass ratio parameters of 5.05%, temperature of 104.2°C, and reaction time of 3.76 hours using ChCl-levulinic acid. These results were validated with experiments that resulted in a cellulose yield of 91.29%. For ChCl-glycerol, optimal conditions were obtained with a mass ratio of 6.56%, a temperature of 92.46°C, and a reaction time of 5.93 hours, resulting in a cellulose yield of 82.12%.

XRD characterization showed that the crystallinity of the oil palm trunk before treatment was 31.26% and then increased to 35.75 - 41.41?ter treatment. This result indicates a decrease in amorphous content due to the dissolution of lignin and hemicellulose. The FTIR spectrum showed that at the peak of 1,316 cm-1, methyl and methylene groups were stretching, indicating that a large amount of lignin was extracted into the DES during the treatment process. The mass reduction of Thermal Gravimetric Analysis (TGA) results at the maximum degradation temperature of cellulose is from 64.64% to 84.61?ter treatment with DES.

Bioplastic production by adding 2?llulose to Polyvinyl Alcohol (PVA) can increase the mechanical strength to 30.46 ± 0.40 MPa. This value is similar to the tensile strength of commercial cellulose (MCC) at 33.65 ± 0.15 MPa. The addition of cellulose increases the thermal stability of the bioplastic.

Kata Kunci : yield selulosa, kandungan fenolik, lignoselulosa, RSM, bioplastik