Katalis di Bidang Industri Pertanian "Proses Hidrolisis Pati Umbi Singkong Karet Menjadi Glukosa"

Apa itu industri pertanian? Industri pertanian adalah industri yang mencangkup proses budidaya tanaman mulai dari produksi, pengolahan dan distribusi nya. Sedangkan katalis adalah senyawa kimia yang meningkatkan laju reaksi pada reaksi kimia tanpa katalis tersebut secara permanen terlibat dalam reaksi. Maksudnya adalah senyawa katalis meningkatkan laju reaksi tetapi tidak terkonsumsi oleh reaksi. Katalis mempercepat reaksi dengan cara menurunkan energi aktivasi reaksi. Penurunan energi aktivasi tersebut terjadi sebagai akibat dari interaksi antara katalis dan reaktan. Katalis mempunyai sifat yang sama, seperti katalisator tidak berubah selama reaksi berlangsung, tidak mempengaruhi letak keseimbangan, tidak dapat mengawali suatu reaksi dan jumlah katalisator mempengaruhi kecepatan reaksi.

Komponen dibedakan menjadi tiga bagian, yaitu selektivitas, aktivitas dan stabilitas. Selektivitas adalah kemampuan katalis untuk memberikan produk yang diinginkan. Aktivitas adalah kemampuan mengubah bahan baku menjadi produk yang diinginkan. Sedangkan stabilitas adalah katalis untuk menjaga aktifitas, produktivitas dan selektifitas dalam jangka waktu tertentu.

Dalam industri pertanian, terdapat permasalahan-permasalahan yang memerlukan penggunaan katalis di dalam prosesnya, diantaranya: 

1. Penggunaan bahan bakar fosil, sehingga modern ini dibutuhkannya bahan bakar alternatif 

2. Beberapa proses reaksi kimia dalam industri pertanian berlangsung lambat sehingga efisiensi proses menjadi rendah 

3. Peningkatan limbah organik, tanpa penggunaan katalis, limbah organik sisa panen ataupun kegiatan pertanian dapat mengalami dekomposisi yang lama menyebabkan limbah organik akan meningkat

Sehingga dari permasalahan-permasalahan yang muncul, penggunaan katalis di bidang industri pertanian ini memiliki urgensi yang mencakup:

1. Efisiensi proses, dimana katalis dapat mempercepat laju reaksi yang menghasilkan produk lebih cepat 

2. Pemanfaatan energi, dimana katalis dapat meningkatkan pemanfaatan energi yang lebih efisien salah satunya dalam proses hidrolisis dan mengurangi ketergantungan bahan bakar fosil dalam proses produksi bioetanol 

3. Penggunaan katalis dapat berguna untuk mengubah limbah organik hasil pertanian menjadi produk dengan nilai tinggi, seperti bioenergi

Pada artikel ini akan dibahas mengenai salah satu contoh penggunaan katalis di bidang industri pertanian yang ditemukan pada proses hidrolisis pati umbi singkong karet menjadi glukosa. Pati merupakan karbohidrat yang terdapat dalam bahan nabati. Singkong karet adalah salah satu tanaman dengan kadar patinya sebesar 98,47% yang tidak dimanfaatkan sebagai makanan karena mengandung unsur kimia asam sianida (HCN). Umbi singkong karet dapat dijadikan salah satu sumber bahan baku untuk menghasilkan glukosa yang nantinya dikonversi menjadi bioetanol. Konversi pati menjadi glukosa dilakukan melalui proses hidrolisis. Proses hidrolisis merupakan reaksi kimia antara air dengan suatu zat lain yang menghasilkan zat baru, namun reaksi hidrolisis ini berlangsung sangat lambat sehingga dibutuhkan zat lain yang dapat membantu mempercepat proses reaksi tanpa mengalami perubahan atau dikonsumsi oleh reaksi itu sendiri yang berupa sebuah katalis.

Zeolit merupakan mineral hasil tambang yang bersifat lunak dan mudah kering. Warna dari zeolit adalah putih keabu-abuan, putih kehijau-hijauan, atau putih kekuning-kuningan. Ukuran kristal zeolit kebanyakan tidak lebih dari 10-15 mikron. Mineral ini memiliki kekhasan ketika berada dalam pemanasan terlihat seperti mendidih karena molekulnya kehilangan air dengan sangat cepat. Zeolit terdiri dari senyawa zat kimia alumino-silikat berhidrat dengan kation natrium, kalium, dan barium. Secara umum, Zeolit memiliki melekular sruktur yang unik, dimana atom silikon dikelilingi oleh 4 atom oksigen sehingga membentuk semacam jaringan dengan pola yang teratur (Lestari, 2010).

 Zeolit memiliki sifat kimia dan fisika diantaranya mampu menyerap zat organik maupun anorganik. Selain berfungsi sebagai penukar kation dan katalis, zeolit alam pada umumnya mempunyai kristalinitas yang tidak terlalu tinggi, ukuran porinya sangat tidak seragam, aktivitas kalitik rendah, dan banyak mengandung pengotor seperti Na, K, Ca, Mg, dan Fe (Pardoyo et al., 2009). Keberadaan pengotor tersebut dapat mengurangi aktivitas zeolit. Agar peran zeolit dapat ditingkatkan perlu dilakukan aktivasi dan modifikasi. Selain untuk menghilangkan pengotor-pengotor yang terdapat pada zeolit alam, proses aktivasi zeolit juga ditujukan untuk memodifikasi sifat-sifat dari zeolit, seperti luas permukaan dan keasaman. Luas permukaan dan keasaman yang meningkat akan menyebabkan aktivitas katalitik dari zeolit meningkat. Salah satu kelebihan dari zeolit adalah memiliki luas permukaan dan keasaman yang mudah dimodifikasi (Hajar et al., 2016).

Katalis yang digunakan dalam proses hidrolisis pati umbi singkong karet menjadi glukosa adalah katalis homogen yang berupa HCl dan H2SO4 serta katalis heterogen yang berupa zeolit. Namun sebelum dibahas lebih lanjut, mari kita kenali terlebih dahulu apa itu katalis homogen dan heterogen. 

Katalis homogen merupakan katalis yang memiliki fase yang sama dengan reaktan dan produk yang dihasilkan, biasanya katalis ini berupa fase cair. Nah lalu katalis heterogen merupakan katalis yang memiliki fase berbeda dengan fase reaktan. Reaksi katalis homogen biasanya menggunakan katalis dari fase padat yang berinteraksi dengan fase gas atau cair.

Katalis homogen mempunyai keunggulan, yaitu tidak mudah teracuni oleh kotoran dan setiap molekul katalis berfungsi aktif sebagai katalis. Kerugian katalis homogen diantaranya sulit dipisahkan dari campurannya dan mudah terurai pada temperatur tinggi. Dibandingkan katalis homogen, katalis heterogen memiliki kelebihan diantaranya dapat dipisahkan dari campuran reaksi hanya dengan cara penyaringan, sehingga mudah diregenerasi. Katalis heterogen juga mempunyai kekurangan yaitu jika permukaan katalis telah jenuh oleh molekul reaktan, maka reaksi tidak dapat dilanjutkan. Kejenuhan katalis dapat diatasi dengan melakukan regenerasi (Purnami et al., 2015).

Beberapa artikel menyatakan bahwa katalis heterogen ini memiliki keuntungan dibandingkan dengan katalis heterogen, seperti katalis heterogen mudah dipisahkan dari produk reaksi, lebih tahan terhadap asam lemak bebas yang terkandung di dalam bahan baku, selain itu juga katalis heterogen dapat diregenerasi dan digunakan beberapa kali. Maka, pada artikel ini akan dilihat mana katalis yang paling baik untuk digunakan dalam proses hidrolisis. Jenis katalis heterogen yang banyak digunakan adalah zeolit, sedangkan jenis katalis homogen yang banyak digunakan adalah katalis asam seperti; HCl, H2SO4, dan HNO3 dan proses hidrolisis yang berlangsung dalam suasana asam menghasilkan pemecahan ikatan glikosida (Dewi et al., 2014).

Proses hidrolisis untuk katalis homogen dilakukan pada suhu 120 C dan volume 250 ml. Perolehan glukosa untuk katalis homogen diamati melalui variasi konsentrasi HCl (0,1; 0,15; 0,2; 0,25; dan 0,3 N), konsentrasi H2SO4 (0,1; 0,15; 0,2; 0,25; dan 0,3 N), dan waktu hidrolisis (45; 60; dan 75 menit). Proses dengan katalis heterogen dilakukan dengan rasio massa pati dan aquades (1:25), waktu 60 menit, dan suhu 120 C. Untuk katalis heterogen, perolehan glukosa diamati melalui variasi massa zeolit (1; 3; dan 6 gram). Jenis asam pengaktif adalah HCl dan H2SO4. Konsentrasi asam yang akan digunakan adalah konsentrasi asam optimum dari proses hidrolisis katalis homogen. Pengaktifan zeolit dilakukan dengan metode perendaman dalam asam dan pemanasan zeolit dengan asam pada suhu 50 C. 

Katalis homogen pada proses hidrolisis berpengaruh dalam meningkatnya jumlah glukosa yang dihasilkan, hal ini dapat dilihat pada hasil dari penggunaan HCl dan H2SO4 dengan konsentrasi sebesar 0,1 - 0,2 N menunjukkan peningkatan glukosa dimana kadar glukosa tertinggi tercapai pada 0,1 N. Pada penggunaan HCl glukosa dihasilkan sebanyak 23,53% dan pada penggunaan H2SO4 dihasilkan glukosa sebanyak 27,25%. Hal ini menjadikan H2SO4 lebih unggul untuk digunakan sebagai katalis homogen pada proses hidrolisis ini, dan ini terjadi karena H2SO4 memiliki ion H+ dengan jumlah yang lebih banyak daripada HCl. Semakin banyak ion H+ yang tersedia untuk memutuskan ikatan glikosidik makan semakin cepat juga reaksi yang terjadi (Juwita et al., 2012).

Gambar 2. Hubungan konsentrasi katalis dan kadar glukosa 

Pengujian juga dilakukan dengan pengaruh waktu, karena prinsipnya adalah semakin lama waktu hidrolisis maka semakin banyak juga produk yang dihasilkan (Dewi et al., 2014). Kadar glukosa meningkat mulai dari waktu 45 - 60 menit, setelah itu terjadi penurunan sampai pada menit ke-75. Produk yang dihasilkan tetap sama yaitu dengan penggunaan HCl glukosa yang dihasilkan sebesar 23,53% dan dengan penggunaan H2SO4 glukosa yang dihasilkan sebesar 27,25%. Maka dari pengujian tersebut dapat dikatakan bahwa katalis homogen dengan menggunakan H2SO4 lebih memberikan hasil yang optimal untuk perolehan glukosa.

Gambar 3. Hubungan waktu hidrolisis dan kadar glukosa 

Proses hidrolisis untuk katalis heterogen dilakukan melalui tahapan berikut. Larutan pati dan aquadest dengan perbandingan 1:25 sebanyak 100 ml dimasukkan ke dalam erlenmeyer 250 ml. Zeolit alam yang telah aktif ditambahkan sesuai dengan variabel dan diaduk sampai homogen. Erlenmeyer kemudian ditutup dengan aluminium foil dan dimasukkan ke dalam autoclave untuk proses hidrolisis. Proses hidrolisis dilakukan pada suhu 120 C dan dibiarkan selama 60 menit. Autoclave selanjutnya dimatikan dan didinginkan sampai suhu kamar (25-30 C). Erlenmeyer dikeluarkan dari autoclave dan dilakukan penyaringan untuk memisahkan filtrat (larutan hasil hidrolisis) dan sisa sampel yang tidak terhidrolisis. 

Lalu pada penggunaan katalis heterogen pada proses hidrolisis pengaruh yang terlihat adalah menurunnya jumlah kadar glukosa yang dihasilkan. Kinerja katalis zeolit yang telah diaktivasi dengan HCl 0.15 N dan H2SO4 0,15 N dengan menggunakan panas dan perendaman, Zeolit yang diaktifkan dengan menggunakan panas menghasilkan kadar glukosa yang lebih rendah daripada yang diaktifkan tanpa menggunakan panas. Pada massa zeolit yang sama (3 g) kadar glukosa tanpa pemanasan menghasilkan glukosa dengan kadar 14,13%, sedangkan dengan pemanasan menghasilkan glukosa dengan kadar 1,78%. Sama halnya pada penggunaan H2SO4, kadar glukosa dengan perendaman menghasilkan glukosa dengan kadar 12,58%, sedangkan dengan pemanasan menghasilkan glukosa dengan kadar 4,42%. Hal tersebut disebabkan karena panas yang diberikan untuk aktivasi zeolit tidak stabil sehingga tidak seluruh porositas zeolit teraktivasi (Dewi et al., 2014). 

Aktivasi zeolit kadar glukosa melalui perendaman HCl ini memiliki tujuan menghilangkan logam pengotor dan material lain yang terdapat pada pori zeolit mengakibatkan zeolit kaya akan hidrogen (zeolit-H) dan atom H mudah tertukar dengan kation lain. Hal tersebut akan mengurangi jumlah alumunium di kerangka maupun di permukaan pori sehingga terbukanya pori zeolit yang tertutupi oleh pengotor organik dan luas permukaan zeolit akan semakin meningkat (Nurhayati and Utomo, 2016).

Gambar 4. Hubungan massa katalis zeolit (aktivasi HCl) terhadap kadar glukosa 

Kadar glukosa yang dihasilkan oleh zeolit yang diaktifkan dengan H2SO4 sama dengan menggunakan HCl. Kadar maksimum glukosa pada penggunaan massa zeolit 3 g menghasilkan sebesar 12,58%, kadar glukosa yang dihasilkan dengan menggunakan H2SO4 lebih rendah dari yang dihasilkan oleh zeolit yang diaktifkan dengan HCl. Hal tersebut disebabkan molekul H2SO4 lebih besar dari pada molekul HCl sehingga tidak semua molekul H2SO4 dapat menempati pori yang terdapat pada zeolit dan mengakibatkan aktivasi zeolit tidak sempurna. Penurunan yang terjadi juga dapat disebabkan suhu yang tidak stabil selama proses hidrolisis, karena suhu dapat membawa dampak yang lebih signifikan dibandingkan dengan dampak yang dibawa oleh katalis. 

Gambar 5. Hubungan massa katalis zeolit (aktivasi H2SO4) terhadap kadar glukosa 

Setelah dilihat dari hasil penelitian yang telah penulis lakukan dapat dilihat bahwa reaksi hidrolisis tanpa katalis memberikan kadar glukosa yang rendah yaitu 2,73%. Hal ini disebabkan waktu yang dibutuhkan untuk melewati energi aktivasi lebih lama. Penggunaan katalis, mengurangi energi aktivasi sehingga reaksi dapat berlangsung lebih cepat dan kadar glukosa lebih tinggi. Pada prinsipnya, hidrolisis pati adalah pemutusan rantai polimer pati menjadi unit-unit glukosa (C6H12O6) (Muin et al., 2014). Proses ini berlangsung lambat sehingga dibutuhkan katalis untuk mempercepat reaksinya. 

Melalui pembahasan diatas, dapat dikatakan bahwa peranan katalis pada bidang industri pertanian cukup penting untuk digunakan karena dapat mempengaruhi proses untuk menghasilkan produk lebih efisien, mengurangi peningkatan pencemaran limbah organik, dan pemanfaatan energi lebih efisien untuk mengurangi bahan-bahan yang tidak terlalu dibutuhkan. Peranan katalis ini dapat dilihat pada salah satu artikel penelitian yang berjudul "Penggunaan Katalis Homogen dan Heterogen pada Proses Hidrolisis Pati Umbi Singkong Karet Menjadi Glukosa", dalam penelitian tersebut dijelaskan Katalis yang digunakan dalam proses hidrolisis pati umbi singkong karet menjadi glukosa adalah katalis homogen yang berupa HCl dan H2SO4 serta katalis heterogen yang berupa zeolit. Konsentrasi dan waktu hidrolisis pati singkong karet mempengaruhi perolehan glukosa pada penggunaan jenis katalis homogen (H2SO4 dan HCl). Kadar glukosa tertinggi diperoleh pada konsentrasi H2SO4 0,15 N dan waktu 60 menit dengan hasil sebesar 27,25%. Kadar glukosa yang diperoleh dengan menggunakan katalis heterogen (zeolit) yang diaktivasi dengan menggunakan panas lebih rendah daripada zeolit yang diaktifkan dengan perendaman. Zeolit yang diaktivasi dengan HCl dan perendaman menghasilkan kadar glukosa lebih tinggi (14,13%) dari pada zeolit yang diaktifkan dengan H2SO4 (12,58%). dimana katalis homogen H2SO4 dianggap sebagai katalis yang menghasilkan kondisi optimal untuk perolehan glukosa, dan katalis heterogen berupa zeolit yang diaktivasi oleh HCl dan perendaman menjadi alternatif efektif untuk proses hidrolisis.

Daftar Rujukan

Dewi, T.K., Monica, N., Novalita, S. (2014). Pembuatan bioetanol dari keladi liar melalui hidrolisis dengan katalis asam klorida dan fermentasi. Jurnal Teknik Kimia. 

Juwita, R., Syarif, L.R., Tuhuloula, A. (2012). Pengaruh jenis dan konsentrasi katalisator asam terhadap sintesis furfural dari sekam padi. Konversi 1. 

Lestari, D.Y., (2010). Kajian modifikasi dan karakterisasi zeolit alam dari berbagai negara, in: Prosiding Seminar Nasional Kimia Dan Pendidikan Kimia 

Praputri, E., Sundari, E., dkk. (2018) Penggunaan katalis homogen dan heterogen pada proses hidrolisis pati umbi singkong karet menjadi glukosa. Jurnal Litbang Industri, 105-110 

Purnami, P., Wardana, I., K, V., (2015). Pengaruh pengunaan katalis terhadap laju dan efisiensi pembentukan hidrogen. J. Rekayasa Mesin 6, 51--59. 

Minarni, N., Ismuyanto, B., Sutrisno, (2013). Pembuatan bioetanol dengan bantuan Saccharomyces cerevisiae dari glukosa hasil hidrolisis biji durian (Durio zhibetinus). 

Muin, R., Lestari, D., Sari, T.W., (2014). Pengaruh konsentrasi asam sulfat dan waktu fermentasi terhadap kadar bioetanol yang dihasilkan dari biji alpukat. J. Tek. Kim. 20, 1--7. 

Nurhayati, N.D., Utomo, S.B. (2016). Modifikasi zeolit alam sebagai katalis melalui pengembangan logam tembaga, in: Seminar Nasional Kimia Dan Pendidikan Kimia VIII. pp. 222-226