Selulosa — Kimia Biomasa

7 Apr

catatan kuliah Kimia Biomasa — Denny Irawati, S.Hut

Selulosa (C6H10O5)n

  • Disusun oleh 1 jenis monomer (homopolisakarida), yaitu glukosa
  • Ikatan yang terbentuk adalah ikatan glikosida beta (1-4)
  • Terdiri dari rantai lurus dan tidak bercabang, struktur pita rata yang memungkinkan adanya pengelompokan sangat rapat dan pembentukan hydrogen intermolekuler.
  • Memiliki derajat polimerisasi 8000-15000, dengan panjang polimer 0,25-5 mikron
  • Berat molekul selulosa 50000-2,5 juta, sama dengan kelipatan berat molekul glukosa yang kelipatannya tergantung derajat polimerisasi selulosa.
  • Unit pengulangan terkecil selulosa disebut cellobiosa yang terdiri dari 2 monomer glukosa. Ikatan cellobiosa adalah glukopiranosa beta (1-4).

Biosintesis selulosa

  • Bahan baku: uridin di-phosphate glucose (UDP-Glukosa) yang merupakan molekul glukosa berenergi tinggi.
  • Bahan baku tersebut didapat dari pemecahan sukrosa atau glukosa secara langsung, terjadi di sitoplasma.
  • Enzim yang berperan dalam biosintesis tersebut adalah sintase sukrase, heksokinase, fosfoglukomutase, UDP-glukopirofosforilase.
  • Enzim TCS mengkatalis reaksi pemutusan glukosa dari UDP-glukosa dan penggabungan glukosa menjadi rantai selulosa yang tumbuh pada sisi luar membran sel. Polimerisasi diikuti dengan pembentukan ikatan hydrogen.
  • Skema: Glukosa -> selulosa -> mikrofibril -> makrofibril -> dinding sel

Pola susunan selulosa dalam dinding sel:

1 selulosa -> bergabung -> 1 misel (100 selulosa) -> bergabung -> 1 mikrofibril (20 misel) -> bergabung -> 1 makrofibril (250 mikrofibril) -> bergabung -> 1 dinding sel (4000 makrofibril)

Sumber selulosa

  • Serat rambut biji, ex: kapas, kapuk
  • Serat batang, ex: jute, kenaf, dll.
  • Serat daun, ex: pandan, palem, dll.
  • Serat buah, ex: sabut kelapa
  • Serat kayu, ex: trakeid, serabut

Tipe selulosa:

  • Selulosa murni
  • Selulosa alam
  • Selulosa komersial/teknis (pulp)
  • Selulosa laboratoris (holoselulosa, Cross-Bevan, alfa, beta, gama selulosa)

Selulosa murni

  • Kadar alfa selulosa 97-99%
  • Ex: serat kapas, rami, lenan
  • Cara memperoleh:
  1. Ekstraksi dengan pelarut organic
  2. Perlakuan alkali encer
  3. Perlakuan hipoklorit

Selulosa alam

  • Kadar alfa selulosa 45-50%
  • Ex: kayu
  • Masih mengandung polisakarida lain (non-selulosa)

Selulosa komersial/teknis

  • Kadar alfa selulosa 90-95%
  • Pemisahan dilakukan secara komersial
  • Rantai selulosa pendek

Selulosa laboratoris

  • Memperoleh holoselulosa (SBE)
  • Perlakuan klor, ekstraksi alcohol
  • Perlakuan klor, ekstraksi alkali
  • Perlakuan NaClO2 diasamkan

Selulosa Cross-Bevan

Alfa, beta, gamma selulosa

  1. Holoselulosa + NaOH 17,5% -> alfa selulosa + larutan A
  2. Larutan A + CH3COOH -> beta selulosa + larutan B
  3. Larutan B + … -> gamma selulosa

Struktur fisik selulosa

  • Panjang 500-1000 angstrom
  • Memiliki 2 struktur dalam 1 rantai yang sama, yaitu kristalin dan amorf.
  • Struktur amorf lebih banyak daripada struktur kristalin dan terdiri dari materi non-selulosa juga (lignin dan hemiselulosa), serta umumnya ditemukan pada selulosa muda pada umur 12 hari.

Struktur kristalin

  1. Lurus
  2. Kekuatan tarik maksimal 15 kali struktur amorf
  3. Kaku
  4. Sulit dihidrolisis

Struktur amorf

  1. Keriting
  2. Kekuatan tarik rendah
  3. Lentur
  4. Mudah dihidrolisis

Sifat Kimia Selulosa

  • penting untuk diketahui sebab untuk membuat derivat/turunan selulosa
  • mudah berubah karena pengaruh: panas, cahaya, udara, dan asam
  • sifat kimia selulosa yang penting: struktur kimia molekul selulosa, panjang rantai selulosa, berat molekul selulosa
  • unit penyusun molekul selulosa: beta-D-glukosa / beta-D-glukopiranosa
  • DP (derajat polimerisasi) -> panjang molekul selulosa -> jumlah molekul glukosa yang membentuk molekul selulosa
  • unit pengulangan terkecil selulosa : SELOBIOSA (2 glukosa)
  • tiap unit glukosa dalam selulosa terdapat 3 gugus hidroksil / alkohol (-OH) -> gugus hidroksil sekunder di C-2, C-3 -> gugus hidroksil primer di C-1 -> menyebabkan sifat hidrofilik/higroskopis
  • tiap unit glukosa dalam selulosa mengandung gugus karboksil (-COOH) yang menyebabkan selulosa bereaksi asam

Ikatan Selulosa: ikatan hidrogen -> gaya tarik-menarik -OH atau -NH dan pasangan elektron yang tidak terikat dari atom oksigen/nitrogen.

  • intramolekuler: OH grup dalam 1 rantai selulosa yang sama (gugus hidroksil sekunder)
  • intermolekuler: OH grup ke rantai yang lain (gugus hidroksil primer)

Panjang rantai dan berat molekul

  • memiliki hubungan yang berkorelasi positif
  • DP = berat molekul selulosa / berat molekul glukosa
  • berat molekul glukosa: 162
  • DP: semakin panjang -> tahan panas, serangan biologi

Cara mengukur DP selulosa:

  1. difraksi sinar X
  2. viskositas
  3. ultrasentrifugasi
  4. penentuan gugus ujung/akhir

Ujung-ujung rantai selulosa:

  • ujung non-pereduksi (alkoholik)
  • ujung pereduksi (aldehid)

Degradasi Selulosa

  1. pengurangan DP
  2. meningkatnya daya reduksi dan timbulnya gugus reaktif -> -COOH (karboksil) -> -CO- (karbonil)
  3. penyebab degradasi: hidrolisis (asam), oksidasi, panas, mikrobiologi, mekanis

Cara menentukan tingkat degradasi:

  1. pengukuran viskositas
  2. pengukuran bilangan tembaga
  3. pengukuran kelarutan dalam alkali

Bilangan tembaga: jumlah miligram Cu dari Cu(OH)2 yang direduksi menjadi CuO oleh 100 gram selulosa dengan medium alkalis

Kelarutan selulosa dalam alkali (NaOH 1%): kelarutan tinggi -> banyak terdegradasi; kelarutan rendah -> belum terdegradasi

Hidrolisis asam selulosa dipengaruhi:

  1. medium: jenis, konsentrasi, pH, kekuatan asam, suhu, tekanan
  2. kondisi selulosa: keadaan fasa, struktur fisik, aksesibilitas, pengaruh konformasi, struktur cincin dan substituen

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: