Prarancangan Pabrik Pulp dari Corn Stover (Jerami jagung) dengan Proses Organosolv

Industri pulp dan kertas di Indonesia telah lama dikembangkan untuk  memenuhi kebutuhan kertas dalam masyarakat. Perubahan gaya hidup serta penyesuaian akan perkembangan zaman menyebabkan penggunaan kertas terus meningkat, baik kertas untuk kebutuhan tulis/cetak maupun kebutuhan kertas untuk sanitasi, makanan/minuman dan penunjang gaya hidup lainnya. Di Indonesia kebutuhan kertas pada tahun 1997 mencapai 3 juta ton, dan diproyeksikan permintaan kertas setiap tahunnya meningkat sekitar 25 persen.Guna menunjang kebutuhan pulp dan kertas yang semakin meningkat maka pabrik kertas di Indonesia perlu ditingkatkan baik kualitas maupun kuantitasnya. Peningkatan kuantitas kertas tentunya diiringi dengan peningkatan kebutuhan akan bahan baku dan bahan tambahan lainnya. Permintaan terhadap kertas yang begitu tinggi inilah yang sempat menimbulkan kekhawatiran terhadap masalah pelestarian hutan kayu sebagai bahan baku pembuatan kertas. Selama ini, pembuatan kertas lebih banyak menggunakan pulp yang berasal dari bahan baku kayu.

Perkembangan teknologi yang pesat dalam sektor industri menyebabkan munculnya berbagai industri yang tujuannya adalah untuk memproduksi dan mengolah bahan (yang bisa dimanfaatkan) menjadi bahan yang lebih ekonomis dan bernilai tinggi. Sejumlah hasil penelitian memperlihatkan adanya alternatif bahan baku bukan kayu yang dapat digunakan untuk pembuatan kertas. Diantaranya tandan kelapa sawit, beberapa jenis tanaman kelompok rumput-rumputan, serta sampah atau limbah pertanian. Limbah pertanian dengan kandungan selulosa tinggi telah banyak digunakan sebagai bahan baku kertas.

Berbagai pelarut organik seperti alkohol, amina, dan keton serta asam, telah dipakai untuk melakukan fraksiona si lignoselulosa. Me dia asam asetat dengan atau tanpa bantuan katalis diketahui telah dapat memisahkan secara selektif selulosa, hemiselulosa dan lignin dari berbagai biomassa seperti jerami, ampas tebu, kayu lunak dan kayu keras (Auda, 2000).

Pembuatan pulp dengan memakai pelarut asam asetat dan alkohol (etanol) diharapkan dapat menghasilkan perolehan pulp yang memiliki kandungan lignin rendah dan kandungan selulosa tinggi. Pengoptimalan proses pembuatan pulp dapat dilakukan dengan memperhatikan kedua reaksi yang mungkin terjadi yaitu reaksi delignifikasi dan degradasi polisakarida (Kin, 1990).

Jenis – Jenis Proses

1. Proses Mekanik

Proses mekanik digunakan pada pembuatan kertas tingkat rendah yang memiliki stabilitas warna rendah, seperti koran, kertas pembungkus dan kertas karton. Pelepasan serat pada proses me kanis dilakukan dengan penggerindaan dan penggerusan.
Beberapa cara pembuatan pulp secara mekanis adalah:

1. Stone Ground Wood Pulping (SGP) : Pada proses ini digunakan batu gerinda untuk menguraikan bahan baku. Bahan baku kayu digiling dan disemprotkan air. Rendemen yang diperoleh antara 93-98%. Kekuatan dan derajat putih pulp yang dihasilkan rendah. Energi dan air yang diperlukan cukup banyak.
2. Refiner Mechanical Pulping (RMP) : Proses ini menggunakan penggilingan dengan cakram untuk menguraikan bahan baku. Bahan baku utama yang digunakan adalah kayu jarum karena sifat fisik yang dihasilkan lebih baik dibandingkan pulp kayu asah, sedangkan energi yang digunakan lebih rendah jika dibandingkan dengan proses SGP.
3. Thermo Mechanical Pulping (TMP) : Proses ini juga menggunakan penggilingan dengan cakram untuk menguraikan bahan baku. Namun, perbedaan TMP dengan RMP adalah adanya proses pemanasan sebelum penggilingan sehingga ikatan-ikatan yang dibentuk lignin dilemahkan. Proses ini menyebabkan jumlah serat panjang lebih banyak sehingga memiliki kekuatan yang lebih besar. Perlakuan awal dengan pemanasan pada suhu tinggi menyebabkan komponen lignin menjadi lunak, serta komponen yang mudah larut dalam air dan mudah menguap hilang.
4. Chemical Thermo Mechanical Pulping (CTMP) : Proses ini adalah pengembangan da ri proses TMP. Pada proses ini, perlakuan awal yang diberikan selain pemanasan adalah perlakuan kimiawi yang diharapkan dapat lebih mudah menghilangkan lignin. Rendemen yang dihasilkan lebih rendah dari proses mekanik biasa tetapi menghasilkan pulp yang memiliki sifat fisik yang lebih baik. Fraksi serat panjang yang dihasilkan lebih banyak dari pulp yang berasal dari proses mekanik lainnya.

2. Proses Semi Kimia

Proses ini merupakan gabungan dari proses mekanik dan proses kimia. Tahap awal dari proses ini adalah pengolahan bahan baku dengan menggunakan bahan kimia untuk memutuskan ikatan lignin, selulosa, kemudian dilanjutkan dengan pengolahan kimia. Contoh pros es ini adalah proses pemasakan pulp dengan menggunakan Na2SO3 yang mengandung larutan buffer untuk menetralkan asam-asam organik yang terbentuk pada pemanasan sampai 120 oC atau lebih. Fungsi buffer adalah untuk mencegah korosi, menaikkan rendemen dan mengurangi waktu pemasakan. Contoh buffer adalah campuran NaOH dengan Na2CO3 atau Na2S dengan Na2 SO4 . Buffer yang sering digunakan adalah NaHCO3 karena menghasilkan pulp dengan warna yang lebih baik dan dengan pemakaian bahan kimia yang lebih sedikit. Proses semi kimia yang lain adalah proses alkali dingin yaitu perendeman bahan baku dalam larutan NaOH pada suhu kamar dan tekanan atmosfer. Brightness kertas yang dihasilkan lebih rendah jika dibandingkan dengan proses netral sulfit.

3. Proses Kimia

Pembuatan pulp dengan proses kimia adalah proses untuk merusak dan melarutkan zat pengikat serat yang terdiri dari lignin, pentosa dan lainnya dengan menggunakan bahan-bahan kimia. Proses untuk merusak dan melarutkan ini umum disebut sebagai proses pemasakan. Proses pemasakan bahan baku dengan larutan kimia dilakukan dalam reaktor yang disebut sebagai digester. Selama pemasakan berlangsung, lignin bereaksi dengan larutan kimia pemasak dan membentuk senyawa-senyawa terlarut yang mudah dicuci. Namun karena kesamaan sifat fisik dan kimia dari selulosa dan lignin, sebagian selulosa ikut bereaksi juga, sehingga dapat menurunkan rendemen pulp yang dihasilkan.

Berdasarkan bahan kimia yang digunakan untuk pemasakan, pembuatan pulp dengan proses kimia dapat dibedakan menjadi tiga macam, yaitu:

1. Proses Sulfat

Pada proses sulfat, larutan pemasak yang digunakan adalah sodium hidroxide dan sodium sulfite. Sodium sulfite dihasilkan dari reduksi sulfat selama proses pembakaran dengan reaksi:

Na2 SO4+ 2C → Na2 S + 2CO2

Sodium hidroxide dihasilkan dari hidrolisis sodium sulfite di dalam air dengan
reaksi:

Na2 S + H2O ↔ NaOH + NaHS

NaHS berfungsi sebagai buffer dan mengurangi efek degradasi selulosa oleh NaOH. NaHS dapat bereaksi dengan lignin menghasilkan thio-lignin yang mudah larut dalam alkali sehingga pemasakan dapat berlangsung lebih singkat dan temperatur dapat diturunkan sekitar 160-170 0C. Serat yang dihasilkan sangat baik tetapi memiliki warna yang jelek, sehingga proses ini digunakan untuk membuat kertas berkekuatan tinggi seperti kantong semen dan kertas bungkus.

Proses sulfat memakai alkali aktif dan sulfiditas sebagai bahan pemasak, sebagai bahan baku hampir semua jenis kayu dan non kayu baik kayu lunak maupun kayu keras. Pulp yang dihasilkan berwarna coklat dan mempunyai kekuatan fisik yang tinggi sehingga biasanya digunakan untuk pembuatan kertas semen, kertas bungkus dan kertas liner, dan mudah diputihkan ( bleaching ). Tabel berikut ini merupakan keuntungan dan kerugian proses sulfat.

2. Proses Sulfit.

Proses ini menggunakan bahan kimia aktif, yaitu asam sulfit, kalsium bisulfit, sulfur dioksida yang dinyatakan dalam larutan Ca(HSO3)2 dengan H2SO3 berlebih. Bahan baku yang digunakan biasanya kayu lunak dan larutan pemasak SO2 dan Ca(HCO3)2.
Reaksi pembuatan larutan pemasak adalah:
S + O2 —-> SO2
2SO2 + H2 O + CaCO3 —–> Ca(HSO3)2 + CO2

Lignin yang terikat pada selulosa akan bereaksi dengan larutan Ca(HSO3)2 membentuk lignin sulfonat dengan reaksi sebagai berikut:

Ca(HSO3)2 ——> Ca 2+ + 2HSO3-
Lignin + HSO 3- —-> SO2+ Lignin-OH
Lignin-OH + HSO3 —>  Lignin-SO3 + H2O

Pulp yang dihasilkan dari proses sulfit baik untuk pembuatan kertas tissue dan kertas-kertas cetak bermutu.
Beberapa keuntungan pulp sulfit adalah:

1. Rendemen yang lebih tinggi pada bilangan kappa tertentu, yang melibatkan kebutuhan kayu yang rendah;
2. Derajat putih pulp yang tidak dikelantang lebih tinggi; dan
3. Persoalan pencemaran sedikit.

Cara ini sudah sangat jarang dipakai, karena biayanya yang terlalu mahal (Anonymous, 2002).

3. Proses Soda (NaOH)

Proses ini digunakan untuk bahan baku non kayu seperti bagasse, jerami, damen dan jenis rumput-rumputan yang lain. Larutan pemasak yang digunakan adalah NaOH sebanyak 18-35% berat bahan baku kering. Degradasi selulosa oleh larutan NaOH pekat dapat terjadi pada suhu di atas 100 0C. Semakin tinggi temperatur pemasakan maka perbandingan jumlah selulosa yang hilang akan lebih banyak daripada lignin yang hilang. Beberapa hal yang berpangaruh pada proses soda adalah:

a. Perbandingan cairan pemasak terhadap bahan baku yang digunakan.

Kekurangan bahan kimia atau laru tan pemasak menyebabkan pulp berwarna gelap dan sukar diputihkan pada tahap bleaching . Namun, bahan pemasak yang berlebihan dapat menurunkan rendemen dengan terjadinyadegradasi serat-serat selulosa.

b. Waktu dan temperatur pemasakan.

Bila waktu pemasakan terlalu lama maka selulosa juga akan larut dalam jumlah besar. Jika temperatur terlalu tinggi, jumlah karbohidrat yang terdegradasi akan lebih besar daripada lignin yang terlarut sehingga akan menurunkan rendemen dan kekentalan pulp.

4. Proses Organosolv

Pembuatan biomassa secara efisien dapat dilakukan dengan menerapkan konsep ”biomass refining ” yaitu pemrosesan dengan menggunakan pelarut organik ( organosolve process ). Prinsipnya adalah melakukan fraksionasi biomassa menjadi komponen-komponen utama penyusunnya (selulosa, hemiselulosa, dan lignin) tanpa banyak merusak ataupun mengubahnya, serta dapat diolah lebih lanjut menjadi produk yang dapat dipasarkan. Fraksionasi biomassa menggunakan pelarut organik yang telah menjadi suatu metode alternatif bagi proses-proses konvensional dalam pembuatan pulp, yang lebih dikenal dengan organosolve pulping.

Kelebihan dari proses organosolv dibandingkan dengan proses  konvensional adalah:

1. Berdampak kecil bagi lingkungan, yaitu tidak menyebabkan timbulnya pencemaran seperti gas-gas berbau yang disebabkan oleh belerang;
2. Cairan pemasak (pelarut organik) bekas dapat digunakan kembali setelah dimurnikan terlebih dahulu; dan
3. Produk samping mempunyai daya jual seperti glukosa, pentosa, fulfural, adhesiv serta bahan-bahan kimia.

4. Proses Bioteknologi

Peningkatan kualitas kayu yang menyangkut modifikasi biokimia kayu  sangat berkaitan erat dengan usaha-usaha dalam memodifikasi kandungan lignin dalam kayu. Lignin bersama-sama dengan selulosa merupakan suatu komponen penting pada tumbuhan-tumbuhan berpembuluh dan dapat ditemukan dalam jumlah yang besar pada dinding sel sekunder, serat dan pembuluh angkut xilem.

Fungsi lignin dalam tumbuhan selain sebagai penunjang mekanik (mecanical support) juga sangat penting dalam membantu pertahanan tumbuhan terhadap patogen. Untuk kepentingan industri ada dua kemungkinan berlawanan yang  menyangkut modifikasi kandungan lignin dalam kayu. Pertama, bila kayu yang diproduksi diperlukan untuk penghasil energi, maka kandungan lignin perlu ditingkatkan karena secara kimia lignin mengandung energi yang banyak  bila dibandingkan dengan komponen-komponen kayu lainnya. Kedua, bila kayu yang diproduksi diperlukan sebagai bahan baku kertas dan pulp, maka kandungan lignin di dalam kayu perlu dikurangi karena dalam pembuatan kertas dan pulp yang diperlukan hanyalah selulosa. Jadi untuk keperluan ini bioteknologi dapat digunakan dalam usaha meningkatkan kandungan selulosa dan mengurangi kandungan lignin dalam kayu tanpa melewati batas-batas fungsi kedua senyawa tersebut. Pengurangan kandungan lignin dalam kayu juga dapat memberikan dampak positif terhadap lingkungan, yakni dapat mengurangi kadar polutan kimia yang dihasilkan dari proses pembuangan lignin selama proses pembuatan kertas dan pulp. Modifikasi kandungan lignin dalam kayu dapat dilakukan melalui pengontrolan enzim-enzim yang terlibat dalam jalur biosintesis lignin. Karena enzim merupakan produk dari gen, maka modifikasi kandungan lignin ini dapat dilakukan melalui modifikasi gen secara rekayasa genetik. Modifikasi gen ini tidak hanya berpengaruh terhadap kuantitas lignin saja, melainkan juga terhadap komposisi dan lokalisasi lignin di dalam kayu.

Mikroorganisme yang terdiri atas sejumlah mikroba membantu proses pelapukan sehingga sampah alam itu terurai, kembali menjadi tanah berupa humus. Hasil kerja mikroorganisma yang sempurna tak menghasilkan polusi  tersebut memberi inspirasi pada para ilmuwan kita untuk memanfaatkannya dalam sektor industri. Industri kertas dan pulp terkenal dengan limbahnya yang sulit diatasi. Limbah ini berasal dari bahan kimia seperti soda api, sulfit dan garam sulfida dalam proses penghilangan kandungan lignin. Bahan kimia inilah yang dianggap sebagai sumber pencemaran lingkungan. Proses penggunaan sulfur mencemari udara dan sudah dilarang di se jumlah negara maju seperti Jerman. Di Indonesia tidak semua pabrik kertas mempunyai unit pulping karena diisyaratkan harus mempunyai pengolahan limbah yang investasinya lebih dari 20 persen dari nilai investasi,” ujar Ba mbang Prasetya dalam orasi pengukuhannya  sebagai Ahli Peneliti Utama (APU) Bidang Konversi Biomassa di Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI), Jakarta, pekan silam.  Pengolahan pulp yang ideal adalah biopulping, yakni mengolah pulp  dengan menggunakan bantuan mikroba. Bambang menjelaskan, manfaat biopulping yang menonjol adalah penghematan energi dan pengurangan pemakaian bahan kimia. Proses pembuata n bubur kayu alias pulp dan kertas biasa dilakukan dengan memasak serpihan kayu, jerami atau ampas tebu. Semuanya menggunakan bahan kimia. Tujuan proses ini untuk memisahkan komponen lignin. Dalam biopulping, bahan-bahan kimia tadi digantikan oleh sejenis mikroba yang bisa mengeluarkan enzim dan mendegradasi lignin. Mikroba ini adalah golongan jamur atau fungi pelapuk kayu yang banyak dijumpai di alam bebas. Bahan pemutih kertas yang selama ini menggunakan bahan kimia seperti chlorite dan hydrogen peroksida dapat digantikan dengan enzim-enzim yang dikeluarkan oleh fungi pelapuk. Beberapa enzim yang sangat dikenal untuk menguraikan lignin adalah manganese peroksidase, laccase dan lignin peroksidase.

5 Delignifikasi Oksigen

Delignifikasi oksigen merupakan salah satu aplikasi industri pulp dan kertas dalam melakukan bleaching (pemutihan) pulp selama beberapa tahun  terakhir ini. Keuntungan dari proses ini adalah pelestarian lingkungan. Proses delignifikasi oksigen biasanya dilakukan selama 15 sampai 90 menit di bawah tekanan 400-1.000 kPa dan pada suhu 90-110°C. Kondisi operasi delignifikasi oksigen dapat dilihat pada tabel berikut.

Berkurangnya kandungan lignin dalam biomassa menunjukkan terjadinya proses delignifikasi selama pemrosesan dilakukan. Kandungan lignin dalam pulp untuk proses-proses komersil secara sederhana dan cepat diperkirakan dengan Bilangan Kappa, yang berkorelasi dengan lignin Klason atau kandungan lignin total dalam pulp. Besarnya nilai ko relasi Bilangan Kappa dengan kandungan lignin dalam pulp bervariasi menurut biomassa dan proses yang digunakan. Bilangan kappa dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

Bilangan kappa x 0.15% = % lignin dalam pulp