BAB IITINJAUAN PUSTAKA

II.1. GlukosaGlukosa adalah salah satu monosakarida sederhana yang mempunyai rumus molekul C6H12O6. Kata glukosa diambil dari bahasa Yunani yaitu glukus () yang berarti manis, karena memang nyata bahwa glukosa mempunyai rasa manis. Nama lain dari glukosa antara lain dekstrosa, D-glukosa, atau gula buah karena glukosa banyak terdapat pada buah-buahan. Glukosa merupakan suatu aldoheksosa yang mempunyai sifat dapat memutar cahaya terpolarisasi ke arah kanan (Jing Qi, 2008).

Gambar II.1.1 struktur tiga dan dua dimensi glukosa

Di alam, glukosa dihasilkan dari reaksi antara karbondioksida dan air dengan bantuan sinar matahari dan klorofil dalam daun. Proses ini disebut fotosintesis dan glukosa yng terbentuk terus digunakan utuk pembentukan amilum atau selulosa.6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2Amilum terbentuk dari glukosa dengan jalan penggabungan molekul-molekul glukosa yang membentuk rantai lurus maupun bercabang dengan melepaskan molekul air.nC6H12O6(C6H10O5)n+nH2OGlukosa rantai terbuka mempunyai enam rantai karbon, dari C1 sampai C6. Pada C1 terdapat gugus fungsi aldehida, sedangkan C yang lain mengikat gugus hidroksi dan atom hidrogen. Gugus hidroksi pada C2, C4, dan C5 harus berada di sebelah kanan, sedangkan gugus hidroksi pada C3 harus di sebelah kiri. Penyusunan struktur glukosa yang demikian dinamakan proyeksi Fischer.

Gambar II.1.2 Bentuk rantai D-glukosa

Glukosa merupakan sumber tenaga yang terdapat di mana-mana dalam biologi. Kita dapat menduga alasan mengapa glukosa, dan bukan monosakarida lain seperti fruktosa, begitu banyak digunakan. Glukosa dapat dibentuk dari formaldehida pada keadaan abiotik, sehingga akan mudah tersedia bagi sistem biokimia primitif. Hal yang lebih penting bagi organisme tingkat atas adalah kecenderungan glukosa, dibandingkan dengan gula heksosa lainnya, yang tidak mudah bereaksi secara nonspesifik dengan gugus amino suatu protein.

Gambar II.1.3 Proyeksi Haworth struktur glukosa

Berdasarkan bentuknya, molekul glukosa dapat dibedakan menjadi 2 jenis yaitu molekul D-Glukosa dan L-Glukosa. Faktor yang menjadi penentu dari bentuk glukosa ini adalah posisi gugus hidrogen (-H) dan alkohol (OH) dalam struktur molekulnya. Glukosa yang berada dalam bentuk molekul D & L-Glukosa dapat dimanfaatkan oleh sistim tumbuh-tumbuhan, sedangkan sistim tubuh manusia hanya dapat memanfaatkan DGlukosa. Glukosa juga akan berperan sebagai sumber energi utama bagi kerja otak. Melalui proses oksidasi yang terjadi di dalam sel-sel tubuh, glukosa kemudian akan digunakan untuk mensintesis molekul ATP (adenosine triphosphate) yang merupakan molukel molekul dasar penghasil energi di dalam tubuh. , proses metabolisme glukosa akan berlangsung melalui 2 mekanisme utama yaitu melalui proses anaerobik dan proses aerobic.

II.2 HMF (Hydroxymethylfulfural)Glukosa dapat terbentuk melalui proses hidrolisis sellulosa, kemudian glukosa mengalami dehidrasi lebih lanjut dan membentuk HMF (Hydroxymethylfulfural).HMF (Hydroxymethylfulfural) senyawa organik yang berasal dari dehidrasi gula tertentu. HMF, yang berasal dari heksosa , merupakan potensi " karbon netral "bahan baku untuk bahan bakar dan bahan kimia. Molekul HMF terdiri dari cincin furan yang memiliki gugus fungsi aldehid dan alkohol. HMF atau yang memiliki nama IUPAC 5-HydroxyMethyl-2-Furaldehyde juga dapat diperoleh dari selulosa tanpa proses fermentasi, yang merupakan bahan baku untuk bahan bakar dan bahan kimia lainnya (Nathan, 2002).

Gambar II.2.1 Struktur Molekul HMF

II.2.1 Produksi HMF Terkait dengan produksi furfural , HMF diproduksi dari gula . Hal ini muncul melalui dehidrasi fruktosa . Perlakuan fruktosa dengan asam diikuti dengan ekstraksi cair-cair dalam pelarut organik seperti metil isobutil keton . Konversi dipengaruhi oleh berbagai aditif seperti DMSO , 2-butanol , dan polivinil pirolidon , yang meminimalkan pembentukan produk samping . Cairan ionik memfasilitasi konversi fruktosa ke HMF (Samuel,1962).

Gambar II.2.1 Pembentukan HMFPada gambar di atas ditampilkan dalam serangkaian kesetimbangan kimia : fructopyranose 1, fructofuranose 2, dua tahap menengah dehidrasi (tidak terisolasi) 3,4 dan akhirnya HMF 5. Chromous klorida mengkatalisis konversi dari fruktosa (yield 90% ) dan glukosa (yield 70%) menjadi HMF. Selulosa juga dapat dikonversi menjadi HMF (yield 55% pada kemurnian 96%), dalam proses yang keluar melalui intermediasi glukosa dan fruktosa (Samuel,1962).HMF yang dibentuk dari dehidrasi heksosa, pertama kali muncul pada abad-19. HMF sangat berguna tidak hanya dalam pembentukan dimetilfuran (DMF) dan molekul lainnya tetapi juga untuk molekul lain seperti asam levulenat, asam 2,5-furandikarboksilat (FDA), 2,5-diformilfuran (DFF), dihidroksilmetilfurat dan asam 5-hidroksi-4-keto-2-pentonat (Samuel,1962).

Gambar II.2.2 Berbagai Senyawa Kimia Lain dari HMF

II.2.2 Penggunaan HMF (Hydroxymethylulfural)HMF dapat dikonversi ke 2,5-dimethylfuran (DMF), yang merupakan biofuel cair yang dengan cara tertentu lebih unggul daripada etanol. Oksidasi dari HMF juga memberikan asam 2,5-furandicarboxylic , yang telah diusulkan sebagai pengganti asam tereftalat dalam produksi poliester.HMF akan menjadi kunci utama dalam pengembangan bahan bakar berbasis biomassa atau biorefineris (Lanzafame et al, 2011). Karena HMF dan derivatnya telah dikenal sebagai pengganti senyawa kimia berbasis minyak bumi yang sangat menjanjikan (Romn-Leshkov et al, 2007). HMF dapat dianggap sebagai molekul platform yang sangat baik yang dapat dikonversi menjadi senyawa peningkat nilai oktan, yakni 2,5-dimethylfuran (DMF), menjadi monomer pembetuk polimer yang sangat berharga, yakni 2,5-carboxyfuran dan 2,5-hydroxymethylfuran, juga menjadi intermediet untuk senyawa-senyawa kimia yang lain. HMF telah berhasil diproduksi dari heksosa seperti glukosa dan fruktosa, dan bahkan dari selulosa dan lignoselulosa langsung (Nathan, 2002).

II.3 KatalisKatalis adalah suatu zat yang mempercepat laju reaksi kimia pada suhu tertentu, tanpa mengalami perubahan atau terpakai oleh reaksi itu sendiri. Suatu katalis berperan dalam reaksi tapi bukan sebagai pereaksi ataupun produk. Katalis memungkinkan reaksi berlangsung lebih cepat atau memungkinkan reaksi pada suhu lebih rendah akibat perubahan yang dipicunya terhadap pereaksi. Katalis menyediakan suatu jalur pilihan dengan energi aktivasi yang lebih rendah. Katalis mengurangi energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya reaksi (Herres, 2006).Katalis dapat dibedakan ke dalam dua golongan utama: katalis homogen dan katalis heterogen. Katalis heterogen adalah katalis yang ada dalam fase berbeda dengan pereaksi dalam reaksi yang dikatalisinya, sedangkan katalis homogen berada dalam fase yang sama. Katalis homogen umumnya bereaksi dengan satu atau lebih pereaksi untuk membentuk suatu perantara kimia yang selanjutnya bereaksi membentuk produk akhir reaksi, dalam suatu proses yang memulihkan katalisnya (Herres, 2006).

II.3.1 Asam Sulfat (H2SO4) sebagai KatalisAsam sulfat, H2SO4 merupakan asam mineral (anorganik) yang kuat. Zat ini larut dalam air pada semua perbandingan. Asam sulfat mempunyai banyak kegunaan dan merupakan salah satu produk utama industri kimia. Walaupun asam sulfat yang mendekati 100% dapat dibuat, dan apabila dididihkan ia akan melepaskan SO3 pada titik didihnya dan menghasilkan asam 98,3%. Asam sulfat 98% lebih stabil untuk disimpan, dan merupakan bentuk asam sulfat yang paling umum kita jumpai. Asam sulfat 98% pada umumnya disebut sebagai asam sulfat pekat. Asam sulfat juga memiliki berbagai kegunaan di industri kimia. Sebagai contoh, asam sulfat merupakan katalis asam yang umumnya digunakan untuk mengubah sikloheksanonoksim menjadi kaprolaktam, yang digunakan untuk membuat nilon. Ia juga digunakan untuk membuat asam klorida dari garam melalui proses Mannheim. Banyak H2SO4 digunakan dalam pengilangan minyak bumi, contohnya sebagai katalis untuk reaksi isobutana dengan isobutilena yang menghasilkan isooktana.Dalam hal ini, asam sulfat merupakan katalis yang digunakan untuk degradasi monosakarida di dalam hidroksilat. Asam sulfat digunakan karena menghasilkan presentasi HMF yang lebih besar dari asam yang lainnya. Konsentrasi katalis yang tinggi dapat meningkatkan konsentrasi (H+) dalam larutan sehingga semakin banyak glukosa yang terkonversi menjadi HMF (Philip, 1981).

II.4. Degradasi Glukosa menjadi HMF (Hydroxylmethylfulfural)Selulosa sebagai komponen terbesar dalam lignoselulosa dapat diisolasi dengan cara delignifikasi. Delignifikasi merupakan suatu proses pembebasan lignin dari suatu senyawa kompleks. Delignifikasi bertujuan untuk memudahkan pelepasan hemiselulosa dan mengurangi kandungan lignin. Setelah didapatkannya selulosa yang murni, tahapan selanjutnya adalah hidrolisis selulosa menjadi monomer-monomernya, yakni glukosa. glukosa mengalami dehidrasi lebih lanjut menjadi HMF (Hidroksimetilfurfural). Di dalam reaksi hidrolisa untuk mengkonversi hexosans (polisakarisa) menjadi hexoses (monosakarida), sejumlah besar monosakarida bereaksi untuk membentuk HMF (Hidroksimetilfurfural) (Nathan, 2002).

Gambar II.4.1 Degradasi Glucose menjadi Hidroxymethylfulfural

Glukosa terdekomposisi menjadi HMF (Hydroxymethylfurfural) melalui bantuan katalis asam yaitu asam sulfat. Ion (H+) pada asam sulfat akan membantu decomposisi glukosa menjadi HMF dengan konsentrasi asam sulfat yang tinggi. Glukosa lebih cepat terdegradasi di temperature tinggi.Degradasi glukosa pada waktu tinggal yang singkat mengikuti kinetika orde pertama, tapi untuk waktu tinggal yang lama kinetika reaksi orde pertama tidak dapat di aplikasikan (Jing Qi, 2008).

II.5 Kinetika Reaksi Dekomposisi Glukosa menjadi HMF (Hydroxylmethylfulfural) II.5.1 Kinetika ReaksiKinetika Reaksi adalah cabang ilmu yang mempelajari reaksi kimia secara kuantitatif dan juga mempelajari faktor-faktor yang mempengaruhinya. Laju reaksi kimia adalah jumlah mol reaktan per satuan volume yang bereaksi dalam satuan waktu tertentu (Philip. 1981).Reaksi kimia adalah suatu proses alam yang selalu menghasilkan antar perubahan senyawa kimia. Senyawa ataupun senyawa-senyawa awal yang terlibat dalam reaksi disebut sebagai reaktan. Reaksi kimia biasanya dikarakterisasikan dengan perubahan kimiawi, dan akan menghasilkan satu atau lebih produk yang biasanya memiliki ciri-ciri yang berbeda dari reaktan.Pada dekomposisi glukosa menjadi HMF reaksinya secara stoichiometri dapat digambarkan sebagai :C6H12O6 C6H3O3 + H2O

II.5.2 Kecepatan ReaksiFactor-faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi1.Kecepatan Reaksi dipengaruhi oleh ukuran partikel/zat.Semakin luas permukaan maka semakin banyak tempat bersentuhan untuk berlangsungnya reaksi. Luas permukaan zat dapat dicapai dengan cara memperkecil ukuran zat tersebut2.Kecepatan Reaksi dipengaruhi oleh suhu.Semakin tinggi suhu reaksi, kecepatan reaksi juga akan makin meningkat sesuai dengan teori Arhenius.3.Kecepatan Reaksi dipengaruhi oleh katalis.Adanya katalisator dalam reaksi dapat mempercepat jalannya suatu reaksi. Kereakifan dari katalis bergantung dari jenis dan konsentrasi yang digunakan.4.Kecepatan Reaksi dipengaruhi oleh tekananJika tekanan semakin besar, maka laju reaksi semakin besar.

II.5.3 Kinetika Degradasi Glukosa menjadi HMF (Hydroxylmethylfulfural)II.5.1 Pembentukan HMF dari GlukosaGlukosa lebih cepat terdegradasi di temperature tinggi.degradasi glukosa pada waktu tinggal yang singkat mengikuti kinetika orde pertama, tapi untuk waktu tinggal yang lama kinetika reaksi orde pertama tidak dapat di aplikasikan. Reaksi decomposisi glukosa menjadi HMF dapat di tunjukkan seperti model di bawah ini : Glukosa HMF + 3 H2OPersamaan kecepatan reaksinya dapat di tulis sebagai berikut :

Bila persamaan di log-kan akan menjadi :

Dengan membuat grafik vs log CA maka akan di dapatkan harga n dan k.

II.5.4.3 Energi AktivasiEnergi aktivasi adalah suatu energi minimum yang dibutuhkan agar reaksi kimia tertentu dapat terjadi. Energi aktivasi berpengaruh pada rate reaksi (cepat atau lambat reaksi berlangsung).Contoh yang sederhana adalah reaksi exothermal yang digambarkan seperti di bawah ini :

Gambar II.5.4.3.1 Grafik Profil Energi Aktivasi

Jika partikel-partikel bertumbukan dengan energi yang lebih rendah dari energi aktivasi, tidak akan terjadi reaksi dan akan kembali ke keadaan semula. Hanya tumbukan yang memiliki energi sama atau lebih besar dari aktivasi energi yang dapat menghasilkan terjadinya reaksi.Energi aktivasi dihitung dengan persamaan Arrhenius :

Dimana Ea/R sebagai slope dan ln k0 sebagai intercept.

II.6 Penelitian TerdahuluTabel II.6.1 Hasil Dekomposisi Glukosa TerdahuluNo.Peneliti JudulHasil

1.Shabnam Haghighat, Yukitaka Kimura, Toshinobu Oomori, Ryuichi Matsumo, Shuji Adachi(2005)Degradation kinetics of monosaccharides in subcritical water, Kinetika degradasi monosakarida di tentukan melalui persamaan Weibull, kinetikanya tidak bergantung pada tipe monosakarida

2.Phili C. Smith, Hans E. Grethlein, Alvin O. Converse(1962)Glucose decomposition at high temperature, mild acid and short residence times, Waktu tinggal dekomposisi glukosa yang dimodelkan pada orde pertama tidak memadai di bawah 20 detik

3.Samuel W. Mckibbins, John F. Harris, Jerome F. Saeman, Wayne K. Neill(1962)Kinetics of the acid catalyzed conversion of glucose to 5-Hydroxymethyl-2-Furadehyde and Levulinic acid, Yield dari HMF akan meningkat apabila konsentrasi glukosa menurun, dari hasil penelitian di dapatkan orde satu dan energi aktivasi sebesar 32.690 gram-kalori/ gram-molekul

II-9