Prof. Dr. Wasrin Syafii Fakultas Kehutanan IPB November 2012

Presentasi berjudul: "Prof. Dr. Wasrin Syafii Fakultas Kehutanan IPB November 2012"— Transcript presentasi:

1 Prof. Dr. Wasrin Syafii Fakultas Kehutanan IPB November 2012
CELLULOSE Prof. Dr. Wasrin Syafii Fakultas Kehutanan IPB November 2012

2 CELL COMPONENTS CELLULOSE HEMICELLULOSE LIGNIN EXTRACTIVES CELL WALL
Lumen (Rongga Sel) LUMEN CELL WALL CELLULOSE HEMICELLULOSE LIGNIN EXTRACTIVES

3 WOOD COMPONENTS LOW MW HIGH MW ORGANIC IN-ORGANIC POLYSACHARIDES LIGNIN EXTRACTIVES ASH/MINERAL CELLULOSE HEMICELLULOSE

4 ELEMENTAL ANALYSIS Pada unit struktur yang lebih mikro, kayu disusun oleh unsur-unsur kimia. Ada 3 unsur penyusun kayu, yaitu carbon (C), oxygen (O), and hydrogen (H). Ketiga unsur ini membentuk senyawa polimer yang komplek. Polimer-polimer tersebut selanjutnya membentuk struktur dinding sel kayu. Sebagai tambahan, kayu juga mengandung bahan-bahan an-organik dalam jumlah yang relatif kecil. 4

5 QUANTITATIVE ANALYSIS OF WOOD COMPONENTS
Softwoods Hardwoods Cellulose 45-50 % Hemicellulose 25-29 % 28-32 % Lignin 25-31 % 16-25 % Extractives 1-5 % 2-8 % Ash < 1 % Different hemicelluloses follow different pathways in hydrolysis and product and yield vary slightly depending on species and chemical processing methods chosen 5

6 C E L L U L O S E

7 SELULOSA Polimer alami yang paling melimpah
Tersusun oleh satu jenis monomer, yaitu β–D-glucosa atau β–D-glucopyranose. Merupakan rantai panjang yang tidak bercabang. DP bisa mencapai Selulosa alami paling murni terdapat pada serat kapas (± 99% selulosa) Bahan dasar dari banyak produk seperti kertas, serat rayon/tekstil, film Hasil biosintesis melalui proses fotosintesa : Energy + CO2 + H2O  Glucose + O2

8 Kandungan Selulosa Beberapa Bahan:
Kapas % Rami % Bambu % Kayu % Kulit Kayu % Bakteri % Horse-tail % Lumut %

9 STRUKTUR MOLEKUL SELULOSA

10 MONOMER Rumus dasar molekul selulosa : (C6H10O5)n
Monomer β-D-Glukopiranosa Mills projection

11 β-D-Glukopiranosa HOCH2 HOCH2 OH O O HO OH HO H H 1 2 3 4 5 6
Hawort projection Chair conformation

12 Selobiosa (Cellobiose)
Gabungan dua unit glukosa Berikatan dengan ikatan glikosida 14 Merupakan unit ulang dari polimer selulosa

13 IKATAN GLIKOSIDA

14 Unit Polimer Selulosa

15 POLIMER SELULOSA Polimer linier tidak bercabang dengan ikatan glikosida β-(14) Molekul selulosa kayu tersusun dari unit glukosa Uniform polimer stucture (Homopolimer)

16

17 Reducing and Non-reducing end

18 Reducing end : Gugus ujung pereduksi pada C1-OH Merupakan gugus Aldehyde Memiliki sifat pereduksi Non-reducing end : Gugus ujung non pereduksi pada C4-OH Merupakan gugus Alcoholic Tidak memiliki sifat pereduksi

19 DERAJAT POLIMERISASI SELULOSA
Derajat polimerisasi (DP): banyak monomer penyusun satu polimer/rantai selulosa BM DP = 162 DP = Derajat polimerisasi BM = Berat molekul selulosa 162 = Berat molekul satu monemor glukosa

20 MAKROMOLEKUL SELULOSA

21 Supramolekul Selulosa
Formasi supramolekul terjadi karena adanya gugus fungsi yang dapat berinteraksi dengan gugus fungsi lainnya Gugus fungsi dalam molekul selulosa adalah Hydroxyl groups (gugus OH) : Responsible for supramolecule strucrure Responsible for chemical and physical behaviour of cellulose. Hydroxyl groups (OH-groups) dapat berinteraksi satu sama lain dengan Hydrogen bond (H-bond)

22 Hydroxyl groups pada molekul selulosa dapat berinteraksi dalam dua tipe ikatan :
1. Intramolecular linkages : Ikatan hidrogen antara OH-groups dari glukosa yang berdekatan dalam satu molekul/rantai polimer selulosa Kekakuan pada rantai tunggal selulosa - Ikatan antara O(6) pada glukosa dengan O(2)H pada glukosa disebelahnya - Ikatan antara O(3)H dengan oksigen pada cincin 2. Intermolecular linkages : Ikatan hidrogen antara OH-groups dari molekul selulosa yang berdekatan Supramolecule structure Ikatan antara O(3) pada rantai selulosa dengan O(6) pada rantai selulosa disampingnya

23 Proposed structural model of cellulose

24 Ultrastruktur Sel Kayu
Ikatan inter dan intramolekul selulosa membentuk keteraturan dalam ultrastruktur sel Molekul selulosa Fibril elementer (Ø 3,5 nm) Mikrofibril (Ø10-30 nm) Fibril Fiber

25

26 Struktur selulosa dalam sel tumbuhan

27 Struktur Mikrofibril Amorf Kristalin
Kristalin : bagian mikrofibril berupa daerah teratur (kristalin) Amorf : bagian mikrofibril berupa daerah tidak teratur (amorf) Derajat kristalinitas selulosa : %

28 Mikrofibril cellulose microfibrils are crosslinked into a complex network by hemicellulose moleculesand the space is filled with a pectin matrix Extensin : positive charge of glicoprotein Microfibrils are sometimes twisted together to form rope like structure : macrofibril

29 Struktur Dinding Sel Serat
Lamela Tengah (Middle Lamela) (M) Dinding Primer (Primary Wall) (P) Dinding Sekunder (Secondary Wall) (S1, S2, S3)

30 Struktur Dinding Sel Kayu

31 Struktur Lapisan Dinding Sel

32 Struktur lapisan dinding primer

33 Struktur Dinding Sekunder
Pit Middle lamela Three-layered Secondary wall Primary wall Macrofibril Microfibril Cellulose molecule

34 Electron micrograph of the cellulose fibers in the cell wall of the alga Chaetomorpha melagonium

35 1. Lamela Tengah (Middle lamela; M)
- Zat antar sel - Pengikat antar sel - Terutama kandungannya lignin dan pektin - Tebal 0,2-1,0 um 2. Dinding Primer (Primary wall; P) - Dinding lapisan tipis 0,1-0,2 um - Terdiri dari selulosa, hemiselulosa, pektin dan protein - Mikrofibril tidak teratur pada bagian luar, bagian dalam terorientasi tegak lurus sumbu sel 3. Dinding Sekunder (Secondary wall, S) - Terdiri dari tiga lapisan S1, S2 dan S3 - Lapisan tersusun oleh mikrofibril yang hampir paralel - Diantara mikrofibril terdapat lignin dan hemiselulosa

36 a. Lapisan S1 b. Lapisan S2 c. Lapisan S3 - Mengandung 3-4 lamela
- Mikrofibril membentuk spiral Z dan spiral S (terpilin) - Sudut mikrofibril berkisar 50-70o terhadap sumbu serat b. Lapisan S2 - Bagian utama dari dinding sel - Lapisan tebal 1-5 um - Terdiri dari lamela bahkan hingga 150 lamela - Sudut mikrofibril 5-10o (kayu akhir) dan 20-30o (kayu awal) c. Lapisan S3 - Lapisan tipis 0,1 um - Terdiri dari beberapa lamela - Sudut mikrofibril 50-90o - Orientasi mikrofibril spiral Z dan spiran S

37 Sifat-sifat selulosa Selulosa tidak larut dalam kebanyakan pelarut
Disebabkan : - Sifat kekakuan - Ikatan inter dan intramolekul - Bersifat kristalin Selulosa di alam berada berasosiasi dengan senyawa lain Polimer linier yang panjang DP (Kayu ) Selulosa dapat larut dalam larutan tembaga (II) hidroksi beramonia Cuoxam, Cu(NH3)4(OH)2 Selulosa dapat terdegradasi dalam larutan asam kuat (Hidrolisis)

38 REAKSI-REAKSI SELULOSA (KARBOHIDRAT)

39 Kondensasi Reaksi penggabungan ≈ Polimerisasi

40 Reaksi pemutusan ikatan ≈ depolimerisasi
Hidrolisis Reaksi pemutusan ikatan ≈ depolimerisasi

41 Hidrolisis Rantai Polisakarida (Selulosa)
C2OH C2OH H+ O O Selulosa O OH O OH O Selulosa OH OH H2O C2OH C2OH O O Selulosa O OH OH HO OH O Selulosa OH OH

42 Reduksi H H C O H C OH H C OH H C OH (BH4)- HO C H HO C H H C OH H C
Karbohidrat dapat direduksi menjadi alditol (Gugus fungsi aldehida direduksi menjadi gugus alkohol) H H C O H C OH H C OH H C OH (BH4)- HO C H HO C H H C OH H C OH H C OH H C OH Gugus Alkohol tahan terhadap degradasi dalam suasana alkali H C OH H C OH H H

43 Peeling-Off Reaction (Reaksi Pengelupasan)
Reaksi terjadi pada suasana alkali H H H C O H C OH H C OH H C OH C O C O HO C H HO C Θ HO C + OΘ - Selulosa H C O Selulosa H C O Selulosa H C H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H H H

44 Determinasi Selulosa Karbohidrat dalam kayu :
Holoselulosa : Frakasi karbohidrat total Selulosa : Fraksi karbohidrat yang tidak terlarut dalam alkali Hemiselulosa : Fraksi karbohidrat yang terlarut dalam alkali

45 Holoselulosa Serbuk Kayu (Bebas ekstraktif) Holoselulosa Selulosa
Kriteria : Kandungan lignin sisa serendah mungkin Kehilangan karbohidrat minimal Degradasi kerbohidrat minimal Delignifikasi Chlorination Delignification with Acidified Sodium Chlorite) Holoselulosa Selulosa Hemiselulosa

46 Selulosa Penentuan Selulosa : Pemisahan hemiselulosa dari holoselulosa
Isolasi selulosa langsung dari kayu Penetapan kadar selulosa melalui hidrolisis total dan ditetapkan sebagai gula hasil hidrolisis

47 Pemisahan Selulosa dari Holoselulosa
Selulosa masih mengandung hemiselulosa dan lignin Disemournakan dengan Pengulangan prosedur DP menurun Rendemen selulosa menurun Potassium atau Sodium hydroxyde 5% dan 24% Selulosa

48 Penentuan Selulosa dari Kayu
Serbuk Kayu Selulosa lebih murni Degrasasi selulosa Rendemen menurun Nitric acid in ethanol Selulosa

49 Penentuan Selulosa dengan Hidrolisis
Serbuk Kayu Kandungan selulosa mendekati jumlah sebenarnya Dapat diketahui proporsi komponen gula penyusun Dapat mengetahui bobot molekul dan derajat polimerisasi Hidrolisis dengan Sulfuric acid 72%  hidrolisis dengan sulfuric acid encer Hidrolisat Identifikasi dan kuantifikasi gula dengan Chromatographi Selulosa

50 Pemisahan Selulosa Selulosa NaOH 17,5% Alpha-Selulosa Betha-Selulosa
Residu Filtrate Netralisasi dengan asam Alpha-Selulosa Residu Filtrate Betha-Selulosa Gamma-Selulosa

51 Komposisi Komponen Kimia Kayu Compression Wood
100 Extractives 80 Lignin 60 Others polysaccharides 40 Xylan Glucomannan 20 Cellulose Normal Wood Compression Wood

52 Komposisi Komponen Kimia Kayu Tension Wood
100 Extractives Lignin 80 Others polysaccharides Xylan 60 Glucomannan 40 Cellulose 20 Normal Wood Tension Wood

53 Selulosa Softwood vs Hardwood
Persamaan : Disusun oleh struktur molekul yang sama (uniform polimer dari β-D-glukopiranosa) Perbedaan : Serat selulosa kayu softwood lebih panjang dibanding kayu hardwood (Fiber softwood 1,5-4,5 mm, Hardwood 0,5-1,5 mm)