Category Archives: Kimia Kayu

SELULOSA

Selulosa merupakan struktur dasar sel-sel tumbuhan. Sehingga secara kuantitas jumlahnya sngatlah besar. Di dalam biosfer terdapat sekitar 27 x 1010ton karbon yang terikat pada organisme hidup dan lebih dari 99% adalah tumbuhan. Dari karbon di atas ada sekitar 40% karbon terikat pada selulosa tumbuhan yag berarti total selulosa dalam dunia tumbuhan berjumlah sekitar 26.5 x 1010.

Selulosa terdapat pada semua tumbuhan mulai dari organisme primitive seperti rumput laut, flagelata dan bakteri sampai tumbuhan tingkat tinggi seperti pohon. Kadar selulosa tertinggi terdapat paa kapas/kapuk dan terendah terdapat pada bacteria. Di dalam kayu selulosa tidak hanya terikat dengan poliosa dan lignin namun terikat erat satu sama lain sehingga pemisahannya memerlukan perlakuan kimi yang intensif. Selulosa yang berhasil diisolasi tidaklah murni. Untuk keperluan analisis biasanya digunakan alfa selulosa.

Selulosa terdiri atas unit-unit anhidroglukopiranosa yang bersambung membentuk rantai molekul linear. Oleh karena itu selulosa bisa dinyatakan sebagai polimer linear glukan dengan struktur rantai yang seragam. Unit-unit terikat dalam ikatan 1-4 β glikosidik. Dua unit glukosa yang berdekatan bersatu dengan mengeliminasi satu molekul air di antara gugus hidroksil mereka pada karbon 1 dan karbon 4. Kedudukan β dari gugus OH pada C1 memutar melalui sumbu C1-C4 cincin piranosa. Unit ulang dari rantai selulosa adalah unit selobiosa dengan panjang 1.03 nm. Walaupun terdapat gugus OH yang sama pada kedua ujungnya namun gugus-gugus tersebut menunjukan perilaku yang berbeda. Gugus C1 OH adalah gugus hidrat aldehida yang diturunkan dari pembentukan cincin melalui ikatan hemiacetal intramolekul. Itulah sebabnya gugus OH pada akhir C1 mempunyai sifat pereduksi, sedangkan gugus OH pada akhir C4 pada rantai selulosa adalah hidroksil alkoholat sehingga bukan pereduksi.

Rantai selulosa memanjang dan unit-unit glukosa tersusun dalam satu bidang. Ada beberapa pendapat yang mendukung yaitu pertama ikatan β glukosidik. Hanya kedudukan β gugus hidroksil pada C1 dapat memperpanjang rantai molekul. Ikatan α-OH dan α-glikosidik masing-masing membentuk rantai molekul spiral seperti pada amilosa dan pati. Alasan ke dua diturunkan dari konformasi (penyesuaian) cincin piranosa. Cincin heksagonal bengkok seperti sikloheksana, piran dan puranosa, dapat membentuk berbagai konformasi yang bentuk-bentuknya adalah bentuk kursi dan bentuk perahu. Bentuk yang memiliki energi terendah adalah bentuk yang paling stabil (bentuk perahu) sedangkan bentuk yang memiliki energi yang tinggi (bentuk setengah kursi dan perahu) adalah betuk yang labil. Alasan ke tiga adalah dapat dilihat dari hubungan dengan konformasi cincin karena terdapatnya dua bentu kursi jika diperhatikan gugus –gugus OH. Gugus-gugus hidroksil tersebut dapat mempunyai kedudukan di atas dan di bawah cincin atau di dalam bidang cincin.

Berat molekul selulosa sangat bervariasi (50.000-2.500.000) bergantung pada asal sampel. Sebagai polimer linear ukuran rantai molekul selulosa dinyatakan dalam derajat polimerisasi (DP). Derajat polimerisasi akan berkurang karena pengaruh perlakuan bahan kimia yang sangat intensif pada proses pulping, Selain itu DP juga berkurang saat pohon menjadi tua yaitu DP paling tinggi terdapat dalam sel yang berdekatan dengan kambium dan menurun ke arah empulur/hati.

DP = Bobot molekul selulosa/bobot molekul satu unit glukosa

KAYU REAKSI

Kayu yang terbentuk bukan hanya dipengaruhi oleh perubahan musim namun juga dipengaruhi oleh gaya-gaya mekanik. Pohon memberikan reaksi terhadap gaya regangan yang dialam oleh batang, cabang dan ranting dengan membentuk kayu reaksi. Pada batang, kayu ini terbentuk apabila batang utama suatu pohon miring dari arah vertikal (Gambar 1). Namun bukan berarti kayu ini terjadi karena proses lengkungan melainkan karena pengaruh gravitasi atau gaya berat.

Gambar 1

Lalu bagaimana gaya berat bekerja untuk menimbulkan pembentukan kayu reaksi ?Auksin dan asam giberelat menyebabkan terjadinya kayu reaksi. Pernyataan ini dikuatkan oleh penelitian bahwa pada pohon conifer konsentrasi auksin lebih tinggi pada sisi bagian bawah daripada sisi atas dan bahwa gaya berat juga berpengaruh terhadap distribusi auksin dalam tanaman. Sehingga dapat diketahui bahwa terdapat hubungan yang penting antara gaya berat-auksin terhadap pembentukan kayu reaksi.

Kayu reaksi yang dibentuk pada pohon conifer berbeda dengan daun lebar. Pohon konifer membentuk kayu tekan di daerah yang tertekan dan pohon daun lebar membentuk kayu tarik pada daerah tarikan. Namun dalam keduanya fungsi kayu reaksi sama yaitu untuk mengembalikan batang atau cabang ke posisi semula. Jaringan pada daerah tekan dan tarik memiliki perbedaan sifat-sifat anatomi, kimia, dan fisika dengan kayu normal.

Bila pohon melengkung sisi batang ke arah mana puncak dibengkokan menjasi lebih pendek akibat gaya tekan yang terjadi pada pohon conifer disebut kayu tekan. Sebaliknya sisi sisi yang lain (sisi atas) dari batang terentang karena gaya tarik pada pohon daun lebar disebut kayu tarik. Karakteristik utama kayu tekan (compression wood) adalah warnanya yang gelap yang disebabkan oleh kandungan lignin yang relatif tinggi, trakeid kira-kira lebih pendek 30% bila dibandingkan dengan kayu normal dengan bentuk membulat bila dilihat dari arah radial dan tidak adanya dinding tersier dan dinding skunder 2 dengan bentuk rongga spiral. Bila dilihat dari arah longitudinal ujung-ujung trakeid kayu tekan bengkok dan berlipat Faktor-faktor ini mengurangi kesesuaian kayu tekan untuk pembuatan pulp dan kertas. Selain itu kayu tekan memiliki penyusutan longitudinal yang cukup besar yaitu 6-7% bila dibandingkan dengan kayu normal dengan penyusutan 1-2%. Kayu tekan dapat dikenali secara visual apabila melihat pada permukaan yang halus dari arah transversal. Suatu potongan melintang yang mengandung kayu tekan memiliki lingkaran tahun yang sangat lebar pada sisi bawah atau sisi yang tertekan. Sebagai akibatnya empulur letaknya lebih dekat dengan sisi atas batang. Di samping itu pada lingkaran-lingkaran tumbuh yang lebar tersebut mengandung proporsi kayu akhir yang lebih tinggi.

Gambar 2

Gambar 2

Sama halnya dengan kayu tekan, kayu tarik juga memiliki sifat yang berbeda dibandingkan dengan kayu normal. Kayu tarik (tension wood) mengandung selulosa yang lebih tinggi, pembuluh yang lebih sedikit dan lebih kecil bila dibandingkan dengan kayu normal dan serabut mengandung lapisan dinding khusus yang disebut lapisan gelatin (gelatinous layer) atau sering disebut lapisan G. Bergantung pada jenis, lapisan G ini bisa menggantikan lapisan S2, dinding tersier atau sebagai tambahan terhadap lapisan dinding normal. Kayu tarik yang digunakan sebagai bahan baku pulp menghasilkan kertas yang lebih lemah walaupun dapat diperbaiki dengan perlakuan penghalusan. Karena kandungan lignin yang tidak begitu banyak maka pembuatan pulp pada kayu tarik lebih baik menggunakan metode mecanical pulping. Untuk pengolahan kayu tarik sebagai bahan gergajian cenderung kurang baik karena menghasilkan permukaan kriting. Hal ini menyebabkan gergaji menjadi terlalu panas dan menyulitkan penyelesaian akhir. Pada proses pengeringan kayu tarik cenderung mengalami collapse permanen. Collapse adalah pelekukan ke dalam atau pemipihan sel-sel kayu selama pengeringan sering mengakibatkan permukaan kayu mengalami perubah bentuk.

Air dan Kayu ; adakah hubungan diantara keduanya ?

Air dalam kayu segar atau yang baru dipanen berada dalam dinding sel dan rongga sel. Air di dalam kayu segar atau baru saja dipanen sering disebut sebagai air bebas dan air di dalam dinding sel dinamakan air terikat. Penamaan tersebut didasarkan pada kemudahan keluarnya air pada proses pengeringan. Air bebas cenderung lebih mudah untuk keluar bila dibandingkan dengan air terikat dan yang pertama hilang dalam proses pengeringan. Air terikat, terikat lebih kuat pada dinding sel oleh karena itu air terikat  umumnya konstan dari musim ke musim sedangkan air bebas  memiliki kecenderungan untuk berubah-ubah.

Air di dalam dinding sel terikat karena adanya gaya adsorbsi yang dipengaruhi oleh fsikokimia, yakni gaya tarik menarik yang melibatkan tarikan molekul – molekul air pada tempat-tempat ikatan hidrogen yang terdapat di dalam selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Pada molekul selulosa yang memiliki daerah kristalin dan amorf diduga daerah kristalin kelompok  OH  pada  molekul selulosa yang berdekatan saling mengikat atau terjadi ikatan silang antara satu denngan yang lainnya. Sedangkan pada daerah amorf atau daerah yang tidak teratur kelompok OH terbuka untuk mengadsorpsi air.

Titik di mana semua air cair di dalam rongga sel telah dikeluarkan tetapi dinding sel masih jenuh disebut titik jenuh serat (TJS). Pada titik ini kondisi kayu berada dalam kondisi yang kritis, karena di bawah titik ini sifat kayu terganggu oleh perubahan-perubahan dalam kandungan air.

Bagaimana menghitung kadar air ?

Banyaknya air di dalam kayu atau produk kayu biasannya dinyatakan dengan kadar air. Kadar air (KA) didefinisikan sebagai bobot air yang dinyatakan dalam persen berat kayu bebas air atau kering tanur (BKT).

Oleh karena itu dapat dinyatakan dengan :

KA      (%) = Bobot air x 100

BKT

Karena penyebutnya adalah bobot kering tanur maka bobot total air yang dihitung bisa melebihi 100%. Untuk menghitung kadar air dalam kayu lazimnya menggunakan metode kering tanur yang diterangkan dalam ASTM (American Society for Testing and Material) D2016 dengan cara menimbang contoh uji basah kemudian dimasukan ke dalam tanur pada suhu 103± 2ºC untuk mengeluarkan semua air kemudian menimbangnya kembali.

Kerugian utama metode kering tanur ini adalah bahwa metode ini merupakan uji yang merusak; memerlukan sampai beberapa hari untuk melaksanakannya, dan sejumlah kecil spesies kayu memiliki komponen-komponen yang mudah menguap selain air yang dapat teruapkan dalam proses pengeringan.

Hubungan Kadar Air dengan Lingkungan

Karena sifatnya kayu memiliki kemampuan untuk menyerap uap air dari udara sekitarnya sampai kayu mencapai keseimbangan kadar air dengan udara. Oleh karena itu kayu dapat disebut sebagai bahan higroskopis. Kandungan air kayu dalam keadaan setimbang dengan suatu lingkungan akan lebih rendah dari TJS. Di bawah TJS gaya yang menahan air pada kayu menjadi lebih besar dengan turunnya kadar air.

Dalam kondisi basah, kelompok hidroksil selulosa dinding sel dipenuhi oleh molekul-molekul air tetapi ketika pengeringan terjadi kelompok-kelompok ini bergerak semakin mendekat, mengakibatkan pembentukan ikatan-ikatan selulosa ke selulosa yang lemah.

Suhu juga mempengaruhi hubungan antara air dengan kayu walaupun pengaruhya relatif kecil. Suhu tinggi juga mempunyai pengaruh yang permanen pada kayu. Kayu yang telah dikenai suhu lebih dari 100ºC untuk satu jangka waktu yang lama menjadi kurang higroskopik sehingga memiliki kadar air yang lebih rendah bla dibandingkan kayu normal.  Kandungan air yang diperoleh kayu atau produk asal kayu apabila ada di dalam suatu lingkungan suhu dan kelembapan yang konstan disebut kadar air seimbang.

Kadar air kayu segar penting terutama erat kaitannya dengan bobot kayu gelondongan dan papan gergajian segar. Hal itu harus diperhatikan khussusnya dalam perancangan alat pemanenan ataupun pengangkutan kayu.

KAYU SEBAGAI BAHAN BAKU BIOENERGI

Kayu merupakan biomass yang sangat bermanfaat bagi kehidupan manusia. Seiring dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi kini kayu tidak hanya digunakan untuk membuat perabot rumah tangga ataupun furniture namun penggunaanya telah lebih jauh menyangkut sifat kimia kayu sebagai sumber energi terbaharukan (renewable resources) sebagai biomass berlignoselulosa. Bahan berlignoselulosa sebagian besar terdiri dari campuran polimer karbohidrat (selulosa dan hemiselulosa), lignin, ekstraktif, dan abu. Terkadang disebutkan holoselulosa yaitu komponen karbohidrat yang terdiri dari selulosa dan hemiselulosa.

Selulosa

Selulosa adalah polimer glukosa (hanya glukosa) yang tidak bercabang. Bentuk polimer ini memungkinkan selulosa saling menumpuk/terikat menjadi bentuk serat yang sangat kuat. Panjang molekul selulosa ditentukan oleh derajat polimerisasinya (DP). DP selulosa tergantung pada jenis tanaman dan umumnya dalam kisaran 2000 – 27000 unit. Selulosa dapat dihidrolisis menjadi glukosa dengan menggunakan asam atau enzim. Selanjutnya glukosa yang dihasilkan dapat difermentasi menjadi etanol.

Hemiselulosa

Hemiselulosa mirip dengan selulosa yang merupakan polimer gula. Namun, berbeda dengan selulosa yang hanya tersusun dari glukosa, hemiselulosa tersusun dari bermacam-macam jenis gula. Monomer gula penyusun hemiselulosa terdiri dari monomer gula berkarbon 5 (C-5) dan 6 (C-6), misalnya: xylosa, mannose, glukosa, galaktosa, arabinosa, dan sejumlah kecil rhamnosa, asam glukoroat, asam metal glukoronat, dan asam galaturonat. Xylosa adalah salah satu gula C-5 dan merupakan gula terbanyak kedua di di biosfer setelah glukosa. Kandungan hemiselulosa di dalam biomassa lignoselulosa berkisar antara 11% hinga 37 % (berat kering biomassa). Hemiselulosa lebih mudah dihidrolisis daripada selulosa, tetapi gula C-5 lebih sulit difermentasi menjadi etanol daripada gula C-6.

Lignin adalah molekul komplek yang tersusun dari unit phenylphropane yang terikat di dalam struktur tiga dimensi. Lignin adalah material yang paling kuat di dalam biomassa. Ligninlah yang menyebabkan pohon berdiri dengan tegak. Lignin menyebabkan kayu menjadi kaku. Lignin sangat resisten terhadap degradasi, baik secara biologi, enzimatis, maupun kimia. Karena kandungan karbon yang relative tinggi dibandingkan dengan selulosa dan hemiselulosa, lignin memiliki kandungan energi yang tinggi khususnya untuk pembakaran.

Glukosa

Glukosa (C6H12O6) adalah gula sederhana (monosakarida). Glukosa adalah salah satu produk utama fotosistesis, energi awal bagi respirasi dan merupakan komponen structural pada tanaman.  Glukosa merupakan gula C-6 yang memiliki beberapa bentuk, tetapi ummnya digambarkan sebagai cincin karon seperti gambar di bawah ini.

Lima karbon dan satu oksigennya membentuk cincin yang disebut cincin   piranosa. Bentuk yang paling stabil adalah aldosa berkarbon 6. Pada cincin ini setiap karbon terikat dengan gugus samping hidroksil dan hydrogen kecuali pada atom ke-5 yang terikat pada atom ke 6 di luar cincin membentuk suatu gugus CH2OH.

Etanol

Etanol disebut juga etil alkoho, alcohol murni, alcohol absolute atau alcohol saja.adalah sejenis cairan yang mudah menguap, mudah terbakar, tidak berwarna, dan merupakan alcohol yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Etanol termasuk ke dalam alcohol rantai tunggal  dengan rumus kimia C2H5OH. Etanol dapat diproduksi melalui fermentasi glukosa. Umumnya biokonversi glukosa menjadi etanol dilakukan dengan memanfaatkan yeast. Reaksi umumnya adalah sebagai berikut:

C6H12O6 -> 2CO2 +2C2H5OH + Panas