Amobilisasi Enzim Ekstrak Kasar Pada Membran Poli(metil metakrilat) sebagai Membran Bioreaktor
SKRIPSI
Robert Kuncoro 10504077
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Amobilisasi Enzim Ekstrak Kasar Pada Membran Poli(metil metakrilat) sebagai Membran Bioreaktor (Immobilization α-amylase Crude Enzyme on poly(methyl methacrylate) as Bioreactor Membrane)
SKRIPSI
Robert Kuncoro 10504077
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Abstract
High quantity of starch in Indonesia allows many opportunities for its applications. One potential application of starch is its economics conversion to bioethanol. Starch can be converted to bioethanol through several enzymatic processes. The first step is conversion of starch into oligosaccharides. In this step, the amount of the obtained oligosaccharide could be optimalized by using bioreactor membrane. In this research, bioreactor membrane was made using poly(methyl methacrylate) membrane and crude extract of α-amylase enzyme, immobilized into the polymer matrix. The poly(methyl methacrylate) membrane was synthesized with solvent evaporation for 10 minutes and was annealed at 65 °C for 2 minutes. The crude extract of α-amylase enzyme was succesfully trapped on polymer matrix with a moderate activity. The improvements of the activity of fabricated bioreactor membrane will be the objective of a continuation of this research to obtain higher performance of such a bioreactor membrane. Keyword: membrane bioreactor, PMMA, α-amylase enzyme, starch hydrolysis
iii
Abstrak
Keberadaan pati yang melimpah di Indonesia, membuka banyak peluang untuk pemanfaatannya, salah satunya adalah mengubah pati menjadi bioetanol. Pati dapat diubah melalui serangkaian tahap secara enzimatik menjadi bioetanol. Tahap pertama adalah hidrolisis pati menjadi oligosakarida. Pada tahap ini, jumlah oligosakarida yang dihasilkan dioptimalkan dengan penggunaan membran bioreaktor. Pada penelitian ini, membran bioreaktor dibuat dengan menggunakan membran poli(metil metakrilat) dan enzim ekstrak kasar yang teramobilkan dalam matriks polimer. Membran yang dipergunakan adalah membran poli(metil metakrilat) yang disintesis dengan waktu penguapan sebagian pelarut selama 10 menit dan mengalami pemanasan selama 2 menit pada suhu 65 °C. Enzim dapat terjebak ke dalam matriks polimer dan masih memberikan aktivitas yang memadai. Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengoptimalkan kinerja membran bioreaktor. Kata kunci: membran bioreaktor, PMMA, enzim α-amilase, hidrolisis pati
iv
Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung
Menerangkan bahwa skripsi yang disusun oleh: Nama : Robert Kuncoro NIM : 10504077
telah disetujui sebagai persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Kimia
Bandung,
Juni 2008
Pembimbing 1
Pembimbing 2
Dr. Suryo Gandasasmita M.T.
Dessy Natalia, Ph. D
NIP. 132163880
NIP. 131923763
v
Lembar Persembahan
Untuk Mama dan Nenek-ku tercinta.. Untuk setiap keringat yang menetes.. Untuk setiap air mata yang mengalir.. Untuk setiap doa yang tiada pernah terputus.. Semoga jerih payah Mama dan Nenek dapat menghantarkan Mama dan Nenek ke Syurga-Nya.. Semoga setiap langkah yang kulakukan, dapat menorehkan sedikit kebanggaan.. Amin
vi
Ucapan Terima Kasih
Segala puji hanyalah milik Allah SWT, Tuhan semesta alam. Yang Maha Pengasih dan Penyayang. Yang menguasai hari pembalasan. Hanya kepadaMu-lah, kami menyerahkan diri dan hanya kepadaMu-lah kami memohon pertolongan. Tunjukkanlah kepada kami, jalan yang lurus. Jalan orang-orang yang Kau beri nikmat, bukan jalan mereka yang Kau murkai dan bukan pula jalan mereka yang sesat. Berkat rahmat dan hidayah-Nyalah penulis berhasil menyelesaikan penelitian tugas akhir dan skripsi yang berjudul Amobilisasi Ekstrak Kasar Enzim α-amilase pada Membran Poli(metil metakrilat) sebagai Membran Bioreaktor di program studi kimia ini. Pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis selama berada di lingkungan kampus ITB ini, terutama kepada: 1. Mama dan Nenek, atas semua yang telah diberikan pada penulis. 2. Jimmy Kuncoro dan Richard Kuncoro, semoga kita bisa menjadi anak shaleh yang menghantarkan orang tua kita ke syurga-Nya. 3. Dosen pembimbing dan sahabat penulis, Dr. Suryo Gandasasmita, M.T., atas kesetiaan dan dedikasinya yang sangat tinggi dalam membimbing penulis. 4. Ko-pembimbing penulis, Dessy Natalia, Ph.D., terima kasih atas bimbingannya selama ini. 5. Dosen-dosen Program Studi Kimia yang telah banyak memberi ilmu dan nasihat. 6. Para pegawai non-dosen di kimia ITB. Bu Sony, Pak Dede, Pak Sukawi, Pak Lanang, Pak Yayat, Pak Budi, Pak Win, Pak Adjat, penghuni lab kidas dan semua pegawai yang penulis tahu, tapi tidak kenal(^_^). Kebaikan kalian, senyum, tawa, canda dan persahabatan yang kalian berikan pada penulis, membuat penulis betah di kampus ini. 7. Para Annex’ers sekaligus barudak culik, Tri Fathirahman, Aji Spongebob, Iim, Adit dan Vidhan.
vii
8. Adit Pradhana Jayusman, atas semua yang dibagikannya kepada penulis, terutama ilmu, persahabatan dan tempat tidur (^_^), sekali lagi terima kasih. 9. Temen-teman rileks, terutama para skaters, Mastah Cikgu, Blue_orion_ga, Rudi_math, Blesafho, Taufik, T-gank 36B, antonrifco, kyu_aksen, Kermit, NdinNdun, dhee_math, dkk, makasih atas doanya (walaupun awak tau klean ini belum ngedoain, ya kan?) 10. Orang-orang terdekat dengan penulis di kimia 2004, Lelly DA, Rona, Luchana, Herlina, Mutiw dan Iim. 11. Rekan-rekan seperjuangan, Kak Ganis, Kak Erfan, Kak Udin, Megawati, Hani, Ratih, Yudhis, Burhan, Robbie, Catherine, Handajaya, dan generasi penerus ABS. 12. Sahabat-sahabat di lab, Kang Asep, Kang Rusnadi, Pak Nikman, Bu Irda, Pak Ibnu, Pak Aman, Edu, Edo, Ozi dan Kak Frisda. 13. Rekan-rekan bisnis, Agus dan Hendra. Tenang Bro, 10 tahun lagi kita kuasai dunia! 14. Sahabat-sahabat di kimia 2004 yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu. 15. Upin dan Ipin yang telah berulang kali menghibur penulis. Nak tau perasaan awak? Seronok sangat awak ni. Salam buat Opa dan Kak Ross yeu!
viii
Daftar Isi
Abstract ................................................................................................................................... iii Abstrak .................................................................................................................................... iv Lembar Persembahan .............................................................................................................. vi Ucapan Terima Kasih ............................................................................................................ vii Daftar Isi ................................................................................................................................. ix Daftar Tabel ............................................................................................................................ xi Daftar Gambar ....................................................................................................................... xii Daftar Lampiran .................................................................................................................... xiii 1
2
Pendahuluan ..................................................................................................................... 1 1.1
Latar belakang .......................................................................................................... 1
1.2
Rumusan Masalah .................................................................................................... 3
1.3
Tujuan Penelitian ..................................................................................................... 3
1.4
Ruang Lingkup Penelitian ........................................................................................ 3
Tinjauan Pustaka .............................................................................................................. 5 2.1
Polimer ..................................................................................................................... 5
2.2
Membran .................................................................................................................. 5
2.2.1
Mekanisme pemisahan menggunakan membran ............................................. 6
2.2.2
Jenis-jenis membran ......................................................................................... 6
2.2.3
Teknik pembuatan membran ............................................................................ 7
2.3
Pati ........................................................................................................................... 9
2.4
α-amilase .................................................................................................................. 9
2.5
Amobilisasi enzim ................................................................................................. 10
2.5.1
Carrier binding .............................................................................................. 10
2.5.2
Cross-linking .................................................................................................. 11 ix
2.5.3 2.6 3
Scanning Electron Microscopy (SEM) .................................................................. 11
Metodologi Penelitian .................................................................................................... 12 3.1
Alat dan Bahan ....................................................................................................... 13
3.1.1
Alat ................................................................................................................. 13
3.1.2
Bahan ............................................................................................................. 13
3.2
4
Entrapping enzymes ....................................................................................... 11
Metode penelitian................................................................................................... 13
3.2.1
Pembuatan membran ...................................................................................... 13
3.2.2
Uji kinerja membran terhadap permeabilitas air ............................................ 14
3.2.3
Penyiapan membran bioreaktor ..................................................................... 14
3.2.4
Uji kinerja membran bioreaktor ..................................................................... 15
Hasil dan Pembahasan ................................................................................................... 16 4.1
Optimasi Pembuatan Membran Polimetil Metakrilat ............................................ 16
4.2
Uji Kinerja Membran Terhadap Air....................................................................... 17
4.3
Uji kedapat-ulangan pembuatan membran............................................................. 20
4.4
Uji aktivitas ekstrak kasar enzim α-amilase dalam keadaan bebas dan
teramobilisasi ..................................................................................................................... 22 4.5 5
Uji kinerja membran bioreaktor ............................................................................. 23
Penutup .......................................................................................................................... 28 5.1
Kesimpulan ............................................................................................................ 28
5.2
Saran ...................................................................................................................... 28
Daftar Pustaka ........................................................................................................................ 29
x
Daftar Tabel
Tabel 4.1 Perbandingan fluks air untuk membran dengan variasi waktu penguapan ............ 19 Tabel 4.2 hubungan antara ukuran analit dengan proses membran ....................................... 20 Tabel 4.3 Fluks setiap replika membran waktu penguapan sebagian pelarut 5 menit ........... 21 Tabel 4.4 Fluks setiap replika membran waktu penguapan sebagian pelarut 10 menit ......... 21 Tabel 4.5 Fluks setiap replika membran waktu penguapan sebagian pelarut 15 menit ......... 21 Tabel 4.6 Perbandingan rejeksi membran terhadap pati: absorbansi larutan pati dalam fasa umpan..................................................................................................................................... 23
xi
Daftar Gambar
Gambar 2.1 Skema pemisahan menggunakan membran ......................................................... 6 Gambar 2.2 Klasifikasi membran berdasarkan struktur ........................................................... 7 Gambar 2.3 Partikel penyusun membran sebelum sintering dan setelah sintering .................. 7 Gambar 2.4 Penampang melintang membran yang dibuat dengan teknik inversi fasa ............ 8 Gambar 2.5 Struktur amilosa dan amilopektin ........................................................................ 9 Gambar 2.6 Struktur α-amilase .............................................................................................. 10 Gambar 4.1 Fluks membran dengan waktu penguapan sebagian pelarut selama 5 menit ..... 17 Gambar 4.2 Fluks membran dengan waktu penguapan sebagian pelarut selama 10 menit ... 18 Gambar 4.3 Fluks membran dengan waktu penguapan sebagian pelarut selama 15 menit ... 18 Gambar 4.4 Aktivitas ekstrak kasar α-amilase setiap waktu ................................................. 22 Gambar 4.5 Kadar pati dalam fasa umpan dan permeat ........................................................ 24 Gambar 4.6 Foto SEM membran PMMA .............................................................................. 24 Gambar 4.7 Rejeksi membran terhadap pati .......................................................................... 25 Gambar 4.8 Foto SEM membran bioreaktor .......................................................................... 26 Gambar 4.9 Jumlah gugus gula pereduksi dalam fasa umpan dan permeat ........................... 27
xii
Daftar Lampiran
Lampiran A Kurva standar larutan pati.................................................................................. 31 Lampiran B Kurva standar larutan glukosa ........................................................................... 32 Lampiran C Uji aktivitas ekstrak kasar enzim α-amilase teramobilisasi ............................... 33 Lampiran D Uji Q Dixon ....................................................................................................... 35
xiii
