BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Polihidroksialkanoat (PHA) Polihidroksialkanoat merupakan salah satu contoh polimer poliester, diperoleh dari hasil sintesis sumber karbon oleh berbagai macam bakteri. Polihidroksialkanoat berpotensi menggantikan polimer dari minyak bumi. Terdapat lebih dari 90 monomer berbeda dari polihidroksialkanoat yang telah ditemukan sebagai bahan dasar acuan biosintetis. Beberapa contoh polihidroksialkanoat yang sudah diproduksi secara komersial ialah homopolimer polihidroksibutirat atau PHB dan copolimer polihidroksibutirat-co-3-hidroksivalerat. (Lee, 1996) Polihidroksialkanoat diklasifikasikan berdasarkan rantai monomernya menjadi homopolimer dan copolimer. Struktur PHAs dengan monomer homopolimer ialah sebagai berikut :

n=1

R=

n=2 n=3

R= R=

hidrogen poli (-3-hidroksipropionat) metil poli (-3-hidroksibutirat) etil poli (-3-horoksivalerat) propil poli (-3-hidroksiheksanoat) pentil poli (-3-hidroksioktanoat) nonil poli (-3-hidroksidekanoat) hidrogen poli (-4-hidroksibutirat) hidrogen poli (-5-hidroksivalerat) Gambar 2. 1 Jenis Polihidroksialkanoat

Sedangkan contoh polihidroksialkanoat yang rantai pembentuknya copolimer ialah sebagai berikut : PHBV (Biopol®)

- CH3 & CH2CH3

PHBHx

- CH3 & - CH2CH2CH3

PHBO

- CH3 & -(CH2)4CH3

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.2 . Proses Degredasi polihidroksibutirat-co-valerat (P(3HB-3HV)) pada . selama 0, 2, 4, 6, 8, and 10 weeks (dari kiri ke kanan) 2.2 Proses Pembuatan Polihidroksibutirat (PHB) Polihidroksibutirat (PHB) merupakan salah satu jenis polihidroksialkanoat yang paling umum ditemukan pada bakteri. PHB pertama kali ditemukan dan dipelajari oleh Lemoigne pada tahun 1920.


2.2.1 Alternatif Sumber Karbon dan Bakteri Berikut adalah beberapa sumber karbon dan bakteri yang digunakan dalam proses pembuatan PHB.

Tabel 2.1 Beberapa jenis bakteri dan sumber karbon pada pembuatan PHB Alcaligenes Eutrophus

Alcaligenes Lactus

Recombinant E. Coli

M. Organophilum

Glukosa

Sukrosa

Glukosa

Metanol

Nitrogen

-

Potassium

-

Moetode Fermentasi

Kontrol Konsentrasi Glukosa

PH-stat

PH-stat

Kontrol Konsentrasi Methanol

Waktu Fermentasi

50 jam

28.45 jam

39 jam

70 jam

164

143

110

250

121

71.4

85

130

76

50

77.3

52

0.3

0.17

0.19

0.19

Kim, dkk 1994

Yamane,dkk 1996

Unpublished Result

Kim, dkk 1996

Bakteri Sumber Karbon Nutrisi Pembatas

Konsentrasi Sel (g/l) Konsentrasi PHB (g/l) Kandungan PHB (%) Yield PHB (g PHB / g Substrat) Referensi

Karakteristik yang dimiliki oleh PHB hampir sama dengan karakteristik polipropilen, sehingga PHB berpotensi menggantikan plastik sintetik misalnya Polipropilena (PP). Dimana PP diperoleh dengan bahan baku minyak bumi. Adapun perbandingan karakteristik tersebut dijabarkan dalam tabel dibawah ini:


Tabel 2.2 Perbandingan Sifat – sifat fisika dan kimia PHB dan PP Karakteristik

Polihidroksibutirat

Polipropilena

Titik Leleh (0C) 175-182 0 Suhu Glass-transition ( C) 4 Berat Molekul 5 x 105-1 x 106 Distribusi berat molekul 2.2 – 3 3 Densitas (g/cm ) 1.25 Crystallinity (%) 65-80 Modulus Young (GPa) 3.5 – 4 Tensile Strength (MPa) 40 Extension to Break (%) 6–8 Solvent Reistance Poor Ultraviolet Resistnace Good Oxygen Permeabelity 45 Biodegradability Excellent Sumber: Biotechnology Bioprocess Engineering, Choi, 1997

171-186 -10 2 x 105 5 – 12 0.92 65-70 1.7 38 400 Good Poor 1700 Poor

2.2.2 Alternatif Proses Fermentasi Proses pembuatan PHA secara umum ialah dengan proses fermentasi untuk memperoleh kandungan PHA pada sel bakteri dan dilanjutkan dengan proses pemisahan PHA dari sel. Pada proses fermentasi terjadi sintesa substrat menjadi PHA. Jenis PHA yang dihasilkan dipengaruhi oleh jenis mikroba, sumber karbon dan substrat pembatas. PHA diperoleh dari hasil akumulasi karbon dengan kondisi pembatas N, P, Mg atau O2 (Anderson dkk, 1990). Saat ini telah diketahui banyak bakteri yang dapat mengakumulasi sumber karbon menjadi PHA. Terdapat 2 alternatif fermentasi yang umum digunakan untuk memproduksi PHA yaitu : 

Fed-Batch Fermentor di isi dengan nutrisi secukupnya untuk pertumbuhan sel.



Multi-stage Continuous Cultivation Pada proses fermentasi ini, nutrisi dimasukkan secara kontiniu pada masing – masing fermentor. Fermentor yang pertama merupakan tempat pertumbuhan sel. Sedangkan fermentor yang kedua digunakan untuk proses akumulasi PHA.


2.2.3 Alternatif Proses Ekstraksi Pada proses pemisahan PHA dari sel bakteri diketahui beberapa metode yang intinya adalah untuk memecahkan dinding sel bakteri dan memisahkan kandungan PHA yang terdapat pada bakteri tersebut. Beberapa metode yang dapat digunakan dalam proses pemisahan ialah sebagai berikut :

Metode Pemisahan

Solvent Extraction Digestion Methods Mechanical Treatment

Supercritical CO2 Extraction Using cells fragility High purity recovered PHA Gambar 2.3 Metode – metode pemisahan PHB dari sel bakteri

Untuk memperoleh jenis PHA yang diinginkan perlu diperhatikan mikroba yang dipergunakan, sumber karbon, nutrient pembatas dan metode pemisahan sel yang digunakan. Dalam beberapa penelitian telah diklasifikasikan beberapa mikroba yang dapat mensintesa berbagai macam sumber karbon pada proses sintesa PHA. Pada table 2.3 telah diberikan beberapa contoh bakteri yang dapat menghasilkan PHA. PHA yang dihasilkan ini tergantung dari bakteri yang mensintesa dan sumber karbon yang dipergunakan dengan lama waktu fermentasi yang sesuai untuk memperoleh yield optimum.


Sedangkan proses pemisahan bakteri dari PHB yang sudah tersintesa didalam sel bakteri terdapat beberapa metode pemisahan. Berikut ini adalah beberapa metode yang pada umumnya dipergunakan oleh industri maupun riset :  Solvent Extraction Metode ini adalah salah satu metode tertua dalam pemisahan PHA. Biasanya menggunakan pelarut seperti: kloroform, 1,2 – dikloroetana dan metilene klorida. Dalam beberapa percobaan ekstraksi menggunakan pelarut, diketahui dapat menghancurkan dinding sel. Kemurnian PHA dengan menggunakan pelarut ini dapat mencapai 98%. Salah satu yang menjadi masalah pengunaan method ini ialah limbah cair yang dihasilkan. Sehingga diperlukan solvent recovery untuk mengurangi pencemaran lingkungan.  Digestion Method Metode ini memiliki prinsip yang sama dengan metode solvent extraction. Namun pada metode ini menggunakan pelarut seperti: surfaktan, chelate dan enzim.  Mechanical Treatment Metode ini sering digunkan untuk memisahkan intraseluler protein (Timer, dkk. 1998). Contoh metode ini antara lain: Bead Mill Disruption dan High Pressure Homogenization.  Supercritical CO2 Sedangkan pada metode pemisahan dengan Supercritical CO2 memerlukan tekanan yang tinggi untuk proses ekstraksi dan kemurnian hanya mencapai 89%  Using cells fragility Pada metode Using cells fragility tidak bisa digunakan untuk setiap mikroba. Pada metode ini bakteri yang digunakan ialah E. Coli dan A. Vineandi sehingga jarang dipergunakan pada saat extraksi ( Choi, 2009)

Dalam Pra-rancangan pembuatan Pabrik Polyhydroxybutyrate (PHB) ini dipilih proses fermentasi dengan menggunakan bakteri (strain) Alcaligenes Eutrophus (Ralstonia Eutrophus) dengan sumber karbon glukosa dan nutrient


pembatas Amoniak (N). Sedangkan proses pemisahan PHB dari sel menggunakan metode solvent extraction.

Pemilihan proses dilakukan dengan memperhatikan: Pengoperasiannya mudah karena proses yang sederhana dengan control yang lebih efisien. Polyhydroxybutyrate yang diperoleh memiliki daya jual yang tinggi karena memeiliki sifat – sifat yang lebih bagus. Dengan menggunakan bakteri A. Eutrophus sebagai strain dan glukosa sebagai sumber karbon diperoleh yield PHB yang cukup tinggi yaitu 0.3 gr PHB / gr substrat. Kebutuhan Utility Plant lebih sedikit.

2.3

Bahan Baku Bahan baku yang digunakan pada PHB plant terdiri dari bahan glukosa,

NaOH, culture medium, chloroform dan trace element. 2.3.1

Glukosa (C6H12O6) PHB plant menggunakan bahan baku utama yaitu glukosa.

Sifat Fisik glukosa Berat Molekul

: 180.16 g/mol

Densitas

: 1.54 g/cm3

Kelarutan dalam Air

: 91 g/100 ml pada 250 C

Kelarutan dalam Metanol

: 0.037 M

Entalpi Pembakaran

: -1271 kJ/mol

Entalpi Pembentukan

: -2805 kJ/mol

Titik Leleh

: 1460C

2.3.2 Culture Medium Culture medium ialah komposisi nutrisi sintetik dalam pengembangbiakan bakteri yang digunakan. Berikut adalah komposisi perbandingan yang digunkan dalam sebagai medium pengembangbiakan Alcaligenes Eutrophus. Tabel 2.3 Komposisi culture medium sintetik sebagai cultivasi Alcaligenes Eutrophus


Tabel 2.3 Komposisi Kultur Medium Sintetik No Komposisi Konsentrasi (g/L) 1 Na2HPO4 3.8 2 KH2PO4 2.7 3 NH4Cl 2.0 4 Glukosa 20.0 5 MgSO4 0.2 6 Trace Element* 1.0 ml * Trace Element : FeCl3 : 9.7 ; CaCl2: 7.8 ; CuSO4: 0.156 ; CoCl2: 0.119 ; NiCl2: 0.118 ; CrCl2 : 0.062 g/L 2.3.3

Kalium Hidroksida (KOH) Natrium Hidroksida (KOH) digunakan untuk mengatur PH saat terjadi

fermentasi berada diantara 6.8 ± 0.1. Sifat-sifat dari KOH tersebut yaitu : Berat Molekul

: 56,1056 g/mol

Fasa

: white solid

Titik didih

: 13270C

Titik leleh

: 420 oC

Densitas

: 2.1 g/cm3

Kelarutan dalam Air

: 110 g/100ml pada 250C

Bersifat Basa

2.3.4 Kloroform (CHCl3) Sifat – sifat dari kloroform yaitu : Berat Molekul

: 119.38 g/mol

Fasa

: Cair

Titik didih

: 61.2 oC

Titik leleh

: -63.5 oC

Densitas

: 1.48 g/cm3

Kelarutan dalam Air

: 0.8 g/100 ml pada 200C


2.4

Deskripsi Proses

Secara umum, proses produksi polihidroksibutirat (PHB) dari glukosa meliputi 2 tahap yaitu (Flickinger, 1999): 1. Fermentasi 2. Ekstraksi Proses pembuatan polihidroksibutirat adalah sebagai berikut: 2.4.1 Fermentasi Proses produksi polihidroksibutirat (PHB) dari glukosa dengan menggunakan bakteri Alcaligenes Eutrophus dapat dilakukan secara fed-batch. Dimana bakteri A. Eutrophus dari tangki V-101 dimasukkan secara manual ke dalam fermentor (R-101) untuk proses fermentasi. Kemudian ditambahkan nutrisi pembatas (NH4)2SO4 dari tangki V-102 secara manual. Ke dalam fermentor tersebut diumpankan kultur medium sintetik dengan komposisi seperti pada Tabel 1. Fermentor ini dilengkapi dengan 3 buah impeller dan 4 baffle dimana kecepatan impeller sebesar 20 rpm. Pada saat inokulasi, suhu dijaga antara 32±20C dengan mengalirkan air pemanas ke dalam jaket fermentor, sedangkan tekanan pada 1 atm (Robin A. Henderson, 1999). Pada fermentor ini juga dilengkapi dengan pH Control untuk menjaga pH 6.8 ± 0.1 dengan penambahan KOH 2 M dari tangki V103 (Henderson, 1999). Selama proses fermentasi berlangsung dilakukan proses aerasi 0.5 v/v menit-1 dengan mengalirkan udara melalui kompressor (C-101). Setelah waktu fermentasi mencapai 48 - 50 jam bakteri yang mengandung PHB siap untuk dipanen (Henderson, 1999). Tabel 2.4 Komposisi Kultur Medium Sintetik No Komposisi Konsentrasi (g/L) 1 Na2HPO4 1.7 2 KH2PO4 1.3 3 Glukosa 20.0 4 MgSO4 7H2O 1.2 5 Trace Element* 10 ml * Trace Element : FeCl3, 9.7, CaCl, 7.8, CuSO4: 0.156 ; CoCl2: 0.119 ; NiCl2: 0.118 ; CrCl2 : 0.062 g/L Sumber : El-Sayed, dkk 2009 Reaksi sintesis yang terjadi selama proses fermentasi berlangsung dapat digambarkan pada diagram berikut:


Gambar 2.4 Biosintesis PHB pada Alcaligenes eutrophus Adapun tahapan sintesis yang berlangsung pada biosintesis PHB pada bakteri A. Eutrophus ialah sebagai berikut : • 2 gugus acetyl-CoA diubah menjadi acetoacetyl -CoA oleh enzim ketothiolase (phaA). • acetoacetyl -CoA direduksi menjadi (D)-3-hydroxybutyryl-CoA oleh acetoacetyl -CoA reductase (phaB). • Enzim PHB synthase (phaC) menghubungkan (D)-3-hydroxybutyryl-CoA menjadi rangkaian PHB. (Lee, 1997) 2.4.2 Ekstraksi Bakteri yang mengandung polihidroksibutirat (PHB) dipompakan bersama substrat yang bersisa dengan menggunakan pompa (E-103) ke dalam disk centrifuge (CF-101). Bakteri yang mengandung PHB ini dipisahkan dari substrat sisa dengan kecepatan disk centrifuge sebesar 24,000 rpm (Chaijamrus,.2008). Bakteri yang berbentuk slurry kemudian di bawa ke tangki pencuci (V-105) dan dicuci menggunakan air destilasi. Kemudian bakteri tersebut dipisahkan dari air pencuci dengan menggunkan disk centrifuge (CF-102) dan dimasukkan ke tangki ekstraksi (V-105). Ke dalam tangki ekstraksi ini ditambahkan kloroform (CHCl3) untuk melarutkan PHB. Pada tangki ini dilengkapi dengan pengaduk dengan kecepatan 200


r.p.m. Proses ekstraksi berlangsung selama 1 jam pada suhu 600C, dimana pada suhu tersebut dinding sel bakteri lebih mudah dihancurkan (Flickinger, 1999). Campuran antara larutan kloroform dan PHB dipisahkan dari dinding sel (sel yang tidak mengandung PHB) dimasukkan kedalam tangki pengendapan (V-107). Kemudian kedalam tangki tersebut diatas ditambahkan air panas bersuhu 900C, sehingga kloroform akan larut dalam air sedangkan PHB akan membentuk slurry. Dengan menggunakan alat dekanter (DC-101), PHB dipisahkan dari kloroform dan air. Larutan kloroform dan air ini akan dipompakan ke vaporizer (VE-101) untuk memisahkan air dengan kloroform. Kloroform yang sudah dipisahkan dari air akan ditampung kedalam tangki penampung (V-108) untuk diproses di utilitas. Sedangkan PHB dimasukkan ke dalam spray dryer (SPD -101) melalui conveyor (SC-101). Dimana suhu pada pengeringan ialah 1300 C dan tekanan 0,987 atm. Media pengering yang digunakan dalam spray dryer adalah superheated steam. Produk PHB yang berupa powder dimasukkan ke dalam tangki penampung (V-109).


BAB III NERACA MASSA Neraca massa pada pra-rancangan pabrik pembuatan Polihidroksibutirat (PHB) pada Alcaligenes Eutrophus dihitung berdasarkan: Kapasitas produksi

:

4.500 ton/tahun atau 568,182 kg.jam-1

Waktu kerja per tahun

:

330 hari

Satuan operasi

:

kg.jam-1 untuk alat – alat lainnya

Kemurnian Produk

:

98 %

Peralatan – peralatan yang mengalami perubahan massa adalah : - Fermentor (R-101) - Disk Centrifuge (CF-101) - Tangki Pencuci (V-105) - Disk Centrifuge (CF-102) - Tangki Ekstraksi (V-106) - Disk Centrifuge (CF-103) - Tangki Pengendapan (V-107) - Dekanter (DC-101) - Spray Dryer (SPD-101)


3.1

Fermentor (R-101) Tabel 3.1 Neraca Massa pada Fermentor (R-101)

Komponen

Masuk (kg.jam-1) Alur 1 Alur 2 Alur 3

Udara A. Eutrophus 662,216 Na2HPO4 160,824 KH2PO4 122,983 MgSO4 7H2O 113,523 C6H12O6 1.892,298 FeCl3 9,176 CaCl2 7,379 CuSO4 0,147 CoCl2 0,112 NiCl2 0,111 CrCl2 0,023 KOH (NH4)2SO4 378,409 PHB Non-PHB H2O 92.872,037 Total 96.309,944

3.2

Alur 4

Keluar (kg.jam-1) Alur 5 Alur 6 Alur 7 0,895 0,895 0,160 0,122 0,113 189,229 0,009 0,007 0,0002 0,0001 0,0001 0,00002

90,061 568,182 179,426 95.371,798 96.309,944

Disk Centrifuge (CF-101)

Tabel 3.2 Neraca Massa pada Disc Centrifuge (CF-101) Masuk (kg.jam-1) Keluar (kg.jam-1) Alur 7 Alur 8 Alur 9 PHB 568,182 568,182 Non-PHB 179,426 179,426 Na2HPO4 0,160 KH2PO4 0,122 MgSO4 7H2O 0,113 C6H12O6 189,229 3,784 185.444 FeCl3 0,009 CaCl 0,007 CuSO4 0,0002 CoCl2 0,0001 NiCl2 0,0001 CrCl2 0,00002 H2O 95.371,798 11,464 95.371,798 Pengotor* 0,008 3,784 96.309,049 Total 96.309,049 *) : 2% dari kultur medium sisa selain glukosa dan air Komponen


3.3

Tangki Pencuci (V-105)

Tabel 3.3 Neraca Massa pada Tangki Pencuci (V-105) Komponen

Alur 8 568,182 PHB 179,426 Non-PHB Air Pengotor 15,257 Air Total

Masuk (kg.jam-1) Alur 10

18.690,200 19.453,065

Keluar (kg.jam-1) Alur 11 568,182 179,426 15,257 18.690,200 19.453,065

3.4 Disk Centrifuge (CF-102) Tabel 3.4 Neraca Massa pada Disc Centrifuge (CF-102) Masuk (kg.jam-1) Keluar (kg.jam-1) Komponen Alur 11 Alur 12 Alur 13 PHB 568,182 568,182 Non-PHB 179,426 179,426 Air 18.705,457 18.690,200 15,257 Total 19.453,065 19.453,065

3.5 Tangki Ekstraksi (V-106) Tabel 3.5 Neraca Massa pada Tangki Ekstraksi (V-106) Masuk (kg.jam-1) Komponen Alur 13 Alur 14 Alur 15 PHB 568,182 Non-PHB 179,426 CHCl3 13.830,748 Air 15,257 9.345,100 Total 23.938,713

Keluar (kg.jam-1) Alur 16 568,182 179,426 13.830,748 9.360,357 23.938,713

3.6 Disk Centrifuge (CF-103) Tabel 3.6 Neraca Massa pada Disc Centrifuge (CF-103) Masuk (kg.jam-1) Keluar (kg.jam-1) Komponen Alur 16 Alur 17 Alur 18 PHB 568,182 568,182 Non-PHB 179,426 167,830 11,595 CHCl3 13.830,748 13.830,748 Air 9.360,357 3,425 9.363,782 Total 23.945,564 23.945,564


3.7

Tangki Pengendapan (V-107)

Tabel 3.7 Neraca Massa pada Tangki Pengendapan (V-107) Masuk (kg.jam-1) Komponen Alur 18 Alur 19 PHB 568,182 Non-PHB 11,595 CHCl3 13.830,748 Air 9.363,782 27.661,496 Total 51.435,804

Keluar (kg.jam-1) Alur 20 568,182 11,595 13.830,748 37.025,278 51.435,804

3.8 Dekanter (DC-101) Tabel 3.8 Neraca Massa pada Dekanter (DC-101) Masuk (kg.jam-1) Keluar (kg.jam-1) Komponen Alur 20 Alur 21 Alur 22 PHB 568,182 568,182 Non-PHB 11,595 11,595 CHCl3 13.830,748 13.830,748 Air 37.025,278 11,832 37.013,446 Total 51.435,804 51.435,804 3.9 Spray Dryer (SPD-101) Tabel 3.10 Neraca Massa pada Spray Dryer (SPD-101) Masuk (kg.jam-1) Keluar (kg.jam-1) Komponen Alur 25 Alur Steam Alur 20 PHB 568,182 568,182 Non-PHB 11,595 11,595 Air 11,832 11,832 Total 591,609 591,609


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents