Daftar isi Penggunaan
Nata De Coco Sebagai Bahan Membran Se/u/osa Asetat (Cynthia L Radiman)
PENGGUNAAN NATA DE COCO SEBAGAI BAHAN MEMBRAN SELULOSA ASETAT Cynthia L. Radiman 1 dan G Yuliani 1,2 Kimia, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha J 0, Bandung 2Jurusan Kimia, Universitas Pendidikan Indonesia Jl. Setiabudi 229, Bandung I Departemen
ABSTRAK PENGGUNAAN NATA DE COCO SEBAGAI BAHAN MEMBRAN SELULOSAASETAT. Membran selulosa asetat banyak digunakan dalam proses mikrofiltrasi, ultrafiltrasi maupun osmosis balik. Pad •• umumnya selulosa yang digunakan sebagai bahan dasar selulsoa asetat diperoleh dari kayu yang mengalami proses pemasakan dan pemutihan untuk menghilangkan lignin. Salah satu upaya untuk mengurangi pemakaian bahan kimia dalam proses tersebut adalah penggunaan sumber selulosa yang tidak mengandung lignin. Persyaratan ini dipenuhi olehllata de coco yang merupakan hasil fennentasi air kelapa. Oleh sebab itu, penelitian ini bertujuan untuk melakukan--------asetilasi nata de coco yang selanjutnya digunakan sebagai bahan pembuatan membran. Nata de coco diperoleh melalui fennentasi air k~paselama 6 hari oleh bakteri Acetobacter xylinum denga~p'enambahan asam asetat glasial, gula pasir dan ,amonium sulfat. Film selulosa yang terbentuk diasetilasi.dan dihidrollSisma;;ing-masing selama 20 jam pada suhuAO°C. Padatan putih kekuningan hasil asetilasi ii1eiTIiITki kadar asctiC39,6o/;'-Analisis FTIR menunjukkan serapan kh~etil pad a 1236 cm·'. Membran selulosa asetat dibuat dengan cara inversi fasa terhadap larutan hasil hidrolisis. Penneabilitas membran terhadap air pada tekanan 2 kgf/cm2 mencapai nilai fluks 200 L.m·2.jam·l• Pengujian selektivitas membran menggunakan larutan dekstran T-500 dan T-2000 memberikan nilai koefisien rejeksi 78% dan 94%. Oari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa membran selulosa asetat yang dibuat dari nata de coco dapat digunakan untuk proses mikrofiltrasi. Kata kunci : Membran, nata de coco, selulosa asetat
ABSTRACT NATA DE COCO AS MATERIALS OF CELLULOSE ASETAT MEMBRANS. Cellulose acetate membranes are frequently used for microfiltration, u!trafiltration as well as reverse osmosis processes. As the basic material for cellulose acetate, cellulose is generally obtained from wood which undergoes pulping and bleaching processes to remove the lignin. One of the efforts to minimize the chemicals is to use resources which contain no lignin. This criteria is fulfilled by nata de coco which is a bacterial cellulose produced in the coconut water fennentation. Therefore, the objective of this research is to do the acetylation of nata de coco and then to prepare membranes fTom it. Nata de coco had been fennented by Acetobacter xy/inum for 6 days with the addition of acetic acid glacial, sucrose and ammonium sulfate. Then the cellulose films were acetylated and hydrolyzed for 20 hours each at 40°C, producing yellowish white powder with an acetyl content of39.6%. FTIR analysis showed a characteristic peak for acetyl group at 1236 cm·'. The cellulose acetate membranes were made from the hydrolysis product by phase inversion method. The water flux of cellulose acetate membrane was 200 L.m·2.h·1 while the rejection coefficient of dextran T-500 and 1-2000 solutions were 74% and 94% respectively. It could be concluded that cellulose acetate membranes from nata de coco could be used for micro filtration processes. Key words: Membrane, nata de coco, cellulose acetate
PENDAHULUAN Teknologi membran banyak digunakan dalam berbagai proses pernisahan dan pemekatan karena berbagai keunggulan yang dimilikinya, antara lain pernisahannya sangat spesifik, sifatnya
yang tidak merusak zat yang dipisahkan (non-destruktit), dapat dioperasikan pada suhu rendah dan tidakmenimbu1kan limbah barn karena pernisahannya tidak membutuhkan zat kimia yang
203
ISSN 1410-8720
Prosiding Simposium Nasional Polimer V
baru. Karena itu teknologi membran dikenal sebagai salah satujenis pemisahan yang termasuk clean technology [1]. Polimer banyak dipakai sebagai bahan pembuatan membran; diantaranya adalah selulosa asetat yang digunakan sebagai membran mikrofiltrasi, ultrafiltrasi maupun osmosis balik. Selulosa asetat adalah suatu ester selulosa berupa padatan putih, tidak berbau, tidak berasa dan tidak beracun, yang dibuat dari kapas atau pulp kayu melalui proses asetilasi [2,3]. Untuk menghilangkan lignin, dilakukan proses pemasakan kayu menjadi pulp y~g dilanjutkan dengan tahap pemutihan. Pulp kraft dihasilkan dari pemasakan kayu dengan larutan natrium hidroksida dan natrium sulfida pada sOOutinggi dan proses pemutihan dilakukan dengan menggunakan berbagai oksidator antara lain peroksida. Salah satu upaya untuk mengurangi pemakaian bahan kimia dalam proses terse but adalah penggunaan sumber selulosa yang tidak mengandung lignin. Persyaratan ini dipenuhi . oleh nata de coco yang merupakan hasil fermentasi air kelapa oleh bakteri Acetobacter xylinum [4-6]. Oleh sebab itu, penelitian ini bertujuanuntukmenguji kemungkinan pemakaian nata de coco sebagai bahan dasar pembuatan membran selulosa asetat. METODEPERCOBAAN Bahan Zat kimia yang digunakan adalah Asam Asetat glacial, Amonium sulfat, Asam asetat, Anhidridaasetat,Asam sulfatpekat, Asam oksalat, Asam klorida, Etil alkohol, Aseton natrium hidroksida,Dekstrandengan massa molekul relatif rata-rata 5 x 105 dan 2 x 106• Semua senyawa terse but mempunyai tingkat kemurnian pro analysis sedangkan biakan bakteri Acetobacter xylinum, sukrosa dan aif kelapa tidak ditentukan kemlIDliannya. Alat Spektrofotometer FTIR Perkin Elmer, Autograph Shimadzu AGS-500D, sel 204
berper!gaduk, Spectronic-20, berbagai alat gelas..
hot press dan
Pembuatan Nata De Coco Lima liter air kelapa dipanaskan sampai mendidih dan ditambahkan 30 mL asam asetat glasial, 500 g gula pasir dan 25 g amonium sulfat. Setelah dingin, ditambahkan starter bakteri Acetobacter xylinum sebanyak 10% dari volum media dan didiamkan pada suhu ruang selama 6 hari. Gel nata de coco hasil fermentasi dicuci dengan air mendidih selama 15 menit, larutan NaOH 1% selama 24 jam, larutan CH3COOH 1% selama 24 jam dan air; kemudian ditekan dengan hot-press selama 5 menit pada suhu 80°C dan tekanan 150 kgf/cm2• r
Pembuatan Selulosa Asetat Campuran 5 g selulosa yang telah . dihaluskan dan 24 mL asam asetat glasial diaduk selama 60 menit pada suhu 40°C, kemudian ditambahkaq)O mL asam asetat glasial dan 5 tetes asam sulfatlpekat. Campuran diaduk kembali selama 45 menit pada sOOuyang sarna. Kemudian ditambahkan 20 mL anhidrida asetat 98 % lalu diaduk kembali pada sOOu40°C selama 20 jam. L~tan ini dihidrolisis dengan menambahkan campuran 20 mL asam asetat glasial dan 10 mL air selama 20 jam kemudian dituang ke dalam aqua demineral dengan pengadukan yang kuat. Padatan yang diperoleh dieuei dengan aqua demineral sampai pH netral dan dikeringkan pada sOOu-50°C. Pembuatan Membran Selulosa Asetat Larutan selulosa asetat yang diperoleh dari hasil hidrolisis dituangkan di atas plat kaea dan dicetak. Sesudah penguapan parsial sel~a 10detik, plat dimasukkan ke dalam air pada sOOu 4 °c dan membran yang terbentuk dieuei dengan air sampai bebas asam. Karakterisasi Asctat
Gugus Fungsi pada Selulosa
Perekaman spektrum selulosa dan selulosa asetat yang berasal dari nata de coco pada bilangan gelombang 450 em-l sampai dengan 4000 em-l dilakukan dengan spektrofotometer
Penggunaan Nata De Coco Sebagai Bahan Membran Selulosa Asetat (Cynthia L Radiman)
FfIR Perkin Ehner. Penyiapan cuplikan dilakukan dengan metode pellet KBr.
[tlI = viskositas intrinsik larutan polimer K = 0,00133 = 0,616. a'
Penentuan Kadar Asetil Selulosa Asetat Satu gram selulosa asetat nata de coco dikeringkan pada suhu 105°C selama 2 jam, kemudian ditambahkan 40 mL etanol dan dipanaskan selama 30 menit pada suhu 55°C. Kemudian ditambahkan 40 mL larutan NaOH dan dipanaskan lebih lanjut selama 15 menit pada suhu yang sarna. Campuran didiamkan selama 3 hari pada suhu kamar dan kelebihan NaOH dititrasi dengan HCI menggunakan indikator fenolftalein. Campuran didiamkan selama 1 hari untuk dititrasi balik dengan NaOH sampai terbentuk wama merah. Blanko diperlakukan sarna dengan contoh selulosa asetat. Kadarasetil dihitung menggunakan persamaan 1. Kadarasetil(%) = [(D-C) Na + (A-B) Nb) x(FIW) ....
(I)
dengan: A = Volume NaOH yang diperlukan untuk . titras contoh B
= Volume NaOH yang diperlukan untuk titrasi blanko
C
= Volume HCI yang diperlukan untuk titrasi contoh
D
= Volume
Na
HCI yang diperlukan untuk titrasi blanko ' = Normalitas HCI
Nb
= Normalitas NaOH
F
= 4,305
W
Rata-Rata
Massa
Molekul
Penentuan Permeabilitas Membran Permeabili.~membran
ditentukan melalui
kemampuan nilai fluks yang menyatakan membran untuk melewatkan spesi tertentu. Fluks ditentukan dengan menghitung volume lanrtan yang melewati membran per satuan waktu per satuan luas dengan persamaan 3. J
= V / A.t
..............................
(3)
dengan:
J = fluks air atau larutan V = volum permeat yang melewati membrane t
= waktu yang diperlukan untuk permeat melewati membran
Fluks ditentukan terhadap air, larutan dekstran T-500 dan T-2000 dengan konsentrasi 1000 ppm yang dimasukkan dalam sel berpengaduk pada tekanan operasional sebesar 2 kgflcm2• Sebelum pengukuran dimulai, dilakukan kompaksi terhadap membran selama 15 menit sarnpai dengan 30 menit.
Penentuan Selektivitas Membran Selektivitas dari membran dinyatakan sebagai koefisien rejeksi (%R) yang menyatakan kemampuan membran untuk menahan atau melewatkan spesi tertentu, yang dihitung dengan persamaan 4 sebagai berikut:
untuk kadar asetil dan 6,005 untuk kadar asam asetat = berat contoh
Penentuan
dengan
Relatif
Vislulsitas (M)
_ Penentuan massa molekul selulosa asetat dilakukan secara viskometri. Sebanyak 0,15 g selulosa asetat dilarutkan dalam 100 mL aseton, kemudian dibuat 4 larutan dengan pengenceran 20 %, 40 o/J, 60 % dan 80 %. Tiap larutan diukur waktu alimya dengan viskometer Ostwald. Nilai Mv ditentukan dari persamaan Mark-Houwink yang ditunjukkan pada persamaan 2.
(2)
% R = [1 - (C p/Ck)] ,
•••••••••••••••••••••••
(4)
dengan: C !' = konsentrasi permeat Ck
= konsentrasi konsentrat
Larutan de~stran 1000 ppm dimasukkan ke dalam sel berpeI}gaduk. Konsentrasi permeat dan konsentrat ditentukan dengan mereaksikan 1 rnL larutan yang dianalisis dengan 1 rnL larutan fenol 5% dan 5 mL asam sulfat pekat. Larutan kemudian diaduk dan diukur persen transrnitannya pada panjang gel om bang 490 nm dengan menggunakan Spectronic-20.
205
Frosiding Simposium Nasional PoUmer V
ISSN 1410-8720
Pengujian Sifat Mekanik Membrau Sifat mekanik membran ditentukan dari uji tarik membran dengan alatA utograph Shimadzu AGS-500D pada kondisi Single Tension dan kecepatan 5 mrn/menit.
HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi
Selulosa Asetat dengan FfIR
Seperti Gelombang ditunjukkan pada Gambar 1, (em"l) 3245 2920 1371 1061 1645 612 603 Bilangan puneak serapan gugus -OH (3245 em-I) dan gugus -CO ulur (1061 em-I) menunjukkan adanya ikatan glikosida dan ikatan -CO pada cinein selulosa [7]. Spektrum FTIR selulosa asetat dari nata de coco ditunjukkan pada Gambar 2. Puncak serapan khas muneul pada gugus karbonil (1748 em-I) dan gugus -CO asetil (1236 em-I) yang eukup tajam. Dari perbandingan kedua spektnun terlihat penurunan tajam pada intensitas serapan gugus OH. Hal ini disebabkan oleh berkurangnya jumlah gugus -OH bebas pada selulosa asetat akibut substitusi gugus tersebut oleh gugus asetil. Muneulnya gugus asetil dibuktikan dari muneulnya puneak -puneak serapan barn,
Gambar 1. Spektrum selulosa dari nata de coco
•..
{Y
•• .•.
.....
yaitu serapan gugus karbonil clan C-Q asetil yang sangat karakteristik. Tabell menunjukkan hasil analisis FTIR selulosa dan selulosa asetat yang dibuat dari nata de coco. Dengan demikian telah dibuktikan dari basil analisis FTIR bahwa proses asetilasi selulosa nata de coco menjadi selulosa asetat telah berhasil dilakukan. Tabell. Hasil Analisis FTIR selulosa dan selulosa asetat dari nata de coco Gelombang Bilangan O-H C-H C-H C=O CoO CoO C-H tekuk asetil ulur ulurcoco Selulosa CoO O-H C-H O-H tekuk 2942 3461 1236 ulur 1383 1061 1748 SelulosaC-H natatekuk de Jenis Jenis vibrasi vibrasi (em-I) asetat nata de eo eo
Kadar Asetil Selulosa Asetat Pengujia.il kadar asetil diperlukan untuk menentukan jenis selulosa asetat yang telah disintesis. Selulosa monoasetat memiliki kadar asetil kurang dari 35 %, selulosa diasetat 35 % sampai dengan 43,5 % dan selulosa triasetat 43,5 % sampai dengan 44,8% [8]. Pada penelitian ini dihasilkan selulosa asetat dengan kadar asetil 39,6 %. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa selulosa asetat yang dihasilkan termasuk ke dalam jenis selulosa diasetat. Kadar asetil merupakan salah satu faktor yang sangat penting karena menentukan kineIja dari membran selulosa asetat. Makin tinggi jumlah gugus asetil, halangan sterik makin besar dan jumlah gugus hidroksil yang berkurang akan menurunkan interaksi dengan air, Karcna itu kadar asetil yang terlalu tinggi menghasilkan membran dengan jluks yang kecil.
Massa Molekul Relatif Rata-Rata Viskositas (M v ) Selulosa Asetat
••
Dari basil perhitungan diperoleh Mvselulosa asetat hasil sintesis sebesar 4,36 x 1()4. Nilai M v ini mendekati nilai M v selulosa asetat tanaman
••
•
-
••
•...
- -
Gambar 2. Spektrum nata de coco
206
- -selulosa
asetat
Abaca hasil penelitian sebelumnya yaitu sebesar dari
. 4,5 x 1()4, sedangkan Mv selulosa asetat komersial
I.
Penggunaan
Nata De Coco Sebagai Bahan Membran Selulosa Asetat (Cynthia L Ratfiman)
adalah 7,5 X 104 [9]. Besamya massa molekul relatifdari selulosaasetatdipengaruhi olehpanjang serat dari selulosa yang digunakan sebagai bahan dasar pembuatan selulosa asetat. Selulosa tanaman memiliki seratyang lebihpanjang dengan diameter seratus kali lebih besar dibandingkan selulosamikrobial,sehingga massa molekul relatif dari selulosa tanaman lebih besar dibandingkan selulosa mikrobial [10]. Selainjenis selulosa, perlakuan pada saat asetilasi terutama lamanya waktu asetilasi dan waktu hidrolisis juga mempengaruhi massa molekul relatifdari selulosa asetat hasil sintesis. Reaksi pemutusan ikatan glikosida selulosa yang menurunkan derajat polimerisasinya dapat terjadi pada tahap aktivasi, asetilasimaupun hidrolisis. Permeabilitas Membran Perbandingan permeabilitas terhadap air dari membran selulosa dan selulosa asetat (Gambar 3) menunjukkan bahwa permeabilitas membran selulosa asetat (SA) jauh lebih tinggi dibandingkan meIllbran selulosa. Adanya gugus asetil menyebabkan halangan sterik bertambah dan interaksi antar rantai selulosa berkurang sehingga kristalinitas selulosa menurun. Akibatnya membran lebih mudah dilewati oleh molekul-molekul air karena interaksi molekul air dengan membran terjadi pada daerah amorf. Gambar 4 menunjukkan penurunan nilaifluks dekstran dibandingkan fluks air. Hal ini disebabkan oleh besarnya massa molekul relatif dekstran sebagai zat terlarut yang menyebabkan timbulnya polarisasi konsentrasi pada permukaan membran.
lED 140
r-J
120
E
Permselektivitas
Membran
Hasil pengukuran koefisien rejeksi membran selulosa asetat terhadap dekstran T-500 adalah 78,0 %, sedangkan terhadap dekstran T-2000 sebesar 93,7 %. 250
I
200
t50
I ~ , ~
.•. d.k."an 1-<>- •••••••
tOO
I
'Lt5: I e
o
10
T-500 ,.2000J
1-+-'"
~----!
~
~
~
~
.alltu (••• ntt) I Gambar 4. Permeabilitas air dan larutan dekstran
JI
dari membran selulosa asetat pad a kgf/cm2
Dari data ini dapat disimpulkan bahwa membran selulosa asetat yang dibuat dari bahan dasar nata de coco merupakan membran mikrofiltrasi yang dapat menahan molekul yang ukurannya sarna dengan dekstran yang mempunyai Mn sebesar 2 x 106• Sifat Mekanik Membran Tabel 2 menunjukkan perbandingan nilai tegangan, regangan dan modulus Young membran selulosa dan selulosa asetat dari
nata de coco yang memperlihatkan penurunan tajam tegangan selulosa 'asetat dibandingkan selulosa nata de coco. Asetilasi selulosa menyebabkan sebagian gugus hidroksil selulosa digantikan oleh gugus asetil, sehingga terjadi pengurangan ikatan hidrogen intramolekuler dan intermolekuler pada rantai selulosa asetat yang mengakibatkan penurunan derajat kristalinitasnya. Hal ini didukung oleh nilai perrneabilitasmembran selulosa asetat yang lebih tinggi dari membran selulosa.
100
~
:
Tabel2. Hasil uji tarik membran.
EO
~
I /
asetat nata denata coco membran Se1ulosa
20
o
I o
10
••• ktu (menit)
20
Gambar 3. Permeabilitas
~
20 Stress 12,50,433 0,011 (%) (MPa) Modulus (GPa) Young JenisElongation 53,94 2,62 de coco Selulosa
I 40
I·=~~ • seUcsa asctat
I
membran selulosa
(nata de coco) dan selulosa asetat pada tekanan 2 kgf/cm2
207
•• Pros;d;ng S;mpos;um NCJ;onal Polimer V
KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa selulosa diasetat dapat diperoleh melalui reaksi asetilasi nata de coco dengan kadar asetiI39,6-%. Membran selulosa asetat yang dibuat dari larutan hasil hidrolisis dengan metode inversi fasa dan teknik presipitasi imersi menghasilkan fluks air sebesar 140 Um2.jam pada tekanan 2 kgfi'cm2 clanrejeksi terhadap larutan dekstran T-2000 sebesar 93,73%. Berdasarkan nilai fluks dan koefisien rejeksinya, membran hasil sintesis dikategorikan sebagai membran mikrofiltrasi. j
DAFfAR PUSTAKA [I]. M. MULDER, Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publisher, Dordrecht, Ed. 2, (1996). [2]. R.E. KIRK et. aI., Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 4, Ed. 4, John Wiley, New York, (1992) [3]. R.W. BAKER, lifembrane Technology and Applications, Mc.Graw-Hill, New York, (2000) [4]. H. SHIBASHAKI, S. KUGA, F. ONABE, M. USUDA, Bacterial Cellulose Membrane as Separation Medium, Journal of Applied Polymer Science 50 (1993) 965-969 [5]. Y. NISHI, M. URYU, S. YAMANAKA, K. WATANABE, N. KITAMURA, M. IGUCHI, The Structure and Mechanical Properties of Sheet Prepared from Bacterial Cellulose, Journal of Materia I Science 24, (1990) 3141-4145 [6]. IGUCHI, M., YAMANAKA, S., BUDHIONO, A., Review Bacterial Cellulose, a Masterpiece of Natural's Arts, Journal of Material Science, 35 (2000) 261-269 [7]. SILVERSTEIN, ~.M.,BASLER, G.C., MORRIL, T.C., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Ed. 5, John Wiley, Toronto, (1991) [8]. WINSTON, W.S., SIRKAT K., Membrane Handbook, Chapman & Hall, New York, (1992)
208
ISSN /410-8720
[9]. A. PUTRA, TesisMagister, Program Pasca Sarjana, ITB, Bandung, (2001) . [10].http://www.res.titech.ac.ip/-iunkanlenglishl cellulose/, Production of biocellulose (bacterial cellulose)
