Jurnal Sains dan Teknologi Farmasi, Vol. 17, No. 1, 2012, halaman 44-51
ISSN : 1410-0177
UJI BIODEGRADASI FILEM PLASTIK CAMPURAN POLISTIREN DENGAN POLI(3 HIDROKSIBUTIRAT-KO-3-HIDROKSIVALERAT) DALAM LUMPUR 1Asiska
PermataDewi, 1Melzi Octaviani, 1Rustini, 1Erizal Zaini dan1,2Akmal Djamaan 1FakultasFarmasi, UniversitasAndalas, LimauManis, Padang 2LaboratoriumBioteknologi Biota Sumatera, UniversitasAndalas, Padang ABSTRACT
An assay of biodegradation of plastic film combination of polystyrene (PS) and poli (3hydroxy butyrate-ko-3-hydroxyvalerate) [P(3HB-ko-3HV)] has been conducted. The assay was done by using soil burial test method. The plastic film was made by blending technique of various composition of PS/P(3HB-ko-3HV) in to the mud. The remaining weight of plastic film was determined gravimentically time intervals 1,2,3,4 and 5 weeks of burial. Result showed that the P(3HB-ko-3HV) had an influence on the degradation rate of plastic film. The biodegradation rate increased with an increase in P(3HB-ko-3HV) content in the mixture. The rate was derived from linear regression equation and parameters such as biodegradation rate constant (k), t 50 % and t 95% were obtained. It was found that for combination of PS/P(3HB-ko-3HV) 95:5 k= 1,26% b/b per week , t 50 % = 39,07 weeks and t 95 % = 74,783 week for the mixture of PS/P(3HB-ko-3HV) 90:10 k = 1,604 % b/b per week, t 50 % = 30,57 week and t 95 % = 58,62 week. For the mixture of PS/P(3HB-ko-3HV), 85:15 k = 2,663 % b/b per week, t 50 % = 17,95 week and t 95 % = 34,85 week. While those of pure PS plastic film k = 0,24 % b/b per week, t 50 % = 201,85 week and t 95 % = 354,55 week which indicated a very slow biodegradation. Analysis by SEM showed that the surface of plastic film was eroded and damaged during the burial. The amount of bacterial colony per 1 gram of mud was 2,31x107. Keywords : biodegradasi, polistiren, poli(3-hidroksibutirat), poli(3-hidroksibutirat-ko-3hidroksi valerat, filem plastik, lumpur. PENDAHULUAN Poli(3-hidroksibutirat) atau P(3HB) dan kopolimernya poli(3-hidroksibutirat-ko-3hidroksivalerat) atau P(3HB-ko-3HV) adalah biopolimer yang dewasa ini banyak digunakan dalam bidang farmasi dan medis. Kedua biopolimer ini digunakan sebagai zat pembawa sediaan obat lepas lambat (sustained release drug), matriks untuk memperbaiki rekahan tulang, benang jahit operasi, sumber senyawa kiral untuk obat-obatan dan memperbaiki struktur kulit pada operasi plastik (Rezwan et al., 2006; Nubia et al., 2007; Gonzalez-Garcia et al., 2008).
Di beberapa negara maju seperti Inggris, Jepang, Jerman, Korea Selatan dan Amerika Serikat telah mulai dikembangkan penggunaan biopolimer ini sebagai bahan kemasan plastik untuk mengurangi pencemaran lingkungan yang disebabkan oleh plastik sintetis selama ini (Djamaan, 2011). Di Indonesia, upaya ke arah itu belum banyak mendapatkan perhatian sehingga kerusakan lingkungan sangat mengkhawatirkan. Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dikembangkan formula biopolimer berupa filem plastik ramah lingkungan yang dapat 44
Asiska P., et al.
diaplikasikan sebagai kemasan untuk sediaan farmasi, makanan, dan minuman yang lebih ramah lingkungan, yaitu P(3HB-ko-3HV). Senyawa P(3HB-ko3HV) ini termasuk kelompok biopolimer yang dihasilkan oleh bakteri yang dikenal dengan kelompok poli(3-hidroksialkanoat) atau P(3HA). Doi (1990) melaporkan produksi P(3HB-ko-3HV) oleh bakteri Alcaligenes euthropus dari bahan dasar asam butirat dan asam valerat. Sementara itu, Djamaan (2004) melaporkan penggunaan minyak kelapa sawit dan npentanol untuk menghasilkan P(3HB-ko3HV) dalam bioreactor berkapasitas 10L menggunakan bakteri Erwinia sp. USMI20. Selama ini penggunaan biopolimer P(3HBko-3HV) sebagai bahan kemasan ramah lingkungan masih terbatas. Hal ini disebabkan P(3HB-ko-3HV) memiliki sifat mudah pecah dan rapuh, sehingga menjadi kendala dalam penggunaannya secara konvensional untuk menggantikan plastik sintetis (Djamaan, 2011; Majid et al., 1999). Berbagai usaha dilakukan untuk memperbaiki sifat-sifat fisikanya ini. Salah satu cara yang dilakukan akhir-akhir ini adalah membuat bentuk campuran P(3HBko-3HV) dengan polimer sintetis lain sehingga dihasilkan filem yang kuat serta dapat terurai bila dibuang ke lingkungan. Beberapa penelitian sebelumnya di Universitas Andalas telah melaporkan pembuatan filem plastik campuran P(3HB) dan polivinil klorida (PVC) serta uji biodegradasinya secara in-situ, in-vitro dan in-vivo (Yusri, 2007; Puteri, 2008). Begitu juga pembuatan filem plastik campuran P(3HB) dan polistiren (PS) serta uji biodegradasinya (Hati, 2009). Kemudian pengujian biodegradasi filem plastik campuran plastik sintesis PS dan bioplastik P(3HB) secara in-vivo dan in-vitro (Octaviani, 2011). Dari studi literatur yang kami lakukan pembuatan filem plastik
J. Sains Tek. Far., 17(1), 2012
campuran plastik sintetis PS dengan biopolimer berupa kopolimer seperti P(3HB-ko-3HV), belum pernah dilaporkan. Oleh karena itu, pada penelitian ini telah dilakukan pembuatan filem plastik campuran PS dengan P(3HBko-3HV) dan dilanjutkan dengan pengujian biodegradasinya dalam media lingkungan. Parameter penguraian yang diamati adalah pengurangan berat dari plastik yang diuji setelah dikubur (Soil Burial Test) di dalam lumpur dalam jangka waktu tertentu (Sawada, 1994) serta kerapatan pertumbuhan bakteri pada media tersebut (Angka Lempeng Total) (Djamaan et al.,2003). Sementara itu, profil kerusakan (pengikisan) pada permukaan filem setelah pengujian diamatidengan alat Scanning Electron Microscope (SEM). Tujuan penelitian ini adalah membuat filem plastik campuran plastik sintetik PS dan bioplastik P(3HB-ko-3HV) dengan berbagai perbandingan dan mengamati laju biodegradasi filem plastik campuran plastik sintetik PS dan bioplastik P(3HBko-3HV) dalam media lingkungan secara in-vitro. METODE PENELITIAN Penyiapan Sampel Uji Filem plastik campuran PS/P(3HB-ko3HV dibuat dengan berbagai perbandingan (100:0, 95:5, 90:10, 85:15). PS dimasukkan ke dalam gelas piala kemudian ditambahkan 10 mL kloroform dan dipanaskan di atas hot plate sampai larut dan mendidih. Setelah itu ditambahkan P(3HB-ko-3HV) ke dalam gelas piala yang sama dan diaduk sampai homogen. Selanjutnya, dituangkan ke dalam cawan petri dan dibiarkan kering pada suhu ruang sehingga diperolah filem plastik. Filem plastik yang terbentuk ditimbang beratnya dan diukur ketebalannya dengan jangka sorong. Hal yang sama dilakukan untuk semua perbandingan. 45
Asiska P., et al.
Kemudian filem plastik dipotong dengan ukuran 1,5 x 1,5 cm dan ditimbang berat masing-masing potongan plastik tersebut. Potongan plastik ini merupakan sampel yang akan diuji penguraiannya dan berat yang ditimbang adalah merupakan nilai berat awal dari masing-masing sampel filem plastik. Untuk setiap pengujian pada setiap perbandingan dilakukan dua kali pengulangan (duplo). Pengujian Biodegradasi Penentuan kecepatan penguraian filem plastik ini dilakukan secara in-vitro dalam media lingkungan berupa lumpur sesuai dengan metode standar yang direkomendasi oleh American Society for Testing and Materials (ASTM) (Swift, 1994). Dalam percobaan ini lumpur diambil dari persawahan di daerah Kapalo Koto, Limau Manis, Kota Padang. Parameter penguraian yang diamati adalah pengurangan berat dari plastik yang diuji setelah dikubur (Soil Burial Test) di dalamlumpur (Sawada, 1994; Djamaan et al., 2003). Masing-masing sampel dimasukkan ke dalam nampan plastik. Filem plastik dengan ukuran 1,5 cm x 1,5 cm dari masing-masing perbandingan dimasukkan ke dalam lumpur sampai terbenam. Setelah periode waktu tertentu sampel diangkat dari tempat perlakuan, dibersihkan dengan air suling dan dikeringkan sampai berat konstan, kemudian ditimbang berat filem plastik yang tersisa. Periode waktu pengambilan filem plastik adalah minggu pertama, kedua, ketiga, keempat, dan kelima. Data penunjang lainnya juga dilakukan pengukuran pH dengan pH meter elektrometrik dan penentuan Angka Lempeng Total (ALT) bakteri yang tumbuh dalam media NA dari suatu sampel yang telah diencerkan terlebih dahulu (Djamaan et al., 2003). Dihitung jumlah koloni yang tumbuh dan dikalikan dengan
J. Sains Tek. Far., 17(1), 2012
faktor pengencerannya. Hasilnya dinyatakan sebagai Angka Lempeng Total (ALT) dalam tiap gram atau tiap mL sampel. HASIL DAN PEMBAHASAN Sampel bioplastik yang digunakan dalam penelitian ini, dibuat dalam bentuk campuran PS dan P(3HB-ko-3HV) dengan teknik blending yang dikuti dengan penguapan pelarut (Solven Casting). Dalam hal ini PS mewakili plastik sintetis yang berasal dari minyak bumi dan P(3HB-ko-3HV) mewakili bioplastik yang dibuat dengan cara fermentasi menggunakan bakteri tertentu. Proses pencampuran dilakukan dalam keadaan terlarut dan mendidih dalam kloroform sambil dikocok agar didapatkan plastik filem yang homogen. Metode ini menurut laporan peneliti sebelumnya yang juga menggunakan teknik yang sama, akan menghasilkan filem plastik yang tercampur hanya secara fisika, dimana komponen biopolimer P(3HB-ko-3HV) akan mengisi sela-sela ikatan antara monomer polistiren tanpa adanya ikatan kimia yang terbentuk antara keduanya (Djamaan et al., 2003;Tokiwa dan Iwamoto, 1994). Penggunaan komponen P(3HB-ko-3HV) untuk mendapatkan filem plastik yang tetap kuat dan kaku seperti halnya polistiren murni, namun dapat dipercepat penguraiannya. Di samping pertimbangan sifat fisika tersebut, dalam percobaan ini penambahan biopolimer dibatasi maksimum 15% b/b, agar tidak terlalu menaikkan biasa produksinya, karena harga P(3HB-ko-3HV) untuk saat ini relatif tinggi. Dengan demikian, apabila filem plastik ini suatu saat diproduksi dalam skala besar oleh industri, harganya masih terjangkau dan bersaing dengan plastik sintetis biasa.
46
Asiska P., et al.
Filem plastik yang dihasilkan dari campuran plastik sintetik PS dengan bioplastik P(3HB-ko3HV) dalam berbagai formula (100:0, 95:5, 90:10, 85:15). Filem
PS/P(3HB-ko-3HV) 100:0
PS/P(3HB-ko-3HV) 90:10
J. Sains Tek. Far., 17(1), 2012
plastik berwarna putih agak keruh dengan ketebalan rata-rata 0,2 mm seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
PS/P(3HB-ko-3HV) 95:5
PS/P(3HB-ko-3HV) 85:15
Gambar 1.Filem plastik yang dihasilkan dari campuran PS/P(3HB-ko-3HV) pada berbagai perbandingan. Pada percobaan ini, pengujian biodegradasi dilakukan pada media lingkungan yaitu lumpur. Media ini dipilih karena mewakili salah satu kondisi lingkungan di alam dimana biasanya limbah plastik dibuang. Pengujian biodegradasi filem plastik ini dilakukan secara in-vitrodengan membawa media ini ke laboratorium. Apabila pengujian langsung di alam terbuka (in-situ) akan sangat sulit mengontrol keamanan dari sampel-sampel uji dan ada kemungkinan sampel hilang dimakan oleh hewan yang berada disekitar sawah tersebut. Di samping itu, kondisi cuaca seperti panas
dan hujan juga tidak bisa dikontrol yang juga akan mempengaruhi kecepatan penguraian sampel filem plastik yang diuji. Uji biodegradasi filem plastik campuran PS/P(3HB-ko-3HV) dengan formula yang berbeda-beda yaitu 0-15% b/b komponen bioplastik untuk melihat sejauh mana pengaruh penambahan komponen P(3HBko-3HV) terhadap kecepatan penguraian filem plastik tersebut. Dari pengujian biodegradasi ini dapat ditentukan konstanta laju biodegradasi, waktu penguraian 50%(t50%), waktu penguraian 95% (t95%) dari masing47
Asiska P., et al.
masing filem tersebut. Data ini dapat digunakan untuk menghitung secara teoritis berapa lama filem-filem plastik dengan formula yang berbeda tersebut hancur separohnya (50% b/b) dan mendekati penguraian total (t95% b/b). Dalam penghitungan ini tidak digunakan parameter habis sama sekali (t100% b/b), karena secara teoritis filem plastik tersebut tidak akan pernah habis seratus prosen, karena plastik tersebut akan tetap ada walaupun dalam bentuk fragmen-fragmen kecil seperti dikemukakan oleh Tokiwa dan Iwata (1994). Dari hasil uji biodegradasi filem plastik campuran PS/P(3HB-ko-3HV) terlihat pengurangan berat sampel. Hasil dari percobaan ini menunjukkan bahwa pengurangan berat sampel bervariasi
J. Sains Tek. Far., 17(1), 2012
tergantung pada konsentrasi perbandingan. Filem plastik campuran PS/P(3HB-ko3HV) setelah ditanam dalam lumpur selama 5 minggu, berat filem campuran plastik pada perbandingan 100/0, 95/5, 90/10 dan 85/15 secara berturut-turut menjadi 98,60% b/b, 93,43% b/b, 91,72% b/b dan84,07% b/b. Dari data tersebut dapat dilihat bahwa filem plastik yang memiliki prosentase P(3HB-ko-3HV) lebih besar dalam campuran akan mengalami pengurangan berat awal lebih besar setelah dilakukan uji penguraian. Laju penguraian filem plastik campuran PS/P(3HB-ko3HV) dalam waktu biodegradasi selama 5 minggu, dapat menguraikan filem plastik sebesar 2,66% b/b/minggu yang dapat dilihat dari kurva laju penguraian filem plastik seperti Gambar 2.
Gambar 2. Profil laju biodegradasi filem plastik PS dan P(3HB-ko-3HV) pada berbagai perbandingan dalam media lumpur. Keterangan : ♦ = 100:0 ■ = 95:5 ▲ = 90:10 × = 85:15 Data kerapatan populasi bakteri ini mempunyai korelasi positif dengan terjadinya pengurangan berat dari sampel filem plastik yang diuji (Wool, 1994). Ditemui bahwa semakin banyak populasi bakteri di dalam media uji, maka akan semakin cepat penguraian terjadi. Pada penelitian ini jumlah populasi mikroba dalam media uji sebanyak 2,31x107 dan pHnya 7,4. Hasil yang hampir sama juga dilaporkan oleh peneliti sebelumnya yang
melakukan pengujian biodegradasi dari sampel filem plastik P(3HB) dan kopolimernya P(3HB-ko-HV) (Djamaan et al., 2003). Pada konsentrasi 85/15 pada media uji akan cepat dicapai t50% dan t 95% dibandingkan dengan konsentrasi lainnya. Hal ini disebabkan karena pada perbandingan 85/15 mengandung komponen bioplastik P(3HB-ko-3HV) 48
Asiska P., et al.
J. Sains Tek. Far., 17(1), 2012
yang paling banyak dibandingkan perbandingan lain. P(3HB-ko-3HV) merupakan plastik biourai yang mengalami penguraian seratus persen apabila dibuang kelingkungan (Majid et al., 1999), sehingga dengan adanya komponen tersebut dalam filem plastik yang diuji akan menyebabkan penguraian yang lebih cepat, dibandingkan dengan polistiren murni. Penguraian filem plastik tersebut dapat diketahui dari berkurangnya berat awal filem plastik. Pada gambar foto filem plastik campuran PS/P(3HB-ko-3HV) yang diambil dengan kamera digital, dapat
0
1
2
3 N u b i a
terlihat adanya perubahan filem yang belum diuraikan dengan yang telah diuraikan dalam waktu tertentu yang ditandai dengan perubahan warna, timbulnya bintik-bintik putih pada permukaan filem dan lebih tipis akibat penguraian seperti pada Gambar 3.
4
5
M . Gambar 3. Profil permukaan filem plastik pada lumpur dengan perbandingan 85:15 Keterangan : Uji 0-5 adalah ,lama penguraian (minggu) I Untuk melihat lebih jelas bentuk v pengikisan permukaan filem plastik dapat diamati dengan menggunakan Scanningo Electron Microscope (SEM). Dari gambarn SEM dapat terlihat jelas perbandingann antara filem plastik sebelum pengujiane dengan setelah pengujian. Dengan bertambahnya komponen P(3HB-ko-3HV) dari filem plastik yang diuji terlihatM . , D i o n i s i o M
kerusakan dari serat polimer bertambah banyak, ditandai dengan munculnya lobang-lobang yang terbuka diantara seratserat. Ini terjadi akibat pengaruh enzim depolimerase yang dihasilkan oleh bakteri yang menguraikan komponen P(3HB-ko3HV) dari filem tersebut, seperti yang dipaparkan pada Gambar 4.
49
Asiska P., et al.
J. Sains Tek. Far., 17(1), 2012
A
B
Gambar 4. Profil SEM dari permukaan filem plastik PS/P(HB-k-3HV) 90:10 sebelum dan setelah penguburan di dalam lumpur selama 5 minggu keterangan : A = sebelum penguburan B = setelah penguburan selama 5 minggu Dibandingkan dengan plastik sintetis, filem plastik campuran PS dan P(3HB-ko3HV) ini memperlihatkan sifat penguraian yang lebih baik dibandingkan dengan polistiren murni. Jadi hasil penelitian ini sangat bermanfaat untuk mengurangi pencemaran lingkungan yang disebabkan oleh plastik sintetis. Plastik campuran plastik sintetis dan bioplastik yang diteliti ini mempunyai prospek yang cerah untuk dikembangkan sebagai bahan kemasan produk-produk kemasan farmasi, seperti obat, makanan, minuman dan kosmetika serta produk lainnya yang lebih ramah lingkungan. KESIMPULAN 1. Filem plastik campuran PS dan P(3HBko-3HV) dapat dibuat dengan cara pencampuran secara fisika dalam keadaan mendidih dengan teknik blending dan solven casting sehingga membentuk suatu filem plastik yang kompak dengan ketebalan rata-rata 0,2 mm dan berwarna putih kekeruhan. 2. Jumlah komponen bioplastik P(3HB-ko3HV) dalam campuran, sangat berpengaruh terhadap kecepatan penguraian filem plastik campuran PS/P(3HB-ko-3HV). Bertambah besar
prosentase komponen P(3HB-ko-3HV) dalam filem plastik campuran PS/P(3HB-ko-3HV), maka penguraiannya semakin cepat. 3. Formula yang menghasilkan filem plastik yang paling cepat penguraiannya adalah formula -4 dengan komposisi PS/P(3HB-ko-3HV) 85:15, dimana waktu penguraian mencapai 50% b/b (t50%) adalah 17,95 minggu. Laju penguraian filem plastik rata-rata 1.26 % b/b/minggu (perbandingan 95/5), 1,604 % b/b/minggu (perbandingan 90/10), 2,664 % b/b/minggu (perbandingan 85/15). DAFTAR PUSTAKA Djamaan, A., M.N. Azizan and M.I.A. Majid. 2003.Biodegradation of Microbial Polyesters P(3HB) and P(3HB-co-3HV) under The Tropical Climate Environment, Int. J. Polym. Dedrad.Stab. 80: 513-518. Djamaan, A. 2004. Penghasilan dan Pencirian P(3HB) dan P(3HB-ko-3HV) dari Berbagai Sumber Karbon oleh Erwinia sp USMI-20. Tesis Doktor Falsafah. Penang:Universitas Sains Malaysia. Djamaan, A. 2011. Konsep Produksi Biopolimer P(3HB) dan P(3HB-ko-
50
Asiska P., et al.
3HV) Secara Fermentasi. Padang:Andalas University Press. Gonzalez-Garcia, Y., Nungaray J., Córdova J., González R., Koller M., Atlic M.& Braunegg G. 2008. Biosynthesis and Characterization of Polyhydroxyalkanoates in The Polysaccharide-degrading Marine Bacterium SaccharophagusdegradansATCC 43961, J.Indian Microbiol.Biotechnol.,DOI 10.1007/s10295-007-0299-0. Hati, S.P. 2009. Pembuatan Filem Plastik Ramah Lingkungan Campuran P(3HB) dengan Polistiren dan Uji Biodegradasinya. Skripsi. Pekanbaru:Sekolah Tinggi Ilmu Farmasi. Majid, M. I. A., Akmal, D., Few, L. L., Agustien, A., Toh, M. S., Samian, M. R., Najimudin, N. &Azizan, M. N. 1999. Production of Poly(3hydroxybutyrate) and Its Copolymer Poly(3-hydroxybutyrate-co-3hydroxyvalerate) by Erwinia sp. USMI20. Int. J. Biol. Macromol. 25: 95-104. Nubia M., Ivonne M., Dionisio M., Victoria G., Dolly R., Diego S., Juan G., Fabio A., Armando E and Dolly M. 2007. Bioprospecting and characterization of poly-bhydroxyalkanoate (PHAs) producing bacteria isolated from Colombian sugarcane producing areas,
J. Sains Tek. Far., 17(1), 2012
African J. of Biotechnol., 6 (13)15361543. Octaviani, M. 2011. Uji Penguraian Filem Plastik Campuran Polistiren dan Poli(3Hidroksibutirat) dalam Larutan Berair pada Berbagai pH Secara in-vitro. Skripsi. Padang: Universitas Andalas. Putri, R.A. 2008. Pengujian Biodegradasi Filem Plastik Campuran P(3HB) dengan PVC secara in-vitro dan in-vivo. Skripsi. Padang:Universitas Andalas. Rezwan K., Q. Z. Chen., J. J. Blaker & A. R Boccaccini. 2006. Biodegradable and Bioactive Porous Polymer/Inorganic Composite Scaffolds for Bone Tissue Engineering. Biomaterials, 27: 34133431. Sawada, H. 1994. Field Testing of Biodegradable Plastics.Biodegradable Plastic and Polymer, 298-312. Tokiwa, Y., Ando, T. & Suzuki, T. 1976.Degradation of Polycaprolactone by Fungus.J. Ferment. Technol, 54, 603608. Wool, R. 1994.Perspectives on Srandard Test Methods for Biodegradable Plastic, Biodegradable Plastic and Polimers, (Eds. Doi.Y and K. Fukuda), Elsevier Science B. V., Amsterdam. Yusri. 2007. Pembuatan Filem Plastik Campuran P(3HB) dan PVC serta Uji Biodegradasinya Secara In-situ. Sripsi. Padang:Universitas Andalas.
51
