KAJIAN MIKROSTRUKTUR MEMBRAN KOMPOSIT SELULOSA ASETAT-POLISTIRENA BERBAHAN DASAR LIMBAH TAHU
SARI RACHMAWATI
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
ABSTRAK SARI RACHMAWATI. Kajian Mikrostruktur Membran Komposit Selulosa AsetatPolistirena Berbahan Dasar Limbah Tahu. Dibimbing oleh SRI MULIJANI dan AHMAD SJAHRIZA. Nata de soya merupakan bahan dasar dalam pembuatan selulosa asetat (CA) yang kemudian diasetilasi sehingga menghasilkan selulosa asetat lalu dibuat membran. Kelemahan dari membran CA ini adalah bahannya yang rapuh sehingga perlu dikembangkan dibuat membran komposit, yaitu membran yang dikombinasikan dengan bahan polimer sintetis lain untuk meningkatkan mutu membran. Polimer sintetis yang digunakan ialah polistirena (PS). Kajian mikrostruktur membran komposit CA-PS dilakukan dengan uji spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dan mikroskop susuran elektron (SEM). CA mempunyai kadar air sebesar 6.23% dan kadar asetil sebesar 43.26% (yang setara dengan kisaran derajat substitusi 2.8-3.0) serta rendemen 109.76%. Analisis SEM menunjukkan bahwa membran komposit CA-PS merupakan membran mikrofiltrasi dengan jenis pori asimetris. Spektrum serapan membran komposit CA-PS hanya merupakan spektrum serapan gabungan antara pita serapan CA dan PS. Analilsis FTIR tidak menunjukkan terbentuknya pita serapan baru.
ABSTRACT SARI RACHMAWATI. Microstructure Study of Cellulose Acetate-Polystyrene Composite Membrane based on Tofu Waste. Supervised by SRI MULIJANI and AHMAD SJAHRIZA. Nata de soya is basic material to make cellulose acetate, then it was acetylated to make CA membrane. The problem is the weakness of CA membrane so it has to be composited with other synthetic polymer to improve the quality. This experiment used polystyrene (PS) as synthetic polymer. Microstructure of CA-PS composite membrane was studied using Fourier transformed infrared (FTIR) and scanning electron microscope (SEM). CA moisture was 6.23%, acetyl content 43.26% (equivalent to substitution degree of 2.8-3.0), and the yield was 109.76%. SEM analysis showed that CA-PS composite membrane was microfiltrate assimetric type. CA-PS spectra showed it was only a combination between the individual spectra of CA and PS. FTIR analysis did not show any new spectra.
KAJIAN MIKROSTRUKTUR MEMBRAN KOMPOSIT SELULOSA ASETAT-POLISTIRENA BERBAHAN DASAR LIMBAH TAHU
SARI RACHMAWATI
Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
Judul
: Kajian Mikrostruktur Membran Komposit Selulosa Asetat-Polistirena Berbahan Dasar Limbah Tahu
Nama
: Sari Rachmawati
NIM
: G44202049
Menyetujui: Pembimbing I
Pembimbing II
Dra. Sri Mulijani, MS NIP 131 950 978
Drs. Ahmad Sjahriza NIP 131 842 413
Mengetahui: Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, MS NIP 131 473 999
Tanggal Lulus:
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Karya ilmiah ini berjudul Kajian Mikrostruktur Membran Komposit Selulosa Asetat-Polistirena Berbahan Dasar Limbah Tahu, yang dilaksanakan pada bulan Maret 2006 sampai dengan Januari 2007 di Laboratorium Kimia Anorganik, Institut Pertanian Bogor. Penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah membantu terselesaikannya karya ilmiah ini, di antaranya Dra. Sri Mulijani, MS dan Drs. Ahmad Sjahriza selaku pembimbing yang telah banyak memberikan masukan dan pengarahan kepada penulis, juga kepada Ibu Tetty Kemala, Kak Budi Arifin, dan Kak Ara atas diskusi-diskusi berharga yang berkaitan dengan penelitian ini, staf kimia anorganik (Pak Sawal, Pak Caca, Pak Mul, Mbak Nur, Ibu Siti Maemunah), staf kimia analitik (Pak Eman), staf kimia fisik (Pak Mail, Pak Nano, Ibu Ai), staf kimia organik (Pak Sabur, Ibu Yeni), staf departemen (Mas Heri, almarhumah Mbak Maya, Pak Didi), serta temanteman seperjuangan: Yudi KS, Jaka, Ari, Dias, Lukmana, dan Obie. Terima kasih pula kepada Pak Zul dari Universitas Pendidikan Indonesia untuk analisis FTIR. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada keluarga atas segala doa dan kasih sayangnya serta rekan-rekan Kimia 39 atas canda tawa dan semangat yang diberikan kepada penulis. Semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat.
Bogor, Maret 2007 Sari Rachmawati
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 14 Oktober 1983 sebagai anak sulung dari pasangan Abdul Rahman dan Yuliati. Tahun 2002 penulis lulus dari SMUN 98 Jakarta dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB pada Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Tahun 2005, Penulis mengikuti kegiatan Praktik Lapangan di PT Petrokimia Gresik, Jawa Timur, dengan judul Reaktivitas Batuan Fosfat dengan H2SO4: Pengaruh Konsentrasi, Waktu, dan Asal Batuan. Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi asisten mata kuliah Anorganik II pada tahun ajaran 2005/2006, serta asisten Retooling tahun ajaran 2006/2007. Pada tahun ajaran 2005/2006 penulis mengikuti Program Kreativitas Mahasiswa dengan judul Biomembran Asetilasi Berpori Berbahan Dasar Hasil Fermentasi Limbah Cair Tahu Menggunakan Acetobacter xylinum.
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL ......................................................................................................................
iv
DAFTAR GAMBAR .................................................................................................................
iv
DAFTAR LAMPIRAN ..............................................................................................................
iv
PENDAHULUAN .....................................................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA Limbah Tahu ........................................................................................................................ Selulosa Bakteri (BC) ........................................................................................................... Selulosa Asetat (CA) ........................................................................................................... Polistirena (PS) ..................................................................................................................... Membran .............................................................................................................................. Pencirian Membran ..............................................................................................................
1 1 2 3 3 3
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat ..................................................................................................................... Pembuatan Nata de Soya ...................................................................................................... Pembuatan Selulosa Asetat .................................................................................................. Pembuatan Membran Selulosa Asetat .................................................................................. Pencirian Membran ..............................................................................................................
4 4 4 5 5
HASIL DAN PEMBAHASAN Kadar -Selulosa dan Kadar Air .......................................................................................... Kadar Asetil dan Rendemen ................................................................................................. Asetilasi ................................................................................................................................ Membran Selulosa Asetat dan Membran Komposit Selulosa AsetatPolistirena.............................................................................................................................. Morfologi Permukaan .......................................................................................................... Spektroskopi Inframerah Transformasi Fourier (FTIR) .......................................................
5 6 6 7 7 8
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan ............................................................................................................................... Saran .....................................................................................................................................
10 10
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................
10
LAMPIRAN ...............................................................................................................................
12
DAFTAR TABEL Halaman 1
Hubungan derajat substitusi selulosa asetat, kadar asetil, dan aplikasinya ......................... 2
2
Kelarutan CA ..................................................................................................................... 2
3
Sifat mekanik PS ................................................................................................................ 3
4
Klasifikasi membran berdasarkan proses ........................................................................... 3
DAFTAR GAMBAR Halaman 1
BC berbahan dasar limbah tahu ................................................................................................ 6
2
CA berbahan dasar limbah tahu ................................................................................................ 7
3
Foto mikroskopik membran CA perbesaran 100 kali ................................................................ 7
4
Morfologi permukaan membran CA-PS perbesaran 1000 kali ................................................. 7
5
Morfologi permukaan CA-PS berbahan dasar serat batang pisang .......................................... 8
6
Spektrum FTIR BC ..................................................................................................................... 8
7
Spektrum FTIR CA .................................................................................................................... 9
8
Spektrum FTIR PS...... ............................................................................................................... 9
9
Spektrum FTIR membran CA-PS .............................................................................................. 10
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1
Pembuatan serbuk nata de soya ....................................................................................... 13
2
Proses asetilasi selulosa bakteri ....................................................................................... 14
3
Penetapan kadar air, -selulosa, dan asetil ........................................................................ 15
4
Data kadar air selulosa bakteri dan kadar -selulosa............................................................ 16
5
Data standardisasi NaOH dan HCl serta kadar air dan kadar asetil selulosa asetat…….…. 17
6
Perhitungan rendemen selulosa asetat………………………………………………..……. 18
7
Foto mikroskopik membran komposit CA-PS …………………………………………..…19
8
Mekanisme reaksi asetilasi ................................................................................................. 20
PENDAHULUAN Perkembangan teknologi membran dari waktu ke waktu semakin meningkat. Membran dapat ditemui pada hampir semua industri, seperti industri tekstil, makanan, minuman, bahkan kini sudah merambah dalam bidang medis. Umumnya membran yang digunakan adalah membran sintetis. Membran tersebut tidak dapat diuraikan secara biologis. Berbagai penelitian dilakukan untuk mencari cara mengatasi permasalahan tersebut. Salah satunya adalah dengan membuat membran dari bahan alami seperti selulosa yang dimodifikasi menjadi selulosa asetat (CA). Membran ini disebut membran CA. CA sendiri diperoleh dari proses asetilasi selulosa bakteri (BC). Keuntungan dari membran CA ini adalah bahan baku pembuatannya sangat murah dan produk yang dihasilkan dapat diuraikan secara biologis selama kurang lebih dua bulan. Umumnya selulosa yang digunakan untuk pembuatan membran berasal dari kayu atau kapas. Namun, kini ada alternatif baru untuk menghasilkan selulosa, yaitu dengan proses fermentasi menggunakan bakteri. Bakteri yang biasa digunakan adalah Acetobacter xylinum yang akan memproduksi selulosa murni (Safriani 2000). Penelitian tentang pembuatan CA dari BC sudah banyak dilakukan di antaranya, yaitu BC dengan menggunakan media air kelapa atau dikenal dengan nata de coco (Arifin 2004), nata de pina dari kulit nanas (Tresnawati 2006), nata de soya dari limbah tahu (Safriani 2000). Safriani (2000) juga sudah melakukan penelitian untuk membuat membran CA dari hasil asetilasi BC berbahan dasar limbah tahu. Kelemahan dari membran CA tersebut adalah bahannya yang rapuh, sehingga perlu dikembangkan untuk meningkatkan mutu membran tersebut. Atas dasar permasalahan tersebut maka dibuatlah membran komposit, yaitu membran yang dikombinasikan dengan bahan polimer sintetis lain untuk meningkatkan mutu membran. Polimer sintetis yang digunakan adalah polistirena (PS). Penelitian sebelumnya tentang membran komposit CA-PS berbahan dasar serat batang pisang telah dilakukan oleh Meenakshi et al. (2000). Mengacu dari penelitian tersebut, maka dilakukan penelitian tentang membran komposit CAPS berbahan dasar limbah tahu. Alasan
pemilihan PS sebagai polimer dalam pembuatan membran komposit karena sifat fisik PS kuat, sehingga produk yang dihasilkan diharapkan memiliki sifat fisik yang lebih kuat namun tetap bisa diuraikan secara biologis. Kajian mikrostruktur terhadap membran komposit CA-PS dilakukan dengan melakukan uji spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dan mikroskop susuran elektron (SEM). FTIR dapat mengidentifikasi senyawa berdasarkan informasi dalam memprediksi gugus fungsi berupa spektrum. SEM dapat memperlihatkan topografi dan morfologi membran dengan batas resolusi sampai dengan ukuran mikrometer. Penelitian ini bertujuan mengidentifikasi sifat membran CA-PS melalui analisis FTIR dan SEM. Analisis ini bermanfaat untuk memprediksi gugus fungsi dan jenis pori membran. Hipotesis penelitian ini adalah nata de soya merupakan BC yang dapat dijadikan bahan baku dalam pembuatan membran CA.
TINJAUAN PUSTAKA Limbah Tahu Limbah tahu sangat potensial sebagai sumber media pembuatan nata. Menurut Linaya & Singkanparan (1983), limbah tahu mengandung protein 0.22% (b/b) protein, 0.10% (b/b) karbohidrat, 0.02% (b/b) lemak, 0.20% (b/b) abu, dari 1% (b/b) total padatan. Limbah tahu difermentasikan menggunakan A. Xylinum, sehingga diperoleh nata de soya yang merupakan suatu BC. A. xylinum merupakan penghasil BC yang paling efisien yang akhir-akhir ini diklasifikasi ulang sebagai Gluconobacter xylinus. Jenis mikroorganisme lain yang dapat menghasilkan BC berasal dari genus Agrobacterium, Rhizobium, dan Sarcina (Krystynowicz & Bielecki 2001). Selulosa Bakteri (BC) Tahun 1886, Brown melaporkan bahwa galur Acetobacter tertentu dapat menghasilkan pelikel putih bergelatin ekstraseluler yang kelak diidentifikasi sebagai BC pada permukaan media air dalam sistem kultur diam (Toyosaki et al. 1995). Produk BC dari suatu galur Acetobacter murni secara kimiawi, yaitu bebas dari lignin dan hemiselulosa serta produkproduk biogenik lainnya (Masaoka et al. 1993, Geyer et al. 1994). Karena itu, BC dapat dimurnikan dari media dan sel-sel bakteri yang terperangkap di dalamnya dengan perlakuan lembut memakai larutan basa encer, misalnya
10
NaOH 0.1N; selama 20 menit pada suhu 80oC (Toyosaki et al. 1995). Unit ulang dari rantai struktur selulosa adalah unit selobiosa yang dihubungkan dengan ikatan 1,4- glikosidik. Struktur selulosa adalah sebagai berikut: OH
H HO
H
HO H
H
H
O O
OH
H
HO H
OH H
H
O O
OH
H
H
H
HO H
OH
H
H
O
OH
HO O H
n
H
OH H
H OH
H
O
OH
Bakteri seperti Acetobacter, Rhizobium, Agrobacterium, dan Sarcina telah dikenal baik dapat mensintesis biopolimer. Di antara bakteri-bakteri tersebut A. xylinum ditegaskan sebagai bakteri yang paling efektif untuk menghasilkan BC dan telah digunakan secara luas (Jonas & Farah 1998). Selulosa Asetat (CA) CA merupakan ester organik selulosa yang berupa padatan tidak berbau, tidak beracun, tidak berasa, dan berwarna putih yang dibuat dengan mereaksikan selulosa dengan bantuan asam sulfat sebagai katalis (Kroschwitch 1990). Selulosa memiliki tiga gugus hidroksil per residu anhidroglukosa. Indikator kemurnian suatu selulosa dapat dinyatakan sebagai kadar -selulosa (Tanaka & Daud 2000). Selulosa dapat direaksikan melalui reaksi esterifikasi. Salah satu bentuk esterifikasi adalah asetilasi selulosa dengan menggunakan asam asetat yang menghasilkan CA. Reaksi asetilsi selulosa menjadi CA adalah sebagai berikut: C6H7O2 selulosa
OH OH OH
n
Tabel 1 Hubungan derajat substitusi CA, kadar asetil, dan aplikasinya (Fengel & Wegener 1989) Derajat Kadar Asetil Aplikasi Substitusi (%) 0.6-0.9 13.0-18.6 1.2-1.8 22.2-32.2 plastik 2.2-2.7 36.5-42.2 benang, film 2.8-3.0 43.0-44.8 pembungkus
+ 3 (CH3CO)2O asetat anhidrida H2SO4
OOCCH3 OOCCH3 + 3 CH3OH OOCCH3 n selulosa triasetat asam asetat
C6H7O2
Aplikasi CA bergantung pada jenis CA yang diperoleh dan dapat dilihat dari derajat substitusinya. Hubungan antara aplikasi CA terhadap pelarut dan derajat substitusi terdapat pada Tabel 1.
Kelarutan CA akan berbeda dengan berubahnya kadar asetil. Hal ini dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Kelarutan CA (Fengel & Wegener 1989) Kadar asetil (%) 43.0-44.8 37.0-42.0 24.-32.0 15.0-20.0 <13.0
Dapat larut dalam
Diklorometana Aseton 2-Metoksimetanol Air Tidak semua pelarut di atas
Tidak dapat larut dalam Aseton Diklorometana Aseton 2-Metoksimetanol Semua pelarut di atas
CA dibuat melalui beberapa tahapan, yaitu aktivasi, asetilasi, hidrolisis, dan pengendapan. Aktivasi dilakukan untuk meningkatkan reaktivitas karena matriks BC sangat sulit untuk dimasuki pereaksi kimia. Pada tahapan ini terjadi pembengkakan yang meningkatkan aksesibilitas dan hidrolisis yang menurunkan kadar -selulosa. Proses ini memudahkan asam sulfat sebagai reagen asetilasi ke dalam serat selulosa. Pengaktivasi yang digunakan biasanya adalah asam asetat glasial (Arifin 2004, Awalludin et al. 2004). Asetilasi bertujuan mensubstitusi gugus hidroksil dari selulosa dengan gugus asetil dari asam asetat anhidrida sehingga terbentuk CA. Katalis yang dibutuhkan untuk proses asetilasi adalah asam sulfat. Kelebihan penggunaan asam sulfat antara lain suhu yang rendah selama esterifikasi, konsentrasi rendah, dan absorbsi ke dalam serat selulosa cepat. Proses asetilasi berlangsung 5-10 jam atau sampai materi larut sempurna dalam campuran asetilasi. Yulianawati (2002) menghasilkan CA dengan lama proses asetilasi dua jam. Rendemen yang dihasilkan 43.90% dan derajat subsitusi adalah 3. Perlakuan terbaik pembuatan CA adalah menggunakan nisbah selulosa dan pereaksi asetilasi 1:5 (Arifin 2004). Hidrolisis dilakukan dengan penambahan larutan asam asetat encer untuk menghentikan reaksi esterifikasi. Hidrolisis dilakukan selama 30 menit. Setelah itu dilakukan pengendapan untuk memisahkan CA dengan selulosa yang tidak terasetilasi.
