PEMANFAATAN MEMBRAN KITOSAN TERMODIFIKASI POLI(VINIL ALKOHOL) DENGAN POLI(ETILENA GLIKOL) SEBAGAI POROGEN PADA DIALISIS LARUTAN GLISINA
MANUARA P F GULTOM
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
ABSTRAK MANUARA P F GULTOM. Pemanfaatan Membran Kitosan Termodifikasi Poli(vinil alkohol) dengan Poli(etilena glikol) sebagai Porogen pada Dialisis Larutan Glisina. Dibimbing oleh AHMAD SJAHRIZA dan SRI MULIJANI. Kitosan merupakan biopolimer yang dapat digunakan sebagai bahan pembuat membran. Membran ini digunakan untuk dialisis larutan glisina sebagai langkah awal untuk melihat pengaruh membran termodifikasi dalam melewatkan suatu molekul dalam larutan berkonsentrasi tinggi menuju larutan berkonsentrasi rendah. Membran kitosan yang dibuat dalam penelitian ini dimodifikasi dengan penambahan bahan pembentuk struktur semi-interpenetrating network, yaitu poli(vinil alkohol) (PVA) karena sifat mekaniknya yang baik. Selain penambahan PVA juga dilakukan penambahan glutaraldehida sebagai agen pertautan silang. Untuk pembentukan dan penyeragaman pori-pori membran dilakukan penambahan poli(etilena glikol) (PEG) sebagai porogen. Dalam penelitian ini, pembuatan dope membran terdiri dari campuran kitosan 3.5% (b/v), PVA (2.5 dan 5.0%)(b/v), PEG (2.5 dan 5.0%)(b/v), dan glutaraldehida 33.30 M. Setelah itu, dialisis dilakukan dengan laju alir larutan umpan dan permeat 20:20 (×10 mL/mnt) serta 40:20 (×10 mL/mnt). Hasil dialisis dengan laju alir larutan umpan dan permeat 20:20 (×10 mL/mnt) memberikan perpindahan konsentrasi glisina dari umpan menuju permeat pada MD1, MD2, MD3, dan MD4 berturutan 11.17%, 11.54%, 12.36%, dan 13.98%. Dialisis dengan laju alir larutan umpan dan permeat 40:20 (×10 mL/mnt) memberikan perpindahan konsentrasi glisina dari umpan menuju permeat pada MD1, MD2, MD3, dan MD4 berturutan 13.12%, 12.36%, 12.36%, dan 20.77%.
ABSTRACT MANUARA P F GULTOM. Utilization of Chitosan Membrane Modificated by Poly(vinyl alcohol) and Poly(ethylene glycol) as Porogen in Dialysis of Glycine Solution. Under supervision of AHMAD SJAHRIZA and SRI MULIJANI. Chitosan is a biopolymer which can be used as a substance for membrane matrix. This membrane is used for dialysis of glycine solution at early stage to see membrane modified affect to molecule transport from high concentration to low concentration solution. Chitosan membrane which was made in this research was modified with additional structure former substance of semi-interpenetrating network, that is poly(vinyl alcohol) (PVA) due to its good mechanic property. Besides using PVA, addition of glutaraldehide as a crosslink agent was also conducted. Pore formation and its uniformity on membrane is controlled by addition of poly(ethylene glicol) (PEG) as porogen. In this research, preparation dope of membrane was consisted of mixture of chitosan 3.5% (w/v), PVA (2.5 and 5.0%)(w/v), PEG (2.5 and 5.0%)(w/v), and glutaraldehide 33.30 µM. Afterwards, the dialysis was done with flow rate of feed and permeate solution 20:20 (× 10 mL/mnt) and also 40:20 (× 10 mL/mnt). Dialysis with flow rate of feed and permeate solution 20:20 (× 10 mL/mnt) resulted a glycine concentration transfer from feed to permeate of MD1, MD2, MD3, and MD4 11.17%, 11.54%, 12.36%, and 13.98%, respectively. Dialysis with flow rate of feed and permeate solution 40:20 (× 10 mL/mnt) gave glycine concentration transfer from feed to permeate of MD1, MD2, MD3, and MD4 13.12%, 12.36%, 12.36%, and 20.77%, respectively.
PEMANFAATAN MEMBRAN KITOSAN TERMODIFIKASI POLI(VINIL ALKOHOL) DENGAN POLI(ETILENA GLIKOL) SEBAGAI POROGEN PADA DIALISIS LARUTAN GLISINA
MANUARA P F GULTOM
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
: Pemanfaatan Membran Kitosan Termodifikasi Poli(vinil alkohol) dengan Poli(etilena glikol) sebagai Porogen pada Dialisis Larutan Glisina
Nama
: Manuara P F Gultom
NIM
: G44201073
Menyetujui:
Pembimbing I,
Pembimbing II,
Drs. Ahmad Sjahriza NIP 131 842 413
Dra. Sri Mulijani, M.S. NIP 131 950 978
Mengetahui: Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, M.S. NIP 131 473 999
Tanggal Lulus:
PRAKATA Puji syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini dapat diselesaikan. Karya ilmiah ini memiliki judul Pemanfaatan Membran Kitosan Termodifikasi Polivinil Alkohol dengan Polietilena Glikol sebagai Porogen pada Dialisis Larutan Glisina. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Drs. Ahmad Sjahriza dan Dra.Sri Mulijani, MS selaku pembimbing atas segala bimbingan, arahan, serta dorongan semangat selama penelitian dan dalam penyusunan karya ilmiah ini. Karya ilmiah ini penulis dedikasikan kepada kedua orang tua tercinta, adikku Ria Rumanti Gultom, adikku Frans Hoven Gultom (yang telah kembali ke pangkuan Bapa di Surga pada tanggal 4 Juni 2006), dan Tante Reni. Terima kasih atas dukungan doa, moril, materil, waktu, tenaga, semangat, cinta dan kasih sayang selama penelitian dan penulisan karya ilimiah ini. Terima kasih juga penulis ucapkan kepada staf Kimia Fisik (Ibu Ai, Bapak Nano, Pak Mail), Staf Kimia Organik (Bapak Sabur, Ibu Yeni, Ibu Aah), Staf Kimia Analitik (Bapak Eman), Mas Heri dan Almarhumah Ibu Maya atas segala fasilitas dan kemudahan yang telah diberikan selama penelitian; kepada Riki, Yance, Yusuf, Rahmat, Tri Septiawati, Diana, Joe, Dyah, Atiek, Tuti, dan Polimer Group 39 atas kerjasamanya selama penelitian dan terima kasih sebesar-besarnya kepada seluruh rekan-rekan mahasiswa kimia angkatan 2001 atas dukungan doa dan semangat serta pengalaman berharga selama lima tahun bersama-sama. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Maret 2007 Manuara P F Gultom
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 18 Oktober 1983 sebagai anak pertama dari tiga bersaudara, putra dari pasangan Kasman Gultom dan Surtani Pakpahan. Pada tahun 2001 penulis lulus dari SMU Negeri 1 Cimanggis dan memperoleh kesempatan melanjutkan studi di Departemen Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam IPB melalui jalur Ujian Masuk Perguruan Tinggi Negeri (UMPTN). Pada tahun 2004 penulis melaksanakan Praktik Lapangan di Laboratorium Quality Control PT Nipress Tbk, Narogong-Cibinong dengan judul Validasi Metode Analisa PbSO4 pada Lempeng Unformed Positif. Pada tahun 2005-2006 penulis menjadi asisten praktikum Kimia Fisik I, Kimia Fisik II, dan Kimia Organik.
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR GAMBAR ................................................................................................
iv
DAFTAR TABEL ....................................................................................................
iv
DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................................
iv
PENDAHULUAN ....................................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA Kitin dan Kitosan ............................................................................................. Aditif Polimer pada Pembuatan Membran ...................................................... Membran .......................................................................................................... Glisina ..............................................................................................................
1 2 3 4
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat ................................................................................................ Metode Penelitian ............................................................................................
4 4
HASIL DAN PEMBAHASAN Membran Kitosan Termodifikasi ..................................................................... Pengaruh Waktu terhadap Diálisis ................................................................... Pengaruh Jenis Membran terhadap Diálisis ..................................................... Pengaruh Laju Alir pada Diálisis .....................................................................
5 6 7 8
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan .......................................................................................................... Saran ................................................................................................................
9 9
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................
10
LAMPIRAN ...............................................................................................................
12
DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Struktur molekul kitin (a) dan kitosan (b) (Thatte 2004) .......................................
1
2 Struktur PVA (Csustan 1999) ................................................................................
2
3 Struktur PEG (Wikipedia 2006) .............................................................................
3
4 Struktur Glutaraldehida (Wang et al. 2004) ...........................................................
3
5 Struktur Glisina ......................................................................................................
4
6 Sel dialisis ..............................................................................................................
5
7 Skema rancangan aliran counter-current pada proses dialisis ...............................
5
8 Hubungan konsentrasi dengan waktu dialisis pada MD1 dengan ragam laju alir umpan dan permeat 20:20 (×10 mL/menit) untuk glisina .....................................
6
9 Hubungan konsentrasi dengan waktu dialisis glisina dengan ragam laju alir umpan dan permeat 20:20 (×10 mL/menit) pada MD1 (a), MD2 (b), MD3 (c), dan MD4 (d) ..........................................................................................................
7
10 Hubungan antara konsentrasi dan waktu dialisis glisina pada MD4 dengan beragam laju alir larutan umpan dan permeat ........................................................
9
DAFTAR TABEL Halaman 1 Parameter mutu kitosan .........................................................................................
2
2 Faktor-faktor yang mempengaruhi tingkat permeasi ...........................................
4
3 Komposisi PVA dan PEG untuk setiap jenis membran ........................................
5
4 Tebal membran berdasarkan jenis .........................................................................
6
5 Persentase perpindahan glisina pada tiap jenis membran dari umpan menuju permeat dengan laju alir umpan dan permeat 20:20 (×10 mL/menit) ..................
7
6 Persentase perpindahan glisina dari umpan menuju permeat pada tiap jenis membran dengan laju alir umpan dan permeat yang berbeda ................................
8
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Diagram alir penelitian .........................................................................................
13
2 Hasil pengukuran kurva standar larutan glisina ....................................................
14
3 Data pengukuran konsentrasi larutan glisina pada tiap membran ...............
15
4 Reaksi ninhidrin ..................................................................................................
19
PENDAHULUAN
TINJAUAN PUSTAKA
Indonesia adalah negara kepulauan yang dikelilingi perairan luas yang mempunyai banyak potensi, salah satunya adalah ekspor udang beku. Udang tersebut telah mengalami proses pembuangan bagian kulit dan kepala, yang pada akhirnya akan menimbulkan masalah baru bagi lingkungan. Akan tetapi, limbah ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber bahan baku pembuatan kitin dan kitosan yang mempunyai daya jual tinggi di berbagai bidang industri modern, seperti farmasi, biokimia, kosmetika, industri kertas, industri pangan, industri tekstil, dan lain-lain. Kitosan merupakan biopolimer yang dapat digunakan sebagai bahan pembuat membran (Aryanto 2002). Akan tetapi, membran dengan berbahan dasar kitosan saja tidak dapat langsung digunakan karena strukturnya yang sangat rapuh. Modifikasi membran kitosan diharapkan dapat menghasilkan membran dengan karakter yang lebih baik, misalnya peningkatan kestabilan membran (Jin et al. 2004), memperkecil ukuran poripori membran sehingga pemisahan molekulmolekul atau rejeksi makromolekul dari suatu larutan oleh membran lebih efektif (Wang et al. 2001). Membran kitosan yang akan dibuat dalam penelitian ini akan dimodifikasi dengan penambahan bahan pembentuk struktur semiinterpenetrating network (semi-IPN), yaitu poli(vinil alkohol) (PVA) karena sifat mekaniknya yang baik (Hassan & Peppas 2000). Penambahan PVA sebesar 2.5% dan 5.0% (b/v) dimaksudkan untuk meningkatkan kekuatan membran kitosan. Menurut Nisa (2005), semakin tinggi konsentrasi PVA (0.0% – 5.0% (b/v)) yang ditambahkan maka membran yang dihasilkan akan semakin tebal. Selain penambahan PVA juga dilakukan penambahan glutaraldehida sebagai agen pertautan silang. Untuk pembentukan dan penyeragaman pori-pori membran dilakukan penambahan poli(etilena glikol) (PEG) sebagai porogen (Yang et al. 2001). Membran kitosan yang dibuat diharapkan juga dapat digunakan sebagai lapisan semipermiabel pada proses dialisis. Penelitian ini bertujuan mempelajari perilaku dan karakter membran kitosan termodifikasi pada proses dialisis larutan asam amino, dalam penelitian ini menggunakan glisina. Hipotesis penelitian ini adalah membran kitosan termodifikasi dapat digunakan pada proses dialisis larutan glisina.
Kitin dan Kitosan Kitin merupakan biopolimer polisakarida turunan selulosa dengan rantai linear yang terdiri dari unit berulang 2-asetamido-2deoksi-D-glukopiranosa yang dihubungkan melalui ikatan glikosidik (1 4). Biopolimer ini paling melimpah di alam setelah selulosa, dan banyak terdapat pada invertebrata darat dan laut (Thatte 2004). Kitin berubah menjadi kitosan, jika gugus asetil pada kitin dideasetilasi menggunakan basa berkonsentrasi tinggi. Kitosan merupakan biopolimer polikationik yang terbentuk oleh rantai lurus dari unit berulang 2-amino-2-deoksi-D-glukopiranosa yang terikat oleh ikatan (1 4) (Thatte 2004). Kitin bersifat hampir tidak larut dalam air, asam encer dan basa, pelarut-pelarut organik, tetapi larut dalam asam format, asam metanasulfonat, N,N-dimetilasetamida yang mengandung 5% litium klorida, heksafluoro isopropil alkohol, heksafluoro aseton, dan campuran 1,2-dikloroetana:asam trikloroasetat dengan nisbah 35:65% (v/v) (Hirano 1986 dalam Jamaludin 1994). Menurut Bastaman (1989), asam pekat seperti asam sulfat, asam nitrat, dan asam fosfat dapat melarutkan kitin, tetapi bersifat merusak dan menyebabkan kitin terdegradasi menjadi satuan-satuan yang lebih kecil, bahkan menjadi monomer-monomernya dan dapat memutuskan gugus asetilnya.
(a)
(b) Gambar 1 Struktur molekul kitin (a) dan kitosan (b) (Thatte 2004). Berbeda dengan kitin yang tidak larut dalam larutan asam dan basa encer serta kebanyakan pelarut organik, kitosan larut dalam pelarut organik dalam air, sedikit larut dalam HCl, HNO3, dan H3PO4 0.5%, dan tidak larut dalam basa kuat dan H2SO4. Sifat kelarutan kitosan ini dipengaruhi oleh bobot molekul, derajat deasetilasi, dan rotasi spesifik
yang beragam tergantung pada sumber dan metode isolasi (Muzi 1990 dalam MA Jamaludin 1994). Salah satu metode yang digunakan untuk menentukan derajat deasetilasi adalah spektroskopi inframerah (IR). Metode tersebut memiliki beberapa kelebihan antara lain analisis yang dilakukan relatif cepat dan tidak memerlukan pemurnian contoh, selain itu ketelitiannya tinggi dengan kisaran derajat deasetilasi contoh yang luas bila dibandingkan dengan teknik titrimetri atau metode spektroskopi lainnya (Baxter et al. 1992). Viskositas kitosan dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti derajat deasetilasi, berat molekul, konsentrasi pelarut, kekuatan ionik, pH, dan temperatur. Derajat deasetilasi, kadar abu, kadar air, dan viskositas merupakan parameter yang penting bagi kitosan seperti terlihat pada Tabel 1. Tabel 1 Parameter mutu kitosan Parameter Nilai Ukuran partikel Serpihan sampai bubuk Kadar air 10% Kadar abu 2% Derajat deasetilasi 70% Warna larutan Jernih Viskositas: 1% kitosan (cps) Rendah <200 Medium 200−799 Tinggi 800−2.000 Ekstra tinggi >2.000
alkohol tidak berada dalam bentuk stabil, tetapi berada dalam keadaan tautomer dengan asetaldehida. PVA dihasilkan dari polimerisasi vinil asetat menjadi polivinil asetat (PVAc), kemudian diikuti dengan hidrolisis PVAc menjadi PVA. Kualitas PVA yang baik secara komersial ditentukan oleh derajat hidrolisis yang tinggi, yaitu di atas 98.5%. Derajat hidrolisis dan kandungan asetat dalam polimer sangat berpengaruh terhadap sifat-sifat kimianya, seperti kelarutan dan kristalinitas PVA. Derajat hidrolisis berpengaruh terhadap kelarutan PVA dalam air, semakin tinggi derajat hidrolisisnya maka kelarutannya akan semakin rendah. Gambar 2 menunjukkan struktur PVA (Hassan & Peppas 2000). PVA merupakan polimer yang banyak digunakan karena memiliki sifat lentur dan dapat membentuk ikatan hidrogen dengan molekul kitosan, selain itu PVA juga mudah diuraikan secara alami (biodegradabel) pada kondisi yang sesuai. PVA komersial biasanya merupakan campuran dari beberapa tipe stereoregular yang berbeda (isotaktik, ataktik, dan sindiotaktik). PVA dengan derajat hidrolisis 98.5% atau lebih dapat dilarutkan dalam air pada suhu 70°C (Wang et al. 2004).
Sumber: Manullang (1997).
Aditif Polimer pada Pembuatan Membran Membran yang hanya terbentuk dari bahan dasar saja, biasanya tidak dapat digunakan karena terdapat beberapa kekurangan. Kemudian beberapa usaha dilakukan untuk mengatasinya, seperti penggunaan bahan tambahan (aditif) untuk memperbaiki sifatsifat membran tersebut. Pada penelitian ini, aditif yang digunakan adalah poli(vinil alkohol), poli(etilena glikol), dan glutaraldehida. Poli(vinil alkohol) Poli(vinil alkohol) (PVA) merupakan polimer yang sangat menarik, karena banyak karakter dari PVA yang sesuai dengan karakter polimer yang banyak diinginkan khususnya dalam bidang farmasi dan biomedis. Kristalinitas alami dari PVA merupakan sifat yang menarik terutama dalam preparasi hidrogel. PVA memiliki struktur kimia yang sederhana dengan gugus hidroksil yang tidak beraturan. Monomernya, yaitu vinil
Gambar 2 Struktur PVA (Csustan 1999). Poli(etilena glikol) Poli(etilena glikol) (PEG) adalah molekul sederhana dengan struktur molekul linier atau bercabang. Pada suhu ruang, PEG dengan bobot molekul kurang dari 700 berbentuk cair, 700-900 berbentuk semi padat, sedangkan 900-1000 atau lebih berbentuk padatan. PEG larut dalam air dan beberapa pelarut organik seperti toluena, aseton, metanol, dan metilklorida tetapi tidak larut dalan heksana dan hidrokarbon alifatik yang sejenis (Harris dalam Fadillah 2003). PEG secara komersial dibuat dari reaksi antara etilen oksida dengan air atau reaksi antara etilen glikol dengan sejumlah kecil katalis natrium klorida, dan jumlah etilen glikol menentukan bobot molekul dari PEG. Menurut hasil penelitian Fadillah 2003, bahwa interaksi konsentrasi PEG dengan selulosa asetat menunjukkan adanya pengaruh yang sangat nyata terhadap ukuran pori
