Pembuatan Membran Bioreaktor Ekstrak Kasar Enzim α-Amilase untuk Penguraian Pati
SKRIPSI
Ratih Paramita 105 04 067
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Pembuatan Membran Bioreaktor Ekstrak Kasar Enzim α-Amilase untuk Penguraian Pati
Preparation of Membrane Bioreactor Crude Extract α-Amylase for Degradation Starch
SKRIPSI
Ratih Paramita 105 04 067
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Abstract Membrane bioreactor has two main functions, namely as a biocatalyst and a separation medium. The advantages of membrane bioreactor is products selectively passed through the membrane and will result in higher %yield than conventional methods. In this research, membrane bioreactor is prepared by immobilized crude extract α-amylase onto poly(methyl methacrylate) membrane. Membrane bioreactor crude extract α-amylase is used to degrade starch producing oligosaccharide. Crude extract α-amylase is immobilized onto polyacrylamide gel using entrapping method. Results of this research indicate that the immobilized α-amylase crude extract still able to degrade starch, but the activity is lower than activity of free enzymes. Performance test of membrane bioreactor showing that %rejection to starch molecul is high, but the ability to degrade starch is low. The optimatization is needed to incrase the perfomance of membrane bioreactor. Keywords: membrane bioreactor, starch, α-amylase
iii
Abstrak Membran bioreaktor memiliki dua fungsi utama, yaitu sebagai biokatalis dan media pemisahan. Keunggulan membran bioreaktor adalah produk secara selektif dipermeasikan menembus membran dan produk yang dihasilkan lebih tinggi jika dibandingkan dengan metode konvensional. Dalam penelitian ini, membran bioreaktor dibuat dengan cara amobilisasi ekstrak kasar enzim α-amilase ke dalam membran poli(metil metakrilat). Membran bioreaktor ekstrak kasar enzim α-amilase digunakan untuk menguraikan pati menjadi oligosakarida, sekaligus sebagai media pemisahan hasil penguraian pati. Ekstrak kasar enzim α-amilase diamobilisasi ke dalam gel poliakrilamid menggunakan teknik penjebakan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ekstrak kasar enzim α-amilase yang teramobilkan masih memiliki aktivitas untuk menguraikan pati walaupun aktivitasnya lebih rendah jika dibandingkan dengan enzim dalam keadaan bebas. Uji kinerja membran bioreaktor menujukkan %rejeksi membran bioreaktor terhadap larutan pati besar, akan tetapi kemampuan membran bioreaktor untuk menguraikan pati masih rendah. Oleh karena itu, diperlukan optimasi untuk memperbaiki kinerja membran bioreaktor ekstrak kasar enzim αamilase. Kata kunci: membran bioreaktor, pati, α-amilase
iv
Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung
Menerangkan bahwa Skripsi yang disusun oleh: Nama : Ratih Paramita NIM : 105 04 067
telah disetujui sebagai persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Kimia
Bandung,
Pembimbing I
Dr. Suryo Gandasasmita, M. T. NIP. 132 163 880
Juni 2008
Pembimbing II
Dessy Natalia, Ph. D. NIP. 131 923 763
v
Rasulullah Bersabda : “Tuntutlah Ilmu dan Belajarlah Untuk Ilmu Dengan Itu Diperoleh Ketenangan dan Kehormatan Diri Serta Bersikaplah Rendah Hati (Tawadhu) Kepada Orang Yang Mengajar Kamu.” (HR. At-Tirmidzi & Ibnu Majah)
“ Allah Memberikan Hikmah Kepada Siapa Yang Dikehendaki-Nya dan Barang Siapa Yang Diberi Hikmah, Maka Sungguh Telah Diberi Kebajikan Yang Banyak. Dan Tidak Ada Yang Dapat Mengambil Pelajaran Melainkan Orang-orang Yang Berakal.” (Q.S. Al- Baqarah : 269)
Skripsi Ini Kupersembahkan Teruntuk: Kedua Orangtua (Mama dan Bapak), Kakek dan Nenek, Serta Kedua Kakakku (Aa Handi dan Teh Ira)
vi
Ucapan Terima Kasih Puji dan syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya, karena penulis telah menyelesaikan skripsi ini. Rasa hormat dan terima kasih yang sebesar-besarnya, penulis sampaikan kepada Bapak Dr. Suryo Gandasasmita, M.T. dan Ibu Dessy Natalia, Ph.D. atas kesabaran dan dedikasi beliau yang tinggi selama membimbing penulis menyelesaikan Tugas Akhir ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada: 1.
Seluruh dosen dan Staf program Studi Kimia ITB
2.
Kedua Orang Tua (Bapak dan Mama), yang telah mencurahkan kasih sayang, kebahagiaan serta dukungan baik moral maupun materiil yang telah diberikan kepada penulis selama ini.
3.
Kedua kakakku (Aa Handi dan Teh Ira) yang selalu memberikan dukungan kepada adik tercinta.
4.
Kakek dan Nenekku tersayang, terima kasih atas do’a dan kasih sayang yang selama ini diberikan kepada penulis.
5.
Enny, Eryth, Iis F.M, dan Hani, yang selalu memberi dukungan dan semangat kepada penulis baik pada saat kuliah maupun tugas akhir.
6.
Veli, Maria, Betani, Edo, dan Daniel.
7.
Robert Kuncoro, partner kerja sekaligus tempat untuk berdiskusi. Terima kasih telah mengajarkan kepada penulis bagaimana mengatasi kerja di bawah tekanan.
8.
Kak Iman yang sudah berkenan meluangkan waktu untuk berbagi pengetahuan mengenai enzim.
9.
Megawati, Burhan, Robie, Yudis, Kak Erfan, Kak Alaudin, dan Kak Ganis.
10.
Indah, Putri, Mega Putri, Tari, Tina, Ria dan Mutiw, teman seperjuangan di Laboratorium Penelitian Kimia Analitik yang telah berbagi keceriaan dan kebersamaan dengan penulis.
11.
Pak Dede, Pak Kawi, dan Pak Lanang.
12.
Edu, Ogie, dan Septin yang berkenan meminjamkan peralatan kepada penulis.
vii
13.
Kimia Angkatan 2004, teman seperjuangan berbagi suka dan duka.
14.
Seluruh pihak yang telah membantu penulis yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
Kesempurnaan hanya milik Allah SWT. Penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun. Semoga penelitian dan Tugas Akhir yang dilakukan penulis bermanfaat.
Bandung, Juni 2008
Penulis
viii
Daftar Isi ABSTRACT........................................................................................................................... iii ABSTRAK ............................................................................................................................. iv DAFTAR ISI.......................................................................................................................... ix DAFTAR GAMBAR............................................................................................................. xi DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................................... xiii 1
PENDAHULUAN.......................................................................................................... 1
1.1
Latar Belakang ............................................................................................................... 1
1.2
Hipotesis Penelitian........................................................................................................ 2
1.3
Tujuan Penelitian ........................................................................................................... 3
1.4
Ruang Lingkup Penelitian.............................................................................................. 3
2
TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................................ 4
2.1
Membran ........................................................................................................................ 4
2.2
Amobilisasi Enzim ....................................................................................................... 11
2.3
Enzim α-Amilase.......................................................................................................... 14
2.4
Pati .............................................................................................................................. 15
2.5
Poli(Metil Metakrilat) atau PMMA.............................................................................. 16
2.6
SEM (Scanning Electron Microscope) ........................................................................ 17
3
METODOLOGI PENELITIAN ................................................................................ 19
3.1
Waktu dan Tempat Penelitian ...................................................................................... 19
3.2
Bahan Penelitian........................................................................................................... 19
3.3
Peralatan Penelitian...................................................................................................... 19
3.4
Diagram Alir Penelitian ............................................................................................... 20
3.5
Cara Kerja Penelitian ................................................................................................... 21
4
HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................................................... 24
4.1
Pembuatan Membran PMMA 8% dengan Variasi Waktu Penguapan Sebagian di Udara ............................................................................................................................ 24
ix
4.2
Karakterisasi Awal Membran PMMA 8% pada Berbagai Waktu Penguapan Sebagian Pelarut di Udara............................................................................................................ 27
4.3
Amobilisasi Ekstrak Kasar Enzim α-Amilase ke dalam Matriks Gel Poliakrilamid.... 29
4.4
Aktivitas Ekstrak Kasar Enzim α-Amilase yang Teramobilkan .................................. 31
4.5
Uji Kinerja Membran Bioreaktor ................................................................................. 33
5
KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................................... 39
5.1
Kesimpulan .................................................................................................................. 39
5.2
Saran............................................................................................................................. 39
DAFTAR PUSTAKA........................................................................................................... 40 LAMPIRAN.......................................................................................................................... 42
x
Daftar Gambar Gambar 2.1.1. Proses pemisahan pada membran [3] ................................................................. 4 Gambar 2.1.2. Klasifikasi membran simetris[4] ....................................................................... 6 Gambar 2.1.3. Klasifikasi membran asimetris [4] ..................................................................... 7 Gambar 2.1.4. Pembuatan membran dengan pengendapan melalui pencelupan ................... 10 Gambar 2.1.5. Jenis membran bioreaktor ............................................................................. 11 Gambar 2.2.1.1. Amobilisasi enzim dengan teknik carrier-binding [6] ................................. 12 Gambar 2.2.1.2. Amobilisasi enzim secara cross-linking [6] .................................................. 13 Gambar 2.2.1.3. Amobilisasi enzim dengan teknik penjebakan [6] ........................................ 14 Gambar 2.4.1. Struktur amilosa [10] ........................................................................................ 16 Gambar 2.4.2. Struktur amilopektin [11] ................................................................................. 17 Gambar 2.5.1. Struktur PMMA [12] ........................................................................................ 17 Gambar 2.5.2. Reaksi polimerisasi metil metakrilat [14] ......................................................... 17 Gambar 2.6.1. Skema alat SEM [15]........................................................................................ 18 Gambar 3.4.1. Diagram alir percobaan .................................................................................. 20 Gambar 4.1.1. Proses difusi antara pelarut dengan non pelarut di dalam bak koagulasi ....... 26 Gambar 4.2.1. Laju permeabilitas membran PMMA 8% pada berbagai waktu penguapan sebagian pelarut di udara (10 menit, 15 menit, dan 20 menit) ........................ 28 Gambar 4.3.1. Pembentukan ikatan silang antara bis akrilamid dengan akrilamid [19] .......... 31 Gambar 4.4.1. Aktivitas ekstrak kasar enzim α-amilase bebas.............................................. 32 Gambar 4.4.2. Aktivitas ekstrak kasar α-amilase teramobilkan ............................................ 32 Gambar 4.5.2.1. Konsentrasi larutan pati di dalam umpan.................................................... 34 Gambar 4.5.2.2. Konsentrasi larutan pati di dalam permeat .................................................. 35 Gambar 4.5.2.3. %rejeksi membran bioreaktor terhadap larutan pati.................................... 35 Gambar 4.5.3.1. Jumlah glukosa hasil penguraian pati yang melewati membran bioreaktor 36 Gambar 4.5.4.1 Morfologi penampang melintang membran bioreaktor................................ 37 Gambar 4.5.4.2. Foto SEM membran PMMA 8% waktu penguapan sebagian 20 menit...... 37 Gambar A.1. Larutan polimer setelah dicetak kemudian sebagain pelarut diuapkan di udara selama 20 menit .............................................................................................. 42 Gambar A.2. Membran PMMA 8% dengan waktu penguapan 20 menit setelah dicelupkan ke bak koagulasi.............................................................................................. 42 Gambar C.1. Kurva kalibrasi larutan standar pati.................................................................. 48
xi
Gambar D.1. Membran bioreaktor ekstrak kasar α-amilase .................................................. 50 Gambar E.1. Kurva kalibrasi larutan standar glukosa............................................................ 53
xii
Daftar Lampiran Lampiran A. Pembuatan Membran PMMA 8% .................................................................... 42 Lampiran B. Data dan Hasil Karakterisasi Awal Membran PMMA 8% ............................... 43 Lampiran C. Data dan Hasil Perhitungan Aktivitas Ekstrak Kasar Enzim α-Amilase Teramobilkan .................................................................................................. 47 Lampiran D. Data dan Hasil Perhitungan Konsentrasi Pati di Dalam Fasa Umpan dan fasa Permeat............................................................................................................ 50 Lampiran E. Data dan Hasil Perhitungan Konsentrasi Glukosa di Dalam Fasa Permeat ...... 53
xiii
