Pengaruh Metode Pencucian terhadap Karakteristik Membran Nata-de-coco
SKRIPSI
Felicia Sudradjat 105 03 020
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
Pengaruh Metode Pencucian terhadap Karakteristik Membran Nata-de-Coco
Effects of Cleaning Methods on Nata-de-Coco Membrane Characteristics
SKRIPSI
Felicia Sudradjat 105 03 020
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung
Menerangkan bahwa Skripsi yang disusun oleh :
Nama : Felicia Sudradjat NIM : 105 03 020
Telah disetujui sebagai persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Kimia
Bandung,
September 2007
Pembimbing
Dr. Ing Cynthia L. Radiman NIP. 130604382
iv
v
Abstract Nata-de-coco is a bacterial cellulose produced from the fermentation of coconut water by Acetobacter xylinum. The fermentation has been done for 4 days with sugar, glacial acetic acid, and ammonium sulfate as additional nutrients. Previous studies showed that chemical cleaning of nata-de-coco did affect the characteristics of the resulting membranes. Therefore, the effects of other cleaning method such as ultrasonic on the characteristics of nata-de-coco membranes has been studied in this work. A cleaning method by 1% (w/v) NaOH for 24 hours has been used for comparison, while the variation of ultrasonic cleaning time was 0.5; 1 and 1.5 hours. The characterizations of the resulting membranes included permeability, selectivity of dextran, mechanical strength, and morphology analysis by Scanning Electron Microscopy (SEM). The results showed that at 2 bars, the water flux of membrane cleaned by ultrasonic for 1 hour was similar to that of NaOH cleaning which was 26.09 L/m2. The rejection coefficients towards dextran T-70, T-500, and T-2000 of membranes cleaned by both methods did not differ significantly. The morphology analysis showed that 1.5 hours cleaning time made the surface of membranes became very rough and the cross-section of membranes was very dense. Nata-de-coco membranes cleaned by 1 hour ultrasonic showed the highest Young’s modulus, i.e. 3144 MPa. From all the membrane characteristics, it can be concluded that the 1 hour ultrasonic cleaning method gave similar results as the ones of NaOH cleaning method.
ii
Abstrak Nata-de-coco adalah selulosa bakteri yang diperoleh melalui fermentasi air kelapa oleh Acetobacter xylinum. Fermentasi dilakukan selama 4 hari dengan menggunakan gula, asam asetat glasial dan amonium sulfat sebagai nutrien tambahan. Penelitian-penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa pencucian nata-de-coco dengan zat kimia sangat mempengaruhi karakteristik membran yang dihasilkan. Karena itu pada penelitian ini dipelajari pengaruh metode dan waktu pencucian dengan ultrasonik terhadap karakteristik membran nata-de-coco. Sebagai pembanding digunakan metode pencucian dengan NaOH 1% (w/v) selama 24 jam, sementara dengan metoda ultrasonik variasi waktu adalah 0,5; 1 dan 1,5 jam. Karakterisasi membran yang dilakukan meliputi penentuan permeabilitas, selektivitas terhadap dekstran, uji tarik dan analisa morfologi dengan Scanning Electron Microscopy (SEM). Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada tekanan 2 bar, nilai permeabilitas air dari membran dengan pencucian ultrasonik selama 1 jam mendekati nilai dari membran hasil pencucian dengan NaOH yaitu 26,09 L/m2 jam. Demikian pula nilai rejeksi dekstran T-70, T-500, dan T-2000 memberikan nilai yang tidak jauh berbeda. Analisis morfologi menunjukkan bahwa waktu pencucian 1,5 jam menghasilkan permukaan membran yang lebih kasar dan penampang lintang membran yang semakin rapat. Membran nata-de-coco dengan pencucian ultrasonik selama 1 jam memberikan nilai modulus Young yang paling tinggi yaitu 3144 MPa. Dari perbandingan berbagai karakteristik membran yang dihasilkan dari kedua metoda, dapat disimpulkan bahwa pencucian membran nata-de-coco dengan metode ultrasonik selama 1 jam memberikan karakteristik membran yang mendekati hasil pencucian dengan NaOH.
iii
Ucapan Terima Kasih Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Kasih atas penyertaan dan anugerah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini. Pada kesempatan ini penulis hendak menyampaikan rasa terima kasih dan rasa hormat yang sebesar-besarnya kepada Dr. Ing. Cynthia L. Radiman selaku pembimbing, atas segala bimbingan, kesabaran, perhatian, dan pengetahuan yang telah diberikan selama penulis menyelesaikan penelitian Tugas Akhir dan skripsi ini. Penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada pihakpihak di bawah ini yang telah membantu dan terlibat dalam proses penyusunan serta penyelesaian skripsi ini. 1. Bapak Dr. Veinardi Suendo atas segala masukan dan pengetahuan yang diberikan, seluruh dosen serta karyawan Program Studi Kimia ITB 2. Seluruh dosen dan karyawan di Institut Teknologi Bandung 3. Ibu Entin dan Pak Wahyo yang selalu siap membantu dan selalu sabar dalam menyiapkan bahan-bahan dan peralatan di laboratorium. 4. Pak Wikanda dan Pak Wawan yang selalu sabar menolong dalam analisa SEM di PPPGL Pasteur, Bandung 5. Mama, Papa, dan Cc Verna–Ko Yansen yang selalu mendoakan, membantu, menyemangati, dan memberi motivasi 6. Seluruh keluarga besar yang banyak memberikan perhatian, dukungan, dan motivasi 7. Mita dan Anggi yang selalu menjadi teman terbaik dalam berbagi suka dan duka, selalu membantu, mengajari, dan memberikan motivasi serta masukan-masukan yang membangun 8. Ka Asti, Ka Iska, Ka Ruth, Yovita Mercya, Ci Grez, Ka Puspa, Ka Emil, Ko Hendrawan yang berbaik hati meminjamkan buku-buku saat kuliah 9. Titik, Pak Bambang Piluharto yang banyak menolong dan memberikan masukanmasukan yang bermanfaat 10. Sissy, Ocha, Dian, Margie, Bambang, Erma, Fera, Dani, dan sahabat-sahabat lain yang banyak membantu, memberi motivasi dan menyemangati
vi
11. Titi, Mpath, Ristny, Velianti dan seluruh teman di laboratorium Kimia Fisik Material yang selalu saling menyemangati dan membantu 12. Seluruh Kimia angkatan 2003 yang selalu kompak dan seluruh anggota AMISCA 13. Bernard, Ko Agustono, Ko Hendrawan yang banyak membantu, mengajari dan mendoakan di awal-awal kuliah yang berat bagi saya 14. Budi, Angela, Bernadette, Marta, dan semua sahabat di Santa Angela Bandung yang banyak memberikan dukungan, semangat, dan motivasi 15. Ka Tetty, Ko Jefri, Ko Tommy, Ci Ira, dan teman-teman di GRABS, GKPB Fajar Pengharapan Bandung atas bimbingan dan dukungan doanya, terutama saat awal-awal kuliah 16. Reiner, Tante Siana, Oom Gita, Gina yang banyak menolong, memberikan perhatian dan selalu mendukung doa 17. Kelompok KESAN (Ko Yohansen-Tante Siana) atas dukungan doanya 18. Ka Siska, Fendy dan semua teman di SION yang banyak membantu dan mendukung doa 19. Wasti, Noni, Derma, Stefany, Joe, dan adik-adik rohani lain yang selalu mendukung dalam doa dan memberikan inspirasi serta motivasi 20. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan namanya satu-persatu, terima kasih untuk semua bantuannya. Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih belum sempurna. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun untuk perbaikan di masa yang akan datang. Akhir kata, semoga penelitian Tugas Akhir dan skripsi ini dapat bermanfaat serta dapat menambah pengetahuan.
Bandung, September 2007
Penulis
vii
Ketika aku berpikir: "Kakiku goyang," maka kasih setia-Mu, ya TUHAN, menyokong aku. Apabila bertambah banyak pikiran dalam batinku, penghiburan-Mu menyenangkan jiwaku. (Mazmur 94:18-19)
KUPERSEMBAHKAN UNTUK..... Papa dan Mama yang sangat saya kasihi, yang selalu mendukung serta selalu mendoakan saya
v
Daftar Isi ABSTRACT..............................................................................................................................ii ABSTRAK...............................................................................................................................iii UCAPAN TERIMAKASIH.....................................................................................................vi DAFTAR ISI..........................................................................................................................viii DAFTAR TABEL....................................................................................................................xi DAFTAR GAMBAR..............................................................................................................xii DAFTAR LAMPIRAN..........................................................................................................xiv 1
PENDAHULUAN..............................................................................................................1
1.1
Latar Belakang.................................................................................................................1
1.2
Tujuan Penelitian.............................................................................................................3
1.3
Ruang Lingkup Penelitian...............................................................................................3
2
TINJAUAN PUSTAKA.....................................................................................................4
2.1
Teknologi Membran........................................................................................................4
2.2
Definisi Membran............................................................................................................6
2.3
Klasifikasi Membran.......................................................................................................7
2.3.1 Klasifikasi Membran Berdasarkan Morfologi dan Struktur............................................7 2.3.2 Klasifikasi Membran Berdasarkan Sumber.....................................................................9 2.3.3 Klasifikasi Membran Berdasarkan Kerapatan dan Ketebalan.........................................9 2.3.4 Klasifikasi Membran Berdasarkan Sifat Fisik dan Kimia.............................................10 2.3.5 Klasifikasi Membran Berdasarkan Proses Pemisahan Partikel.....................................10 2.4
Material Membran dan Sifatnya....................................................................................14
2.5
Teknik Pembuatan Membran........................................................................................15
viii
2.6
Sistem Desain Membran Filtrasi...................................................................................16
2.7
Karakterisasi Membran.................................................................................................17
2.7.1 Permeabilitas.................................................................................................................17 2.7.2 Permselektivitas.............................................................................................................18 2.7.3 Karakterisasi Ketebalan Membran................................................................................19 2.7.4 Karakterisasi Sifat Mekanik..........................................................................................19 2.7.5 Karakterisasi Morfologi Membran................................................................................20 2.8
Selulosa..........................................................................................................................21
2.9
Selulosa Bakteri.............................................................................................................24
3
PERCOBAAN..................................................................................................................26
3.1
Bahan Penelitian............................................................................................................26
3.2
Peralatan........................................................................................................................26
3.3
Diagram Alir Kerja........................................................................................................27
3.4
Pembuatan Gel Nata-de-Coco.......................................................................................28
3.5
Proses Pencucian Nata-de-Coco....................................................................................28
3.6
Proses Pembuatan Film Tipis (Membran) Nata-de-Coco.............................................28
3.7
Karakterisasi Membran Nata-de-Coco..........................................................................29
3.7.1 Pengukuran Permeabilitas Air.......................................................................................29 3.7.2 Pengukuran Permeabilitas Dekstran..............................................................................29 3.7.3 Pengukuran Permselektivitas (% Rejeksi).....................................................................29 3.7.4 Analisa Morfologi Membran.........................................................................................30 3.7.5 Uji Tarik........................................................................................................................30 4
HASIL DAN PEMBAHASAN........................................................................................31
4.1
Pembuatan Nata-de-Coco..............................................................................................31
4.2
Proses Pencucian Nata-de-Coco....................................................................................34
4.3
Pengukuran Permeabilitas Air.......................................................................................35
4.4
Pengukuran Permeabilitas Dekstran..............................................................................36
4.5
Pengukuran Nilai Rejeksi..............................................................................................39
ix
4.6
Kekuatan Mekanik Membran........................................................................................40
4.7
Analisa Morfologi Membran.........................................................................................41
5
KESIMPULAN DAN SARAN........................................................................................45
5.1
Kesimpulan....................................................................................................................45
5.2
Saran..............................................................................................................................45
DAFTAR PUSTAKA.............................................................................................................46 LAMPIRAN............................................................................................................................48
x
Daftar Gambar Gambar 2.1 Proses Pemisahan Pada Membran.........................................................................6 Gambar 2.2 Penggolongan Membran Simetris.........................................................................8 Gambar 2.3 Penggolongan Membran Asimetris.......................................................................9 Gambar 2.4 Struktur Membran Rapat dan Berpori.................................................................10 Gambar 2.5 Ukuran Pori dari Membran..................................................................................12 Gambar 2.6 Sistem Desain Membran Filtrasi dead-end.........................................................16 Gambar 2.7 Sistem Desain Membran Filtrasi cross-flow........................................................17 Gambar 2.8 Kurva Tegangan-Regangan.................................................................................20 Gambar 2.9 Prinsip Kerja SEM...............................................................................................21 Gambar 2.10 Reaksi Selulosa dengan Air...............................................................................22 Gambar 2.11 Selulosa sebagai Polimer β-D glukosa..............................................................22 Gambar 2.12 Selulosa merupakan unit ulang selobiosa..........................................................23 Gambar 3.1 Diagram Alir Kerja Penelitian.............................................................................27 Gambar 3.2 Bentuk dumb-bell................................................................................................30 Gambar 4.1 Pembentukan Selulosa dari Sel Bakteri Acetobacter xylinum.............................32 Gambar 4.2 Reaksi Hidrolisis Sukrosa....................................................................................32 Gambar 4.3 Reaksi Perubahan α-D-Glukosa menjadi β-D-glukosa.......................................33 Gambar 4.4 Reaksi Pembentukan Ikatan 1,4-β-glikosida.......................................................33 Gambar 4.5 Reaksi Pembentukan Selulosa Bakteri Nata-de-coco.........................................33 Gambar 4.6 Pengaruh Metode Pencucian Membran yang Berbeda terhadap Fluks Air.........35 Gambar 4.7 Ilustrasi Larutan Dekstran Linier dan Molekul Globular Protein.......................37 Gambar 4.8 Pengaruh Fluks Membran terhadap Waktu Pencucian dengan Ultrasonik.........38 Gambar 4.9 Pengaruh Metode Pencucian Membran terhadap Persen Rejeksi.......................39 Gambar 4.10 Morfologi Membran Nata-de-Coco..................................................................42
xii
Gambar 4.11 Morfologi Membran Hasil Pencucian dengan Basa.........................................42 Gambar 4.12 Morfologi Membran Hasil Pencucian dengan Ultrasonik 0,5 Jam...................43 Gambar 4.13 Morfologi Membran Hasil Pencucian dengan Ultrasonik 1 Jam......................43 Gambar 4.14 Morfologi Membran Hasil Pencucian dengan Ultrasonik 1,5 Jam...................43
xiii
Daftar Pustaka
Baker, R.W., (2004), Membrane Technology and Applications, 2nd edition, John Willey & Sons, Ltd, California, 1-9; 237-295. Brown, M., (1995), Position Paper Microbial Cellulose : A New Resource for Wood, Paper, Textiles, Food, and Speciality Products, Department of Botany, The University of Texas at Austin, Austin, Texas 78713-7640. Clasen, C. et al., (2001), Determination of Viscoelastic and Rheo-Optical Material Functions of Water-Soluble Cellulose Derivatives, Prog.Polym.Sci., 26, 1839-1919. Feng, D. et al., (2005), Ultrasonic Defouling of Reverse Osmosis Membranes Used to Treat Wastewater Effluents, J. Sep.Pur.Technol., 50 (3), 318-323. Gomez, H. et al., (2003), Development of Hydrophilic Ultrafiltration Membrane from Polysulfone-Polyvinylpyrrolidone, Rev. Soc. Quim. Mex., 47(1), 53-57. Holmes, D., (2004), Bacterial Cellulose, Department of Chemical and Process Engineering, University of Canterbury Christchurch, New Zealand, 8-9. Krystnowicz, A. et al., (2005), Molecular Basis of Cellulose Biosynthesis Disapperance in Submerged Culture of Acetobacter xylinum, Acta Biochimica Polonica, 52 (3), 691698. Marcel, M., (1996), Basic Principles of Membrane Technology. Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 1-74; 286-303. Moulson, J. et al., ( 2003), Electroceramics, 2nd edition, John Willey & Sons, Ltd, England, 397-398 Odian, G,. (2004), Principles of Polymerization, 4th edition, John Willey & Sons, Inc,. Hoboken, New Jersey, 2-32; 634-635. Piluharto, B., (2001), Thesis, Institut Teknologi Bandung, Bandung, 52-53. Poedjiadi, A., (1994), Dasar-Dasar Biokimia, Universitas Indonesia, Jakarta, 38-39. Ram, A., (1997), Fundamentals of Polymer Enginnering, Plenum Press, New York, 75-77.
Rektor, A., et al., (2003), Membrane Filtration of Mozzarella Whey, Desalination, 162, 279286. Schnabel, W., (1981), Polymer Degradation, Carl Hanser Verlag Munchen Wien, German, 76-78. Shibazaki,
H.,
(1993),
Bacterial
Cellulose
Membrane
as
Separation
Medium,
J.App.Polym.Sci., 50, 965-969. Wanichapichart et al,. (2002), Characterization of Cellulose Membranes Produces by Acetobacter xylinum, J.Sci. Technol., 24, 855-862. Yuliani, G., Thesis, Institut Teknologi Bandung, Bandung. Zhang, P. et al.,(2006), Outlook for Cellulase Improvement : Screening and Selection Strategies, Biotechnology Advances, 24, 452-481.
47
Daftar Tabel Tabel 2.1 Proses Pemisahan Membran Berdasarkan Gaya Dorong........................................11 Tabel 2.2 Nilai fluks dan Tekanan dalam Variasi Proses Membran Pemisah........................12 Tabel 4.1 Pengaruh Metode Pencucian Membran terhadap Ketebalan dan Nilai Fluks.........36 Tabel 4.2 Data Nilai Fluks Membran dari Dekstran T-70, T-500, dan T-2000......................37 Tabel 4.3 Data Persen Rejeksi dari Dekstran T-70, T-500, dan T-2000.................................39 Tabel 4.4 Data Uji Tarik Membran.........................................................................................40
xi
Daftar Lampiran LAMPIRAN A DATA NILAI FLUKS MEMBRAN.............................................................48 A.1 Data Penentuan Fluks Air..............................................................................................48 A.2 Data Penentuan Fluks Dekstran.....................................................................................50 LAMPIRAN B DATA NILAI REJEKSI MEMBRAN..........................................................55
xiv
