Biodegradasi Membran Selulosa Asetat Berpori dari Limbah

advertisement
BIODEGRADASI MEMBRAN SELULOSA ASETAT BERPORI
DARI LIMBAH KULIT NANAS
MENGGUNAKAN Bacillus subtillis
ATIK ISTIQLALAH
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2006
ABSTRAK
AT IK ISTIQLALAH. Biodegradasi Membran Selulosa Asetat Berpori dari Limbah Kulit
Nenas Menggunakan Bacillus subtillis. Dibimbing oleh SRI MULIJANI dan MEGA
SAFITHRI.
Salah satu alternatif untuk mengatasi masalah sulit terurainya membran sintetik
ialah dengan memanfaatkan limbah kulit nenas dan mengolahnya menjadi membran
selulosa asetat (CA) yang dapat terbiodegradasi. Pengujian biodegradasi dilakukan
dengan metode penguburan dalam tanah selama 5 minggu dan degradasi mikrobial oleh
Bacillus subtillis pada membran yang telah ditentukan bobotnya selama 1, 2, 3, dan 5
minggu. Hasil degradasi ditentukan secara kualitatif menggunakan mikroskop elektron
payaran (SEM) sebelum dan sesudah degradasi. Persentase penurunan bobot membran
sesudah proses degradasi menggunakan B. subtillis selama 1, 2, 3, dan 5 minggu semakin
meningkat, yaitu berturut-turut sebesar 3.15, 20.06, 24.59, dan 41.57%. Dengan metode
penguburan dalam tanah selama 5 minggu penurunannya sebesar 50.15%. Uji Fehling
membran CA sebelum didegradasi bernilai negatif, sedangkan sesudah didegradasi
bernilai positif dengan intensitas yang semakin meningkat setiap minggunya. Hasil SEM
membran sebelum degradasi menunjukkan permukaan membran yang relatif rata, tetapi
sesudah didegradasi selama 5 minggu, baik yang menggunakan media agar -agar dengan
penambahan B. subtillis maupun dengan metode penguburan dalam tanah mengalami
perubahan morfologi permukaan membran, yaitu terbentuk patahan-patahan dan lubanglubang yang menunjukkan bahwa membran CA telah didegradasi dan menjadi rusak.
ABSTRACT
ATIK ISTIQLALAH. Biodegradation of Porogens Cellulose Acetate Membrane from
Pineapple Peel Waste with Bacillus subtillis. Supervised by SRI MULIJANI and MEGA
SAFITHRI.
One alternative to solve difficult degradation of synthetic membrane is by using
waste of pineapple peel to synthesize cellulose acetate (CA) membrane that is
biodegradable. Examination of biodegradation was carried out by burying the membrane
in soil for 5 weeks and by microbial degradation of membrane which weight had been
known using Bacillus subtillis for 1, 2, 3, and 5 weeks. The degradation product were
examined qualitatively using scanning electron microscope (SEM) before and after
degradation. The weight of membrane after degradation by B. subtillis for 1, 2, 3, and 5
weeks were decreased 3.15, 20.06, 24.59, and 41.57%, respectively whereas with burying
method in soil for 5 weeks the decrease was 50.15%. Fehling test of the CA membrane
was negative before degradation and positive after degradation with increasing intensity
every week. The SEM result of membrane before degradation showed that the membrane
surface was relatively flat whereas the surface morphology of the one degraded by B.
subtillis and of the one buried in soil changed and had broken and holes indicating that
the membrane had been damaged.
BIODEGRADASI MEMBRAN SELULOSA ASETAT BERPORI
DARI LIMBAH KULIT NANAS
MENGGUNAKAN Bacillus subtillis.
ATIK ISTIQLALAH
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
2006
Judul
: Biodegradasi Membran Selulosa Asetat Berpori dari Limbah Kulit Nenas
Menggunakan Bacillus subtillis.
Nama
: Atik Istiqlalah
NIM
: G44201040
Disetujui
Pembimbing I
Pembimbing II
Dra. Sri Mulijani, M.Si
NIP 131 950 978
Mega Safithri. S.Si, M.Si
NIP 132 311 913
Diketahui
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, M.S.
NIP 131 473 999
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Alhamdulillahi robbil’alamin, puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah
SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Karya
ilmiah ini berjudul “Biodegradasi Membran Selulosa Asetat Berpori dari Limbah Kulit
Nanas Menggunakan Bacillus subtillis”. Penelitian ini dilaksanakan pada bulan AprilAgustus 2006 di Laboratorium Kimia Anorganik Departemen Kimia dan Laboratorium
Biokimia Mikrob Departemen Biokimia, FMIPA-IPB.
Dengan tulus dan kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan terimakasih
kepada Ibu Dra. Sri Mulijani, MS. dan Ibu Mega Safithri, S.Si, M.Si. selaku pembimbing
yang telah berkenan memberikan bimbingan, masukan, saran, arahan, dan perhatian
selama penelitian dan penulisan skripsi ini. Ucapan terimakasih kepada Program Hibah
Kompetisi A2 atas bantuan dana yang diberikan. Penulis juga mengucapkan terima kasih
dan rasa hormat kepada keluarga tercinta, Ayahanda dan Ibunda atas segala doa,
semangat, dan kasih sayangnya. Mas Abduh, Mas Fahmy, Aa Suyanto, dan Mbak Novi
untuk semangat, cinta, dan kasih sayang yang senantiasa diberikan. Ungkapan terima
kasih juga disampaikan kepada rekan penelitian (Febri, Andri, Mbak Tia, Akbar, Astika,
Riya, dan Nazer) atas bantuan dan kerja sama, Esti dan Peris atas bantuan dan pengajaran,
serta sahabat-sahabatku tercinta (Kak Budi Arifin, Dyah, Eka, Emil, Rahma dan Dian)
atas semangat, bantuan, inspirasi, doa, dan persahabatan yang indah, seluruh teman-teman
Kimia-38, serta warga kosan C-8 terimakasih untuk kebersamaannya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Desember 2006
Atik Istiqlalah
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Indramayu, Jawa Barat, pada tanggal 13 Agustus 1983 dari
ayah Drs. A. Syathori dan ibu Hayatinufus. Penulis merupakan putri ketiga dari tiga
bersaudara.
Tahun 2001 penulis lulus dari SMU Negeri 1 Krangkeng dan pada tahun yang sama
lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis memilih
Program Studi Kimia, Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan
Alam.
Tahun 2004 penulis melaksanakan praktik lapangan di Laboratorium Quality
System (QS) PT Indofarma (Persero) Tbk, Cibitung-Bekasi. Selama mengikuti
perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum Kimia Lingkungan pada tahun
2005/2006, dan pernah mengajar privat di Lembaga Bimbingan Belajar Nurul Ilmi pada
tahun 2006.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL .............................................................................................. viii
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... viii
DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................
ix
PENDAHULUAN ..............................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA
Biodegradasi...........................................................................................
Enzim selulase ........................................................................................
Selulosa .................................................................................................
Membran ...............................................................................................
Polietilena glikol (PEG) ..........................................................................
Mikroskop Elektron Payaran (SEM).........................................................
1
1
2
3
3
3
BAHAN DAN METODE
Alat dan Bahan .......................................................................................
Metode Penelitian ...................................................................................
Pembuatan Membran Selulosa Asetat .......................................................
Peremajaan B. Subtillis............................................................................
Karakterisasi Membran Biodegradabel .....................................................
3
3
4
4
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
Biodegradasi...........................................................................................
Pengukuran Bobot Membran CA .............................................................
Uji Fehling .............................................................................................
Hasil SEM Sebelum Didegradasi ............................................................
Hasil SEM Sesudah Didegradasi ..............................................................
4
5
5
6
6
SIMPULAN DAN SARAN .................................................................................
7
DAFTAR PUSTAKA .........................................................................................
8
LAMPIRAN.......................................................................................................
10
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Kisaran tekanan, pori, dan bobot molekul berbagai jenis membran ......................
3
2 Hasil uji Fehling sebelum dan sesudah proses degradasi menggunakan
B. subtillis.......................................................................................................
6
3 Hasil uji Fehling sebelum dan sesudah proses degradasi menggunakan
metode penguburan dalam tanah selama 5 minggu ............................................
6
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Mekanisme kerja kompleks enzim selulase.......................................................
2
2 Bacillus subtillis..............................................................................................
2
3 Struktur selulosa .............................................................................................
2
4 Struktur selulosa asetat .....................................................................................
2
5 Struktur poli(etilena glikol) (PEG)....................................................................
3
6 Grafik penurunan bobot membran CA sesudah proses degradasi menggunakan
B. subtillis.......................................................................................................
5
7 Reaksi uji Fehling ...........................................................................................
5
8 Hasil SEM membran CA sebelum proses degradasi...........................................
6
9 Hasil SEM membran CA sesudah proses degradasi menggunakan
B. subtillis dengan perbesaran 2000× ...............................................................
7
10 Hasil SEM membran CA sesudah proses degradasi menggunakan B. subtillis
dengan perbesaran 3500×................................................................................
7
11 Hasil SEM membran CA sesudah proses degradasi menggunakan metode
penguburan dalam tanah dengan perbesaran 2000×...........................................
7
12 Hasil SEM membran CA sesudah proses degradasi menggunakan metode
penguburan dalam tanah dengan perbesaran 3500×...........................................
7
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Diagram alir penelitian .....................................................................................
11
2 Komposisi media biodegradasi..........................................................................
12
3 Gambar alat-alat yang digunakan ......................................................................
13
4 Data dan perhitungan persentase penurunan bobot membran CA
sesudah proses degradasi ..................................................................................
14
PENDAHULUAN
TINJAUAN PUSTAKA
Teknologi pemisahan dengan membran
menjadi bagian yang tak terpisahkan dari
kehidupan manusia sekarang. Hal ini
dikarenakan proses pemisahan menggunakan
membran memiliki beberapa kelebihan, antara
lain tidak membutuhkan energi yang besar,
sederhana dalam pengop erasian,
serta
memiliki mutu hasil lebih baik dibandingkan
dengan
proses
pemisahan tradisional.
Keberadaan membran ini tidak hanya
dimanfaatkan untuk industri pengolahan hasil
pertanian, tetapi juga digunakan dalam
industri lainnya seperti industri farmasi,
bioindustri, pulp dan kertas, logam, dan
pengolahan limbah industri.
Salah satu jenis membran yang banyak
digunakan adalah membran selulosa asetat
(CA). Komponen dasar penyusunnya adalah
selulosa. Selulosa merupakan senyawa
organik yang paling banyak terdapat di alam,
namun kurang begitu dimanfaatkan karena
sulit dicerna oleh makhluk hidup lain
khususnya manusia. Makhluk hidup kelompok
ruminansia seperti sapi, domba, dan kerbau
dapat mencerna selulosa karena memiliki
mikroorganisme
rumen
yang
mampu
mencerna selulosa di dalam rumennya yang
disebut sebagai mikroorganisme selulolitik
(Sasaki et al. 1983).
Selulosa dapat dihidrolisis menjadi
monosakarida atau oligosakarida dengan
menggunakan cara kimiawi dan hayati. Pada
hidrolisis dengan cara kimiawi digunakan
asam kuat sedangkan hidrolisis dengan cara
hayati menggunakan enzim murni atau
mikroorganisme penghasil enzim selulase
(Hardjo et al. 1989). Penelitian ini dilakukan
untuk melihat hidrolisis selulosa secara hayati
oleh mikroorganisme selulolitik yang dapat
menghasilkan enzim selulase, salah satunya
adalah Bacillus subtillis.
B. subtillis merupakan salah satu
mikroorganisme selulolitik yang banyak
terdapat di alam, khususnya di tanah dan air.
Bakteri ini memiliki kemampuan untuk
mendegradasi selulosa dengan menghasilkan
enzim selulase (Ohrmund & Susan Elrod
2002). Penelitian ini bertujuan mencirikan
biodegradasi membran selulosa asetat
berporogen dari hasil fermentasi limba h kulit
nanas
menggunakan
mikroorganisme
selulolitik.
Biodegradasi
Menurut Kaplan et al. (1994), proses
biodegradasi terjadi karena sistem hyati
(biasanya bakteri atau jamur) memutus rantai
polimer melalui aktivitas enzimatis. Degradasi
polimer terbagi atas tiga jenis, yaitu degradasi
oleh zat kimia; degradasi fisik yang meliputi
degradasi termal, mekanik, radiasi, dan
fotooksidasi;
dan
degradasi
oleh
mikroorganisme seperti jamur, bakteri, serta
actinomycetes.
Krochta (1997) mendefinisikan bahan
yang dapat terbiodegradasi sebagai bahan
yang
sepenuhnya
terdegradasi
oleh
mikroorganisme
dalam
suatu
proses
pengomposan yang akan menghasilkan
senyawa alami CO2, H2O, metana, dan
biomassa. Secara umum terdapat dua tahapan
proses biodegradasi, yaitu depolimerisasi atau
pemutusan rantai dan mineralisasi. Tahap
depolimerisasi merupakan tahap pemutusan
rantai. Enzim yang berperan dalam tahap ini
ialah enzim ekstraseluler yang dapat bertindak
sebagai endoenzim (memutus secara acak
ikatan dalam rantai utama suatu polimer)
maupun eksoenzim (memutus rantai secara
berurutan dari ujung rantai suatu polimer).
Mineralisasi didefinisikan sebagai proses
pengubahan fragmen oligomer yang lebih
sederhana menjadi biomassa, garam dan
mineral, air, dan gas seperti CO2 , CH4, dan
N2.
Biodegradasi dalam lingkun gan dapat
dideskripsikan dengan persamaan:
polimer + O 2
CO 2 + H2O + biomassa
+ residu
Enzim Selulase
Enzim adalah biokatalis yang diproduksi
oleh sel hidup, yang menyebabkan reaksi
biokimia spesifik mengambil bagian dalam
proses metabolik dari sel. Kerja enzim sangat
spesifik pada substrat dan sering kali banyak
enzim bekerja sama bagi keberhasilan reaksi
metabolik yang dilakukan oleh sel hidup
(Sears & Walsh 1993).
Menurut Coronel & Joson (1986), enzim
selulase merupakan enzim kompleks dari
golongan karbohidrase yang terdiri dari tiga
tipe enzim yang saling berkaitan. Kelompok
enzim tersebut adalah endo -ß-1,4-glukanase,
ekso-ß-1,4-glukanase atau selobiohidrolase,
dan ß-glukosidase. Kompleks selulase penting
dalam proses biokonversi selulosa menjadi
glukosa dengan menghidrolisis ikatan ß-1,4glikosidik. Gambar 1 memperlihatkan
mekanisme kerja kompleks enzim selulase
(Deng,& Tabatabai 1994).
Endoglukanase
Selulosa
eksoglukanase
selulosa
ß-glukosidase
selobiosa
glukosa
reaktif
Gambar 1 Mekanisme kerja kompleks enzim
selulase.
Enzim
selulase
dihasilkan
oleh
mikroorganisme dari kelompok kapang,
actinomycetes, fungi, dan bakteri. Bakteri
penghasil enzim selulase antara lain
Myxobacteriales,
yang
meliputi
Sporocytophaga dan Cytophaga; golongan
Actinomycetales , yaitu Micromonospora,
Streptomyces,
Thermoactimycetes,
dan
Thermopolyspora;
serta
Eubacteriales
(Bacillus,
Cellulomonas ,
Pseudomonas,
Clostridium, Bacteriodes , dan Ruminococcus )
(Pelczar & Chan 1986).
Faktor yang memengaruhi aktivitas enzim
adalah pH, suhu, konsentrasi substrat,
konsentrasi enzim, dan waktu inkubasi. Suhu
meningkatkan aktivitas enzim sampai suhu
optimum lalu protein enzim akan terdenaturasi
dan terjadi inaktivasi. Begitu pula halnya
dengan pH, pada pH optimum aktivitasnya
akan maksimum sedangkan di luar pH
optimum aktivitas enzim akan turun.
Konsentrasi substrat dan enzim serta wakt u
inkubasi yang bertambah akan meningkatkan
aktivitas enzim sampai tingkat tertentu;
setelah itu, aktivitasnya tetap (Sears & Walsh
1993).
Bacillus subtillis
Bacillus subtillis adalah bakteri berbentuk
batang dengan ujung membulat, terletak
sendiri-sendiri atau membentuk rantai pendek.
Sifat bakteri ini adalah Gram positif, tetapi
pada pertumbuhan muda dapat bersifat Gram
negatif, mempunyai flagela, membentuk
spora, dan tidak mempunyai kapsul seperti
tampak pada Gambar 2. Bakteri ini tumbuh
baik pada media sederhana seperti nutrien
agar (NA). Koloni B. subtillis berwarna abuabu, tepi dan permukaannya tidak rata,
terkadang berbutir-butir dengan konsistensi
padat (Bergey’s et al. 1994).
Gambar 2 Bacillus subtillis.
Selulosa
Selulosa merupakan polimer organik
yang menjadi komponen dasar dinding sel
tumbuhan serta selalu berasosiasi dengan
polisakarida lain seperti hemiselulosa, lignin,
pektin, dan xilan (Goyskor & Eriksen 1980).
Selulosa tersusun dalam bentuk fibril yang
terdiri atas beberapa rantai paralel yang
dihubungkan oleh ikatan hidrogen sehingga
sulit diurai (Enari 1983). Struktur sebuah
rantai selulosa dapat dilihat pada Gambar 3.
Monomer:
Glukosa
Polimer: Selulosa
Gambar 3 Struktur selulosa.
Selulosa memiliki tiga gugus hidroksil per
residu anhidroglukosa, sehingga dapat
dilakukan reaksi-reaksi seperti est erifikasi dan
eterifikasi. Salah satu bentuk esterifikasi
selulosa
adalah dengan menggunakan
anhidrida asetat menggunakan bantuan asam
sulfat sebagai katalis menghasilkan selulosa
asetat (Kroschwitch 1990). Selulosa asetat
berupa padatan tidak berbau, tidak beracun,
tidak berasa, dan berwarna putih. Sifat dari
selulosa asetat ini tidak mudah terbakar jika
dibandingkan dengan selulosa nitrat (Fen gel
& Wegner 1985). Struktur selulosa asetat
dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4 Struktur selulosa asetat.
Selulosa asetat yang dihasilkan dapat
digunakan untuk pernis, penyalut (coating),
plastik cetakan (m oulding ), rayon, dan film
fotografi (Brady & Clauser 1991) .
Membran
Membran adalah lapisan semipermeabel
berupa padatan polimer tipis yang menahan
pergerakan bahan tertentu (Scott & Hughes
1996). Osada & Nakagawa (1992) mendefinisikan
membran
sebagai
lapisan
semipermeabel yang tipis dan dapat
digunakan untuk memisahkan dua komponen
dengan cara menahan dan melewatkan
komponen tertentu melalui pori-pori.
Klasifikasi Membran
Berdasarkan morfologinya, membran
dibagi menjadi dua golongan, yaitu membran
simetrik dan asimetrik. Membran asimetrik
memiliki struktur pori yang tidak seragam
pada kedua sisinya sedangkan struktur pori
membran simetrik seragam. Berdasarkan
fungsinya, membran dibedakan membran
mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, dan osmosis balik
(Mulder 1996).
Tabel 1 Kisaran tekanan, pori, dan bobot
molekul berbagai jenis membran
Kisaran
Tekanan
(atm)
Kisaran
Pori
(µm)
Bobot
Molekul
(g/mol)
Mikrofiltrasi
0.5–2
1.0–3
0.1–10
0.001–
0.1
0.0001–
0.001
500000
Ultrafiltrasi
Jenis
Membran
Osmosis Balik
8.0–12.0
5000
50
Poli(etilena glikol) (PEG)
Poli(etilena glikol) (PEG) adalah molekul
sederhana dengan struktur molekul linear atau
bercabang. PEG larut dalam air dan beberapa
pelarut organik seperti toluena, aseton,
metanol, dan metil klorida, tetapi tidak larut
dalam heksana dan hidrokarbon alifatik yang
sejenis (Fadillah 2003).
PEG secara komersial dibuat dengan
reaksi antara etilena glikol (HOCH 2CH2OH)
dan sejumlah kecil katalis natrium klorida.
Jumlah etilena glikol menentukan bobot
molekul dari PEG. Struktur PEG ditunjukkan
oleh Gambar 5.
H
H
C
C
H
H
O
n
Gambar 5 Struktur PEG.
Fadillah (2003) menjelaskan bahwa
interaksi antara konsentrasi PEG dengan
selulosa asetat menunjukkan pengaruh yang
sangat nyata terhadap ukuran p ori-pori
membran. Fluks membran naik dengan
bertambahnya konsentrasi PEG, dan dengan
berkurangnya konsentrasi selulosa asetat.
Berdasarkan penelitian Yang et al. (2001),
nilai fluks membran komposit selulosakitosan
semakin
meningkat
dengan
meningkatnya konsentrasi PEG.
Mikroskop Elektron Payaran (S EM)
SEM merupakan alat untuk melihat benda
yang sangat kecil dalam bentuk stereo dengan
skala perbesaran tinggi (Rachman 2001).
Gambar yang dihasilkan merupakan gambar
topografi dengan segala tonjolan, lekukan, dan
lubang pada permukaan. Gambar topografi
diperoleh dari penangkapan elektron sekunder
yang dipancarkan oleh spesimen atau bahan.
Sinyal elektron sekunder yang dihasilkan
ditangkap oleh detektor kemudian diteruskan
ke monitor. Selanjutnya monitor akan
menampilkan
gambar
khas
yang
menggambarkan struktur permukaan bahan.
BAHAN DAN METODE
Alat dan Bahan
Alat -alat yang digunakan dalam penelitian
ini adalah SEM model JSM 5310LV, pelapis
ion JICA 18-2, spektrofotometer ultraviolet
(UV), laminar air flow, pemanas, autoklaf,
penangas air, oven, jarum inokulasi nikrom,
vorteks, shaker, petri, dan alat -alat kaca.
Bahan-bahan yang digunakan diantaranya
serbuk selulosa asetat yang dihasilkan dari
fermentasi kulit nanas; media untuk
pertumbuhan bakteri (NA) yang mengandung
3 g Beef extract, 5 g pepton, dan bacto agar
20 g/L; diklorometana; inokulum B. Subtillis;
ekstrak khamir; tripton; media untuk proses
biodegradasi yang berupa bacto agar, NaCl
0.9% (b/v), (KH 2PO4 ), (K2HPO4), (MgSO 4
?7H2O), amonium nitrat (NH 4NO3), feri sulfat
(FeSO 4 ?7H 2O), zink sulfat (ZnSO 4 ?7H2O),
mangan sulfat (MnSO 4 ?7H2O), dan akuades.
Metode Penelitian
Bagan alir penelitian dapat dilihat pada
Lampiran 1. Penelitian ini dilakukan dalam
beberapa tahapan yaitu pembuatan membran
selulosa asetat 14% (b/v) dengan PEG 10%
dalam
diklorometana,
lalu
ditentukan
bobotnya, dilanjutkan dengan degradasi
menggunakan B. subtillis selama 1, 2, 3, dan 5
minggu dan dengan metode penguburan
dalam tanah selama 5 minggu. Kemudian
dilanjutkan dengan analisis SEM membran
CA sebelum dan sesudah degradasi.
Pembuatan Membran Selulosa Asetat
Proses pembuatan membran dilakukan
dengan mencampurkan selulosa asetat hasil
penelitian sebelumnya (Renaissance 2006)
dengan nisbah 14% (b/v), PEG 10% (b/v)
dalam diklorometana. Proses pencampuran
ini menggunakan pengaduk magnet selama
kurang lebih 3 jam. Pencetakan dilakukan
dengan metode pembalikan fase pada lempeng
kaca tipis. Membran yang telah dicetak
dikering udarakan selama 1 jam, lalu
direndam di dalam bak air sampai membran
terlepas dengan sendirinya.
Peremajaan B. subtillis
Kultur murni B. subtillis diremajakan
dalam media NA steril dengan metode gores,
dan diinkubasi dengan suhu 37 oC selama 24
jam. B. subtillis yang telah diremajakan
dimasukkan ke dalam 5 mL media Luria
Bertani (LB) cair seperti yang terdapat pada
Lampiran 2, lalu dikocok menggunakan
shaker selama 24 jam, kemudian jumlah sel
bakt eri per mL larutan diukur menggunakan
spektrofotometer untuk mengetahui rapatan
optis dari B. subtillis. Apabila rapatan optis
bakteri telah mencapai 0.5, disentrifugasi dan
pelet yang dihasilkan dicuci dengan larutan
NaCl 0.9% (b/v) sebanyak dua kali aga r
diperoleh suspensi bakteri yang bersih dari
pengotor.
Biodegradasi oleh B. subtillis (ASTM G 2267)
Sebanyak 100 µL s uspensi bakteri yang
telah bersih dari pengotor disebarkan merata
ke dalam nutrien media agar-agar sebagai
media biodegradasi (Lampiran 2) kemudian
membran selulosa asetat berukuran 2 × 4 cm
yang telah diketahui bobotnya diletakkan di
atas media agar-agar dan di atas sampel
membran itu disebarkan kembali suspensi
bakteri sebanyak 100 µL sebelum diinkubasi
pada suhu 37 oC dengan kelembap an relatif
sebesar 85%. Proses biodegradasi dihentikan
setelah minggu ke 1, 2, 3, dan 5 dengan cara
mensterilkan
kembali
sampel
dengan
mencelupkannya ke dalam alkohol.
Biodegradasi dengan metode burial test
(penguburan) (Damayanthy 2003)
Membran selulosa asetat yang telah diukur
bobotnya dengan ukuran 2 × 4 cm dikubur
sedalam 10 cm di bawah tanah selama 5
minggu. Mikroorganisme yang terdapat dalam
tanah akan mendegradasi membran tersebut
secara alami. Untuk mengetahui membran
tersebut terdegradasi disiapkan membran yang
tidak diberi perlakuan sebagai standar.
Uji Fehling
Membran sampel sebelum dan sesudah
didegradasi dilarutkan dalam diklorometana.
Disiapkan 5 mL pereaksi Fehling A dan
Fehling B (1:1) dalam tabung reaksi, lalu
ditambahkan ke dalamnya 5 tetes larutan
bahan uji, kemudian dididihkan selama 10
menit dan didinginkan. Perubahan warna yang
terjadi, yaitu hijau, kuning, atau adanya
endapan merah bata menunjukkan adanya
glukosa yang menjadi petunjuk telah terjadi
proses biodegradasi pada sampel membr an.
Analisis SEM S ebelum dan S esudah
Biodegradasi
Sampel membran ditempelkan pada cell
holder kemudian disalut emas dalam keadaan
vakum selama 5 menit dengan kuat arus 5 mA
menggunakan pelapis ion JICA 18-2. Setelah
itu, sampel dimasukkan pada tempat sampel di
dalam alat SEM dengan tegangan 20 kV.
Gambar yang tampak pada monitor diamati
dan dilakukan perbesaran 2000 dan 3500 kali.
Gambar alat SEM dan pelapis ion dapat
dilihat pada Lampiran 3.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Biodegradasi
Bakteri diremajakan terlebih dahulu
sebelum digunakan agar berada pada tahap
pertumbuhan optimum, sehingga proses
biodegradasi diharapkan berjalan maksimal.
B. subtillis diremajakan dalam media NA dan
diamati pertumbuhannya selama sehari
semalam. Pertumbuhan B. subtillis setelah
diinkubasi terlihat seperti benang yang
berwarna putih menebal di permukaan media.
Benang tersebut adalah hifa-hifa dari B.
subtillis
yang
menunjukkan
adanya
pertumbuhan.
Jumlah
sel
bakteri
pada
proses
biodegradasi harus berjumlah sekitar 10 6 sel
per mL. Jumlah sel bakteri dapat diketahui
secara kasar melalui rapatan optis yang dapat
diukur secara spektrofotometri. Pengukuran
rapatan optis didasarkan pada hamburan
cahaya monokromatis oleh bakteri. Karena sel
memiliki ukuran yang tetap, hamburan cahaya
sebanding dengan jumlah sel bakteri. Isolat
bakteri yang akan difermentasi mempunyai
rapatan optis yang
sebesar 0.5 yang
sebanding dengan kurang lebih 106 sel bakteri.
Media agar-agar yang digunakan pada
proses biodegradasi membran selulosa asetat
merupakan sumber nutrien bagi mikrob, tetapi
tidak mengandung sumber karbon, maka
mikrob menggunakan membran selulosa
asetat sebagai sumber karbon. Proses tersebut
menyebabkan membran rusak karena telah
terjadi proses biodegradasi oleh mikrob.
Pengukuran Bobot Membran CA
Dari Gambar 6 terlihat bahwa persentase
penurunan bobot membran CA yang
didegradasi
menggunakan
B.
subtillis
mengalami peningkatan seiring dengan
lamanya waktu degradasi, yaitu sebesar 3.15,
20.06, 24.59, dan 41.57% berturut-turut
sesudah minggu 1, 2, 3, dan 5. Persentase
penurunan bobot membran CA yang
didegradasi menggunakan metode penguburan
dalam tanah selama 5 minggu juga mengalami
peningkatan sebesar 50.15% (Lampiran 4).
Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu degradasi, semakin banyak kerusakan
pada membran yang disebabkan oleh
mikroorganisme, yang dapat menyebabkan
berkurangnya bobot membran.
Penurunan Bobot
membran CA (%)
50
40
30
20
atau selobiohidrolase, dan ß-glukosidase yang
dihasilkan oleh B. subtillis bekerja dengan
jalan menghidrolisis ikatan ß-1,4-glikosida
pada serat selulosa menjadi monomermonomer glukosa. Endoglukanase menghidrolisis ikatan ß-1,4-glikosida pada selulosa
secara acak menghasilkan glukosa, selobiosa,
triosa, dan oligomer lainnya, sedangkan
eksoglukanase
menghidrolisis
selulosa
kristalin dan amorf dengan cara melepaskan
unit-unit selobiosa dari ujung non-pereduksi
dari rant ai selulosa menghasilkan selobiosa,
yang kemudian dihidrolisis oleh ß-glukosidase
meng-hasilkan glukosa (Irawadi 1990).
Uji Fehling
Uji Fehling membran CA sebelum proses
degradasi menggunakan B. subtillis maupun
dengan metode penguburan dalam tanah
(Tabel 2 & 3) tidak menghasilkan endapan
merah bata yang menunjukkan tidak adanya
gula pereduksi atau glukosa bebas. Hal ini
berarti bahwa struktur selulosa masih utuh.
Namun,
setelah
proses
degradasi
menggunakan B. subtillis maupun dengan
metode penguburan dalam tanah selama 5
minggu terbentuk endapan merah bata yang
intensitasnya semakin meningkat seiring
bersamaan lamanya waktu degradasi.
Gula akan mereduksi Cu2+ yang berupa
Cu (OH)2 menjadi Cu+ sebagai CuOH,
selanjutnya menjadi CuO yang tidak larut,
berwarna kuning atau merah. Pada saat yang
bersamaan, gula pereduksi akan teroksidasi,
berfragmentasi, dan ber -polimerisasi dalam
larutan Fehling. Reaksi yang terjadi pada uji
Fehling ialah
10
O
O
0
1
2
3
5
2+
-
R C H + 2 Cu + 5 OH
R C O- + Cu 2 O
Minggu ke-
Gambar 6 Grafik penurunan bobot (%)
membran CA sesudah proses
degradasi
menggunakan
B.
subtillis.
Persentase penurunan bobot membran CA
yang didegradasi menggunakan metode
penguburan dalam tanah lebih tinggi, karena
di dalam tanah diduga terdapat berbagai
mikroorganisme yang mampu merombak
selulosa. Bakteri di tanah tersebut tersebar
secara merata, sehingga membran yang
dikubur di dalam tanah mengalami kerusakan
yang merata pula.
Kelompok enzim selulase yang terdiri atas
endo-ß-1,4-glukanase, ekso-ß-1,4-glukanase
Gambar 7 Reaksi uji Fehling.
+ 3 H2 O
Tabel 2 Hasil uji Fehling sebelum dan sesudah proses degradasi menggunakan B. subtillis
Ulangan
Sampel minggu
Ke-1
Sebelum
Sesudah
Sampel minggu
ke-2
Sebelum
Sesudah
1
- - --
+
- -- -
++
2
- - --
+
- -- -
++
Keterangan:
- tidak terbentuk endapan merah bata
+ terbentuk endapan merah bata yag sesuai dengan
intensitasnya
Tabel 3 Hasil uji Fehling sebelum dan sesudah
proses
degradasi
m enggunakan
metode penguburan dalam tanah
selama 5 minggu
Ulangan
1
2
Sebelum
didegradasi
-
Sesudah
didegradasi
+
+
Hasil SEM Sebelum Degradasi
Sebelum sampel dianalisis menggunakan
SEM, terlebih dahulu dilakukan pelapisan.
Pada saat
pelapisan , sampel yang
ditempelkan pada lempengan kuningan tidak
boleh tersentuh oleh tangan. Hal ini
dimaksudkan agar lipid yang ada di tangan
tidak mengganggu pengamatan Di samping
itu, pada saat m enempelkan sampel tidak
boleh ditekan terlalu kuat karena akan
mengakibatkan kesalahan pengamatan.
Morfologi membran sebelum dan sesudah
degradasi diamati menggunakan SEM. Ketika
sampel dianalisis menggunakan SEM, sampel
akan diiradiasi dengan pancaran elektron.
Beberapa elektron akan dipantulkan oleh
sampel sebagai elektron sekunder, dan sisa
elektron lainnya diserap oleh sampel. Jika
sampel bukan bahan konduktor, elektron yang
diserap tersebut akan memberikan arus yang
akan menyebabkan galat pengamatan. Karena
itu, sampel perlu dilapisi emas agar bersifat
konduktor (Stevens 2003).
Hasil SEM membran selulosa asetat
sebelum didegradasi dapat dilihat pada
Gambar 8. Foto SEM tersebut m em perlihatkan permukaan yang rata dan ukuran
pori yang seragam. Hal ini diperkirakan
karena membran tersebut memiliki ketebalan
yang hampir sama pada permukaannya.
Ketebalan yang merata disebabkan oleh
homogennya larutan yang terbentuk antara
polimer selulosa asetat dan PEG dalam pelarut
diklorometana. Pembuatan larutan polimer
yang tidak homogen
menyebabkan
terperangkapnya
gelembung-gelembung
Sampel minggu
ke-3
Sebelum
Sesudah
-- --
Sampel minggu
ke-5
Sebelum
Sesudah
+++
- -- -
++++
+++
- -- -
++++
udara, sehingga pada saat pencetakan pada
lempeng kaca dengan batang pengaduk,
membran yang dihasilkan memiliki ketebalan
yang tidak sama, bahkan berlubang.
Fungsi PEG adalah membentuk pori
dengan
ukuran
yang
lebih
seragam
dibandingkan dengan tanpa penambahan PEG
(Renaissance 2006). Hal ini dikarenakan PEG
yang berada pada matriks polimer akan larut
dalam pelarut nonpolar, yaitu diklorometana,
dan pada saat pencelupan dalam air, PEG
tersebut meninggalkan rongga pada membran,
yang disebut pori.
Gambar 8 Hasil SEM membran selulosa
asetat dengan penambahan PEG
sebelum didegradasi.
Hasil SEM sesudah didegradasi
Membran CA setelah didegradasi oleh B.
subtillis selama 5 minggu mengalami
perubahan seperti terlihat pada Gambar 9.
Morfologi permukaan membran dengan
perbesaran 2000 kali terlihat lebih lunak
dibandingkan dengan hasil SEM membran
sebelum didegradasi. Morfologi membran
dengan perbesaran 3500 kali (Gam bar 10)
terlihat lebih jelas adanya ruang dan patahanpatahan pada membran. Ruang-ruang ini
diduga merupakan tempat bagi B. subtillis
untuk
mendegradasi
membran selulosa
asetat. B. subtillis dalam pertumbuhannya
berhubungan langsung dengan nutrien yang
terdapat dalam membran tersebut. Nutrien
yang berupa molekul-molekul sederhana
dapat langsung diserap, sedangkan molekulmolekul yang lebih kompleks sebelum diserap
ke dalam sel, terlebih dahulu dipecah menjadi
molekul-molekul yang lebih sederhana
dengan bantuan enzim selulase yang
dihasilkan oleh B. subtillis.
Gambar 9
Hasil SEM membran CA
setelah didegradasi oleh B.
subtillis
dengan perbesaran
2000×.
Gambar 11 Hasil SEM membran CA setelah
didegradasi menggunakan m etode penguburan dalam tanah
selama 5 minggu dengan
perbesaran 2000×.
Gambar 12 memperlihatkan morfologi
permukaan membran setelah didegradasi
menggunakan metode penguburan dalam
tanah selama 5 minggu terlihat lebih jelas.
Ketika dipayar dengan perbesaran yang lebih
tinggi, terlihat bahwa lubang-lubang yang
terbentuk tidak seragam akibat degradasi oleh
mikroorganisme.
Gambar 10 Hasil SEM membran CA
setelah didegradasi oleh B.
subtillis
dengan perbesaran
3500x.
Gambar 11 memperlihatkan hasil SEM
membran CA yang telah didegradasi
menggunakan metode penguburan dalam
tanah selama 5 minggu dengan perbesaran
2000 kali. Pada Gambar tersebut terlihat
lubang-lubang yang menunjukkan rusaknya
membran karena di dalam tanah terdapat
bermacam-macam mikroorganisme penghasil
selulase baik dari kelompok bakteri, kapang,
actinomycetes, maupun fungi yang tumbuh di
sekitar membran CA yang dapat mempercepat
proses degradasi membran CA.
Gambar 12 Hasil SEM membran CA setelah
didegradasi menggunakan m etode penguburan dalam tanah
selama 5 minggu dengan
perbesaran 3500x.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Membran selulosa asetat yang terbuat dari
hasil fermentasi limbah kulit nanas dapat
mengalami proses degradasi oleh B. subtillis
dan mikroorganisme yang terdapat dalam
tanah. Proses biodegradasi membran selulosa
asetat dapat berlangsung dalam media agar
dengan menggunakan B. subtillis maupun
dalam media tanah.
Saran
Perlu waktu lebih lama agar proses
biodegradasi berjalan baik, perlu dilakukan uji
pendahuluan aktivitas enzim selulase. Selain
itu juga perlu dilakukan uji biodegradasi
menggunakan mikroorganisme selulolitik dari
jenis bakteri atau jamur yang berbeda.
DAFTAR PUSTAKA
Bergeys’ et al. 1994. Bergey’s Manual of
Determinative Bacteriology. Ed ke-9.
USA: Baltimore.
Brady G, Clauser HR. 1991. Material
Handbook. Ed ke-13. New York:
McGraw-Hill.
Coronel LM, Joson LM. 1986. Isolation,
screening,
and
characterization
of
cellulose utilizing bacteria. Phillip J Sci
2:223 -226.
Deng SP, Tabatabai MA. 1994. Cellulase
activity of soil. Soil Biol Biochem
26:1347-1354.
Damayanthy D. 2003. Teknologi proses
pembuatan
dan
karakterisasi
biodegradabel plastik dari bahan campuran
polipropilena dan tapioka [Skripsi]. Bogor:
Fakultas Teknologi Pertanian, IPB.
Enari TM. 1983. Microbial cellulose. Di
dalam: Fogarty WM, editor.. Microbial
Enzymes and Biotechnology. New York:
Interscience Publisher. hlm.183-223.
Fadillah F. 2003. Pengaruh penambahan PEG
terhadap karakterisasi membran selulosa
asetat
[Skripsi].
Bogor:
Fakultas
Teknologi Pertanian, IPB.
Fengel D, Wegener G. 1995. Kayu: Kimia,
Ultrastruktur,
dan
Reaksi-reaksi.
Hardjono S, Soenardi P, editor. Ed
Indonesia. Yogyakarta: UGM Pr .
Goyskor J, Eriksen J. 1980. Cellulase. Di
dalam: AH Rose, editor. Microbial
Enzymes and Biokonversion. New York:
Academic Pr. hlm.283-330.
Hardjo S, Indrasti NS, Bantacut T. 1989.
Biokonversi
Pemanfaatan
Limbah
Pertanian. Bogor: PAU Pangan dan Gizi
IPB .
Irawadi TT. 1990. Selulase. Bogor: PAU
Bioteknologi IPB.
Kaplan DL et al. 1994. Fundamental of
biodegradable polymers. Di dalam: Ching
C, Kaplan DL, Thomas EL, editor.
Biodegradable Polymer and Packaging.
USA: Technomic Publishing Company,
Pensylvania.
Krochta JM, Johnston DM. 1997. Edible and
biodegradable polymer films . J Food
Technol. 51:2.
Kroschwitch J I. 1990. Concise of Polymer
Science and Engineering . New York: Jhon
Wiley & Sons.
Mulder M. 1996. Basic Principles of
Membrane Technology. Belanda: Kluwer
Academic.
Ohrmund RS, Elrod S. 2002. The
development of primers specific to
bacterial species that produce cellulase
enzymes using the tools of bioinformatics.
http://www.ebi.calpoly.edu. [5 Agustus
2006].
Osada Y, Nakagawa T. 1992. Membrane
Science and T echnology. New York:
Marcel Dekker.
Pelczar MJJr, Chan ECS. 1986. Dasar-Dasar
Mikrobiologi .
Volume
ke-1,
2.
Hadioetomo RS, Imas T, Tjitrosomo SS,
Angka SL, penerjemah; Jakarta: UI Pr.
Terjemahan
dari:
Elements
of
Microbiology.
Rachman R. 2001 Scanning Electron
Microscope. Bogor: Institut P ertanian
Bogor.
Renaissance NV. 2006. Kajian Spektroskopi
Infra Merah Transformasi Fourier dan
Mikroskopi Susuran Elektron Membran
Selulosa Asetat dengan Penambahan Poli
Etilen Glikol. [Skripsi]. Bogor: FMIPA,
IPB.
Sasaki H, Kamagata Y, Takao S, Matang P
Kosambut, Bhumirata. 1983. Selection and
Clasification
of
Active
Cellulose
Decomposing Fungi.. Di dalam: H
Taguchi, editor. Microbial Utilization of
Renewable Resources . Japan: International
center of cooperative research in
biotechnology. hlm. 65-76.
Scott K, Hugh es R. 1996. Industrial
Membrane
Separation
Technology.
London:
Blackie
Academic
&
Professional.
Sears A , Walsh G. 1993. Industrial Enzyme
Applications, Using this Concepts to
Match Animal, Enzyme and Substrate in
Feed Industry Applications. Di dalam:.
The Use of Scientifically Proven Natural
Product to Increase Practical Value. Asia
Pacific Lecture Tour. Hlm. 89-111.
Stevens MP. 2003. Kimia Polimer. Iis
Sopyan, penerjemah. Jakarta: Pradnya
Paramita. Terjemahan dari: Polymer
Chemistry.
Yang L, Hsiao WW, Chen P. 2001. Chitosan
cellulose composite membrane for
affinity purifications of biopolymers and
immunoadsorption. J. Membr Sci. 5084:
1–13.
LAMPIRAN
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
PEG 10%
Selulosa Asetat 14%
diklorometana
Dilarutkan,
Dicetak
Membran Selulosa Asetat
Biodegradasi
B. subtillis
Membran
terbiodegradasi
SEM
Data awal
Lampiran 2 Komposisi Media Biodegradasi
1. Media Luria Bertani (LB) cair
Bahan:
Agar
Tripton
Yeast extract
NaCl
1.50000 gram
1.00000 gram
0.50000 gram
0.50000 gram
Cara Pembuatan:
Semua bahan dilarutkan ke dalam 200 ml akuades, setelah semuanya
tercampur rata lalu larutan diautoklaf pada suhu 1200C selama 15 menit pada
tekanan 15 psi (1 atm), kemudian didinginkan pada suhu kamar.
2. Media agar untuk proses biodegradasi menggunakan Bacillus subtillis .
Bahan:
Agar
20.0000 gram
NH4NO3
1.0000 gram
KH 2PO4
0.7000 gram
K2 HPO4
0.7000 gram
MgSO 4 7H2O
0.7000 gram
NaCl
0.0050 gram
FeSO4 7 H2O
0.0020 gram
ZnSO4 7H2O
0.0020 gram
MnSO 4 7 H2O
0.0010 gram
Cara Pembuatan:
Semua bahan dilarutkan ke dalam 1 liter akuades, setelah semuanya
tercampur rata lalu larutan diautoklaf pada suhu 120 0C selama 15 menit pada
tekanan 15 psi (1 atm), kemudian didinginkan pada suhu kamar.
Lampiran 3 Gambar Alat-alat yang Digunakan
1 Scanning Electron Microscope (SEM) JEOL tipe JSM-5310LV
2 Pelpis Ion JICA 18-2
Lampiran 4 Data dan contoh perhitungan persentase penurunan bobot membran CA
sesudah proses degradasi
a. Penurunan bobot membran CA (%) sesudah proses degradasi menggunakan B. subtillis
Ulangan
Minggu
ke-1
Minggu
ke-2
Minggu
ke-3
Minggu
ke-5
Bobot contoh sebelum
didegradasi (gram)
1
2
x
Bobot contoh sesudah
didegradasi (gram)
1
2
x
Penurunan
bobot (%)
0.1063
0.1031
0.1047
0.1036
0.0991
0.1014
3.15
0.0882
0.1198
0.1047
0.0831
0.0843
0.0837
20.06
0.1016
0.0944
0.0980
0.0911
0.0807
0.0739
24.59
0.1075
0.1071
0.1073
0.0629
0.0625
0.0627
41.57
b. Penurunan bobot membran CA (%) sesudah proses degradasi menggunakan metode
Burial test (penguburan) dalam tanah selama 5 minggu
Ulangan
Minggu
ke-5
Bobot sebelum didegradasi
(gram)
1
2
x
0.0640 0.0660 0.0650
Bobot sesudah didegradasi
(gram)
1
2
x
0.0326
0.0323
0.0324
c. Perhitungan penurunan bobot membran CA (%) sesudah proses degradasi
Contoh perhitungan (Ulangan 1 pada contoh untuk minggu ke-1)
W1 − W2
x100 %
W1
0 .1047 − 0 .1014
=
x 100 %
0 .1047
Penurunan bobot (%) =
= 3.15 %
Keterangan:
W1 : Rerata bobot membran CA sebelum didegradasi
W2 : Rerata bobot membran CA sesudah didegradasi
Penurunan
bobot (%)
50.15
Download