2 Tinjauan Pustaka

2.1 Polimer

Polimer (poly = banyak, meros = bagian) merupakan molekul besar yang terbentuk dari

susunan unit ulang kimia yang terikat melalui ikatan kovalen. Unit ulang pada polimer,

biasanya ekivalen dengan monomer, yaitu bahan dasar polimer tersebut [9].

Panjang rantai polimer diukur dari jumlah unit ulang yang terdapat pada rantai, umumnya

dikenal sebagai derajat polimerisasi (DPn). Panjang rantai setiap polimer berbeda-beda. Oleh

karena itu, berat molekul suatu polimer tidak bisa ditentukan secara pasti. Berat molekul

biasanya diambil berdasarkan berat molekul rata-rata atau berat rata-rata molekul jumlah.

2.2 Membran

Secara makroskopik, membran dapat didefinisikan sebagai lapisan penghalang selektif yang

terdapat di antara 2 fasa. Kata selektif disini berarti bahwa membran dapat melewatkan spesi

kimia tertentu dan menghalangi spesi kimia lain dalam saat yang bersamaan [4].

Membran dapat berupa lapisan tipis ataupun lapisan tebal, struktur membran dapat homogen

ataupun heterogen. Perpindahan yang terjadi melalui membran dapat terjadi secara aktif

ataupun pasif. Perpindahan secara aktif melalui membran dapat terjadi karena adanya

perbedaan tekanan, perbedaan konsentrasi ataupun perbedaan suhu.

Teknologi membran telah digunakan secara luas di berbagai bidang. Teknologi membran

banyak dipilih karena beberapa kelebihan yang dimiliki, diantaranya:

• pemisahan berlangsung sangat spesifik,

• dapat digabung dengan proses pemisahan lain,

• proses kontinu,

• konsumsi energi rendah,

• mudah ditingkatkan kapasitasnya (up scale)

• tidak menghasilkan limbah baru, dan

• tidak memerlukan zat tambahan dalam proses pemisahan.

6

2.2.1 Mekanisme pemisahan menggunakan membran

Gambar 2.1 Skema pemisahan menggunakan membran

Pada gambar 2.1, terlihat bahwa dalam fasa umpan terdapat 3 senyawa kimia, yaitu pelarut,

spesi A dan spesi B. Adanya perbedaan entropi kimia antara fasa umpan dan fasa permeat,

memungkinkan timbulnya gaya dorong dari fasa umpan ke fasa permeat. Membran memiliki

kemampuan selektif, dalam kasus ini membran dapat melewatkan spesi B dan pelarut,

namun menolak spesi A pada saat yang bersamaan. Pada akhirnya spesi A dapat terpisah dari

spesi B dan pelarutnya.

2.2.2 Jenis-jenis membran

Membran dapat dibedakan menjadi beberapa jenis, ada membran hidup dan membran tak

hidup, ada membran sintetik dan membran alami, ada membran organik dan membran

anorganik. Membran juga dapat dibedakan berdasarkan kepada morfologi atau strukturnya.

Penggolongan membran ini lebih bermakna karena struktur membran menentukan

mekanisme pemisahan dan aplikasi membran.

Berdasarkan struktur yang terbentuk pada membran, membran dapat dibagi ke dalam 2

golongan, yaitu membran asimetris dan membran simetris. Membran asimetris terdiri dari

membran berpori, membran berpori dengan lapisan rapat pada permukaan, dan membran

komposit. Membran simetris terdiri dari membran berpori silindris, membran berpori dan

membran rapat (Gambar 2.2).

7

Gambar 2.2 Klasifikasi membran berdasarkan struktur

2.2.3 Teknik pembuatan membran

Membran dapat dibuat dengan berbagai teknik. Teknik pembuatan membran bergantung

pada jenis material dasar yang digunakan sebagai membran dan jenis struktur membran yang

diinginkan. Teknik pembuatan membran yang biasa dipergunakan adalah:

a) Sintering

Partikel penyusun membran diberikan tekanan dan dipanaskan pada suhu tertentu. Hal ini

akan mengakibatkan menghilangnya batas antar muka partikel penyusun membran dan

terbentuk pori-pori yang baru (Gambar 2.3).

Gambar 2.3 Partikel penyusun membran sebelum sintering dan setelah sintering

Pembuatan membran dengan cara ini akan menghasilkan membran organik ataupun

anorganik yang berpori. Bahan membran yang biasa digunakan berupa bubuk yang memiliki

ukuran partikel tertentu.

8

b) Stretching

Lapisan tipis polimer kristalin ditarik terhada arah ekstrusi sehingga bagian kristalin dari

polimer akan terletak sejajar dengan arah ekstrusi. Pembuatan membran dengan cara seperti

ini akan menghasilkan membran dengan ukuran pori sebesar 0,1-3,0 µm. Bahan membran

yang biasa digunakan berupa polimer semikristalin.

c) Track-etching

Lapisan tipis polimer ditembak dengan partikel radiasi berenergi tinggi dengan arah tegak

lurus terhadap arah film sehingga akan menghasilkan pola lintasan pada matriks polimer.

Lapisan tipis polimer ini kemudian dimasukkan ke dalam bak asam atau basa sehingga

lapisan tipis polimer akan terlepas sesuai dengan pola yang terbentuk.

Pembuatan membran dengan cara ini menghasilkan pori dengan ukuran sekitar 0,02-10 µm.

Pori yang dihasilkan memiliki ukuran pori yang seragam dengan bentuk silinder.

d) Template leaching

Tiga komponen penyusun membran dilebur pada suhu tinggi sehingga membentuk campuran

homogen. Salah satu komponen penyusun membran kemudian dilepas untuk menghasilkan

pori pada membran.

e) Inversi fasa

Proses transformasi polimer secara terkendali dari fasa cair menjadi fasa padat. Proses

pembuatan membran dengan cara ini lebih disukai karena teknik ini menghasilkan ukuran

pori yang sangat bervariasi. Ada 4 tahapan pembuatan membran dengan teknik inversi fasa,

1. Pembuatan larutan polimer yang homogen

2. Pencetakan larutan polimer

3. Penguapan sebagian pelarut: membentuk lapisan selektif

4. Pengendapan polimer dalam bak koagulasi: membentuk lapisan penyangga

Gambar 2.4 Penampang melintang membran yang dibuat dengan teknik inversi fasa

Ukuran pori yang dihasilkan bergantung pada kecepatan pelarut berdifusi dari larutan

polimer ke non-pelarut. Semakin cepat difusi berlangsung, semakin besar ukuran pori yang

terbentuk. Lapisan selektif akan lebih rapat dibandingkan lapisan penyangga (Gambar 2.4)

9

karena laju difusi pelarut saat pembentukan lapisan selektif lebih lambat dibandingkan laju

difusi pelarut saat pembentukan lapisan penyangga.

2.3 Pati

Pati terdiri dari dua jenis molekul yang disusun oleh D-glukosa, yaitu amilosa dan

amilopektin. Pada amilosa, hampir semua glukosa terhubung satu sama lain melalui ikatan α-

1,4-glikosidik. Pada amilopektin, sekitar 5% dari karbohidrat penyusunnya, terhubung

melalui ikatan α-1,6-glikosidik yang membentuk cabang [10]. Perbedaan struktur antara

amilosa dan amilopektin, dapat dilihat pada Gambar 2.5. Komposisi perbandingan amilosa

dan amilopektin pada tanaman bervariasi, bergantung pada jenis tanaman, sebagai contoh

pati yang berasal dari gandum mengandung 25% amilosa, sedangkan pati dari jagung

mengandung sekitar 97-99% amilopektin [1]. Asal pati yang berbeda juga memberikan

perbedaan ukuran, bentuk dan struktur butiran polisakarida, kekuatan swelling, temperatur

gelatinisasi, jumlah lemak dan komponen lain yang terdapat pada permukaan amilosa yang

bersifat hidrofob. Pati, selulosa dan hemiselulosa memiliki afinitas terhadap air [11-13] dan

secara selektif menyerap uap air dari udara, alkohol dan uap organik lainnya [14-16].

Gambar 2.5 Struktur amilosa dan amilopektin

2.4 α-amilase

Dalam proses industri, degradasi pati biasanya diawali oleh enzim α-amilase (α-1,4-

glukanohidrolase), yaitu enzim yang umum terdapat pada mikro-organisme. Bersama enzim

penghidrolisis pati lainnya, α-amilase termasuk keluarga 13 glikosil hidrolase [17] yang

dikarakterisasi menggunakan konformasi barrel (Gambar 2.6a). Enzim α-amilase memiliki

celah (Gambar 2.6b) pengikatan substrat yang dapat mengakomodasi antara empat sampai

sepuluh unit glukosa dari molekul substrat. Setiap sisi ikat mempunyai afinitas terhadap satu

10

unit glukosa dari rantai karbohidrat. Perbedaan jumlah sisi ikat enzim dan daerah lokasi

katalitik menentukan kespesifikkan substrat, panjang fragmen oligosakarida yang dilepaskan

setelah proses hidrolisis dan karbohidrat yang dihasilkan pada produk akhir [18-19].

Gambar 2.6 Struktur α-amilase: (a) Struktur umum enzim α-amilase dan (b) Inhibisi oleh oligosakarida: oligosakarida terikat pada enzim [1]

2.5 Amobilisasi enzim

Amobilisasi berasal dari kata immobilization, yang artinya proses penjebakan atau

pengikatan. Amobilisasi enzim berarti proses pengikatan atau penjebakan enzim pada sebuah

media pendukung. Amobilisasi biasa dilakukan agar enzim tidak hilang ketika bereaksi dan

dapat dipergunakan berulang kali. Enzim yang teramobilisasi lebih mudah dipisahkan dari

reaktan atau produk reaksi dibandingkan enzim dalam keadaan bebas.

2.5.1 Carrier binding

Metode ini adalah pengikatan enzim ke dalam media pendukung yang bersifat tidak larut

dalam air. Jumlah enzim yang terikat pada media pendukung dan aktivitas enzim setelah

teramobil bergantung pada sifat molekul pembawa. Pemilihan media pendukung bergantung

pada sifat enzim, yaitu:

• Ukuran partikel

• Luas permukaan

• Perbandingan molar gugus hidrofobik terhadap gugus hidrofilik

• Komposisi kimia

Secara umum, peningkatan rasio gugus hidrofilik dan konsentrasi enzim yang terikat, akan

menyebabkan peningkatan aktivitas enzim teramobil. Beberapa media pendukung yang

lazim dipergunakan adalah senyawa-senyawa turunan polisakarida, seperti poliakrilamid,

agarosa, selulosa, dan dekstran.

11

2.5.2 Cross-linking

Amobilisasi enzim dapat dilakukan dengan membuat ikatan silang terhadap protein, baik

terhadap molekul protein lain, ataupun pada gugus fungsi yang terdapat pada media

pendukung. Membuat ikatan silang antar enzim adalah metode yang mahal dan kurang

memuaskan karena menyebabkan penurunan aktivitas enzim. Metode cross-linking ini

biasanya digunakan bersamaan dengan metode amobilisasi yang lain. Metode ini seringkali

digunakan untuk menstabilkan penyerapan enzim dan mencegah kebocoran gel

poliakrilamid.

2.5.3 Entrapping enzymes

Pada metode ini, enzim diperangkap pada matriks polimer atau membran. Metode ini akan

memerangkap protein namun tetap memungkinkan substrat untuk melakukan penetrasi dan

bereaksi dengan enzim. Pemerangkapan enzim pada matriks polimer tidak akan mengubah

konformasi enzim sehingga aktivitas enzim dapat senantiasa terjaga.

2.6 Scanning Electron Microscopy (SEM)

Scanning elektron microscopy adalah sebuah metode yang meyakinkan dan sederhana untuk

menganalisis struktur pori suatu membran., khususnya membran mikrofiltrasi. Batas resolusi

suatu mikroskop elektron berada dalam kisaran 0,01 µm, sedangkan pori membran

mikrofiltrasi berada pada rentang 0,1-10 µm.

Prinsip kerja SEM: seberkas sinar elektron dengan energi kinetik berada pada kisaran 1-25

kV menumbuk sampel membran. Elektron yang menumbuk membran (berenergi tinggi)

disebut elektron primer, sedangkan elektron yang berasal dari sampel disebut elektron

sekunder (berenergi lebih rendah). Elektron yang berasal dari sampel bukanlah elektron yang

dipantulkan, melainkan elektron yang berasal dari atom pada permukaan membran. Elektron

sekunder ini yang menentukan citra (yang terlihat pada monitor). Ketika membran atau

polimer ditumbuk oleh berkas elektron, ada kemungkinan membran atau polimer mengalami

kerusakan atau terbakar, bergantung pada jenis polimer dan besarnya energi kinetik elektron.

Hal ini dapat dicegah dengan melapisi sampel membran atau polimer dengan menggunakan

lapisan konduktif, seringkali digunakan pelapis berbahan emas.