BIOPOLIMER

Beberapa polisakarida termasuk biopolimer, karena mempunyai unit berulang

Selulosa merupakan polimer yang melimpah

Biopolimer merupakan polimer yang dihasilkan organisma hidup.

Biopolimer terdiri dari unit monomer yang terikat kovalen membentuk struktur molekul besar .

Berdasarkan perbedaan unit monomer dan struktur yang dibentuk , terdapat 3 golongan

1.POLINUKLEOTIDA : 2.POLIPEPTIDA: , 3.POLISAKARIDA : .

Nucleic Acid Polymers

Amilosa

Molekul amilosa terdiri dari rantai lurus, tidak bercabang 500-20,000 unit α-(14)-D-glukosa. Bergantung pada sumber

Ikatan hidrogen antar cabang dapat menyebabkan retrogradasi

dan mengeluarkan air yang terikat .

Polisakarida

Amilopektin

– Amilopektin dibentuk dari α-1-6glikosidik pada cabang dari rantai lurus α-(14)-D-glukosa.

– Amilopektin mengandung jutaan residu glukosa.

– Molekul amilopektin mengandung 2 juta residu glukosa membentuk struktur kompak dengan radius hidrodinamik 21-75 nm.

Polimer Sintetik lebih sederhana, acak dan massa molekul terdistribusi

Semua Jenis Biopolimer ( misal protein ) serupa, urutan dan banyaknya monomer yang mirip mempunyai massa molekul yang sama

Fenomena ini disebut monodispersitas sedangkan pada polimer sintetik mempunyai sifat polidispersitas .

Biopolimer mempunyai indeks polidispersitas =1

Properties: Molecular weightPolimer sintetik : distribusi massa molekul

Mi

Ni

M w

N iM i2

i

N iM i

i

M n

N iM i

i

N i

i

polydispersity index = Mw/Mn

BIOPOLIMER SEBAGAI MATERIAL•BEBERAPA BIOPOLIMER : polylactic acid (pla), secara alamiah terjadi pada zein, dan poli-3-hidroksibutirat dapat digunakan sebagai plastik, menggantikan kebutuhan plastik berbasis polystyrene atau polyethylene .

•Beberapa plastik berupa 'degradable', 'oxy-degradable' atau 'UV-degradable'. Dapat rusak bila terpapar cahaya atau udara, tetapi 95% masih berbasis minyak, belum tersertifikasi sebagai 'biodegradable' dalam hukum internasional .

•Biopolymer, dapat mengurai dan beberapa dapat dibuat kompos domestik

Zein is a class of prolamine protein found in maize. It is usually manufactured as a powder from corn gluten meal.

• Biopolymer merupakan polimer yang dapat diperbaharui diproduksi dari biomass untuk digunakan di industri pengemas .

• Biomass berasal dari pertanian bit gula, kentang, atau gandum

bahan tersebut apabila digunakan untuk produksi biopolimer , maka diklasifikasikan sebagai pertanian bukan pangan ( non food crops). Bahan ini dapat diubah melalui jalur :

• Sugar beet >asam glukonat > Poliglukonat

• Starch > (fermentation) > asam laktat > Polilaktat (PLA)

• Biomass > (fermentation) > Bioethanol > Etilen > Polyetilen

• Beberapa jenis pengemas dapat dibuat dari biopolimer : food trays, blown starch pellets for shipping fragile goods, thin films for wrapping.

BIOPOLYMER USES

Polylactic acid (PLA)

Poly(lactic acid) atau polylactide (PLA) merupakan poliester alipatik termoplastik dibuat dari asam a-hidroksi dari sumber yang dapat diperbaharui

• Tepung jagung (in the United States),

• Produk tapioka (roots, chips or starch mostly in Asia) or

• Tebu (in the rest of world).

PLA dapat dibiodegradasi dalam kondisi tertentu , misalnya adanya oksigen dan sulit untuk didaur ulang .

PLA is not a polyacid (polyelectrolyte), but rather a

polyester

• Struktur stereokimia polimer dapat dimodifikasi dengan mengontrol campuran isomer L dan D isomer menghasilkan massa molekul tinggi dan polimer amorf atau semi kristalin .

• Sifat polimer dapat dimodifikasi melalui variasi isomer (L/D ratio) dan kandungan relatif homo dan (D, L) copolymer.

• PLA dapat dimodifikasi dengan formula penambahan plasticizers, biopolymer lain, fillers, dll

Polylactic acid (PLA)

Polylactic acid (PLA)

Fermentasi tepung jagung dan gula tebu menggunakan Bakteri untuk produksi asam laktat.

Catalytic and thermolytic ring-opening polymerization of lactide (left) to polylactide (right)

Stannous octonateatau tin(II) chloride

Dua molekul asam laktat melakukan esterifikasi tunggal dengan katalis menghasilkan ester laktida siklik .

PLA massa molekul tinggi diproduksi dari ester dilaktat dengan polimerasi pembukaan cincin ( ring-opening polymerization.)

Polimerasi campuran rasemat L- dan D-lactida untuk mensintesis poly-DL-lactide (PDLLA) yang amorf .

poly-DL-lactide (PDLLA)

Asam laktat secara alamiah mempunyai struktur kiral, beberapa bentuk polilaktida: poly-L-lactide (PLLA) merupakan produk polimerasi L,L-lactide ( L-lactide). Tahan panas sampai 110C (230F)

PDLA (poly-D-lactide): Transparan optik .

PLA mempunyai sifat mekanik yang sama dengan polimer PETE, tetapi digunakan pada temperatur yang lebih rendah .

PLA termasuk biodegradable (e.g. adapted for short-term packaging) dan biocompatible dengan jaringan hidup (aplikasi biomediks implants, sutures, drug encapsulation, etc.).

PETE: Polyethylene terephthalate, commonly abbreviated PET, PETE, or the obsolete PETP or PET-P, is a thermoplastic polymer resin of the polyester family and is used in synthetic fibers; beverage, food and other liquid containers

•PLA dapat didegradasi secara degradasi abiotik (hidrolisis sederhana ikatan ester tanpa menggunakan enzim ). Selama proses biodegradasi enzim digunakan pada tahap 2, enzim mendegradasi residu oligomer sampai mineralisasi (degradasi biotik) .

•Selama PLA diproduksi dari monomer asam laktat yang dihasilkan dari fermentasi karbohidrat ( bahan yang dapat diperbaharui) , maka PLA diklasifikasikan sebagai environmentally friendly material.

• Woven shirts (ironability), nampan microwave, penggunaan panas dan rekayasa plastik ( stereocomplex : campuran polimer seberti karet , misal ABS).

Penggunaan

• PLA diaplikasikan dalam sejumlah aplikasi biomedik benang, stents, dialysis media dan drug delivery devices. Waktu degradasi PLA beberapa tahun dan masih dievaluasi sebagai material untuk rekayasa jaringan .

• PLA sebagai biodegradable, dapat digunakan untuk preparasi bioplastic, berguna untuk pengemas longgar, kantung kompos, pengemas makanan dan barang-barang sekali pakai. Dalam bentuk serat dan tekstil non alamiah , PLA digunakan untuk kain pembalut, disposable garments, tenda, feminine hygiene products, dan popok

• PLA sebagai bahan alternatif produk petrokimia, karena laktida didapat dari fermentasi produk samping pertanian sepert tepung jagung atau bahan lainnya yang kaya akan karbohidrat seperti jagung, gula atau gandum .

• PLA dapat dibuat high-impact polystyrene dengan menggunakan 1 wt% non-PLA menghasilkan copolimer yang lebih kuat .

• PLA lebih mahal dari komoditas plastik berasal dari petrolem , tetapi harga akan turun apabila produksi diperbesar .

• Kebutuhan jagung meningkat untuk bioetanol dan komoditas yang bergantung PLA termasuk PLA

• Plastik resisten biodegradasi terakumulasi 25 juta ton per tahun, dibuang ke tanah. Daur ulang plastik terbatas dan pembakaran menghasilkan senyawa toksis

The Korean research center KAIST has announced that they have found a way to produce PLA using bio-

engineered Escherichia coli.

As of Jun 2010, NatureWorks was the primary producer of PLA (bioplastic) in the United States.

Due to PLA's relatively low glass transition temperature, PLA cups cannot hold hot liquids. However, much research is devoted to developing a heat resistant PLA

Mulch film made of polylactic acid (PLA)-blend bio-flex

Biodegradable cups at a restaurant

Plastik degradable dapat dibiodegradasi atau fotodegradasi Plastik fotodegradable dapat mengurai menjadi fragmen dan strukturnya berubah, tetapi fragmen kecil tidak bisa didegradasi .Pastik Biodegradable dapat dimetabolisme oleh mikroorganisma

Plastik semidegradable mengandung amilum, selulosa dan polietilen, Degradasi sempurna : campuran 50% disesuaikan dengan sifay struktur

Plastik Biodegradable Polihidroksi alkanoat (PHAs): PHBPolylaktidaPoliester alifatik PolisakaridaBlends

Bioplastik dari mikroorganisma

Polimer degradabel secara alamiah dapat didegradasi oleh mikroorganisma seperti bakteri, kapang dan algae

Keuntungan •100 % biodegradable•Dihasilkan dari alam, bahan yang bisa diperbaharui •Dapat didaur ulang , kompos, atau dibakar tanpa menghasilkan senyawa toksis

Siklus karbon pada Bioplastik

CO2

H2O Biodegradation

CarbohydratesPlastic Products

Plants

Fermentation PHA Polymer

Photosynthesis

Recycle

Polihidroksialkanoat (PHAs)

• Poliester terakumulasi di dalam sel mikrobia sebagai cadangan sumber karbon dan energi

• Diproduksi pada kondisi :– Konsentrasi nutrien terbatas (P, S, N, O)– Karbon berlebih

2 jenis polimer : Panjang rantai pendek 3-5 karbon Panjang rantai medium 6-14 karbon

terdapat 250 jenis bakteria ditemukan memproduksi PHA

Polihidroksi butirat (PHB)

• PHA rantai pendek • Dihasilkan dari lumpur aktif • Ditemukan dalam

Alcaligenes eutrophus• Diakumulasi intraseluler

sebagai granula (>80% cell dry weight)

Lee et al., 1996

Biosintesis PHA

PHB: polihidroksi butirat Plastik mikrobia intraseluler ditemukan pertama kali pada Bacillus megaterium80 jenis PHAs dibentuk dari monomer asam 3-hidroksialkanoat , panjang karbon 3-14

Cadangan Energi pada saat nutrien terbatas

Alcaligenes eutrophus (Ralstnia etropha) menghasilkan PHB

Polimer mempunyai kestabilan termal rendah dan rapuh Penambahan propionat pada kultur untuk menghasilkan P (3HB-co-3HV) dan polimer yang dihasilkan fleksibel dan ulet

Dipasarkan sebagai BIOPOLTM , digunakan untuk membuat film, pelapis kertas, tas kompost, tempat makanan sekali pakai, botol dan gunting

Harga masih lebih tinggi dibandingkan polimer yang disintesis secara kimia

Poli Propilen: 1$/kgPHVB: 3-5$/kg

phbC-A-B Operon A. eutrophus

• Gen struktural yang dikode oleh operon tunggal – PHA synthase– b-ketothiolase– acetoacetyl-CoA reductase bergantung pada

NADPH

Lee et al., 1996

Isolasi PHA dari Sel

• Mikroorganisma penghasil PHA diwarnai dengan Sudan black atau Nile blue

• Sel dipisahkan dengan sentrifugasi atau penyaringan

• sel ditambah dengan pelarut, misalnya (chloroform) untuk menghancurkan dinding sel dan mengekstrak PHA

• Pemurnian Polimer

Bioplastic Properties

• Beberapa sangat keras dan rapuh – Struktur kristalin kaku

• Beberapa seperti karet dan mudah dibentuk • Sifat bahan dapat dimodifikasi dengan blending

polymers atau modifikasi genetik • Degradasi pada 185°C• Tahan air, tidak larut di air, optically pure,

impermeable terhadap oksigen • Stabilitas harus dijaga selama pembuatan dan

penggunaan tetapi dapat tedegradasi dengan cepat pada saat dibuang atau didaur ulang

Biodegradation

• Cepat di dalam anaerobik kotoran hewan dan lambat di dalam air laut

• Bergantung pada temperatur, cahaya, air, luas permukaan, pH dan aktivitas mikroorganisma

• Mikrobia pendegradasi berkoloni pada permukaan polimer dan mengeluarkan PHA depolimerase

• PHA CO2 + H2O (aerobically)

• PHA CO2 + H2O + CH4 (anaerobically)

Biodegradasi oleh PHA depolymerase