6-12, ita ulfin

Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2012 – ISBN : 978-979-028-550-7 Surabaya, 25 Pebruari 2012

C - 6

STUDI TRANSPORT ZAT WARNA METILEN BIRU, GENTIAN VIOLET DAN CONGO MERAH MELALUI MEMBRAN NATA DE COCO

(NATA DE COCO MEMBRANE FOR DYES WASTEWATER TREATMENT)

Ita Ulfin, Nurul Widiastuti, Yuly Kusumawati, Yatim Lailun Ni’mah; Rizqa Rif’ati Farahnaz Jurusan Kimia, FMIPA, ITS

e-mail: [email protected]

Abstrak– Nata de coco adalah mikrobial selulosa yang dihasilkan dari fermentasi air kelapa. Air kelapa dapat diperoleh dari alam dan merupakan sumber melimpah di Indonesia. Berdasarkan sifat fisika dan kimianya, membran nata de coco memiliki kekuatan mekanik yang cukup tinggi dan biocompatible, sehingga berpotensi untuk diterapkan untuk lingkungan, makanan dan kesehatan. Pada penelitian ini diteliti transport zat warna metilen biru, gentian violet dan congo merah melalui membran nata de coco. Hasil menunjukkan bahwa gentian ungu dengan struktur trigonal memiliki permselektifitas terendah, yaitu 48,715 %. Metilen biru memiliki kinerja terbaik dibanding zat warna lain, yaitu congo merah dan gentian ungu. Permeabilitas metilen biru pada membran nata de coco adalah 23,06 ml.m-2.s-1 dan permselektifitasnya 58,45%. Abstract. Nata de coco is microbial cellulose produced from coconut water fermentation. Coconut water is an abudant source in Indonesia and can be cultivatde well. Based on physical and chemical properties of material, nata de coco membrane has good mechanical strength and biocompatible that can be used in environmental, food and medical application. In this research, the use of nata de coco membrane to filter various dyes was investigated. Results showed that gentian violet with trigonal structure has lowest permselectivity, 48.15%. Methylene blue showed the best performance compare to other dyes such as congo red and gentian violet. Permeability of methylen blue through nata de coco membrane was 23.06 ml m-2s-1, while the permselectivity was 58.45%. Katakunci: membran nata de coco, zat warna

PENDAHULUAN

Pencemaran lingkungan sampai saat ini masih menjadi sebuah masalah di Indonesia. Meskipun secara teori cara untuk mengatasi masalah pencemaran lingkuangan telah diketahui, tetapi dalam pelaksanaannya terbentur oleh tingginya biaya pelaksanaan. Salah satu contoh adalah mengatasi masalah pencemaran dengan teknologi membran. Berbagai kelebihan yang dimiliki teknologi membran diantaranya proses pemisahan dapat dilakukan kontinu, pada keadaan tunak dan komsumsi energi pada umumnya rendah, seakan tidak berarti karena teknologi material di Indonesia yang belum

berkembang menyebabkan harga membran menjadi sangat mahal.

Sebuah solusi alternatif untuk mengatasi masalah mahalnya harga membran adalah dengan membuat membran dari bahan alam. Indonesia merupakan negara yang memiliki potensi keanekaragaman hayati yang tinggi. Salah satu jenis tanaman yang dapat tumbuh dengan baik di Indonesia adalah kelapa. Berdasarkan laporan Badan Pusat Statistik Indonesia, lahan perkebunan kelapa di Indonesia pada tahun 2004 mencapai 3.886.441 hektar dan menghasilkan 3.261.544 ton kelapa (Badan Pusat Statistik Indonesia, 2005)


C - 7

Air kelapa, yang pada mulanya hanya dijadikan minuman atau dijadikan obat-obatan tradisional dalam perkembangannya memiliki nilai ekonomis lebih sejak dapat dimanfaatkan sebagai makanan olahan nata de coco. Nilai ekonomis nata de coco lebih meningkat lagi sejak beberapa penelitian berhasil meningkatkan manfaat nata de coco (Piluharto, B, 2001; Putra, A, 2001; Yuliani, G, 2005; Kusumawati, Y, 2006)

Penelitian yang mengarah pada peningkatan nilai kegunaan nata de coco sebagai material dimulai sejak Nishi dkk (1990) menghasilkan lapisan tipis selulosa mikrobial yang memiliki modulus Young tinggi dan dapat dijadikan sebagai membran akustik. Nata de coco merupakan suatu selulosa mikrobial, berbagai penelitian telah dilakukan untuk memanfaatkan selulosa mikrobial sebagai membran pada bidang medis dan makanan disebabkan membran ini memiliki kekuatan mekanik yang tinggi dan biokompatibel. Pemanfaatan tersebut misalnya sebagai kulit sintesis yang dapat menggantikan kulit yang terkena luka bakar atau sebagai pembuluh darah sintesis (Bodhibukkana, 2006).

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui parameter bentuk dan ukuran molekul terhadap mekanisme transport zat warna melalui membran Nata de Coco.

Penelitian yang dilakukan memiliki kontribusi dalam mengembangkan konsep transport molekul melalui membran. Kajian mengenai transport molekul melalui membran mencakup pembahasan mengenai difusi molekul melalui membran, adsorpsi molekul, aliran molekul melalui matriks membran dan berbagai parameter yang mempengaruhinya. Informasi mengenai transport molekul melalui membran penting untuk dilakukan karena berkaitan dengan kinerja membran.

METODE PENELITIAN

Alat dan bahan Bahan yang digunakan meliputi air

kelapa, bakteri Acetobacterium xylinum, urea, gula, NaOH, asam asetat, methylen biru, gentian violet dan congo merah. Adapun peralatan yang digunakan adalah sel ultrafiltrasi dan Scanning Electron Microscopy (SEM).

PROSEDUR

Metode penelitian ini meliputi (1) pembuatan membran nata de coco, (2) karakterisasi membran, dan (3) penentuan permeabilitas dan permselektifitas zat warna pada membran. (1). Pembuatan membran nata de coco

Nata de coco diperoleh dari fermentasi air kelapa. Perbandingan air kelapa dengan bibit nata de coco adalah 10:1. Bibit nata de coco adalah air kelapa yang berisi bakteri Acetobacterium xylinum. Sebagai nutrisi untuk proses fermentasi, ditambahkan pula sumber karbon dan nitrogen. Sumber karbon diperoleh dari gula, sedangkan sumber nitrogen diperoleh dari urea. Adapaun perbandingan air kelapa:gula:urea adalah 200:20:1. Fermentasi dilakukan pada kondisi asam, dengan pH = 4, selama 3 hari dalam keadaan gelap. Hasil fermentasi kemudian dicuci menggunakan air, dan dinetrakan menggunakan larutan NaoH 1% dan asam asetat 1%. Membran nata de coco disiapkan dari nata de coco yang ditekan menggunakan mesin hidaraulik dengan gaya 200 kgf, selama 2 menit. Setelah itu dikeringkan pada suhu 80 + 2 oC selama 2 jam. (2). Karakterisasi membran

Karakterisasi membran yang dilakukan meliputi (a) penentuan permeabilitas membran terhadap air, (b) penentun permeabilitas dan permselektifitas membran terhadap dekstran dengan berbagai berat molekul, (c) penentuan permeabilitas dan permselektfitas membran terhadap tiga jenis zat warna yang berbeda bentuk dan ukuran molekulnya, yaitu methylen biru, gentian violet dan congo merah. Penentuan permeabilitas dan permselektifitas dilakukan menggunakan alat sel ultrafiltrasi seperti ditunjukkan pada Gambar 1.


C - 8

Gambar 1. Sel Ultrafiltrasi

Pada penelitian ini dilakukan variasikan

bentuk dan ukuran molekul yang berpermeasi melalui membran nata de coco. Sebagai model molekul yang berpermeasi digunakan: (a) methylene blue, (b) gentian violet, (c) congo red. Ketiga zat warna tersebut mewakili molekul dengan bentuk-ukuran: linear-kecil, sedang dan meruah-besar, dengan struktur seperti pada Gambar 2.

(a) (b)

(c)

Gambar 2. Struktur (a) methylen biru (b) gentian violet

dan (c) congo merah

HASIL DAN PEMBAHASAN. Studi transport zat warna melalui

membran pada penelitian ini dilakukan menggunakan tiga jenis zat warna yang memiliki bentuk molekul yang berbeda, yaitu metilen biru, gentian violet dan congo merah. Hasil uji zat warna ini dilaporkan sebagai permeabilitas dan permselektifitas membran nata de coco terhadap zat warna yang digunakan. Tabel 1 menunjukkan data permeabilitas dan permselektifitas membran tersebut.

Tabel 1. Permeabilitas dan permselektifitas zat warna melalui membran nata de coco Zat warna Permeabilitas

(ml.m-2.s-1) Permselektifitas

(%) Metilen biru 23,06 58,450% Gentian ungu 21,05 48,715% Congo merah 18,49 51,119%

Tabel 1 menunjukkan bahwa permeabilitas gentian ungu dan metilen biru berturut-turut adalah 23.06 ml.m-2.s-1 and 21.05 ml.m-2.s-1, sedangkan permeabilitas congo merah adalah 18.49 ml.m-2.s-1. Hasil terbaik diperoleh untuk zat warna metilen biru yang memiliki nilai permeabilitas (23,06 ml.m-2.s-1 ) dan permselektifitas (58,45 %) tertinggi dibanding dengan gentian ungu dan congo merah. Hasil untuk zat warna metilen biru ini terbalik dengan untuk zat warna gentian ungu dan congo merah, yaitu gentian ungu memiliki permeabilitas lebih tinggi dibanding congo merah, yaitu 21,05 ml.m-

2.s-1 untuk gentian ungu dan 18,49 ml.m-2.s-1untuk congo merah, tetapi permselektifitasnya relatif rendah yaitu 48,72% untuk gentian ungu dan 51,12% untuk congo merah.

Hasil ini kemudian dibahas berdasarkan ukuran molekul dari masing-masing zat warna tersebut. Pada penelitian ini dimodelkan struktur 3 dimensi dari tiap-tiap zat warna yang digunakan pada penelitian ini menggunakan software Avogadro. Optimalisasi geometri dilakukan untuk semua jenis struktur. Struktur 3 dimensi dari zat warna metilen biru, gentian ungu dan congo merah ditunjukkan pada Gambar 3.

Molekul zat warna dapat terpenetrasi masuk ke dalam pori membran melalui berbagai orientasi struktur molekulnya. Gambar 3 menunjukkan probabilitas orientasi molekul ketika terpenetrasi masuk ke dalam pori membran nata de coco. Sangat tidak mungkin bila molekul zat warna melewati membran dengan orientasi yang sama. Tiap molekul tersebut bertumbukan antara molekul dalam larutan sebelum dan selama terpenetrasi masuk ke dalam pori membran. Seperti terlihat pada Gambar 3 bahwa ada kekosongan dalam awan elektron dari molekul gentian ungu karena strukturnya. Berbeda dengan metilen biru, awan elektronnya hampir ada semua di strukturnya. Oleh karena itu, tarik menarik antara molekul metilen biru lebih besar dibanding


C - 9

dengan molekul gentian ungu. Hal ini menyebabkan molekul gentian ungu melewati membran nata de coco lebih mudah dibandingkan metilen biru. Sebagai hasilnya, gentian ungu memiliki permeabilitas lebih rendah dibanding dengan metilen biru.

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

(g) (h) (i)

Gambar 3. Struktur 3 dimensi dari zat warna (a)-(c)

metilen biru, (d)-(f) gentian violet dan (g)-(i) untuk congo merah

Dari tabel hasil diatas, permselektifitas

metilen biru dan congo merah tidak terlalu berbeda. Ditinjau secara struktur, pada congo merah terdapat rantai cabang. Namun ini tidak memiliki pengaruh terhadap permselektifitasnya. Hal ini terjadi karena metilen biru dan congo merah memiliki pola atraksi molekul yang sama, karena adanya pola awan elektron yang sama. Tetapi, permeabilitas metilen biru lebih tinggi dari pada congo merah. Hasil ini sesuai dengan hasil yang dilaporkan oleh Kiso dkk (2010). Ini menunjukkan bahwa larutan metilen biru dapat melewati membran nata de coco dengan mudah.

Foto hasil analisa Scanning Electron Microscopy (SEM) untuk membran nata de coco sebelum dan sesudah digunakan untuk penyaringan berbagai molekul ditampilkan pada Gambar 4 dan 5 berikut.

Foto sem dilakukan dengan perbesaran 5000x pada bagian muka dan 3000x pada foto bagian penampang. Pada gambar dapat kita lihat bahwa membran nata de coco memiliki struktur

pori yang terbangun dari serat-serat berukuran sekitar 0,05-0,1 m. Hasil jalinan serat tersebut membentuk pori yang tidak merata. Pada beberapa bagian, membentuk pori yang dapat mencapai diamater sekitar 0,25-0,33 m. Tapi pada bagian yang lain tampak jalinan anyaman serat-serat begitu rapat, sehingga pada foto SEM dengan perbesaran 5000x tampak tidak berpori. Dari hasil foto bagian penampang, dapat kita simpulkan bahwa membran nata de coco tersusun dari lapisan-lapisan dengan ketebalan membran sekitar 15-30 m.

Hasil foto SEM setelah penggunaan penyaringan hampir menunjukan tidak ada perubahan baik pada bagian muka maupun penampang, kecuali untuk membran setelah digunakan penyaringan congo merah dan gentian violet. Seperti ditunjukan masing-masing pada Gambar 4 dan 5 (a) dan (f) masing-masing untuk membran setelah digunakan untuk penyaringan gentian violet dan congo merah. Pada gambar tampak adanya butiran-butiran diatas permukaan membran yang didua sebagai agregat zat warna yang terikat pada permukaan membran. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa gentian ungu dengan struktur trigonal memiliki permselektifitas terendah, yaitu 48,715 %. Metilen biru memiliki kinerja terbaik dibanding zat warna lain, yaitu congo merah dan gentian ungu. Permeabilitas metilen biru pada membran nata de coco adalah 23,06 ml.m-2.s-1 dan permselektifitasnya 58,45%. Hasil ini menunjukkan bahwa rantai cabang dalam molekul tidak mempengaruhi permselektifitas membran. Namun, untuk permeabilitas rantai cabang tersebut cukup berpengaruh. Simulasi dinamika molekular perlu diteliti lebih lanjut untuk menjelaskan fenomena ini. UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada pemerintah Indonesia melalui Dirjen Dikti yang telah mendanai penelitian ini melalui Penelitian Hibah Fundamental tahun 2011.


C - 10

.

(a) (b) (c

(d) (e) (f)

Gambar 4. Foto SEM untuk membrane natade coco sebelum perlakuan tampak muka (a), setelah perlakuan

penyaringan dengan dextran T100 tampak muka (b), setelah perlakuan penyaringan dengan dextran T500 tampak muka (c), setelah perlakuan penyaringan dengan metilen biru tampak muka (d), setelah perlakuan penyaringan dengan gentian violet tampak muka (e), setelah perlakuan penyaringan dengan congo red tampak muka (f)

(a) (b) (c

(d) (e) (f)

Gambar 5. Foto SEM untuk membran nata de coco penampang sebelum perlakuan (a), penampang setelah perlakuan penyaringan dengan dextran T100 (b), penampang setelah perlakuan penyaringan dengan dextran T500 (c), penampang setelah perlakuan penyaringan dengan metilen biru (d), penampang setelah perlakuan penyaringan dengan gentian violet (e) dan penampang setelah perlakuan penyaringan dengan congo red (f).)


C - 11

DAFTAR PUSTAKA Bodhibukkana, C., Srichana, T., Kaewnopparat,

S., Tangthong, N., Bouking, P., Martin, G. P., Suedee, R. (2006), Composite membrane of bacterially-derived cellulose and molecularly imprinted polymer for uses as a transdermal enantioselective controlled-release system of racemic propranolol. Journal of Controlled Release, 113, 43-56.

Brown, R. M., Willison, J. H. M., Richardson, C.L. (1976), Cellulose Biosynthesis in Acetobacter xylinum: Visualization of The Site of Synthesis and Direct Measurement of The in vivi Porcess. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 73 (12), 4565-4569.

Bruggen, B. V., Wilms, J. S. D., Vandecasteele, C. (1999), Influence of molecular size, polarity and charge on the retention of organic molecules by nanofiltration. Journal of Membrane Sciences, 156, 29-41.

Dubey, V., Pandey, L.K., Saxena, C. (2005), Pervaporative Separation of Ethanol/Water Azeotrop Using a Novel Chitosan-Impregnated Bacterial Cellulose Membrane and Chitosan-Poly(vinyl alcohol) Blends. J. Membr. Sci., 251, 131-136.

Hayashi, N., Kondo, T. (2005), Ishihara, M. Enzymatically Produced Nano-Ordered Short Elements Containing Cellulose I Crystalline Domains. Carbohydrate Polymers, 61, 191-197.

Heiner, A. P., Sugiyama, J., Teleman, O. (1995), Crystalline Cellulose I and I Studied by Molecular Dynamics Simulation. Carbohydrate Research, 273, 201-223.

Hoenich, N. A., Stamp, S. (2000), Clinical investigation of the role of membrane structure on blood contact and solute transport characteristic of a cellulose membran. Biomaterials, 21, 317-324.

Hult, E. L., Yamanaka, S., Ishihara, M., Siguyama, J. (2003), Aggregation of Ribbons in Bacterial Cellulose Induced by High Pressure Incubation. Carbohydrate Polymers, 53, 9-14.

Kiso, Y., Kitao, T., Jinno, K., Miyagn. (1992), The effects of molecular width on permeation of organic solute through

cellulose acetate reverse osmosis membranes. Journal of Membrane Sciences, 74, 95-103.

Mekawa, M., Kasai, K., Nango, M. (1998), Transport phenomena of sulfonated dyes into cellulose membranes: parallel diffusion of a sulfonated dye with a high affinity onto cellulose. Colloids and Surfaces A: Physicochemicals and Engineering Aspects, 132, 173-179.

Nakagaito, A. N., Iwamoto, S., Yano, H. (2005), Bacterial Cellulose: The Ultimate Nano-Scalar Cellulose Morphology for The Production of High-Strength Composites. Appl. Phys. A, 80, 93-97.

Nishiyama, Y., Langan, P., Chanzy, H. (2002), Crystal Structure and Hydrogen-Bonding System in Cellulose 1 from Synchroton X-ray and Neutron Fiber Diffraction. J. Am. Chem. Soc., 124, 9074-9082.

Nishiyama, Y., Sugiyama, J., Chanzy, H., Langan, P. Crystal Structure and Hydrogen Bonding System in Cellulose I from Synchroton X-ray and Neutron Fiber Diffraction. J.Am. Chem. Soc. 2003. 125. 14300-14306.

Piluharto, B. (2001), Studi Awal Penggunaan Nata de Coco sebagai Membran Ultrafiltrasi, Tesis Magister, Institut Teknologi Bandung.

Putra, A. (2001), Studi Pendahuluan Pembuatan dan Karakterisasi Membran Pemisah Nata de Coco untuk Proses Osmosa Balik, Tesis Magister, Institut Teknologi Bandung.

Santos, J. L. C., Beukelaar, P., Vankelecom, I. F. J. (2006), Effect of solute geometry and orientation on the rejection of uncharged compounds by nanofiltration. Separation and Purification Technology, 50, 122-131.

Sokolnicki, A. M., Fisher, R. J., Harrah, T. P., Kaplan, D. L. (2006), Permeability of bacterial cellulose membranes. Journal of Membrane Science, 272, 15-27.

Viëtor, R. J., Mazeau, K., Lakin, M., Pérez, S. (2000), A Priori Crystal Structure Prediction of Native Celluloses. Biopolymers, 54, 342-354.

Watanabe, K., Tabuchi, M., Morinaga, Y., Yoshinaga, F. (1998), Structural Features and Propertis of Bacterial Cellulose


C - 12

Produced in Agitated Culture. Cellulose, 5. 187-200.

Yamanaka, S. Ishihara, M., Sugiyama, J. (2000), Structural Modification of Bacterial Cellulose. Cellulose, 7, 213-225.

Zheng, F., Li, C., Yuan, Q., Vriesekoop, F. (2008), Influence of molecules by solvent resistant nanofiltration (SRNF) membranes: A suitable molecular size parameter. Journal of Membrane Sciences, 318, 114-122.

6-12, ita ulfin

Documents