Penggunaan Nata De Coco Sebagai Bahan Membran Se/u/osa Asetat (Cynthia L Radiman)
PENGGUNAAN NATA DE COCO SEBAGAI BAHANMEMBRAN SELULOSA ASETAT
Cynthia L. Radiman 1 dan G Yuliani 1,2
IDepartemen Kimia, Institut Teknologi BandungJl. Ganesha J 0, Bandung
2Jurusan Kimia, Universitas Pendidikan Indonesia
Jl. Setiabudi 229, Bandung
ABSTRAK
PENGGUNAAN NATADE COCO SEBAGAI BAHAN MEMBRAN SELULOSAASETAT. Membranselulosa
asetat banyak digunakan dalam proses mikrofiltrasi, ultrafiltrasi maupun osmosis balik. Pad ••umumnya selulosayang digunakan sebagai bahan dasar selulsoa asetat diperoleh dari kayu yang mengalami proses pemasakan danpemutihan untuk menghilangkan lignin. Salah satu upaya untuk mengurangi pemakaian bahan kimia dalam prosestersebut adalah penggunaan sumber selulosa yang tidak mengandung lignin. Persyaratan ini dipenuhi olehllata decoco yang merupakan hasil fennentasi air kelapa. Oleh sebab itu, penelitian ini bertujuan untuk melakukan asetilasi---------
nata de coco yang selanjutnya digunakan sebagai bahan pembuatan membran. Nata de coco diperoleh melalui
fennentasi air k~paselama 6 hari oleh bakteri Acetobacter xylinum denga~p'enambahan asam asetat glasial, gulapasir dan ,amonium sulfat. Film selulosa yang terbentuk diasetilasi.dan dihidrollSisma;;ing-masing selama 20 jampada suhuAO°C. Padatan putih kekuningan hasil asetilasi ii1eiTIiITkikadar asctiC39,6o/;'-Analisis FTIR menunjukkanserapan kh~etil pad a 1236 cm·'. Membran selulosa asetat dibuat dengan cara inversi fasa terhadaplarutan hasil hidrolisis. Penneabilitas membran terhadap air pada tekanan 2 kgf/cm2 mencapai nilai fluks200 L.m·2.jam·l• Pengujian selektivitas membran menggunakan larutan dekstran T-500 dan T-2000 memberikan nilaikoefisien rejeksi 78% dan 94%. Oari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa membran selulosa asetat yangdibuat dari nata de coco dapat digunakan untuk proses mikrofiltrasi.
Kata kunci : Membran, nata de coco, selulosa asetat
ABSTRACT
NATA DE COCO AS MATERIALS OF CELLULOSE ASETAT MEMBRANS. Cellulose acetate membranes
are frequently used for microfiltration, u!trafiltration as well as reverse osmosis processes. As the basic material forcellulose acetate, cellulose is generally obtained from wood which undergoes pulping and bleaching processes toremove the lignin. One of the efforts to minimize the chemicals is to use resources which contain no lignin. Thiscriteria is fulfilled by nata de coco which is a bacterial cellulose produced in the coconut water fennentation.Therefore, the objective of this research is to do the acetylation of nata de coco and then to prepare membranesfTomit. Nata de coco had been fennented by Acetobacter xy/inum for 6 days with the addition of acetic acid glacial,sucrose and ammonium sulfate. Then the cellulose films were acetylated and hydrolyzed for 20 hours each at 40°C,producing yellowish white powder with an acetyl content of39.6%. FTIR analysis showed a characteristic peak foracetyl group at 1236 cm·'. The cellulose acetate membranes were made from the hydrolysis product by phaseinversion method. The water flux of cellulose acetate membrane was 200 L.m·2.h·1 while the rejection coefficient ofdextran T-500 and 1-2000 solutions were 74% and 94% respectively. It could be concluded that cellulose acetatemembranes from nata de coco could be used for micro filtration processes.
Key words: Membrane, nata de coco, cellulose acetate
PENDAHULUAN
Teknologi membran banyak digunakan
dalam berbagai proses pernisahan dan pemekatankarena berbagai keunggulan yang dimilikinya,
antara lain pernisahannya sangat spesifik, sifatnya
yang tidak merusak zat yang dipisahkan(non-destruktit), dapat dioperasikan pada suhurendah dan tidakmenimbu1kan limbah barn karena
pernisahannya tidak membutuhkan zat kimia yang
203
Prosiding Simposium Nasional Polimer V
baru. Karena itu teknologi membran dikenalsebagai salah satujenis pemisahan yang termasukclean technology [1].
Polimer banyak dipakai sebagai bahanpembuatanmembran; diantaranya adalah selulosaasetat yang digunakan sebagai membranmikrofiltrasi, ultrafiltrasi maupun osmosis balik.Selulosa asetat adalah suatu ester selulosa berupa
padatan putih, tidak berbau, tidak berasa dantidak beracun, yang dibuat dari kapas atau pulpkayu melalui proses asetilasi [2,3]. Untukmenghilangkan lignin, dilakukan prosespemasakan kayu menjadi pulp y~g dilanjutkandengan tahap pemutihan. Pulp kraft dihasilkandari pemasakan kayu dengan larutan natriumhidroksida dan natrium sulfida pada sOOutinggi
dan proses pemutihan dilakukan denganmenggunakan berbagai oksidator antara lainperoksida.
Salah satu upaya untuk mengurangipemakaian bahan kimia dalam proses terse butadalah penggunaan sumber selulosa yang tidakmengandung lignin. Persyaratan ini dipenuhi .oleh nata de coco yang merupakan hasilfermentasi air kelapa oleh bakteri Acetobacterxylinum [4-6]. Oleh sebab itu, penelitian inibertujuanuntukmenguji kemungkinan pemakaiannata de coco sebagai bahan dasar pembuatanmembran selulosa asetat.
METODEPERCOBAAN
Bahan
Zat kimia yang digunakan adalah AsamAsetat glacial, Amonium sulfat, Asam asetat,Anhidridaasetat,Asam sulfatpekat,Asam oksalat,Asam klorida, Etil alkohol, Aseton natriumhidroksida,Dekstrandenganmassa molekul relatifrata-rata 5 x 105 dan 2 x 106• Semua senyawa
terse but mempunyai tingkat kemurnian proanalysis sedangkan biakan bakteri Acetobacterxylinum, sukrosa dan aif kelapa tidak ditentukankemlIDliannya.
Alat
Spektrofotometer FTIR Perkin Elmer,Autograph Shimadzu AGS-500D, sel
204
ISSN 1410-8720
berper!gaduk, Spectronic-20, hot press danberbagai alat gelas..
Pembuatan Nata De Coco
Lima liter air kelapa dipanaskan sampaimendidih dan ditambahkan 30 mL asam asetat
glasial, 500 g gula pasir dan 25 g amonium sulfat.Setelah dingin, ditambahkan starter bakteriAcetobacter xylinum sebanyak 10% dari volummedia dan didiamkan pada suhu ruang selama6 hari. Gel nata de coco hasil fermentasi dicuci
dengan air mendidih selama 15 menit, larutanNaOH 1% selama 24 jam, larutan CH3COOH1% selama 24 jam dan air; kemudian ditekandengan hot-press selama 5 menit pada suhu80°C dan tekanan 150 kgf/cm2•
rPembuatan Selulosa Asetat
Campuran 5 g selulosa yang telah .dihaluskan dan 24 mL asam asetat glasial diadukselama 60 menit pada suhu 40°C, kemudianditambahkaq)O mL asam asetatglasial dan 5 tetesasam sulfatlpekat. Campuran diaduk kembaliselama 45 menit pada sOOuyang sarna. Kemudianditambahkan 20 mL anhidrida asetat 98 % lalu
diaduk kembali pada sOOu40°C selama 20 jam.
L~tan ini dihidrolisis dengan menambahkancampuran 20 mL asam asetat glasial dan 10 mLair selama 20 jam kemudian dituang ke dalamaqua demineral dengan pengadukan yang kuat.Padatan yang diperoleh dieuei dengan aquademineral sampai pH netral dan dikeringkanpada sOOu-50°C.
Pembuatan Membran Selulosa Asetat
Larutan selulosa asetat yang diperolehdari hasil hidrolisis dituangkan di atas plat kaea
dan dicetak. Sesudah penguapan parsial sel~a10detik, plat dimasukkan ke dalam air pada sOOu4 °c dan membran yang terbentuk dieuei dengan
air sampai bebas asam.
Karakterisasi Gugus Fungsi pada SelulosaAsctat
Perekaman spektrum selulosa dan selulosaasetat yang berasal dari nata de coco padabilangan gelombang 450 em-l sampai dengan4000 em-l dilakukan dengan spektrofotometer
Penggunaan Nata De Coco Sebagai Bahan Membran Selulosa Asetat (Cynthia L Radiman)
Penentuan Permeabilitas Membran
dengan
[tlI =viskositas intrinsik larutan polimerK = 0,00133a' = 0,616.
Permeabili.~membran ditentukan melalui
nilai fluks yang menyatakan kemampuanmembran untuk melewatkan spesi tertentu. Fluksditentukan dengan menghitung volume lanrtan yang
melewati membran per satuan waktu per satuanluas dengan persamaan 3.
dengan:
C = konsentrasi permeat!'
Ck = konsentrasi konsentratLarutan de~stran 1000 ppm dimasukkan
ke dalam sel berpeI}gaduk. Konsentrasi permeatdan konsentrat ditentukan dengan mereaksikan
1 rnL larutan yang dianalisis dengan 1 rnL larutan
fenol 5% dan 5 mL asam sulfat pekat. Larutan
kemudian diaduk dan diukur persen transrnitannya
pada panjang gel om bang 490 nm denganmenggunakan Spectronic-20.
.............................. (3)J = V / A.t
dengan:J = fluks air atau larutan
V = volum permeat yang melewatimembrane
t = waktu yang diperlukan untuk permeatmelewati membran
Fluks ditentukan terhadap air, larutandekstran T-500 dan T-2000 dengan konsentrasi1000 ppm yang dimasukkan dalam sel
berpengaduk pada tekanan operasional
sebesar 2 kgflcm2• Sebelum pengukuran dimulai,dilakukan kompaksi terhadap membran selama15 menit sarnpai dengan 30 menit.
Penentuan Selektivitas Membran
Selektivitas dari membran dinyatakan
sebagai koefisien rejeksi (%R) yang menyatakankemampuan membran untuk menahan atau
melewatkan spesi tertentu, yang dihitung dengan
persamaan 4 sebagai berikut:
% R = [1 - (C /Ck)] ••••••••••••••••••••••• (4)p ,
FfIR Perkin Ehner. Penyiapan cuplikan dilakukandengan metode pellet KBr.
Penentuan Kadar Asetil Selulosa Asetat
(2)
Satu gram selulosa asetat nata de cocodikeringkan pada suhu 105°C selama 2 jam,kemudian ditambahkan 40 mL etanol dan
dipanaskan selama 30 menit pada suhu 55°C.Kemudian ditambahkan 40 mL larutan NaOH dan
dipanaskan lebih lanjut selama 15 menit pada suhuyang sarna. Campuran didiamkan selama 3 haripada suhu kamar dan kelebihan NaOH dititrasidengan HCI menggunakan indikator fenolftalein.
Campuran didiamkan selama 1hari untuk dititrasi
balik dengan NaOH sampai terbentuk wama
merah. Blanko diperlakukan sarna dengan contoh
selulosa asetat. Kadarasetil dihitung menggunakanpersamaan 1.
Kadarasetil(%) = [(D-C) Na + (A-B) Nb) x(FIW) .... (I)
dengan:
A = Volume NaOH yang diperlukan untuk. titras contoh
B = Volume NaOH yang diperlukan untuktitrasi blanko
C = Volume HCI yang diperlukan untuktitrasi contoh
D =Volume HCI yang diperlukan untuktitrasi blanko '
N = Normalitas HCIa
Nb = Normalitas NaOHF =4,305 untuk kadar asetil dan 6,005
untuk kadar asam asetat
W = berat contoh
Penentuan Massa Molekul Relatif
Rata-Rata Vislulsitas (M)
_ Penentuan massa molekul selulosa
asetat dilakukan secara viskometri. Sebanyak0,15 g selulosa asetat dilarutkan dalam 100 mL
aseton, kemudian dibuat 4 larutan denganpengenceran 20 %, 40 o/J, 60 % dan 80 %. Tiaplarutan diukur waktu alimya dengan viskometer
Ostwald. Nilai Mv ditentukan dari persamaanMark-Houwink yang ditunjukkan padapersamaan 2.
205
Frosiding Simposium Nasional PoUmer V
Pengujian Sifat Mekanik Membrau
Sifat mekanik membran ditentukan dari ujitarik membran dengan alatA utograph ShimadzuAGS-500D pada kondisi Single Tension dankecepatan 5 mrn/menit.
HASIL DAN PEMBAHASAN
ISSN 1410-8720
yaitu serapan gugus karbonil clan C-Q asetil yangsangat karakteristik. Tabell menunjukkan hasil
analisis FTIR selulosa dan selulosa asetat yangdibuat dari nata de coco. Dengan demikian telah
dibuktikan dari basil analisis FTIR bahwa proses
asetilasi selulosa nata de coco menjadi selulosaasetat telah berhasil dilakukan.
Gambar 1. Spektrum selulosa dari nata de coco
Gambar 2. Spektrum selulosa asetat darinata de coco
Karakterisasi Selulosa Asetat dengan FfIR
Seperti ditunjukkan pada Gambar 1,
puneak serapan gugus -OH (3245 em-I) dangugus -CO ulur (1061 em-I) menunjukkan adanya
ikatan glikosida dan ikatan -CO pada cineinselulosa [7]. Spektrum FTIR selulosa asetat dari
nata de coco ditunjukkan pada Gambar 2.
Puncak serapan khas muneul pada gugus karbonil(1748 em-I) dan gugus -CO asetil (1236 em-I)
yang eukup tajam. Dari perbandingan keduaspektnun terlihat penurunan tajam pada intensitasserapan gugus OH. Hal ini disebabkan oleh
berkurangnya jumlah gugus -OH bebas padaselulosa asetat akibut substitusi gugus tersebut oleh
gugus asetil. Muneulnya gugus asetil dibuktikan
dari muneulnya puneak -puneak serapan barn,
•..
••
.•.
.....••
••
•••
•...- - - -
{Y
--
Tabell. Hasil Analisis FTIR selulosa dan selulosa asetatdari nata de coco
Selulosa nata de coco Selulosa asetat nata de eo eo
Bilangan
JenisBilanganJenisGelombang vibrasiGelombang
vibrasi(em"l) (em-I)3245
O-H ulur3461O-H ulur
2920
C-H ulur2942C-H ulur
1645
O-H tekuk1748C=O ulur
1371
C-H tekuk1383C-H tekuk
1061
CoO ulur1236CoO asetil
612
C-H tekuk1061CoO ulur
603
C-H tekuk
Kadar Asetil Selulosa Asetat
Pengujia.il kadar asetil diperlukan untuk
menentukan jenis selulosa asetat yang telahdisintesis. Selulosa monoasetat memiliki kadar
asetil kurang dari 35 %, selulosa diasetat 35 %
sampai dengan 43,5 % dan selulosa triasetat
43,5 % sampai dengan 44,8% [8]. Pada penelitianini dihasilkan selulosa asetat dengan kadar asetil
39,6 %. Dengan demikian dapat disimpulkanbahwa selulosa asetat yang dihasilkan termasukke dalam jenis selulosa diasetat. Kadar asetil
merupakan salah satu faktor yang sangat pentingkarena menentukan kineIja dari membran selulosaasetat. Makin tinggi jumlah gugus asetil, halangan
sterik makin besar dan jumlah gugus hidroksil yang
berkurang akan menurunkan interaksi dengan air,
Karcna itu kadar asetil yang terlalu tinggi
menghasilkan membran dengan jluks yang kecil.
Massa Molekul Relatif Rata-Rata
Viskositas (M ) Selulosa Asetatv
Dari basil perhitungan diperoleh Mvselulosaasetat hasil sintesis sebesar 4,36 x 1()4. Nilai M v
ini mendekati nilai M selulosa asetat tanamanv
Abaca hasil penelitian sebelumnya yaitu sebesar
. 4,5 x 1()4, sedangkan Mv selulosa asetat komersial
206
I.
Penggunaan Nata De Coco Sebagai Bahan Membran Selulosa Asetat (Cynthia L Ratfiman)
o I I
o 10 20 ~ 40 I·=~~I••• ktu (menit) • seUcsa asctat
Gambar 3. Permeabilitas membran selulosa
(nata de coco) dan selulosa asetat pada tekanan2 kgf/cm2
adalah 7,5 X 104 [9]. Besamya massa molekulrelatifdariselulosaasetatdipengaruhiolehpanjangserat dari selulosa yang digunakan sebagai bahandasar pembuatan selulosa asetat. Selulosatanamanmemiliki seratyang lebihpanjangdengandiameter seratus kali lebih besar dibandingkanselulosamikrobial,sehingga massa molekul relatifdari selulosa tanaman lebih besar dibandingkanselulosa mikrobial [10]. Selainjenis selulosa,perlakuan pada saat asetilasi terutama lamanyawaktu asetilasi dan waktu hidrolisis jugamempengaruhi massa molekul relatifdari selulosaasetat hasil sintesis. Reaksi pemutusan ikatanglikosida selulosa yang menurunkan derajatpolimerisasinya dapat terjadi pada tahap aktivasi,asetilasimaupun hidrolisis.
Permeabilitas Membran
Perbandingan permeabilitas terhadap airdari membran selulosa dan selulosa asetat
(Gambar 3) menunjukkan bahwa permeabilitasmembran selulosa asetat (SA) jauh lebih tinggidibandingkan meIllbran selulosa. Adanya gugusasetil menyebabkan halangan sterik bertambahdan interaksi antar rantai selulosa berkurangsehingga kristalinitas selulosa menurun.Akibatnya membran lebih mudah dilewati olehmolekul-molekul air karena interaksi molekul air
dengan membran terjadi pada daerah amorf.Gambar 4 menunjukkan penurunan nilaifluksdekstran dibandingkan fluks air. Hal inidisebabkan oleh besarnya massa molekul relatifdekstran sebagai zat terlarut yang menyebabkantimbulnya polarisasi konsentrasi pada permukaanmembran.
lED r-140 J
120
E 100
~ EO
~ :20
I/
Permselektivitas Membran
Hasil pengukuran koefisien rejeksimembran selulosa asetat terhadap dekstran T-500adalah 78,0 %, sedangkan terhadap dekstranT-2000 sebesar 93,7 %.
250
200
I t50
I e I 1-+-'"
I ~ .•. d.k."an T-500
, ~ tOO 1-<>- ••••••• ,.2000J
'Lt5: ~----! I JIo 10 ~ ~ ~ ~
.alltu (••• ntt)
Gambar 4. Permeabilitas air dan larutan dekstran
dari membran selulosa asetat pad a kgf/cm2
Dari data ini dapat disimpulkan bahwamembran selulosa asetat yang dibuat dari bahandasar nata de coco merupakan membranmikrofiltrasi yang dapat menahan molekul yangukurannya sarna dengan dekstran yang
mempunyai Mn sebesar 2 x 106•
Sifat Mekanik Membran
Tabel 2 menunjukkan perbandingannilai tegangan, regangan dan modulus Youngmembran selulosa dan selulosa asetat dari
nata de coco yang memperlihatkan penurunantajam tegangan selulosa 'asetat dibandingkanselulosa nata de coco. Asetilasi selulosa
menyebabkan sebagian gugus hidroksil selulosadigantikan oleh gugus asetil, sehingga terjadipengurangan ikatan hidrogen intramolekulerdan intermolekuler pada rantai selulosa asetatyang mengakibatkan penurunan derajatkristalinitasnya. Hal ini didukung oleh nilaiperrneabilitasmembran selulosa asetat yang lebihtinggi dari membran selulosa.
Tabel2. Hasil uji tarik membran.
Jenis StressElongationModulus Youngmembran
(MPa)(%)(GPa)
Se1ulosa53,9412,50,433
nata de cocoSelulosa
2,6220 0,011
asetat nata de coco
207
Pros;d;ng S;mpos;um NCJ;onal Polimer V
KESIMPULAN
Dari penelitian yang telah dilakukan dapatdiambil kesimpulan bahwa selulosa diasetat dapatdiperoleh melalui reaksi asetilasi nata de cocodengan kadar asetiI39,6-%. Membran selulosaasetat yang dibuat dari larutan hasil hidrolisisdengan metode inversi fasa dan teknik presipitasiimersi menghasilkan fluks air sebesar140Um2.jam pada tekanan 2 kgfi'cm2 clanrejeksiterhadap larutan dekstran T-2000 sebesar93,73%. Berdasarkan nilai fluks dan koefisien
rejeksinya, membran hasil sintesis dikategorikansebagai membran mikrofiltrasi.
j
DAFfAR PUSTAKA
[I]. M. MULDER, Basic Principles ofMembrane Technology, Kluwer AcademicPublisher, Dordrecht, Ed. 2, (1996).
[2]. R.E. KIRK et. aI., Encyclopedia ofChemical Technology, Vol. 4, Ed. 4, JohnWiley, New York, (1992)
[3]. R.W. BAKER, lifembrane Technology andApplications, Mc.Graw-Hill, New York,(2000)
[4]. H. SHIBASHAKI, S. KUGA, F. ONABE,M. USUDA, Bacterial Cellulose Membrane
as Separation Medium, Journal of AppliedPolymer Science 50 (1993) 965-969
[5]. Y. NISHI, M. URYU, S. YAMANAKA,K. WATANABE, N. KITAMURA, M.IGUCHI, The Structure and Mechanical
Properties of Sheet Prepared from BacterialCellulose, Journal of Materia I Science 24,(1990) 3141-4145
[6]. IGUCHI, M., YAMANAKA, S.,BUDHIONO, A., Review BacterialCellulose, a Masterpiece of Natural's Arts,Journal of Material Science, 35 (2000)261-269
[7]. SILVERSTEIN, ~.M.,BASLER, G.C.,MORRIL, T.C., Spectrometric
Identification of Organic Compounds,Ed. 5, John Wiley, Toronto, (1991)
[8]. WINSTON, W.S., SIRKAT K.,Membrane Handbook, Chapman & Hall,New York, (1992)
208
ISSN /410-8720
[9]. A. PUTRA, TesisMagister, Program PascaSarjana, ITB, Bandung, (2001) .
[10].http://www.res.titech.ac.ip/-iunkanlenglishlcellulose/, Production of biocellulose(bacterial cellulose)
••