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)

••