Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

POLIESTER ALIFATIK SEBAGAI BAHAN BAKUPLASTIK RAMAH LINGKUNGAN1

Hardaning pranarnuda2, Yutaka Tokiwa3 daD Hideo Tanaka4

ABSTRAKPOLIESTER ALIFATIK SEBAGAI BAHAN BAKU PLASTIK KAMAH LINGKUNGAN. Sarnpah plastik telah

menjadi masalah lingkungan berskala global. Salah satu pendekatan yang harus diarnbil dalarn memecahkan masalah ini adalahdengan mengembangkan bahan plastik rarnah lingkungan, yaitu plastik biodegradabel. Poliester alifatik adalah jenis polimer yangbanyak terdapat di alam, dan mempunyai prospek cerah untuk digunakan sebgai bahan baku plastik biodegradabel. OJ beberapanegara, polimer sintetis dari jenis poliester alitatik, seperti poli (e-kaprolakton) (PCL), poli (butilena suksinat) (PBS) dan poliasarn susu (PLA), sudah mulai diproduksi dalarn skala industri. PCL dan PHS dapat didegradasi oleh ensim lipase yangdiproduksi jarnur Rhizopus arrhizus.Narnun days degradasi lipase terhadap PCL (Tm = 60.C) jauh lebih besar dibandingkanterhadap PHS (Tm = 113.C), karena perbedaan titik leleh dari kedua poliester tersebut. PLA (Tm = 180°C) yang banyak

digunakan untuk aplikasi bidang kedokteran, dapat didegradasi oleh ensim proteinase-K dari jarnur Tritirachium a/bum. Hasilstudi ekologi tentang penyebaran mikroorganisme pengurai PCL, PHS dan PLA dalarn lingkungan tanah, membuktikan bahwamikroorganisme pengurai PCL tersebar luas, sedangkan penyebaran mikroorganisme pengurai PHS relatif lebih sempit. Narnun

demikian, pads sampel tanah dimana terdapat mikroorganisme pengurai, presentasi jumlah mikroorganisme pengurai terhadapjumlah total mikroorganisme dari PCL dan PHS adalah hampir sarna, yaitu 0.08 -11.0% untuk PCL dan 0.1 -8.0DA. untuk PHS. Di

lain pihak, mikroorganisme pengurai PLA sangatlah sempit penyebarannya, dan presentasi jumlah mikroorganisme penguraiterhadap jumlah total mikroorganisme sangat kecil, yaitu dibawah 0.001%.

ABSTRACTALIPHATIC POLYESTER AS RAW MATERIAL FOR ENVERONMENT FRIENDLY PLASTIC. Plastic

waste has become a worldwide environmental problem. One approach to be taken in order to solve the problem, is by developingan environment-friendly plastic materia!, i.e. biodegradable plastic. Aliphatic polyester exists in abundance in nature, and has abright prospect to be utilized as raw material for biodegradable plastic. In some countries, sythetic polymers of aliphaticpolyester, such as poly (£-caprolactone) (PCL), poly (butylene succinate) (PBS) and poly (lactic acid) (PLA) have been alreadyproduced in an industrial scale. PCL and pas are able to degraded by lipase produced by Rhizopus arrhizus. However, thedegrading ability of lipase to PCL (Tm = 60°C) is higher than to pas (Tm = 113°C), due to the difference of their melting points.PLA (Tm = 180°C ), which is used in medica! application, is able to be degraded by proteinase-K produced by a moldTritirachium album. Ecological study on distribution of PCL pas and PLA degrading microorganisms in soil environments,proved that PCL degrading microorganisms distributed widely, while the distribution OfPBS degrading microorganisms was quiterestricted. However, in soil samples where the degrading microorganisms exist, the percentages of degrading microorganisms tototal microorganisms were almost the same tor both PCL and pas, i.e. 0.08 -11.0% for PCL and 0.1 -8.0% for pas. On the otherhand, PLA degrading microorganisms didtributed very restrictively, and the percentage ofPLA degrading microorganisms to totalmicroorganisms was very small, i.e. below 0.001 %.

PENDAHULUANBahan plastik banyak dipakai di

berbagai bidang dalam kehidupan sehari-hari,karena memang sifatnya yang ringan, kuat,praktis daD mudah dibentuk. Dilaporkan bahwapada tahun 1991, produksi bahan plastik didunia mencapai 100 juta ton. Sedangkan diIndonesia sendiri, pada tahun 1992,kebutuhan bahan plastik mencapai 1,3 juta ton,daD meningkat menjadi 1,5 juta ton di tahun1995 [I]. Di lain pihak, karena sifat plastik yangstabil dan tidak terdegradasi di alam, makasampah plastik menjadi masalah lingkunganberskala global, tidak saja di negara majutetapi juga di negara berkembang sepertiIndonesia.

Dalarn rangka usaha memecahkanmasalah sampah plastik, 3 pendekatan yangharus diambil secara bersarnaan, yaitu :I. Perubahan kebiasaan dalarn masyarakat

-Perubahan lifestyle

-Membuang sarnpah denganmem isahkan menurut jenisnya

2. Pengembangan bahan plastik barn yangrarnah lingkungan-Bahan plastik biodegradabel-Bahan plastik yang mudah untuk didaur-

ulang3. Pengembangan teknologi pengolahan

sampah-Minimisasi sarnpah-Pembuatan kompos-Daur ulang

I Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 19962 Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi, Jakarta3 National Institute of Bioscience and Human Technology, Tsukuba, Japan4 University of Tsukuba, Tsukuba, Japan

318

Studi tentang biodegradasi Ibahanplastik haruslah dilakukan secara terpadu clanmenyeluruh, guna meminimalkan efek negatifyang timbul dari proses biodegradasi di alamoUntuk itu tidak hanya studi fisiologi sepertibiodegradasi oleh ensim atau mikroorgal1lisme,tetapi juga studi ekologi tentang penyebaranmikroorganisme perlu dilakukan. Pada laporanini kami melaporkan basil studi kami tentangdegradasi poliester alifatik oleh ensim lipaseclan penyebaran mikroorganisme penguraiPCL, PBS clan PLA di lingkungan tanah.

-Pembakaran /InsinerasiPengembangan bahan plastik biodegradabeladalah pendekatan dari pengembangan bahanbarn yang ramah lingkungan.

Plastik biodegradabel adalah bahanplastik yang dapat terurai secara biologis (olehaktivitas mikroorganisme) di lingkungan.Keuntungan dari bahan plastik biodegradabelini antara lain: (1) dapat dikembalikan ke

lingkungan dengan memanfaatkannya sebagaikompos untuk tanah pertanian, (2)

berkurangnya pengaruh negatif terhadaplingkungan karena dapat langsung terurai, (3)panas yang terjadi dari pembakaran sampahmenjadi kecil sehingga tidak merusak tungkupembakar, (4) berguna untuk memperpanjangumur dan menstabilkan lahan penimbunan /pembuangan sampah. Tabel 1 menunjukkanjenis-jenis bahan plastik biodegradabel yangtengah diteliti sekarang.

BAHAN DAN CARA KERJABahan

Tabell. Pembagian Plastik BiodegradabelBerdasarkan Bahan Bakunya

Poly (E-kaprolakton), poli (butilenasuksinat), daD poll asarn susu, masing-mlasingdidapat dari Union Carbide Co., Showa HighPolymer Co., daD Mitsui Toatsu ChenrlicalsInc. Alifatik poliester yang lainnya merupakanhasil sintesa seniri di laboratorium ChemicalEcology, NIBH (Jepang).

Sampel tanah sebanyak 45 buah(diambil dari 5 cm di bawah permukaan tanah)dikumpulkan dari berbagai tempat berbeda dikota Tsukuba antara bulan Juni daD Oktober.

Ensim lipase yang digunakan adalahyang diproduksi oleh jamur R. arrhizu~~ dandidapat dari Sigma Chemical Co.

Pengujian Degradasi Poliester Alifatik OlehLipase

Campuran reaksi yang terdiri dari400~mol buffer pospat (pH7.0), 300mg slerbukpoliester (ukuran partikel kurang dari 1 mill),dan 2 mg ensim lipase, dan I mg PJlysurfA210G. Total volume dari campuran reaksiadalah 10ml. Reaksi dilakukan dalam shakerselama 16 jam di bawah kondisi 37oC daJll 150rpm. Setelah reaksi, cairan di filtrasi dandiukur kadar TOC Uumlah total k:arbonorganic) yang terlarut dengan menggunakanTOC-5000 Analyzer (Shimadzu Co.).

(I) Jenis Polimer Hasil ProduksiMikroorganisme.Contoh : Poli (l3-hidroksi butirat)(PHB) yang diproduksi oleh bakteri

.Alcaligenes eutrophus, Poli asam susu(PLA)

(II) Jenis Polimer HasilProduksi TanamanContoh : Selulosa, Lignin, Tepung.

(Ill) Jenis Polimer Hasil Sintesa KimiaContoh : Poliester alifatik seperti poli(E-kaprolakton) (PCL), Poli (butilenasuksinat) (PBS)

(IV) Jenis Campuran dari Polimer Sintetisdengan Polimer Alam.Contoh : Campuran antara PCL daD

tepung

Poliester alifatik adalah jenis polimeryang banyak terdapat di alamo Misalnya : kutin

yang merupakan polimer penyusun lapisankutikula pada tanaman., PHB yang merupakancadangan energi bagi bakteri A. eutrophus [2).Penelitian tentang biodegradasi poliesteralifatik dimulai tahun 1968, ketika Darby etoal.mengamati adanya jamur yang tumbuh padaplastik poliester alifatik bentuk padat [3)

Kemudian tahun 1974, Tokiwa berhasil

mengisolasi jamur yang mampu mendegradasihabis poli (etilena adipat) (PEA) [4)0 Dan ditahun 1977, Tokiwa berhasil mengisolasijamur Penicillium 26-1 yang mampumendegradasi PCL [5], clan membuktikanbahwa ensim lipase clan esterase dapatmenguraikan poliester alifatik [6).

Penyiapan Media Kultur Agar BerisikanEmulsi PCL, PBS, dan PLA [7,8]

Satu gram pelet poliester alifatik dilarutkanke daiam 25 ml methylene chloride. Masing-masing larutan tersebut diemulsikan ke dalamI liter air berisikan 100 ppm surfaktan PilysurfA 210G (Daiichi Kogyo Seiyaku Co.) dc~ngan

menggunakan homogenizer.Kemudian pemanasan pacta suhu 80oC

dengan pengadukan dilakukan selama 1 jamuntuk menguapkan metilena klorida. St~telahdidinginkan, ditambahkan komponen-komponen media seperti 250 mg/liter yeastextract, 10 mg/liter FeSO4'7H2O, 200 mjg/liter

319

MgSO4'7H2O, 1000 mg/liter (NH4hSO4,20 mg/liter CaCI2.2H2O, 100 mg/liter NaCI,0.5 mg/liter Na2MoO4.2H2O, 0.5 mg/literNa2 WO4, 0.5 mg/liter MnSO4, 200 mg/literKH2PO4, 1600 mg/liter K2HPO4. Derajatkeasaman (pH) dari media adalah 7.0. Untukmenyiapkan media padat, agar-agar (1.5%,w/v) ditambahkan. Sterilisasi media dilakukandalam autoklaf pada suhu 121°C selama 15menit. Media setelah disterilisasi, dituang kecawan petri sebanyak kira-kira 10 mI. Dengancara demikian didapat cawan agar berwamaputih susu.

KultivasiSaiD gram dari sampel tanah

disuspensikan ke dalam 5 ml air yang sudahdisterilisasi. Kemudian diencerkan sebesar 103sampai 105 kali dengan air steril. Dari masing-masing suspensi tanah yang telah diencerkan,diambil 0.2 ml daD ditebarkan secara meratake permukaan cawan agar berisikian emulsipoliester. Kultiva~i dilakukan dalam inkubatordengan suhu 30°C. Penghitungan jumlah totalkoloni yang timbul dan jumlah clear-zonedilakukan setiap hari selama 30 hari. Masing-masing angka ini menunjukkkan jumlah totalmikroorganisme dan jumlah mikroorganismepengurai poliester. lumlah total koloni danjumlah clear-zone dinyatakan dalam CFU

(satuan pembentukan koloni) per gram sampeltanah.

Gambar 1. Hubungan antara titik leleh (Tm)poliester alifatik dengan daya degradasi ensimlipase. PEA: poli(etilena adipat); PEAz:poli(etilena azelat); PESu: poli(rtilena suberat);PESE: poli(etilena sebakat); PEDe: poli(etilenadekametilat); PBS: poli(butilena suksinat);PBA: poli(butilena adipat); PBSE: po Iibutilena sebakat); PHSE: poli(heksametilenasebakat); PCL: poli(kaprolakton); PPL:

poli(propiolakton).

Penyebaran Mikroorganisme PenguraiPCL, PHS daD PLA Di Lingkungan TanahHASIL DAN PEMBAHASAN

Degradasi Poliester Alifatik oleh LipaseGambar 1 menunjukkan hasil

degradasi poliester alifatik oleh lipase. Terlihatbahwa semakin tingginya titik leleh daripoliester alifatik, maka kadar TOC yangterlarut semakin rendah. Hal ini disebabkankarena semakin tingginya titik leleh suatupolimer maka interaksi antara rantai polimersemakin kuat dan ikatan sesama rantai polimermenjadi semakin kuat. Lipase tidak dapatmenyediakan energi yang dapat memutuskanikatan antar rantai polimer tersebut.

Untuk degradasi PLA, dilaporkan olehWilliams bahwa ensim proteinase-K dari jamurTritirachium album mampu mendegradasiPLA secara efektip9J.

320

Pacta sampel tanah dimana cleat.-zoneteramati, kami menghitung persentase jumlahclear-zone relatif terhadap jumlah totalmikroorganisme. Didapatkan bahwa persc~ntasejumlah mikroorganisme pengurai PCL, PBSdaD PLA masing-masing adalah 0.08 sampai11.0%, 0.1 sampai 8.0% daD kurang dari

0.001%. Nishida et.al. melaporakan t)ahwapenyebaran mikroorganisme pengurai PHBtersebar luas di lingkungan tanah, dl~nganpresentasi jumlah mikroba pengurai terli1adapjumlah total mikroorganisme sebesar 0.01sampai 11.0% [7), Terlihat di sini, meskipunpenyebaran mikrooorganisme pengurai PBSlebih sempit bila dibandingkan d4~ngan

penyebaran mikroorganisme pengurai PCL,namun presentasi jumlah mikroorgal:lismepengurai dari kedua poliester terse but h:ampirsarna. Sedangkan mikroorganisme pengurai

PLA, disamping penyebarannya yang sangatterbatas, tetapi jumlahnya-pun san~at sedikit.

Gambar 2 menunjukkan koloni-kolonidari mikroorganisme yang tumbuh pada cawanagar berisikan emulsi PCL setelah 1 minggukultivasi. Terlihat adanya beberapa koloni~/ar,g membentuk clear-zone. Clear-zone initer1)~ntuk karena koloni memproduksi ensimvanr; dapat melarutkan PCL, dan kemudiandigunakannya sebagai sumber karbon.

Penghitungan jumlah total koloni danjumlah clear-zone ini kami lakukan setiap hari.Gambar 3 menunjukkan hubungan antarajumlah total mikroorganisme dengan jumlahclear-zone pad a cawan berisilkan emulsi PCL,PHS dan PLA setelah 30 hari kultivasi. Dari 45sampel tanah yang kami selidiki, jumlahJampel dimana clear-zone teramati adalahsebanyak 33 sam pel untuk PCL, 19 sampeluntuk PHS dan 1 sampel untuk PLA.Mikroorganisme pengurai PCL terse bar luas di

lingkungan tanah, sedangkan mikroorganismepengurai penyebarannya relatif lebih terbatas.Dan mikroorganisme pengurai PLA sangat

sempit penyebarannya.

Gambar 2. Cawan agar berisikan emulsi PCL setelah 7 hari kultivasi.

321

-;;c.EcII)

a.~~£II)

E-II)

C~CI

00t

ECICO

'6..c,AIC

Gambar 3. Hubungan antarajumlah total mikroorganisme danjumlah clear-zone pada cawan agarberisikan PCL, PES dan PLA.

KESIMPULANPolester alifatik merupakan bahan

plastik ramah lingkungan yang sangatmenjanjikan karena telah terbukti sifatnyayang dapat terurai \)leh ensim seperti lipase.Daya degradasi lipase terhadap poliesteralifatik menurun dengan semakin tingginyatitik leleh dari poliester alifatik. Studiekologi kami membuktikan bahwamikroorganisme pengurai poliester alifatikterdapat di lingkungan tanah., danpenyebarannya berbeda untuk masing-masing poliester alifatik.

DAFTAR PUSTAKA1. Anonymous, Studi Tentang Industri

danPernasaran Plastik di Indontsia,1(1992),PT Capri con, IndonesiaConsult Inc. ,Jakarta.

2. H. BRANDL, R.A. GROSS, R.W.LENZ and FULLER,Adv .Biochem. Eng.Biotechnol. 41 (1990) 77.

3. R. T. DARBY and A.M. KAPLAN,Appl. Microbiol. 16 (1968) 900.

4. Y. TOKIWA and T. SUZUKI,I. FERMENT. Technol. 52 (1974) 393.

5. Y. TOKIWA, et.a/., I. FERMENT.Technol. 54(1976) 603.

6. Y. TOKIW A and T. SUZUKI, Nature270 (1977)76.

7. H. NISHIDA and Y. TOKIWA, J.Environ. Polym. Degrad. 3 (1991) 227.

8. H. PRANAMUDA, Y. TOKIWA, H.TANAKA, Appl. Environ. Microbiol.61 (1995) 1828.

9. D.F. Wll..LIAMS, Eng. Med. 10 (1981)5.

322