Abstrak. Pada penelitian ini, produksi plastik polihidroksialkanoat ...

Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN : 978-602-0951-00-3 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 20 September 2014

B - 90

EFEK PENAMBAHAN PEG 400 PADA PLASTIK PHA YANG DIPRODUKSI DARI Ralstonia pickettii EFFECT OF ADDITION OF PEG 400 IN PHA PLASTICS PRODUCED FROM Ralstonia pickettii

Asranudin, Surya Rosa Putra

Jurusan Kimia FMIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Jl. ITS Raya (60111), Telp. 031-5994251. Email :[email protected]

Abstrak. Pada penelitian ini, produksi plastik polihidroksialkanoat (PHA) yang diproduksi dari

bakteri Ralstonia pickettii dan efek penambahan PEG 400 terhadap plastik PHA tersebut akan diteliti. R. pickettii merupakan bakteri Gram negatif, berbentuk batang dan umumnya terdapat di tempat lembab seperti tanah, sungai dan danau. Ralstonia pickettii merupakan organisme oligotrofik, yaitu mampu bertahan di daerah dengan kadar nutrisi yang sangat rendah. Plastik PHA merupakan salah satu jenis bioplastik yang bersifat biodegradable. Plastik PHA akan diproduksi dengan metode fermentasi cair dengan sistem batch. Plastik PHA yang dihasilkan akan dimodifikasi dengan penambahan polietilen glikol (PEG) 400 dengan variasi konsentrasi 20%, 40% dan 65%. Hasil produksi dalam media 1 L menunjukkan jumlah biomassa (kering) sebesar 0,56 g/L media dan PHA murni yang didapatkan sekitar 20% per bobot biomassa kering. Spektrum FT-IR dari bioplastik PHA menunjukkan puncak-puncak serapan yang mencirikan polihidroksibutirat (PHB) yaitu ikatan OH karboksilat, CH, C=O ester, CH2, C-O-C polimer, C-C, dan CH3. Analisa morfologi dengan SEM (Scanning Electron Microscopy) menunjukkan bahwa peningkatan konsentrasi PEG sebagai pemlastis diperoleh struktur film PHA semakin rapat. Sifat mekanik yang ditunjukkan dengan kuat tarik dan perpanjangan putus. Hasil kuat tarik menunjukkan semakin tinggi dengan meningkatnya konsentrasi PEG 400 yaitu 0,0679 ± 0,030, 0,0997 ± 0,025, 0,1314 ± 0,016 dan 0,1586 ± 0,021 masing-masing untuk konsentrasi PEG 400 20%, 40% dan 65% (b/b), begitupula untuk nilai % perpanjangan putus semakin tinggi dengan meningkatnya konsentrasi PEG yaitu 4,889 ± 0,215% , 7,689 ± 0,119% dan 12,489 ± 0,312%, masing-masing untuk konsentrasi PEG 20%, 40% dan 65% (b/b). Kata kunci: Bioplastik, PHA, Ralstonia pickettii, PEG 400.

Abstract. In this study, the production of polyhydroxyalkanoate (PHA) plastics produced from Ralstonia pickettii and the effect of the addition of PEG 400 in PHA plastics will be investigated. Ralstonia pickettii is a Gram-negative bacteria, rod-shaped and generally found in damp places such as land, rivers and lakes. R. pickettii is an oligotrophic organism, which is able to survive in areas with very low levels of nutrients. PHA plastics is one type of biodegradable bioplastics. PHA plastics will be produced by liquid fermentation method with a batch system. PHA plastics produced will be modified by the addition of polyethylene glycol (PEG) 400 with various concentration 20%, 40% and 65%. The production in media 1 L, resulted biomass concentration of 0.56 g/L with pure PHA yield for about 20% of dry cell weight. The FTIR spectra for PHA bioplastic, as showed by the absorption peaks, identified the existence of polyhydroxybutirate (PHB) which is OH carboxyl bond, CH, C=O ester, CH2, C-O-C polymer, C-C, and CH3. Morphological analysis by SEM (Scanning Electron Microscopy) showed that increasing the concentration of PEG as a plasticizer obtained PHA film structure more rigid. Mechanical properties as indicated by the tensile strength and elongation at break. The results showed higher tensile strength with increasing concentrations of PEG 400 is 0.0679 ± 0.030, 0.025 ± 0.0997, 0.1314 ± 0.016 and 0.1586 ± 0.021, respectively for the concentration of PEG 400 20%, 40% and 65% (w/w), Similarly to the value of% elongation at break higher with increasing concentration of PEG is 4.889 ± 0.215%, 7.689 ± 0.119% and 12.489 ± 0.312%, respectively for the concentration of PEG 20%, 40% and 65% (w/w).

Keywords: Bioplastic, PHA, Ralstonia pickettii, PEG 400.


B - 91

PENDAHULUAN

Peningkatan eksploitasi lingkungan saat ini yang disebabkan oleh tangan manusia akibat kelalaian dan kecerobohan dalam memanfaatkan lingkungan telah menjadi isu penting yang memprihatinkan bagi seluruh dunia. Akumulasi pertumbuhan sampah plastik telah menjadi faktor utama bagi kerusakan lingkungan akibat pembuangan sembarangan serta waktu degradasi yang panjang, yang diperkirakan seratus tahun atau lebih (Albertssson dan Huang, 1995). Dengan demikian, saat ini penelitian semakin berfokus pada pengembangan polimer yang menggabungkan fungsi yang diinginkan serta degradasi cepat saat berada dilingkungan sehingga menjadi alternatif polimer sintetik atau non-biodegradable, terutama untuk aplikasi waktu degradasi yang lama tidak diharapkan. Polimer biodegradable atau bioplastik sesuai dengan konteks ini sangat cocok terutama berasal dari polimer poliester yang pada prinsipnya mudah terdegradasi (Philip dkk, 2007).

PHA (Polihidroksialkanoat) adalah poliester termoplastik yang dihasilkan melalui fermentasi bakteri. PHA mempunyai waktu biodegradasi singkat. PHA adalah turunan poliester sebagai penyimpanan karbon intraseluler dan sumber energi pada kondisi defisiensi nutrisi. Polihidroksialkanoat (PHA) dapat diproduksi dari berbagai mikroorganisme yaitu bakteri dan eukariot. Bakteri penghasil PHA terdiri dari strain asli dan rekombinan. Beberapa bakteri yang telah digunakan untuk sintesis PHA antara lain: Chromatium (Jia dkk, 2000), Bacillus sirculans (Pinkee dkk, 2012), Bacillus thuringiensis (Pal dkk, 2009), Micrococcus sp. (Vijayendra dkk, 2009), beberapa jenis bakteri tersebut merupakan bakteri Gram positif. Selain bakteri Gram positif tersebut, terdapat beberapa jenis strain bakteri lain yang telah digunakan yaitu bakteri Gram negatif antara lain: Caryophanon (Jendrossek dkk, 2006), Corynebacterium (Jo dkk, 2007), Rhodopseudomonas (Smith dkk, 2008),

Cupriavidus Necator (Radhika dkk, 2012) dan Ralstonia eutropha (Park dan Kim, 2011). Biosintesis PHA saat ini telah dipelajarai melalui delapan jalur. Jalur pertama melibatkan tiga enzim kunci yaitu β-ketothiolase, asetoasetil-CoA reduktase dan PHA sintase yang dikode oleh gen PhaA, phaB dan phaC. Ralstonia eutropha merupakan strain yang telah dikaji untuk menentukan jalur biosintesis PHA (Sudesh dkk, 2000). Terdapat 12 spesies Ralstonia yang telah teridentifikasi (Genomes OnLine Database, 2014) Ralstonia pickettii merupakan salah satu species dari genus Ralstonia yang banyak dijumpai pada lingkungan tandus, tercemar, oligotrofik atau lingkungan dengan nutrisi terbatas. Ryan (2007) melaporkan bahwa Ralstonia picketti mampu mendegradasi polutan xenobiotik seperti toluena dan trikloroetilena sebagai limbah industri. Kemampuan memetabolisme berbagai sumber karbon sehingga Ralstonia pickettii menarik untuk diteliti kemampuannya dalam menghasilkan polihidroksialkanoat yang dapat dimanfaatkan sebagai cadangan energi dalam melakukan fungsi metabolik ketika berada pada kondisi lingkungan dengan nutrisi terbatas. Pendekatan tersebut memberikan argumen yang kuat bahwa kompleksitas enzim pada Ralstonia pickettii sangat tinggi sehingga mempunyai kemampuan seperti yang disebutkan di atas.

PHA memiliki potensi yang sangat tinggi untuk aplikasi industri karena sifat kristalinitas tinggi (50-70%), modulus elastisitas 3 GPa dan kekuatan tarik saat putus dari 25 MPa. Namun, PHA memiliki beberapa kelemahan, seperti kerapuhan yang tinggi, perpanjangan tarik putus 3-5%, dan stabilitas termal rendah (Pachekoski dkk, 2009). Salah satu alternatif untuk meningkatkan sifat termal PHA dilakukan pencampuran dengan polimer lain. Beberapa contoh polimer alam yang digunakan sebagai pencampur PHA yaitu polimer turunan selulosa seperti pati (Godbole dkk, 2003), poli (β-propiolaktona) (Kumagai dan Doi, 1992a),


B - 92

poli (vinil asetat) (Kumagai dan Doi 1992b), poli (epiklorohidrin) (Sadocco dkk, 1993), poli (fluorida vinilidena) (Liu dkk, 2005), poli (metil metakrilat) (Lotti dkk, 1993), etilena-propilena (Abbate dkk, 1991), PEG (polietilen glikol) (Parra dkk, 2006) dan PP (polipropilena) (Pachekoski dkk, 2009).

Polimer sintetik polietilen glikol (PEG) akan digunakan sebagai pencampur PHA pada penelitian ini, diharapkan dapat merubah sifat fisik dan mekanik PHA tersebut. Senyawa kimia golongan ester dari asam ftalat biasa digunakan sebagai pemlastis plastik PVC. Namun akhir-akhir ini golongan ftalat mulai jarang digunakan sebagai pemlastis, karena senyawa ini terbukti bersifat karsinogen dan dapat menggangu kerja sistem endokrin tubuh (Lawrence, 1999). Sama halnya dengan DMF, dietilen glikol juga disinyalir sebagai senyawa beracun. Berbeda dengan kedua senyawa tersebut, polietilen glikol (PEG) lebih aman digunakan sebagai pemlastis/pencampur karena tidak beracun tidak berbau, tidak mengiritasi kulit dan tidak mudah menguap. Polietilen glikol telah digunakan sebagai pemlastis PHA oleh Rais (2006), Parra dkk (2006) dan Zhang (2010), hasil yang diperoleh telah menunjukkan perubahan sifat fisik dan mekanik yaitu penurunan derajat kristalinitas dan titik leleh dibandingkan polimer PHA murni.

BAHAN DAN METODE

Alat

Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah peralatan-peralatan gelas, pengaduk magnetik (stirer), kondensor refluks, shaker inkubator (Gerhardt), autoclave (TOMY, ES-315), neraca analitik (OHAUS) untuk penimbangan sampel, termometer, cetakan kaca, oven, freeze dryer (Snijders), spektrofotometer SP-300 (Optima), sentrifuge (IEC CL40R), rotary evaporator (EYELA, N-10001), Fourier Transform-Infrared (FT-IR) (Shimadzu Instrumen Spectrum One 8400S), Scanning Electron

Microscopy (SEM) (Zeiss EVO MA-10) untuk pengujian hasil polihidroksialkanoat (PHA) yang telah diproduksi dan modifikasi PHA dan Strograph VG10-E untuk pengujian sifat modikasi PHA.

Bahan

Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah strain Ralstonia pickettii NBRC 102503 sebagai sumber bakteri penghasil bioplastik, Nutrient Agar (NA) (Merck) sebagai media agar kultur bakteri, Nutrient Broth (NB) (Sigma-Aldrich) sebagai media cair kultur bakteri, glukosa (Merck) sebagai sumber karbon, metanol (Merck, 98%) sebagai reagen untuk ekstrak PHA dicampur dengan kloroform, kloroform (Merck), PEG 400 (Merck) sebagai pemlastis, akuades, tetrahidrofuran (Sigma-Aldrich, ≥99,9%), asam periodat (Merck), asetat anhidrat (Sigma-Aldrich, 99,8%), piridin (Merck, 99,8%) dan asam klorida sebagai reagen untuk proses degradasi dan asetilasi.

Prosedur Penelitian

Persiapan Kultur dan Media Kultivasi

Isolat bakteri yang digunakan adalah Ralstonia pickettii yang diperoleh dari NBRC (National Institute of Technology and Evaluation 2-5-8 Kasuza-Kamatari Kisarazu-shi.Chiba, Japan. R. pickettii dikultivasi kedalam media Nutrient Broth (NB) (37oC, 200 rpm), setelah itu bakteri ditumbuhkan dalam media padat Nutrient Agar (NA) yang diinkubasi pada suhu 37°C.

Pembuatan Kurva Pertumbuhan

Satu ose bakteri hasil biakan pada media padat Nutrient Agar (NA) terlebih dahulu diaktifkan ke dalam media cari NB 10 mL. Biakan ini selanjutnya dishaker dengan kecepatan 200 rpm selama 24 jam. Kemudian biakan dipindahkan ke media cair 150 mL, digoyang hingga homogen. Biakan bakteri diambil 1 mL, kemudian ditambah


B - 93

4 mL akuades steril sehingga total volume 5mL, kemudian diukur absorbansinya setiap satu jam dengan spektrofotometer spectronic pada λ = 550 nm dan apabila biakan telah mencapai fasa kematian ditandai dengan adanya penurunan absorbansi, pengukuran dihentikan.

Produksi PHA

Produksi PHA dari bakteri Ralstonia pickettii menggunakan media NB serta glukosa sebagai sumber karbon. Sekitar 3% media kultivasi (NB, pH=7) diambil sebagai pre kultur sebelum ditumbuhkan pada media kultivasi volume 1L. Glukosa dengan konsentrasi 20 mg/L yang ditambahkan kedalam media kultivasi sebagai sumber karbon. Kultivasi dilakukan selama 48 jam, 200 rpm (shaker inkubator) berdasarkan kurva pertumbuhan bakteri yang memasuki fase pertumbuhan stasioner.

3.2.4 Proses Ekstraksi PHA

Sel dipisahkan dari cairan kultivasi dengan metode sentrifugasi (3000 rpm). Sel yang diperoleh kemudian dicuci dengan akuades. Setelah proses pencucian dengan akuades, sel yang diperoleh dikeringkan dengan metode freeze dryer. Kemudian, sel yang telah kering ditimbang. Setelah itu, dilakukan proses ekstraksi dengan kloroform (Rais dkk, 2007). Sebanyak 1 gram sel kering dicampur dengan 100 mL campuran klorofom, kemudian dimasukkan kedalam labu bundar dan dilakukan refluks pada suhu 50°C selama 12 jam. Setelah proses refluks, hasil disaring dan filtrat diuapkan menggunakan evaporator untuk mendapatkan PHA.

Karakterisasi

Karakterisasi plastik PHA dan PHA termodifikasi menggunakan Fourier Transform-Infra red (FT-IR) untuk mengetahui terbentuknya plastik PHA dengan pendekatan gugus fungsi, Scanning Electron Microscopy (SEM) untuk mengetahui morfologi plastik PHA dan plastik

PHA termodifikasi PEG 400 dan Universal Testing Machine (UTM) untuk mengetahui sifat mekanik plastik PHA dan plastik PHA termodifikasi PEG 400.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pertumbuhan dan Kurva Pertumbuhan Ralstonia pickettii

Pertumbuhan mikroba memerlukan nutrisi dengan komposisi tertentu untuk tumbuh dan membelah diri, komposisi nutrisi untuk pertumbuhan mikroba berbeda bagi mikroba yang berbeda. Perbedaan komposisi nutrisi meliputi kandungan protein, asam nukleat, lipid dan sejumlah mineral yang dibutuhkan untuk menjalankan fungsi khusus (suhartono,1990). Ralstonia pickettii tumbuh baik pada media nutrien broth dan nutrien agar. Pembiakan Ralstonia pickettii dari isolat murni diawali pada media nutrien broth kemudian dilanjutkan pada penumbuhan pada media padat nutrien agar bertujuan untuk regenerasi dan peremajaan sel-sel bakteri. Kondisi pertumbuhan Ralstonia pickettii tumbuh baik pada suhu 37 oC dan 200 rpm. Untuk kepentingan panen biomassa, sehingga dibuat kurva pertumbuhan untuk mengetahui profil pertumbuhan Ralstonia pickettii pada setiap fase pertumbuhannya. Kurva pertumbuhan tersebut dapat diamati pada Gambar 1.

Gambar 1. Kurva pertumbuhan R. pickettii.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

1 6 11 16 21 26 31

Opt

ical

den

sity

Waktu (Jam)


B - 94

Kurva pertumbuhan merupakan kurva yang menggambarkan waktu optimum untuk produksi biomassa secara maksimal. Metode yang digunakan adalah secara turbidimetri atau penentuan optical density (OD). Metode turbidimetri didasarkan pada penghamburan cahaya oleh larutan cuplikan yang diukur menggunakan spektrofotometer dengan λ550nm.

Pertumbuhan sel bakteri biasanya mengikuti suatu pola pertumbuhan berupa kurva pertumbuhan sigmoid (Gambar 1). Perubahan kemiringan pada kurva tersebut menunjukkan transisi dari satu fase perkembangan ke fase lainnya. Fase pertumbuhan ralstonia pickettii terbagi menjadi empat fase yakni, fase lag (adaptasi), fase log /eksponensial, fase stasioner dan fase kematian.

Fase lag Ralstonia pickettii berada pada rentang waktu 0 – 4 jam. Pada fase ini, belum terjadi pertambahan populasi, tetapi sel mengalami perubahan dalam komponen makromolekul, aktivitas metabolik, dan bertambahnya ukuran sel.

Fase eksponensial terjadi pada rentang waktu 5 – 19 jam. Pada fase ini sel Ralsonia pickettii telah mampu beradaptasi terhadap lingkungan media pertumbuhannya. Pada fase eksponensial jumlah sel yang hidup lebih banyak dibandingkan sel yang mati atau pertumbuhan seimbang, kecuali terjadi perubahan medium secara signifikan. Sel telah melalakukan proses metabolisme yang aktif untuk pemenuhan nutrisi, sel melakukan pembelahan dengan kecepatan konstan yang terekspresikan pada fungsi eksponensial kurva pertumbuhan dari jam ke 5 sampai ke 19. Pertumbuahan bakteri sangat bergantung pada ketersediaan nutrisi pada media pertumbuhannya. Perubahan jumlah nutrisi akan mempengaruhi fase pertumbuhan sel yaitu dengan berkurangnnya nutrisi akan mempelambat proses pertumbuhan pada rentang waktu tertentu. Keadaan seperti ini merupakan fase stasioner dimana jumlah sel yang hidup sama dengan

jumlah sel yang mati atau fase dimana konsentrasi sel maksimal. Fase stasioner Ralstonia pickettii mulai pada jam ke 21 sampai jam ke 27. Fase terakhir dalam siklus pertumbuhan bakteri adalah fase kematian, yang menunjukkan bawha laju kematian sel bakteri lebih cepat daripada laju penggandaan sel. Pada fase stasioner kebanyakan bakteri metabolit sekunder diproduksi pada fase ini yang dapat disimpan dalam sel atau disekresikan keluar sel.

Wang dkk (1979) menyatakan bahwa proses metabolisme dan akumulasi produk di dalam sel masih terjadi pada fase stasioner. Massa sel total mungkin konstan, akan tetapi jumlah sel hidup mungkin menurun. Dengan menurunnya jumlah sel hidup, maka terjadilah lisis sel sehingga massa sel menurun. Produk-produk lisis sel dalam media memungkinkan terjadinya periode pertumbuhan sekunder yang disebut pertumbuhan kriptik (cryptic). Fase kriptik dapat di amati pada jam ke 27 pada kurva pertumbuhan. Produksi PHA/Biomassa

Produksi PHA oleh Ralstonia pickettii menggunakan prinsip fermentasi sistem batc, yakni semua nutrisi dicampur sekaligus dalam media pertumbuhan. Proses produksi PHA tidak jauh berbeda dengan proses penentuan kurva pertumbuhan, dimana jenis substrat dan kondisi pertumbuhan adalah sama. Substrat yang digunakan adalah nutrient broth, suhu 37 oC dan agitasi 200 rpm. Waktu memanen biomassa sesuai dengan kurva pertumbuhan yaitu jam ke 27 pada akhir fase stasioner. Pemanenan difase stasioner diperkirakan jumlah akumulasi PHA dalam sel Ralstonia pickettii maksimal (Rais, 2007; Atifah, 2006 dan Pal, 1998). Waktu pemanenan difase stasioner juga dilakukan oleh Rais PHA sebagai cadangan makanan harus dipertimbangkan pada waktu pemanenan, karena didalam sel bakteri penghasil PHA tentunya memiliki enzim PHA


B - 95

depolimerase yang dapat mendegradasi PHA untuk konversi sebagai energi dalam kondisi nutrisi terbatas untuk mendukung proses metabolisme sel (Sudesh dkk, 2000). Biomassa hasil inkubasi dipisahkan dengan prinsip sentrifugasi yang selanjutnya diliofilisasi untuk mendapatkan sel kering. Biomassa kering yang dihasilkan adalah 0,56 g/l. Nilai ini berbeda yang didapat oleh Marcio dkk (2013) jumlah sel kering yang dihasilkan 4,34 gram dengan memanfaatkan campuran asam asetat dan butirat sebagai sumber karbon. Kedua molekul tersebut merupakan molekul yang mudah untuk dikonversi menjadi asetil-CoA sehingga jumlah akumulasi pada Cupriavidus necator jauh lebih banyak dibandingkan dengan penelitian ini yang memanfaatkan glukosa sebagai sumber karbon yang membutuhkan tahap konversi yang lebih

banyak untuk menjadi asetil-CoA sebagai senyawa antara yang akan konversi selanjutnya menjadi asesoasetil-CoA hingga menjadi monomer PHA. Selain itu yang menjadi perbedaan utama pada proses produksi adalah fermentor yang digunakan pada penelitian ini cukup sederhana. Ralstonia pickettii merupakan bakteri obligat aerob yang membutuhkan oksigen bebas untuk hidupnya. Organisme ini menggunakan oksigen pada fosforilasi oksidatif. Sehingga semakin tersedianya oksigen, semakin banyak energi yang tersedia untuk melakukan oksidasi (Morasch et al., 2002).

Sejauh ini biosintesis PHA telah diringkas dalam delapan jalur. Salah satu jalur yang dijelaskan adalah Jalur I melibatkan tiga enzim kunci β-ketothiolase, asetoasetil–CoA reduktase,

dan PHA sintase yang dikode oleh masing-masing gen PhaA, phaB, dan phaC. Biosintesis P(3HB) diawali oleh kondensasi dua molekul asetil-CoA oleh β-ketothiolase (PhaA) untuk membentuk asetoaseti-CoA. Selanjutnya, tergantung NADPH asetoasetil-CoA reduktase (PhaB) mengkatalisis reduksi asetoasetil-CoA menjadi isomer (R)-3- hidroksibutiril-CoA yang kemudian dipolimerisasi menjadi P(3HB) oleh PHA sintase (PhaC) (Sudesh dkk, 2000). Ralstonia eutropha merupakan spesies yang telah dipelajari untuk mengetahui jalur biosintesis ini. Jalur terkait melibatkan degradasi PHA dikatalisis oleh PHA depolymerase, hidrolase dimer, dehidrogenase 3-hidroksibutirat dan asetoasetil-CoA sintase membantu mengatur sintesis PHA dan degradasi. jalur ini ditemukan pada strain Aeromonas hydrophila, Pseudomonas stutzeri, R. eutropha dan Oleovorans

Pseudomonas (Sudesh dkk, 2000). Gambar 2 mengilustrasikan langkah-langkah jalur I yang telah diketahui melalui Ralstonia eutropha.

Ekstraksi PHA

Organisme yang memproduksi PHA, PHA diakumulasi sebagai granula yang dikelilingi oleh membran yang dibentuk berupa monolayer posfolipid dan proteins (Gambar 3) (Uchino dkk, 2007 dan Sudesh dkk, 2000). Hal tersebut sesuai dengan Uchino dkk (2007) PHA sejenis senyawa lipid yang disintesis oleh banyak mikroorganisme sebagai bentuk penyimpanan nutrisi. Setelah sintesis, PHA terakumulasi dalam bentuk butiran dalam sitoplasma sel bakteri. Ukuran rata-rata butiran PHA adalah sekitar 0,2-0,5 µm.

H3C SCoA

O2

SCoA

O

H3C

OSCoA

SCoA

O

H3C

OH

PhaA PhaB

NADPH NADP+

PhaC

SCoA

O

O

O

CH3

n

Asetil-CoA Asetoasetil-CoA 3HB-CoA P(3HB)

Gambar 2. Jalur metabolit sintesis PHB (Rehm, 2003).


B - 96

Gambar 3. Struktur granula PHA.

Sel kering yang diperoleh pada penelitian ini berupa tepung yang selanjutnya diekstrak dengan cara reflux menggunakan campuran pelarut kloroform perbandingan 1:1 (b/v). Proses refluks bertujuan untuk lisis sel agar PHA keluar dari dalam sel. PHA memiliki kelarutan sangat baik dalam kloroform sehingga digunakan pada proses refluks.

Proses refluks dilakukan ± 5 jam pada suhu titik didih kloroform. Didalam sel bakteri, selain komponen lemak, protein juga cukup banyak yang keluar saat sel mengalami lisis sehingga diperlukan proses filtrasi menggunakan saringan masir. Proses selanjutnya adalah isolasi PHA yang terlarut dalam kloroform dengan cara epavorasi. Yield pada penelitian ini 20 % dari berat sel kering. Hasil yang didapatkan bergantung pada beberapa hal, diantaranya proses ekstraksi atau tekhnik isolasi, bahan pengekstrak, jenis substrat serta strain yang digunakan. Metode yang digunakan pada penelitian ini seperti yang dilakukan oleh Valappi dkk (2007) dengan yield 30%. Sedangkan Chen dkk (2001) yield 90% menggunakan metode digestion (Betain-EDTA garam dinatrium) dengan C. necator sebagai mikroorganisme penghasil. PHA yang diperoleh pada proses ekstraksi selanjutnya akan dibentuk lembaran berupa film (Gambar 4) yang selanjutnya akan digunakan pada beberapa proses karakterisasi. Film PHA dibuat

dengan memvariasikan campuran PEG 400 sebagai pemlastis (konsentrasi PEG 400 20%, 40% dan 65%).

Gambar 4. Film plastik PHA/PEG 35/65%.

Karakterisasi

FT-IR (Fourier Transform-Infra Red)

Karakterisasi spektroskopi inframerah bertujuan untuk mengetahui gugus fungsi pada sampel sehingga dapat membantu memberikan informasi dalam memperkirakan struktur molekul. Pada penelitian ini FT-IR digunakan untuk menentukan karakteristik PHA yang diproduksi dengan pendekatan gugus fungsi pada spektra FT-IR tersebut. Hasil spektroskopi FT-IR dari sampel dan standar PHA komersil ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6.

Gambar 5. Spektra FT-IR PHA Ralstonia

pickettii.

%T


B - 97

Hasil spektra FT-IR pada sampel PHA menunjukkan adanya 5 puncak utama yaitu pada bilangan gelombang 1046-1185 cm-1, 1723 cm-1, 2926 cm-1, 2974 cm-1 dan 3450 cm-1. Puncak tersebut sesuai dengan PHB komersil yaitu pada bilangan gelombang 1054 cm-1, 1726 cm-1, 2933 cm-1, 2984 cm-1 dan 3440 cm-1. Galo dkk (2006) melaporkan bahwa beberapa puncak yang muncul pada bilangan gelombang tertentu pada spektra FT-IR PHB komersil antara lain 1054 cm-

1 merupakan vibrasi ikatan C-O, 1726 cm-1 vibrasi ikataan C=O pada ester, 2933 cm-1 dan 2984 cm-1 vibrasi ikatan CH sp2 serta 3440 cm-1 vibrasi ikatan O-H.

Gambar 6. Spektra FT-IR PHB komersil (Galo dkk, 2002).

Zribi-Maaloul dkk (2013) telah memproduksi PHA dari Bacillus cereus dan diperoleh hasil karakteristik puncak yang hampir sama dengan spektra FT-IR PHA dari Ralstonia pickettii yaitu pada bilangan gelombang 1220 cm-1, yang merupakan vibrasi C-O-C, 1675-1735 cm-1 untuk vibrasi ikatan ester karbonil, 1530 cm-1 adalah karakteristik dari vibrasi CH dan daerah 2930 cm-1 dan 3272 cm-1 untuk vibrasi kelompok OH. Begitupula dengan PHA yang diproduksi dari Pseudomonas guezennei oleh Simon-Colin dkk (2008) menunjukkan struktur khas poliester dengan puncak serapan yang intens sesuai dengan pita stretching gugus karbonil ester (CO) pada 1723 cm-1 dan tiga pita yang intens antara 2951

dan 2961 cm-1 merupakan mode stretching asimetrik dan simetrik CH3 dan CH2. Pita stretching C=O pada daerah 1740-1720 cm-1 masing-masing merupakan vibrasi kelompok karbonil amorf dan kristal.

SEM (Scanning Electron Microscopy)

Teknik yang umum dipakai untuk karakterisasi material padatan adalah mikroskopi. Teknik mikroskopi bertujuan untuk mendapatkan gambar yang kemudian digunakan untuk mempelajari morfologi, struktur, dan berbagai macam bentuk termasuk butiran, fasa, fasa terlekat, partikel terlekat, dan sebagainya.

Berdasarkan hasil SEM pada Gambar 7. menunjukkan bahwa polimer polihidroksialkanoat murni memiliki struktur morfologi yang berpori dengan kerapatan yang rendah, tetapi dengan penambahan 20% PEG terhadap PHA menyebabkan perubahan morfologi yang lebih rapat. Kemudian dengan meningkatnya PEG (40%) yang ditambahkan pada PHA menghasilkan bagian yang semakin rapat, bahkan dengan kosentrasi PEG yang paling tinggi pada penelitian ini yaitu 65% (Gambar 7d) menghasilkan permukaan yang sangat rapat sehingga seolah-olah tidak terdapat pori.

Berdasarkan penelitian Shamala dkk (2009) yang telah memproduksi PHA dari bakteri Rhizobium meliloti dan Escherichia coli dengan PEG sebagai campuran polimer, hasil analisa dengan SEM yang diperoleh menunjukkan bahwa dengan penambahan PEG pada PHA dari kedua bakteri tersebut diperoleh struktur yang semakin rapat dengan karakter film yang baik dan menunjukkan permukaan dengan porositas tinggi.

%T


B - 98

Gambar 7. (a). PHA 100%, (b). PHA/PEG 80/20%, (c). PHA/PEG 60/40% (d). PHA/PEG 35/65%

UTM (Universal Testing Machine)

Aplikasi suatu polimer dapat diketahui melalui pengujian sifat mekanik. Dengan mengetahui sifat polimer maka polimer tersebut cocok untuk digunakan dalam bidang apa saja. Salah satu sifat fisik suatu polimer yang sering diujikan untuk mengetahui kualitasnya, terutama golongan plastik, adalah kuat tarik dan perpanjangan putus. Kuat tarik didefinisikan sebagai besarnya gaya yang dapat ditahan oleh suatu materi sampai materi tersebut putus. Hasil pengukuran kuat tarik bioplastik dengan konsentrasi PEG 400 20%, 40% dan 65% dapat dilihat pada Gambar 8.

±

Gambar 8. Grafik kuat tarik PHA/PEG (PHA 100%, PEG 20%, PEG 40%, PEG 65%)

Pada penelitian ini diperoleh hasil kuat tarik yang semakin tinggi dengan meningkatnya konsentrasi PEG yaitu 0,0679 ± 0,030, 0,0997 ± 0,025, 0,1314 ± 0,016 dan 0,1586 ± 0,021 masing-masing untuk %PEG 0, 20, 40 dan 65 (b/b). Peningkatan kuat tarik karena PEG 400 dapat bertindak sebagai pemlastis untuk melemahkan gaya antar molekul antara rantai polimer PHA dan meningkatkan fleksibilitas film PHA (Zhang, 2010). Rais (2007) melaporkan bahwa interaksi PEG 400 dan polimer PHA dapat meningkatkan kuat tarik. Interaksi tersebut diperkirakan dalam bentuk ikatan hidrogen antara gugus karbonil PHA dan gugus

d

Kua

t Ta

rik (

MPa

)

Konsentrasi PEG 400 (%)

c

b

a


B - 99

hidroksi pada PEG (Gambar 9) (Zhang 2010, Nur dkk, 2002).

Sifat fisik lain yang dianalis adalah uji perpanjangan putus, yakni menguji seberapa besar perubahan panjang yang terjadi akibat gaya yang diterima oleh material tersebut. Perpanjangan putus sangat dipengaruhi oleh kecepatan tarik. Bila kecepatan tarik diperkecil, maka perpanjangan bahan akan bertambah, yang mengakibatkan kurva tegangan–regangan menjadi landai sehingga modulus elastiknya menjadi kecil dan batas lumernya tidak jelas. Makin tinggi kecepatan tarik maka kuat putus dan modulus elastiknya makin besar, sedangkan perpanjangan menjadi kecil. Dengan demikian kecepatan tarik memberikan pengaruh besar pada sifat mekanik bahan polimer. Profil perpanjangan putus penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 10.

Gambar 10. Uji perpanjangan putus PHA/PEG (PHA 100%, PEG 20%, PEG 40%, PEG 65%).

Kecepatan tarik pada penelitian ini adalah 10 mm/menit dengan dengan hasil perpanjangan putus 1, 577 ± 0,212%, 4,889 ± 0,215%, 7,689 ± 0,119% dan 12,489 ± 0,312%, masing-masing untuk konsentrasi PEG 20%, 40% dan 65% (b/b). Parra dkk (2006) melaporkan hasil perubahan % perpanjangan putus PHA yang mencolok dengan kecepatan tarik 1 mm/detik. KESIMPULAN Hasil analisa karakteristik plastik PHA yang dihasilkan menunjukkan bahwa nilai kuat tarik dan perpanjangan putus meningkat dengan bertambahnya konsentrasi pemlastis (PEG 400), begitu pula morfologi plastik PHA/PEG dengan pori yang semakin rapat pada konsentrasi PEG yang semakin meningkat. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimakasih kepada Prof. Surya Rosa Putra atas saran dan bimbingan selama penelitian berlangsung.

DAFTAR PUSTAKA

Abbate, M., Martuscelli, E., Ragosta, G dan Scarinzi, G., 1991. Tensile properties and impact behaviour of poly(D(−)3-hydroxybutyrate)/rubber blends, Journal of Materials Science, 26, 1119–1125.

Konsentrasi PEG 400 (%)

Perp

anja

ngan

put

us (%

)

Gambar 9. Ilustrasi interaksi polimer PHA dan PEG 400 (Rais, 2007).


B - 100

Albertssson, A.C dan Huang, S.J., 1995. Degradable polymers, recycling and plastics waste management, 1st edition, New York, CRC.

Atifah, N., 2006. Pemanfaatan Hidrolisat Pati Sagu Sebagai Sumber Karbon Pada Produksi Bioplastik Polihidroksialkanoat Secara Fed-Batch oleh Ralstonia eutropha. Tesis. Sekolah Pascasarjana IPB, Bogor.

Chen, G.Q., Zhang, G., Park, S.J dan Lee, S.Y., 2001. Industrial scale production of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate), Applied Microbiology and Biotechnology, 57, 50–55.

Gao, K., 1993. Polyethylene glycol as an embedment for microscopy and histochemistry, CRC Press, 1-10.

Godbole, S., Gote, S., Latkar, M dan Chakrabarti, T., 2003. Preparation and characterization of biodegradable poly-3-hydroxybutyrate-starch blend films, Bioresource Technology, 86, 33–37.

Jia, Y., Kappock, T.J., Frick, T., Sinskey, A.J dan Stubbe, J., 200. Lipases provide a new mechanistic model for polyhydroxybutyrate (PHB) synthases: characterization of the functional residues in Chromatium vinosum PHB synthase, Biochemistry, 39, 3927–3936.

Jo, S.J., Matsumoto, K., Leong, C.R., Ooi, T dan Taguchi, S., 2007. Improvement of poly (3-hydroxybutyrate) [P(3HB)] production in Corynebacterium glutamicum by codon optimization, point mutation and gene dosage of P(3HB) biosynthetic genes, Journal Bioscience and Bioenginering, 104, 457–463.

Kumagai, Y dan Doi, Y., 1992a. Enzymatic degradation and morphologies of binary

blends of microbial poly(3-hydroxy butyrate) with poly(e-caprolactone), poly(1,4-butylene adipate) and poly(vinyl acetate), Polymer Degradation and Stability, 36, 241–248.

Liu, J., Qiu, Z dan Jungnickel, B-J., 2005. Crystallization and morphology of poly(vinylidene fluoride)/poly(3-hydroxybutyrate) blends. III. Crystallization and phase diagram by differential scanning calorimetry, Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 43, 287–295.

Márcio Inomata Campos, M.I., Figueiredo, T.V.B., Sousa, L.S dan Druzian, J.I., 2014. The influence of crude glycerin and nitrogen concentrations on the production of PHA by Cupriavidus necator using a response surface methodology and its characterizations, Industrial Crops and Products, 52, 338– 346.

Morasch, B., Richnow, H.H., Schink, B., Vieth, A. dan Meckenstock, R.U., 2002. Carbon and hydrogen stable isotope fractionation during aerobic bacterial degradation of aromatic hydrocarbons. Applied and Environmental Microbiology, 68(10), 5191-5194.

Pachekoski, W.M., Agnelli, J.A.M dan Belem, L.P., 2009. Thermal, Mechanical and Morphological Properties of Poly (Hydroxybutyrate) and Polypropylene Blends After Processing, Materials Research, 12, 159-164.

Parra, D.F., Fusaroa, J., Gaboardib, F dan Rosab, D.S., 2006. Influence of poly (ethylene glycol) on the thermal, mechanical, morphological, physical-chemical and biodegradation properties of poly (3-hydroxybutyrate), Polymer Degradation and Stability, 91, 1954-1959.


B - 101

Philip, S., Kashavarz, T dan Roy I., 2007. Polyhydroxyalkanoates: biodegradable polymers with a range of applications, Journal Chemistry Technology and Biotechnology, 82, 233–247.

Pinkee, P., Jyoti, P.S dan Bolin, K.K., 2012. Bio-plastic (P-3HB-co-3HV) from Bacillus circulans (MTCC 8167) and its biodegradation, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 92 , 30–34.

Rais, D., 2007. Pengaruh konsentrasi PEG 400 terhadap karakteristik bioplastik polihidroksialkanoat (PHA) yang dihasilkan oleh Ralstonia eutropha menggunakan substrat hidrolisat pati sagu, Skripsi, Departemen Teknologi Industri Pertanian, Institut Pertanian Bogor.

Rehm, B.H.A., 2003. Biogenesis of Microbial Polyhydroxyalkanoate Granules: a Platform Technology for the Production of Tailor-made Bioparticles, Current Issues in Molecular Biology, 9, 41–62.

Ryan, M.P., Pembroke, J.T dan Adley, C.C., 2007. Ralstonia pickettii in environmental biotechnology: potential and applications, Journal Applied of Microbiology, 103(4), 54-64.

Sadocco, D., Cautetti, M, Seves, A dan Martuscelli, E., 1993. Small-angle X-ray scattering study of the phase structure of poly(D-(−)-3-hydroxybutyrate) and atactic poly(epichlorohydrin) blends, Polymer, 34, 3368–3375.

Shamala, T.R., Divyashree, M.S., Davis, R., Kumari, K.S.L., Vijayendra, S.V.N dan Raj, B., 2009. Production and characterization of bacterial polyhydroxyalkanoate copolymers and evaluation of their blends by fourier transform infrared spectroscopy and

scanning electron microscopy, Indian Journal of Microbiology, 49, 251–258.

Simon-Colin, C., Raguénès, G., Crassous, P., Moppert, X dan Guezennec, J., 2008. A novel mcl-PHA produced on coprah oil by Pseudomonas guezennei biovar. tikehau, isolated from a "kopara" mat of French Polynesia. International journal of biological Macromolecules, 43(2), 176-8.

Sudesh, K., Abe, H dan Doi, Y., 2000. Synthesis, structure and properties of polyhydroxyalkanoates: biological polyesters, Progress in Polymer Science, 25, 1503–1555.

Sudesh, K., Abe, H dan Doi, Y., 2000. Synthesis, structure and properties of polyhydroxyalkanoates: biological polyesters, Progress in Polymer Science, 25, 1503–1555.

Suhartono, M.T., 1989. Enzim dan Bioteknologi. Departemen Pendidikan dan Kebudayaan Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Antar Universitas Bioteknologi, Institut Pertanian Bogor, 161-162.

Uchino, K, Saito, T dan Jendrossek, D., 2008. Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) depolymerase PhaZa1 is involved in mobilization of accumumated PHB in Ralstonia eutropha H 16, Applied and Environmental Microbiology, 74, 1058–1063.

Valappil, S.P., Boccaccini, A.R., Bucke, C dan Roy, I. 2007. Polyhydroxyalkanoates in Gram-positive bacteria: insights from the genera Bacillus and Streptomyces, Antonie. Van. Leeuwenhoek, 91, 1–17.

Vijayendra, S.V.N., Veeramani, S dan Shamala, T.R., 2009. Optimization of polyhydroxybutyrate production by beta-


B - 102

carotene producing strain of Micrococcus sp., Journal of Food Science. 45, 506–509.

Wang, D.I.C., Cooney, C.L., Demain, A.L., Dunhill, P., Humprey, A.E dan Lilly, M.D., 1979. Fermentation and Enzyme Technology, New York: John Wiley and Sons.

Zhang, M., 2010. Development of Polyhydroxybutyrate Based Blends for Compostable Packaging, Disertasi, Departemen material, Loughborough University.

Zribi-Maaloul, E., Trabelsi, I., Elleuch, L., Chouayekh, H dan Salah, R.B., 2013. Purification and characterization of two polyhydroxyalcanoates from Bacillus cereus, International Journal of Biological Macromolecules, 61,82– 88.

Abstrak. Pada penelitian ini, produksi plastik polihidroksialkanoat ...

Documents

Transcript of Abstrak. Pada penelitian ini, produksi plastik polihidroksialkanoat ...