PENGARUH DOSIS IRADIASI TEHADAP SIFAT FISIK- KIMIA MEMBRAN

KM-KHITOSAN AKRILAT SEBAGAI BAHAN FUEL CELL

Gatot Trimulyadi Rekso

Pusat AplikasiTeknologi Isotop dan Radiasi

Badan Tenaga Nuklir Nasional

Jl. Cinere, Ps Jumat PO Box 7002 JKSL, Jakarta 12070

Fax : 021 7513270. E-mail : gatot28@batan.go.id

ABSTRAK

Dalam upaya menaikkan nilai tambah dari polimer alam yang berasal dari limbah kulit udang, telah dilakukan modifikasi khitosan menggunakan reaksi kopolimerisasi iradiasi dengan polimer asam akrilat untuk mendapatkan suatu bahan membran. KM- Khitosan dengan konsentrasi 3,0 % b/v dicampur dan dihomogenkan dengan asam akrilat. Selanjutnya bahan dikemas dalam plastik film polipropilen (PP) dan diiradiasi pada dosis 5, 10, 15, 20, dan 25 kGy menggunakan sinar gamma. Kemudian dibuat film dengan menuangkan larutan kental pada lempengan kaca dengan ketebalan 10 mm dan keringkan dalam oven vacum 500 C. Pengujian film kitosan–asam akrilat meliputi uji fraksi gel (padatan tidak larut) dengan metode ekstraksi soxlet, kekuatan tarik dengan alat tensile strength dan analisis gugus fungsi dengan FTIR dan sifat termal dengan DSC. Hasil penelitian menunjukkan dosis iradiasi yang optimal adalah 15 kGy diperoleh sifat fisik film KM kitosan-akrilat yang tertinggi. Sifat film yang diperoleh sebagai berikut : fraksi gel sebesar 85,0 % %, kekuatan tarik sebesar 148 kg/cm2 dan titik leleh sebesar 246,0 oC.

ABSTRACT

In the purpose to increase the added value of the quality marine natural polymer, modification of CM-chitosan has been carried out by copolymerization radiation with acrylic acid to prepare a new material. C-M Chitosan with the concentrations ranged of 3.0 % was mixed and then homogenized with acrylic acid. The samples were packed in the polypropylene (PP) plastic film then irradiated by gamma at the doses of 5, 10, 15, 20 and 25 kGy. For the preparing of thin film the chitosan solution was casting on the flat glass for 10 mm thickness and dry by vacuum oven at 500C. After evaluation, it was

1

found that the chemical and physical showed that the best condition for copolymerization of chitosan with acrylic acid was that in the irradiation dose of 15 kGy . Gel fraction increases with increasing the irradiation dose till 15 kGy. The properties of chitosan -acrylic acid copolymerization were as follows; gel fraction was 60%, the tensile strength of the film was 148 Kg/cm2 and the melting point was 2460 C.

Kata kunci : Iradiasi sinar gamma; KM Khitosan

PENDAHULUAN

Polimer alam saat ini menjadi perhatian peneliti untuk dimanfaatkan sebagai bahan

baku berbagai keperluan industri. Khitosan adalah polisakarida yang banyak terdapat

di alam setelah selulosa. Keberadaan khitosan di alam terutama terdapat sebagai

limbah dari kulit udang dan kepiting. Pemanfaatan limbah kulit udang dan kepiting

sebagai khitosan selain dapat mengatasi masalah lingkungan juga dapat menaikkan

nilai tambah bagi petani udang, mengingat saat ini limbah kulit udang hanya

dimanfaatkan sebagai pakan ternak. Khitosan mempunyai sifat spesifik yaitu adanya

sifat bioaktif, biokompatibel, pengkelat, anti bakteri dan dapat terbiodegradasi.(1).

Hasil isolasi kulit udang dan kepiting akan menghasilkan senyawa khitin yang

merupakan polimer dari glukosamin yaitu polisakarida yang mengandung gugus

asetatamida, sedangkan khitosan merupakan hasil proses hidrolisa khitin dengan

alkali sehingga terjadi proses deasetilasi dari gugus asetamido menjadi gugus amina

(2)

Fuel cell merupakan sumber energi alternatif pengganti minyak bumi yang bersifat dapat

diperbaharui, ramah lingkungan (bebas emisi CO2), dan mempunyai efisiensi tinggi. Fuel cell

dapat langsung mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi listrik seperti halnya

baterai. Untuk keperluan portable, jenis fuel cell yang sering digunakan antara lain Proton

Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) dan Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Salah satu

komponen yang penting dalam PEMFC dan DMFC adalah polielektrolit. Hingga saat ini

polielektrolit yang banyak digunakan adalah Nafion yang diproduksi oleh Du Pont. Nafion

mempunyai konduktivitas penghantar ion yang tinggi, sifat mekanik, dan kestabilan kimia serta

termal yang baik. Akan tetapi biaya produksi dan crossover metanol yang tinggi menjadi kendala

penggunaan Nafion. Oleh karena itu, saat ini banyak dikembangkan material baru yang

diharapkan dapat menggantikan fungsi Nafion dalam fuel cell.

Salah satu material yang diduga dapat menggantikan Nafion adalah khitosan. Khitosan

2

merupakan polielektrolit alam dengan beberapa sifat penting yang diperlukan untuk material

membran. Sifat-sifat tersebut antara lain inert, hidrofilik, dan tidak larut dalam air serta pelarut

organik

Khitosan mempunyai gugus amin sehingga kitosan bersifat reaktif, dengan sifat fisika dan

kimia yang dimilikinya, salah satu aplikasi khitosan adalah sebagai membran fuel cell.

Khitosan sebagai polimer alam memiliki sifat fisik yang relatif rendah dibandingkan

polimer sintetis. Oleh karena itu, penambahan monomer sintetis akan memperkuat sifat

fisik film yang terbentuk sehingga dapat diaplikasikan sebagai bahan membran fuel

cell(4).

Penggunaan teknik iradiasi sinar gamma ditujukan untuk mendapatkan hasil ikat silang antara

KM-khitosan dan asam akrilat yang homogen dan mempunyai sifat fisik yang kuat. Selain itu,

teknik ini tidak mengurangi gugus aktif pada khitosan dan asam akrilat.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penambahan monomer asam akrilat pada larutan KM-kitosan terhadap sifat fisika dan kimianya serta untuk meningkatkan sifat film khitosan, sehingga diperoleh film khitosan dengan sifat fisik yang kuat, tidak mudah rapuh dan dapat diaplikasikan sebagai bahan membrane fuel cell. Selain itu, dengan melakukan penambahan berbagai variasi konsentrasi asam akrilat pada larutan khitosan yang kemudian diiradiasi dengan sinar gamma, dapat diketahui peningkatan sifat kimia dan fisika membran yang di hasilkan

Bahan dan metode

Bahan penelitian

Bahan penelitian yang digunakan adalah limbah kulit udang putih (Penaeus merquensis)

yang diperoleh dari desa Gebang – Cirebon. Kulit udang dengan bobot lebih kurang 0,5

kg yang telah kering dibersihkan dari kotoran kotoran yang masih melekat, sehingga

diperoleh cangkang yang bersih selanjutnya dikeringkan dalam oven vakum pada

temperatur 500 C.

Prinsip Penelitian

3

Penelitian ini dilakukan dua tahap. Pada tahap pertama, Khitin diisolasi dari kulit udang melalui

proses deproteinasi dan demineralisasi. Lalu dilanjutkan dengan proses deasetilasi menjadi

kitosan. Pada tahap kedua, dilakukan pembuatan film khitosan-asam akrilat yang diiradiasi

dengan sinar gamma dari sumber Co-60, dilanjutkan pengeringan dalam oven vakum 500 C. Pada

tahap ini dilakukan penambahan berbagai variasi konsentrasi asam akrilat. Pengujian film

kitosan-asam akrilat meliputi uji fraksi gel dengan metode ekstraksi soxlet, kekuatan tarik

dengan alat tensile strength dan analisis gugus fungsi dengan FTIR dan sifat termal dengan DSC.

Isolasi khitin : Proses isolasi terdiri dari beberapa tahap, yaitu :

Proses Deproteinasi : Sebanyak ±200 g sampel kulit udang ditambahkan larutan natrium

hidroksida 1 N (1:10 b/v), kemudian diaduk-aduk. Setelah itu dilakukan perendaman selama

satu malam. Kulit udang tersebut dicuci menggunakan air bersih sampai pH netral, disaring dan

dikeringkan.

Proses Demineralisasi : Kulit udang yang telah kering hasil dari proses deproteinasi

ditambahkan asam klorida 1 N (1:10 b/v), kemudian diaduk-aduk. Setelah itu dilakukan

perendaman selama satu malam. Kulit udang tersebut dicuci menggunakan air bersih sampai

pH netral, disaring dan dikeringkan.

Proses Deasetilasi Kitin : Kitin yang diperoleh dari hasil deproteinasi dan demineralisasi

kemudian dideasetilasi untuk mendapatkan kitosan. Khitin dimasukkan ke dalam beaker gelas,

ditambahkan natrium hidroksida 50% (1:15 b/v) lalu dipanaskan dalam penangas air selama tiga

jam pada suhu 110-120 oC. Setelah itu disaring, dan padatan yang diperoleh dicuci dengan

aquades sampai pH netral lalu dikeringkan dalam oven pada 1050C.

Pembuatan karboksilmetilkhitosan (KM-khitosan)Khitosan yang dihasilkan ditambahkan isopropanol sambil diaduk kemudian tambahakan natrium hidroksida 30% dan biarkan pada suhu kamar selama 3 jam. Kemudian reaksikan dengan asam khloroasetat pada temperatur 600 C selama 2 jam, kemudian saring dan bilas dengan metanol dan selanjutnya dicuci menggunakan etanol dan keringkan dalam oven vakum dengan temperatur 500 C.

4

Pembuatan film KM-khitosan-asam akrilat

Pembuatan film KM-khitosan dengan dengan melarutkan 3 % dalam larutan asam asetat 1 %,

kemudian dibuat dengan cara pencetakan (casting) dalam bentuk lapisan tipis. Dilakukan

berbagai variasi konsentrasi asam akrilat yang ditambahkan pada larutan khitosan yaitu 0%;

0,5%; 1,0%; 1,5%; 2,0%; 2,5%; 3,0%; 3,5%; 4,0%; 4,5%; dan 5,0%; yang kemudian diiradiasi

dengan sinar gamma pada dosis 10 kGy. .

Analisa film KM-kitosan-asam akrilat

Fraksi Gel

Ekstraksi dilakukan selama 8 jam, film KM-khitosan-asam akrilat yang telah diekstraksi kemudian

dikeringkan dalam oven pada 105oC, lalu ditimbang.

Fraksi gel = (W2 / W1) x 100%

Dimana: W1 = Berat sampel film khitosan-asam akrilat mula-mula (g).

W2 = Berat sampel film KM-khitosan-asam akrilat setelah ekstraksi (g).

Kekuatan Tarik

Untuk mengukur kekuatan tarik, sampel film KM-khitosan-asam akrilat dicetak terlebih dahulu

dengan alat pencetak, kemudian spesimen uji tersebut dijepit pada kedua ujungnya. Salah satu

ujung dibuat tetap dan diaplikasikan sebuah beban yang naik sedikit demi sedikit ke ujung

lainnya sampai sampel tersebut patah. Jarak perjalanan pendulum setelah sampel patah diambil

sebagai ukuran kekuatan impak. Pengujian kekuatan tarik ini menggunakan alat tensile strength.

Analisis Termal

Pengujian transisi termal film KM-khitosan-asam akrilat menggunakan alat Differential

Scanning Calorimetry (DSC). Sampel ditimbang 10 -15 mg, kemudian ditempatkan

dalam cangkir aluminium sangat kecil. Sebagai referensinya digunakan cangkir

aluminium kosong. Sampel dan referensi keduanya lalu dipanaskan. Energi disuplai

5

untuk menjaga suhu-suhu sampel dan referensi tetap konstan. Perbedaan daya listrik

antara sampel dan referensi (dQ/dt) dicatat dalam bentuk termogram.

Hasil dan pembahasan

Hasil dan pembahasan

Karakterisasi khitosan .

Hasil khitosan yang diperoleh dikarakterisasi antara lain warna secara, kadar air , masa molekul

relative dan derajat deasetilasi :

Tabel 1. Karakter khitosan hasil isolasi

No Analisa Hasil Analisa

1

2

3

4

5

Kadar air (%)

Kadar abu (%)

Derajat Deasetilasi (%)

Bobot Molekul (g/mol)

Viskositas (cPs)

9,2

0,3

75,2

1,6590 x 104

446,7

Khitosan dengan karakter seperti diatas, selanjutnya digunakan sebagai bahan dasar khitosan

yang dipergunakan pada penelitian ini.

6

Gambar 1 . Film KM-kitosan akrilat yang dihasilkan

Fraksi Padatan

Grafik hasil analisis fraksi padatan dengan menggunakan metode ekstraksi soxlet

terhadap film KM-khitosan pada berbagai dosis iradiasi dengan konsentrasi asam akrilat

3 % dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1 Hubungan antara dosis iradiasi dengan persentase fraksi padatan

Gambar 1 menunjukkan pengaruh dosis iradiasi terhadap fraksi padatan pada kopolimerisasi

asam akrilat-khitosan. Hasilnya menunjukkan persen frakasi padatan meningkat dengan

meningkatnya dosis iradiasi sampai dengan 15 kGy. Hal ini dapat dijelaskan bahwa makin

tingginya dosis iradiasi, jumlah radikal yang terbentuk juga bertambah sehingga difusi monomer

ke dalam matriks khitosan akan meningkat, di samping itu kemungkinan tumbukan antara

molekul monomer dengan radikal khitosan yang terbentuk akan meningkat pula. Akan tetapi

dosis iradiasi di atas 15 kGy fraksi padatan mulai terejadi penurunan.hal ini karena

homopolimer yang terbentuk lebih tinggi sehingga meningkatkan viskositas larutan yang

menyebabkan hambatan difusi monomer ke dalam matriks khitosan.

Pengukuran gugus fungsi dengan FTIR

7

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

Dosis iradiasi (kGy)

Fraksi Pa

datan (%

)

Untuk mengetahui telah terjadinya polimerisasi pada larutan KM-kitosan dilakukan pengujian

sifat-sifat serapan gelombang infra merah dengan Fourier Transform Infra Red. Pengujian ini

dilakukan pada sampel film khitosan dalam 1% asam asetat dan film KM-khitosan dalam 1%

asam asetat yang ditambahkan monomer asam akrilat dengan konsentrasi 3,0% dan diiradiasi

dengan dosis 15 kGy.

Untuk membandingkan serapan infra merah film kitosan tersebut, maka dipelajari perubahan

gugus fungsi yang terjadi melalui spektrum FT-IR yang ditunjukkan pada Gambar 2, 3..

Gambar 2 Spektrum FT-IR film KM-khitosan

Gambar 3. Spektrum FT-IR film KM-khitosan yang ditambahkan 3,0% monomer asam

akrilat

Ciri khas telah terjadi kopolimerisasi asam akrilat pada larutan KM-khitosan, yaitu dengan

ditunjukkan oleh perubahan nilai absorbansi gugus fungsi karbonil. Pada 1665 cm-1,

menunjukkan perubahan puncak gugus fungsi karbonil akibat penambahan monomer asam

akrilat.

8

Kekuatan Tarik

Grafik hasil analisis kuat tarik dengan menggunakan alat tensile strength terhadap film KM-

khitosan pada konsentrasi asam akrilat 3,0 % dengan berbagai dosis iradiasi dapat dilihat pada

Gambar 4. Tegangan putus merupakan salah satu parameter yang penting pada karakteristika

polimer yang menunjukkan kekuatan tariknya (tegangan putus). Gambar 4 menyajikan pengaruh

iradiasi terhadap tegangan putus film khhtosan-asam akkrilat. Terlihat bahwa dengan naiknya

dosis iradiasi hingga 15,0 kGy tegangan putus meningkat. Hal ini menunjukkan bahwa dosis

iradiasi hingga 3,5 % terjadi reaksi ikatan silang optimum, tetapi pada dosis iradiasi di atas

15kGy terjadi penurunan nilai tegangan putus. Hal ini di karenakan terbentuknya pengikatan

silang anatara khitosan dan asam akrilat terjadi penurunan, sehingga kekuatan tariknya

menurun juga.

Gambar 4. Hubungan antara dosis iradia dan kekuatan tarik film khitosan-akrilat

Sifat Termal KM-khitosan –akrilat (Differential Scanning Calorimetry )

Differential Scanning Calorimetry (DSC) menghasilkan kurva yang menunjukkan hubungan

antara perubahan kecepatan aliran energi (mW/mg) terhadap temperatur (0C). Pada penelitian

ini, dilakukan pengujian sifat termal pada film khitosan original dan film dari KM-khitosan yang

ditambahkan monomer asam akrilat dengan konsentrasi 3,0% dan diiradiasi pada dosis 15kGy.

9

0 5 10 15 20 25 30 350

40

80

120

160

Dosis Iradiasi (kGy)

Kekuata

n Tarik (

kg/cm2

)

Untuk mengetahui perubahan sifat termal yang terjadi pada sampel film khitosan tersebut

dapat dilihat pada Gambar 5 dan 6.

Gambar 5 Termogram DSC film KM khitosan

Gambar 6 Termogram DSC film KM-khitosan-asam akrilat

Tabel 2 dibawah ini menunjukkan puncak titik leleh dari film khitosan

No. Bahan Titik leleh (0C)

1.

2.

Film khitosan tanpa iradiasi

Film khitosan-asam akrilat 3,0% dengan iradiasi

275,0

246,0

10

Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian, dapat disimpulkan bahwa :

Penambahan asam akrilat pada larutan kitosan dengan memakai teknik iradiasi sinar

gamma pada dosis 15kGy dapat meningkatkan sifat fisik film kitosan.

Dari hasil analisa gugusfungsi dengan FTIR dan sifat termal dengan DSC menunjukan

telah terjadi reaksi polimerisasi antara khitosan dan asam akrilat.

Sifat fisik dan kimia film khitosan akrilat yang diperoleh adalah fraksi gel 60 %, kekuatan

tarik 148 kg/cm2 dan titik leleh 246 oC.

DAFTAR PUSTAKA

1. Wahyuningsih, Sri et al . 2002. Percobaan Pendahuluan Pemisahan Kitin Dari

Limbah Kulit Udang. Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Maju.

Yogyakarta.

2. Praptowidodo,V.S. 1998. Pengembangan Polimer Alam Chitin Untuk Proses

Pemisahan Dengan Membran. Pengembangan Proses dan Perancangan Sistem

Teknik Kimia. Institut Teknologi Bandung. Bandung.

3. Hong, K.N.O, Meyers, S.P, Lee, K.S. 1989. Isolation and Characterization of

Chitin From Crawfish Shell Waste. Journal of Agricultural and Food Chemistry.

37(3): 575-579.

11

4. Angka, S.L, Maggy.T.Suhartono. 2000. Bioteknologi Hasil Laut. Pusat Kajian

Sumber Daya Pesisir dan Lautan. Institut Pertanian Bogor. Bogor: 99-100.

5. Knorr, D. 1984. Use of Continues Polymer in Food. Food Technology. 42: 593-

595.

6. Karmas, E. 1982. Meat, Poultry and Seafood Technology. Noyes Data

Corporation. USA: 392-405.Johnson. 1982. Peniston Utilizat

12

Pada Gambar 5 dan 6 muncul puncak endotermis dan eksotermis. Puncak endotermis tersebut

kemungkinan merupakan suhu penguapan pelarut khitosan 1% asam asetat dan puncak

eksotermis tersebut merupakan titik leleh dari khitosan.

Pada khitosan yang ditambahkan asam akrilat muncul puncak-puncak endotermis baru pada suhu

213,30 0C. Puncak endotermis baru tersebut kemungkinan berasal dari reaksi dehidrasi gugus

karboksilat yang berdampingan dalam khitosan-asam akrilat. Reaksi dehidrasi gugus karboksilat akibat

pemanasan diperkirakan sebagai berikut:

Gambar 7. Reaksi dehidrasi gugus karboksilat akibat pemanasan

Jadi, dengan munculnya puncak baru tersebut telah membuktikan bahwa telah terjadi reaksi

kopolimerisasi antara asam akrilat dengan khitosan.

13