52 Kajian Sifat Fisik .......................... ( Bambang piluharto )

Kajian Sifat Fisik Film Tipis Nata de Coco Sebagai Membran Ultrafiltrasi (Study of Physical Properties of Nata de Coco Thin Film as Ultrafiltration

Membrane)

Bambang Piluharto Staf Pengajar Jurusan Kimia FMIPA Universitas Jember

ABSTRACT Nata de coco is the fermentation product of coconut water using Acetobacter xylinum with the main content is cellulose. This research has been focused on the study of physical properties (density and swelling degree) thin film of nata de coco as ultrafiltration membrane. Firstly purification of crude nata de coco by water and 2% NaOH was carried out, then followed by immersing the purified nata in various concentrations of NaOH (0-10%) in order to investigate physical properties of nata de coco toward alkali condition. Afterward nata de coco was pressed using hot press tools and ready to characterised in term of physical properties and membrane performances. The physical properties showed that films with treatment in 6% NaOH have largest density value (1.801 g/cm3) and smallest swelling degree (135.5%). The water flux of films decreased with the increase of NaOH up to 6% and afterward the flux tend the increased again. The rejection test for Dextran 500-T showed fluxtuative value with the increase of NaOH concentration. Keywords: Nata de coco, Acetobacter xylinum, ultrafiltration membran, density, swelling, flux, rejection

PENDAHULUAN Nata de coco adalah salah satu dari beberapa potensi air kelapa yang banyak dikembangkan di Indonesia. Nata de coco adalah hasil proses fermentasi air kelapa menggunakan Acetobacter xylinum. Kandungan utama nata de coco adalah selulosa (Bergenia, 1982). Menurut Krystinowicz dan Bielecki, selulosa bakterial mempunyai beberapa keunggulan antara lain kemurnian tinggi, derajat kristalinitas tinggi, mempunyai kerapatan antara 300 dan 900 kg/m3, kekuatan tarik tinggi, elastis dan terbiodegradasi (Krystinowicz, 2001). Peneli tian yang mengarah pada pengembangan selulosa bakterial sebagai material yang bernilai tambah sudah banyak dilakukan. Beberapa diantaranya adalah penggunaan selulosa bakterial sebagai bahan diafragma tranduser, bahan pencampur dalam industri kertas, karakterisasi sifat listrik dan magnetnya, sebagai support untuk sensor glukosa dan sebagai membran dialisis (Ighuci, 2000) . Sebagai membran pemisah, publikasi tentang selulosa bakterial belum banyak ditemui. Satu publikasi dari Shibazaki dan kawan-kawan yaitu tentang penggunaan selulosa bakterial sebagai membran diali sis. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa membran selulosa bakterial mempunyai kecepatan permeasi yang lebih besar dibanding dengan selulosa teregenerasi (selofan). Selain

itu juga teramati perubahan struktur membran dengan perlakuan alkali (Shibazaki, 1993). Perkembangan teknologi membran saat ini telah meluas pada berbagai kalangan, baik kalangan akademis maupun industri. Dibandingkan dengan proses-proses pemisahan yang lain teknologi membran mempuyai beberapa keunggulan, antara lain dalam hal energi, sederhana dan ramah lingkungan. Keberhasilan proses pemisahan dengan membran tergantung pada kualitas membran tersebut. Beberapa parameter yang penting dalam menentukan kualitas suatu membran diantaranya yaitu mempunyai permeabil itas yang tinggi, permselektifitas yang tinggi, stabil pada temperatur yang tinggi, kestabilan mekanik dan tahan terhadap zat kimia yang akan dipisahkan (Mulder, 1996).

Berdasarkan sifat fisik dan kimia yang dimil iki oleh selulosa bakterial, diperlukan suatu studi tentang kemungkinan penggunaan bakterial selulosa sebagai membran pemisah jenis membran ultrafil trasi. Membran ini adalah salah satu jenis membran pemisah dengan gaya dorong beda tekanan. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji sifat fisik (densitas dan derajat swelling) pada film tipis nata de coco sebagai membran ultrafil trasi. Hasil peneli tian diharapkan dapat memberikan kontribusi bagi perkembangan material polimer alam pada umumnya dan material membran pada khususnya serta meningkatkan nilai tambah nata de coco sebagai material yang bermanfaat.

Jurnal ILMU DASAR, Vol. 4 No. 1, 2003:52-57 53

METODOLOGI Bahan dan Alat Bahan yang digunakan adalah air kelapa, gula pasir, Asam asetat glasial, NH2SO4, NaOH, aquades dan bakteri Acetobacter xylynum yang ditanamkan dalam yeast extract agar yang diperoleh dari laboratorium mikrobiologi Jurusan Biologi ITB. Alat yang digunakan adalah nampan plastik, neraca analitik, sel ultrafil trasi dan beberapa peralatan gelas. Pembuatan Nata de Coco. Media fermentasi dalam pembuatan nata de coco terdiri atas air kelapa sebanyak 1L dididihkan lalu ditambahkan 6,7 g gula pasir dan 5 g (NH4)2SO4. Setelah dingin pH media diatur sehingga mencapai 4 dengan menambahkan asam asetat glasial, kemudian diinokulasi dengan starter dan diinkubasi pada suhu 30 – 32 oC. Pemurnian Nata de Coco Bentuk nata de coco hasil fermentasi berupa gel selanjutnya dicuci dengan air mengalir selama 24 jam. Selanjutnya dicuci dengan NaOH 2% selama 1 jam pada suhu 80-90o C. Terakhir dicuci kembali dengan air sampai pH netral. Gel yang telah dimurnikan selanjutnya di tekan-panas pada 120o C dengan tekanan 250 kgf/mm2. Film yang diperoleh selanjutnya diperlakukan dengan perendaman pada larutan alkali (NaOH 0-20%) sampai 24 jam, kemudian dicuci kembali dengan air sampai pH netral. Uji Sifat Fisik 1. Uji Berat Jenis

Pengujian berat jenis dilakukan dengan menimbang film kering nata de coco , kemudian hasilnya dibagi dengan volume kering. Penentuan volume dilakukan dengan perkalian luas alas × tebal film.

2. Uji Derajat Swelling Uji sifat fisik yang dilakukan adalah derajat swelling. Uji ini dilakukan dengan merendam film dalam air pada suhu ruang hingga tercapai kesetimbangan penyerapan air. Film kemudian diangkat dari air dan dan derajat swell ing dapat dihitung dengan persamaan:

dimana: BK = Berat kesetimbangan BA = Berat awal

Karakterisasi Membran Uji Fluks Air Film yang diperoleh kemudian dipotong berbentuk lingkaran dengan diameter 4,5 cm. Ukuran ini disesuaikan dengan disain alat ultrafil trasi. Penentuan fluks air diperoleh dengan mengukur banyaknya volume air yang melewati tiap satuan luas permukaan membran per satuan waktu. Fluks volume dinyatakan sebagai berikut: (2) dimana : Jv = fluks volume (L/m2jam) A = luas permukaan (m2) t = waktu (jam) Sebelum uji fluks air, terlebih dahulu dilakukan kompaksi terhadap membran yang akan diuji . Kompaksi dilakukan dengan mengalirkan air melewati membran hingga diperoleh fluks air yang konstan . Uji Rejeksi Membran dikarakterisasi dengan mengukur fluks air dan koefisien rejeksi terhadap larutan uji dekstran T-500. Penentuan fluks dilakukan setelah membran dikompaksi dengan tekanan 3 atm. Koefisien rejeksi dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

dimana: R = koefisien rejeksi Cp= konsentrasi permeat Cr = konsentrasi retentat Penentuan koefisien rejeksi diukur dengan metode spektrofotometri dimana larutan dekstran bagian permeat maupun retentat diencerkan 25 × kemudian ditambah fenol 5% dan H2SO4 pekat dengan perbandingan 1:1:5. Kemudian absorbansi permeat dan konsentrat diukur pada serapan λ=490 nm dengan Spectronic 20.

HASIL DAN DISKUSI

Proses Pembentukan Film Tipis Nata de Coco Pembuatan film nata de coco diawali dengan mencampurkan air kelapa dan gula kemudian ditambahkan starter (bakteri Acetobacter xylinum dalam medium cair) setelah melalui pendinginan pada suhu kamar. Setelah masa

.

VJv

At=

BK - BA % swelling = × 100 (1) BA

R = ( 1 – Cp/Cr ) × 100% (3)

54 Kajian Sifat Fisik .......................... ( Bambang piluharto )

fermentasi selama 7 hari akan terbentuk gel pada permukaan media cairnya. Gel yang terbentuk ini disebut pellicle. Proses terbentuknya pellicle merupakan rangkaian aktifitas bakteri Acetobacter xylinum dengan nutrien yang ada pada media cair. Karena Acetobacter xylinum adalah bakteri yang memproduksi selulosa, maka nutrien yang berperan adalah nutrien yang mengandung glukosa. Dalam penelitian ini nutrien yang mengandung glukosa adalah air kelapa dan gula pasir. Pada gula pasir, glukosa terbentuk melalui reaksi hidroli sis sukrosa dengan air. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut.

Glukosa yang berperan dalam pembentukan selulosa adalah glukosa dalam bentuk β sehingga semua glukosa yang ada dalam bentuk α akan diubah dalam bentuk β melalui enzim isomerase yang berada pada bakteri Acetobacter xylinum. Tahap berikutnya glukosa berikatan dengan glukosa yang lain melalui ikatan 1,4 β-gli kosida. Tahap terakhir adalah tahap polimerisasi yaitu pembentukan selulosa. Polimerisasi ini terjadi melalui enzim polimerisasi yang ada pada bakteri Acetobacter xylinum. Secara fisik pembentukan selulosa adalah terbentuknya pellicle seperti terlihat pada gambar 1.

OH

O

OH

OH

CH2OHO

OH

OH

OH

CH2OHO

Polimerisasi

O

OH

OH

CH2OH

O

O

OH

OH

CH2OHO

OH

OH

OH

CH2OHO

Gambar 1. Reaksi polimerisasi terbentuknya sellulosa.

Pada proses pemurnian dilakukan pencucian dengan air dan perendaman dalam NaOH 2%. Pemurnian ini bertujuan untuk menghilangkan komponen-komponen non-selulosa dan sisa bakteri yang masih ada. Komponen-komponen non-selulosa ini diperkirakan akan menghalangi ikatan hidrogen yang terjadi antar rantai molekul selulosa yang mengakibatkan terhadap menurunnya kekuatan sifat mekanis selulosa. Sifat Fisik Film/Membran Ada dua parameter yang dipakai untuk uji ini yaitu berat jenis dan derajat penggembungan (swelling). Gambar 2 dan 3 menunjukkan besarnya pengaruh konsentrasi NaOH terhadap kedua sifat fisik yaitu berat jenis dan derajat penggembungan. Kurva berat jenis film nata de coco terhadap besarnya konsentrasi NaOH (Gambar 2) menunjukkan kenaikan berat jenis sampai pada konsentrasi NaOH 6%, kemudian menurun pada konsentrasi berikutnya. Hal ini

menunjukkan bahwa perlakuan film dengan larutan NaOH akan menambah kemurnian selulosa yang dihasilkan sehingga hubungan antar rantai molekul selulosa semakin kuat. melalui ikatan hidrogen. Kurva dari berat jenis tersebut juga menunjukkan kesesuaian dengan kurva derajat penggembungan. (Gambar 3). Pada kurva derajat penggembungan terlihat adanya kecenderungan turun sampai pada konsentrasi NaOH 6%, kemudian pada konsentrasi berikutnya cenderung naik. Pada konsentrasi NaOH 6% berat jenis menunjukkan harga yang maksimum, sebaliknya derajat penggembungan menunjukkan harga minimum. Kesesuaiannya terletak pada hubungan yang berbanding terbalik antara berat jenis dan derajat penggembungan. Berat jenis yang tinggi menunjukkan struktur yang rapat , sehingga proses difusi air ke dalam film nata de coco lebih sulit. Hal ini ditunjukkan pada harga derajat penggembungan yang rendah

selulosa

Jurnal ILMU DASAR, Vol. 4 No. 1, 2003:52-57 55

0

0.5

1

1.5

2

0 2 4 6 8 10 12

NaOH (% b/b)

Ber

at je

nis

(g

/cm

3 )

Gambar 2. Pengaruh konsentrasi NaOH terhadap berat jenis .

130

135

140

145

150

155

160

0 2 4 6 8 10 12

NaOH (% b/b)

Der

ajat

sw

ellin

g (

%)

Gambar 3. Pengaruh konsentrasi NaOH terhadap derajat swelling Karakter Membran Kompaksi Tahap pertama yang dilakukan untuk mengetahui kinerja membran adalah melakukan uji kompaksi. Uji ini untuk memperoleh harga fluks air yang konstan pada tekanan operasional yang diberikan yaitu 3 atm. Hasil yang diperlihatkan pada Gambar 4 menunjukkan bahwa terjadi penurunan fluks sampai menit keduapuluh, dan selanjutnya nilai fluks relatif konstan.

Penurunan fluks air terjadi karena adanya deformasi mekanik pada matriks membran akibat tekanan yang diberikan. Pada proses deformasi ini terjadi pemadatan pori film sehingga nilai fluks menjadi turun. Besarnya penurunan fluks seperti yang ditunjukkan Gambar 4, relatif kecil . Hal ini dikarenakan tekanan operasi yang diberikan adalah kecil yaitu 3 atm. Studi tentang kompaksi paling banyak dipakai untuk membran reverse osmosis(RO) karena tekanannya yang tinggi.

56 Kajian Sifat Fisik .......................... ( Bambang piluharto )

02468

101214161820

0 10 20 30 40

waktu (menit)

Flu

ks (

L m

-2 ja

m-1

)

Gambar 4. Pengaruh waktu operasional terhadap fluks air

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12

NaOH (% b/b)

Flu

ks (

L m

-2 ja

m-1

)

Gambar 5. Pengaruh NaOH terhadap fluks air

Fluks Air Fluks air atau kecepatan permeasi merupakan salah satu parameter yang menentukan pada kinerja membran.. Hasil uji menunjukkan bahwa peningkatan konsentrasi NaOH sampai 6% mengakibatkan turunnya harga fluks, sedang untuk konsentrasi selebihnya cenderung naik kembali (Gambar 5). Besarnya nilai fluks air ditentukan oleh banyaknya pori dan ukuran pori. Seperti uraian pada sifat fisik diatas,

perlakuan dengan larutan NaOH sampai konsentrasi 6% meningkatkan kemurnian selulosa yang dihasilkan sehingga hubungan antar rantai dalam selulosa semakin kuat melalui ikatan hidrogen antar rantai. Akibat kekuatan ikatan hidrogen pada film dengan perlakuan larutan NaOH 6% struktur menjadi lebih rapat sehingga nilai fluks air menjadi makin kecil .

Jurnal ILMU DASAR, Vol. 4 No. 1, 2003:52-57 57

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12

NaOH (% b/b)

Ko

efis

ien

rej

eksi

(%

)

Gambar 6. Pengaruh konsentrasi NaOH terhadap Koefisien Rejeksi

Koefisien Rejeksi Zat Terlarut Pada penelitian ini zat terlarut yang dipakai sebagai larutan uji adalah Dekstran 500-T atau dekstran dengan berat molekul 500.000 dalton. Pemilihan larutan uji ini karena penggunaan membran ultrafil trasi untuk memisahkan makromolekul dari suatu larutan. Berat molekul (BM) dari makromolekul tersebut antara 104 – 106 dalton. Hasil pengukuran koefisien rejeksi (Gambar 6) menunjukkan bahwa bertambahnya konsentrasi NaOH menghasilkan kecenderungan koefisien rejeksi yang fluktuatif. Kecenderungan ini diperkirakan adanya beberapa pori dengan ukuran lebih besar dibanding ukuran rata-rata., sehingga mengakibatkan nilai rejeksi relatif rendah. Secara keseluruhan film yang dipakai sebagai membran memberikan koefisien rejeksi berkisar antara 40 – 60 %. Dengan demikian untuk mendapatkan nilai cut-off masih belum didapatkan pada peneli tian ini.

KESIMPULAN DAN SARAN

Berdasarkan hasil parameter- parameter uji film nata de coco menunjukkan bahwa film nata de coco mengalami perubahan sifat struktur dengan adanya pengaruh NaOH. Hal ini mengakibatkan perubahan sifat fisik, kinerja membran. Hasil uji sifat fisik menunjukkan bahwa film nata de coco dengan perlakuan NaOH 6% memberikan harga berat jenis yang paling besar yaitu 1,801 g/cm3 dan derajat swelling paling kecil yaitu 135,5 %. Hasil Uji fluks air

menunjukkan kecenderungan menurun dengan bertambahnya konsentrasi NaOH sampai pada konsentrasi 6%, konsentrasi berikutnya cenderung naik kembali, sedangkan harga koefisien rejeksinya menghasilkan harga yang fluktuatif dengan bertambahnya konsentrasi NaOH. Peneli tian ini masih memerlukan kajian lebih lanjut, terutama untuk memperbaiki kinerjanya sebagai membran. Parameter-parameter lain seperti suhu, pH, penambahan aditif merupakan parameter yang akan diteli ti lebih lanjut.

DAFTAR PUSTAKA Bergonia H.A., 1982. Reverse osmosis of

coconut water through cellulose acetat membrane, Proocedings of the second ASEAN workshop Membrane Technology.

Iguchi M., 2000. Review Bacterial Cellulose-A Masterpiece of Nature’s Arts, , J. Material Science, 35.

Krystynowicz, 2001. Biosynthesis of Bacterial Cellulose and its Potential Application In The Different Industries, http://www.biotecnology.pl.com/science/krystynomcz.htm.

Shibazaki H., 1993. Bacterial Cellulose Membrane As Separation Medium, J. of Appied Polymer Science, 50.

Mulder M., 1996. Basic principles of Membrane Tecnology, 2nd edition, kluwer academic Publisher.

58 Kajian Sifat Fisik .......................... ( Bambang piluharto )