TAHU
NURUL ASNI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
MIKROBIAL MENGGUNAKAN MEDIA PRODUKSI LIMBAH
TAHU
NURUL ASNI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Nama : Nurul Asni NIM : F351030031
Disetujui Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Khaswar Syamsu, M.Sc Ketua
Dr. Budhy Kurniawan Dr. Ir. Suprihatin,Dipl-Ing Anggota Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Teknologi Dekan Sekolah Pascasarjana Industri Pertanian
Dr. Ir. Irawadi Jamaran Prof. Dr. Ir. Syafrida Manuwoto, M.Sc
Penulis dilahirkan di Palembang pada tanggal 19 Januari 1965 dari pasangan suami istri Bapak Drs. Abdullah Murod (almarhum) dan Ibu Anisah serta merupakan anak ke empat dari tujuh bersaudara. Pendidikan formal penulis lalui di kota kelahiraan yaitu di Palembang, dimulai dari SD Negeri No. 4 Kebon Duku pada tahun 1972. Pada tahun 1978, penulis melanjutkan pendidikan SMP Negeri 1 Bukit Kecil, tamat tahun 1981. Pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan di SMA Negeri 1 Bukit Besar, tamat tahun 1984. Selanjutnya pada tahun yang sama penulis diterima sebagai mahasiswa pada jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik, Universitas Sriwijaya.
Pada tahun 1990 penulis diterima bekerja sebagai staf QC di pabrik cat Shinto paint Jakarta Utara dan pada tahun 1992 penulis diterima sebagai staf pengajar di Akademi Kimia Analisis Caraka Nusantara, Cimanggis Depok. Pada bulan Nopember 1993 penulis menikah dengan Drs. Djonaedi Saleh,Msi dan telah di karuniai seorang putri .
NURUL ASNI. Pembuatan Bahan Semikonduktor Dari Selulosa Mikrobial Menggunakan Media Produksi Limbah Tahu. Dibimbing KHASWAR SYAMSU, SUPRIHATIN dan BUDHY KURNIAWAN
Selulosa mikrobial hasil fermentasi limbah tahu cair (whey) merupakan selulosa murni yang mempunyai struktur kristal triklinat dan merupakan selulosa 1 α dengan derajat kristalinitas antara 27,95% sampai dengan 45,00%. Selulosa mikrobial ini mempunyai kuat tarik berkisar antara 281,57 kgf/cm2 sampai dengan 487,60 kgf/cm2 dan resistivitas listrik antara 6,28 ohm-m sampai dengan 20,47 ohm-m. Setelah mengalami doping iodium nilai resistivitas meningkat menjadi 601,45 ohm-m sampai 1273,28 ohm-m dan menjadikan selulosa mikrobial tersebut suatu material semikoduktor type- p.
ABSTRACT
NURUL ASNI. Semiconductor Material From Microbial Cellulose Using Tofu Whey as Production Media. Supervised by KHASWAR SYAMSU, SUPRIHATIN and BUDHY KURNIAWAN.
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Pembuatan Bahan Semikonduktor Dari Selulosa Mikrobial Menggunakan Limbah Tahu Sebagai Media Produksi, merupakan gagasan atau hasil penelitian tesis saya sendiri, dengan bimbingan komisi pembimbing, kecuali yang dengan jelas ditunjukkan oleh sumbernya.
Tesis ini belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar pada program sejenis di Perguruan Tinggi lain. Semua data dan informasi yang digunakan telah dinyatakan secara jelas dan diperiksa kebenarannya.
Penulis
Alhamdulillah puji syukur kehadirat Allah Yang Maha Esa atas berkat,
inayah dan ridho-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan
penulisan tesis ini.Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat untuk meraih gelar
Magister Sains, di Institut Pertanian Bogor.
Pada kesempatan ini dan dengan segala kerendahan hati penulis
mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. Khaswar Syamsu MSc selaku
ketua komisi pembimbing, Bapak Dr.Ir. Suprihatin Dipl-Eng dan Bapak Budhy
Kurniawan sebagai anggota komisi pembimbing yang dengan sabar membimbing,
memberi saran hingga tersusunnya tesis ini. Penulis juga berterima kasih kepada
Bapak Dr. Irawadi Djamaran dan Ibu Dr. Ani Suryani selaku ketua dan sekretaris
Program Studi Teknologi Industri Pertanian serta Bapak dan Ibu Staf administrasi
dan staf Perpustakaan Teknologi Industri Pertanian yang telah banyak membantu
penulis dalam penyelesaikan tesis ini. Penulis mengucapkan terima kasih kepada
Bapak Dr. Hikam selaku ketua Laboratorium Bersama Universitas Indonesia yang
telah berkenan meminjamkan fasilitas Laboratorium selama penulis melakukan
penelitian serta Bapak Dr. Bambang Sugiono, Bapak Mabe Siahaan,Msi dan
seluruh staf laboratorium Pasca Ilmu Material Departemen Fisika Salemba UI.
Ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada Bapak Pamulih Prasetyo,Ssi,
sebagai staf laboratorium Spektrometer Departemen Fisika UI yang telah banyak
membantu penulis dalam menganalisa sampel dan juga Bapak Untung,
Muhammad Nur, Haerudin, Abdul hamid dan Agus sebagai staf laboratorium
bersama UPP-IPD UI. Kepada Bapak Soeprapto Hadiatmodjo Dipl-Eng, selaku
Direktur Akademi Kimia Analisis Caraka Nusantara yang telah mengijinkan dan
mendorong penulis untuk mengikuti pendidikan di Institut Pertanian Bogor.
Selanjutnya penulis menyampaikan terima kasih kepada Fuad, Nida, Rency,
Jumriah, Iphov, Yongki, Dodik dan seluruh rekan angkatan 2003 atas
persahabatan, kritikan , semangat dan bantuannya.
segala pengorbanannya dan memberkahi hamba-hamba-Nya yang beriman. Amin
Ya robbal’alamin.
Penulis
Nurul Asni
Halaman
DAFTAR TABEL ... vi
DAFTAR GAMBAR ... vi
DAFTAR LAMPIRAN ... viii
PENDAHULUAN ... 1
Latar belakang ... 1
Tujuan Penelitian ... 3
Ruang Lingkup Penelitian ... 3
Hipotesis ... 4
Manfaat Penelitian ... . ... 4
TINJAUAN PUSTAKA ... 5
Kedelai,Tahu dan Whey ... 5
Kedelai ... 5
Tahu ... 8
Whey ... 8
Iodin ... 9
Selulosa Mikrobial ... 10
Semikonduktor ... 12
Kegunaan Semikonduktor ... 19
Dioda ... 19
LED ... 21
Transistor ... 22
METODOLOGI PENELITIAN ... 26
Bahan dan Alat ... 26
Waktu dan Tempat Penelitian ... 26
Metoda Penelitian ... 27
Pembuatan Selulosa Mikrobial ... 27
Pemurnian Selulosa Mikrobial ... 27
Doping dengan Iodium (I2) ... 27
Metoda Pengujian dan Analisa ... 28
Pengujian Kekuatan Tarik ... 28
Pengujian Resistivitas Listrik Selulosa Mikrobial ... 29
Karakteristik Struktur Selulosa Mikrobial ... 31
Fourier Transform Infra Red (FTIR) Spektroscopy ... 31
X-Ray Difraktometer (XRD) ……… 32
Scanning Electron Microscope (SEM) ……… 33
Rancangan Percobaan ……….. 34
Analisa Resistivitas Listrik Sebelum Doping ....... 38
Analisa Struktur Molekul Selulosa Mikrobial (FTIR) ... 39
Analisa Struktur Molekul Selulosa Mikrobial (XRD) ... 41
Analisa Morfologi Selulosa Mikrobial (SEM) ... 44
Persiapan Doping Iodium ... 45
Analisa Resistivitas Listrik ... 46
Analisa Struktur Molekul Selulosa Mikrobial (FTIR) ... 47
Analisa Struktur Molekul Selulosa Mikrobial (XRD) ... 48
Analisa Morfologi Selulosa Mikrobial (SEM) ... 50
Analisa Tipe Semikonduktor ... 52
KESIMPULAN DAN SARAN ... 53
DAFTAR PUSTAKA ... 55
LAMPIRAN ... 58
TAHU
NURUL ASNI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
MIKROBIAL MENGGUNAKAN MEDIA PRODUKSI LIMBAH
TAHU
NURUL ASNI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Nama : Nurul Asni NIM : F351030031
Disetujui Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Khaswar Syamsu, M.Sc Ketua
Dr. Budhy Kurniawan Dr. Ir. Suprihatin,Dipl-Ing Anggota Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Teknologi Dekan Sekolah Pascasarjana Industri Pertanian
Dr. Ir. Irawadi Jamaran Prof. Dr. Ir. Syafrida Manuwoto, M.Sc
Penulis dilahirkan di Palembang pada tanggal 19 Januari 1965 dari pasangan suami istri Bapak Drs. Abdullah Murod (almarhum) dan Ibu Anisah serta merupakan anak ke empat dari tujuh bersaudara. Pendidikan formal penulis lalui di kota kelahiraan yaitu di Palembang, dimulai dari SD Negeri No. 4 Kebon Duku pada tahun 1972. Pada tahun 1978, penulis melanjutkan pendidikan SMP Negeri 1 Bukit Kecil, tamat tahun 1981. Pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan di SMA Negeri 1 Bukit Besar, tamat tahun 1984. Selanjutnya pada tahun yang sama penulis diterima sebagai mahasiswa pada jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik, Universitas Sriwijaya.
Pada tahun 1990 penulis diterima bekerja sebagai staf QC di pabrik cat Shinto paint Jakarta Utara dan pada tahun 1992 penulis diterima sebagai staf pengajar di Akademi Kimia Analisis Caraka Nusantara, Cimanggis Depok. Pada bulan Nopember 1993 penulis menikah dengan Drs. Djonaedi Saleh,Msi dan telah di karuniai seorang putri .
NURUL ASNI. Pembuatan Bahan Semikonduktor Dari Selulosa Mikrobial Menggunakan Media Produksi Limbah Tahu. Dibimbing KHASWAR SYAMSU, SUPRIHATIN dan BUDHY KURNIAWAN
Selulosa mikrobial hasil fermentasi limbah tahu cair (whey) merupakan selulosa murni yang mempunyai struktur kristal triklinat dan merupakan selulosa 1 α dengan derajat kristalinitas antara 27,95% sampai dengan 45,00%. Selulosa mikrobial ini mempunyai kuat tarik berkisar antara 281,57 kgf/cm2 sampai dengan 487,60 kgf/cm2 dan resistivitas listrik antara 6,28 ohm-m sampai dengan 20,47 ohm-m. Setelah mengalami doping iodium nilai resistivitas meningkat menjadi 601,45 ohm-m sampai 1273,28 ohm-m dan menjadikan selulosa mikrobial tersebut suatu material semikoduktor type- p.
ABSTRACT
NURUL ASNI. Semiconductor Material From Microbial Cellulose Using Tofu Whey as Production Media. Supervised by KHASWAR SYAMSU, SUPRIHATIN and BUDHY KURNIAWAN.
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Pembuatan Bahan Semikonduktor Dari Selulosa Mikrobial Menggunakan Limbah Tahu Sebagai Media Produksi, merupakan gagasan atau hasil penelitian tesis saya sendiri, dengan bimbingan komisi pembimbing, kecuali yang dengan jelas ditunjukkan oleh sumbernya.
Tesis ini belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar pada program sejenis di Perguruan Tinggi lain. Semua data dan informasi yang digunakan telah dinyatakan secara jelas dan diperiksa kebenarannya.
Penulis
Alhamdulillah puji syukur kehadirat Allah Yang Maha Esa atas berkat,
inayah dan ridho-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan
penulisan tesis ini.Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat untuk meraih gelar
Magister Sains, di Institut Pertanian Bogor.
Pada kesempatan ini dan dengan segala kerendahan hati penulis
mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. Khaswar Syamsu MSc selaku
ketua komisi pembimbing, Bapak Dr.Ir. Suprihatin Dipl-Eng dan Bapak Budhy
Kurniawan sebagai anggota komisi pembimbing yang dengan sabar membimbing,
memberi saran hingga tersusunnya tesis ini. Penulis juga berterima kasih kepada
Bapak Dr. Irawadi Djamaran dan Ibu Dr. Ani Suryani selaku ketua dan sekretaris
Program Studi Teknologi Industri Pertanian serta Bapak dan Ibu Staf administrasi
dan staf Perpustakaan Teknologi Industri Pertanian yang telah banyak membantu
penulis dalam penyelesaikan tesis ini. Penulis mengucapkan terima kasih kepada
Bapak Dr. Hikam selaku ketua Laboratorium Bersama Universitas Indonesia yang
telah berkenan meminjamkan fasilitas Laboratorium selama penulis melakukan
penelitian serta Bapak Dr. Bambang Sugiono, Bapak Mabe Siahaan,Msi dan
seluruh staf laboratorium Pasca Ilmu Material Departemen Fisika Salemba UI.
Ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada Bapak Pamulih Prasetyo,Ssi,
sebagai staf laboratorium Spektrometer Departemen Fisika UI yang telah banyak
membantu penulis dalam menganalisa sampel dan juga Bapak Untung,
Muhammad Nur, Haerudin, Abdul hamid dan Agus sebagai staf laboratorium
bersama UPP-IPD UI. Kepada Bapak Soeprapto Hadiatmodjo Dipl-Eng, selaku
Direktur Akademi Kimia Analisis Caraka Nusantara yang telah mengijinkan dan
mendorong penulis untuk mengikuti pendidikan di Institut Pertanian Bogor.
Selanjutnya penulis menyampaikan terima kasih kepada Fuad, Nida, Rency,
Jumriah, Iphov, Yongki, Dodik dan seluruh rekan angkatan 2003 atas
persahabatan, kritikan , semangat dan bantuannya.
segala pengorbanannya dan memberkahi hamba-hamba-Nya yang beriman. Amin
Ya robbal’alamin.
Penulis
Nurul Asni
Halaman
DAFTAR TABEL ... vi
DAFTAR GAMBAR ... vi
DAFTAR LAMPIRAN ... viii
PENDAHULUAN ... 1
Latar belakang ... 1
Tujuan Penelitian ... 3
Ruang Lingkup Penelitian ... 3
Hipotesis ... 4
Manfaat Penelitian ... . ... 4
TINJAUAN PUSTAKA ... 5
Kedelai,Tahu dan Whey ... 5
Kedelai ... 5
Tahu ... 8
Whey ... 8
Iodin ... 9
Selulosa Mikrobial ... 10
Semikonduktor ... 12
Kegunaan Semikonduktor ... 19
Dioda ... 19
LED ... 21
Transistor ... 22
METODOLOGI PENELITIAN ... 26
Bahan dan Alat ... 26
Waktu dan Tempat Penelitian ... 26
Metoda Penelitian ... 27
Pembuatan Selulosa Mikrobial ... 27
Pemurnian Selulosa Mikrobial ... 27
Doping dengan Iodium (I2) ... 27
Metoda Pengujian dan Analisa ... 28
Pengujian Kekuatan Tarik ... 28
Pengujian Resistivitas Listrik Selulosa Mikrobial ... 29
Karakteristik Struktur Selulosa Mikrobial ... 31
Fourier Transform Infra Red (FTIR) Spektroscopy ... 31
X-Ray Difraktometer (XRD) ……… 32
Scanning Electron Microscope (SEM) ……… 33
Rancangan Percobaan ……….. 34
Analisa Resistivitas Listrik Sebelum Doping ....... 38
Analisa Struktur Molekul Selulosa Mikrobial (FTIR) ... 39
Analisa Struktur Molekul Selulosa Mikrobial (XRD) ... 41
Analisa Morfologi Selulosa Mikrobial (SEM) ... 44
Persiapan Doping Iodium ... 45
Analisa Resistivitas Listrik ... 46
Analisa Struktur Molekul Selulosa Mikrobial (FTIR) ... 47
Analisa Struktur Molekul Selulosa Mikrobial (XRD) ... 48
Analisa Morfologi Selulosa Mikrobial (SEM) ... 50
Analisa Tipe Semikonduktor ... 52
KESIMPULAN DAN SARAN ... 53
DAFTAR PUSTAKA ... 55
LAMPIRAN ... 58
1 Komposisi kedelai per 100 gram bahan ... 6
2 Kandungan asam amino pada kedelai ... 7
3 Sifat-sifat iodine ... 9
4 Spektrum resistivitas dalam ohm meter (Ωm) ... 12
5 Sifat bahan pada susunan berkala ... 15
6 Tabulasi data spektrum difraksi sinar- X (selulosa mikrobial dan nata de coco) ... 42
7 Pengaruh konsentrasi iodium terhadap sudut difraksi dan kristalinitas dari selulosa mikrobial ... 51
DAFTAR GAMBAR
Halaman 1 Struktur pelikel selulosa ... 112 Struktur molekul selulosa ... 11
3 Teori pita energi dalam beberapa matrial ... 14
4 Jenis dan tipe semikonduktor ... 17
5 Teori pita energi semikonduktor ekstrinsik ... 18
6 Simbul dan struktur dioda ... 20
7 Dioda dengan bias maju ... 20
8 Simbul LED ... 21
9 Transistor N-P-N Junction dan P-N-P Junction ……… 22
10 Arus elektron transistor N-P-N Junction ……….. 24
11 Arus hole transistor P –N-P Junction ……… . 25
12 Rangkaian four point probe ……… 30
16 Selulosa mikrobial setelah dikeringkan ... 36
17 Diagram kuat tarik selulosa mikrobial hasil fermentasi
selama 5,7,10 dan 15 hari ... 37
18 Kurva pertumbuhan selulosa mikrobial nata de soya ... 38
19 Diagram nilai resistivitas listrik selulosa mikrobial hasil
fermentasi selama5, 7, 10 dan 15 hari ... 39
20 Spektrum transmisi FTIR Selulosa Mikrobial hasil fermentasi
selama 5,7, 10 dan 15 hari ... 40
21 Spektrum transmisi FTIR dari nata de coco ... 41
22 Pola difraksi sinar-X selulosa mikrobial hasil fermentasi
selama 5, 7, 10 dan 15 hari ... 43
23 XRD nata de coco ... 43
24 Morfologi selulosa mikrobial fermentasi 10 hari , 750 X ... 44
25 Morfologi Bactrial Cellulose ……... 45
26 Selulosa mikrobial fermentasi 10 hari, didoping I2 1,25%w/w .. 45
27 Diagram resistivitas listrik sSelulosa mikrobial fermentasi
10 hari didoping I2 0,50 %w/w ; 0,75 %w/w ; 1,00%w/w
dan 1,25%w/w ………. 47
28 Spektrum transmisi FTIR selulosa mikrobial didoping I2
0,00%w/w ; 0,50%w/w ; 0,75%w/w ; 1,00%w/w
dan 1,255w/w ... 48
29 Pola difraksi sinar-X selulosa mikrobial yang didoping pada
berbagai konsentrasi I2 ... 50
30 Fermentasi 10 hari yang didoping I2 1% w/w ... 51
31 Fermentasi 10 hari yang didoping I2 1,25% w/w ... 51
1 Massa selulosa mikrobial dalam berbagai waktu fermentasi
dengan luas 660 cm2 ... 58
2 Nilai kuat tarik selulosa mikrobial metode ASTM 638-00 ... 58
3 Hasil resistivitas listrik selulosa mikrobial ... 59
4 Cara menentukan kristanilitas selulosa mikrobial dengan
menggunakan rumus Gaussian ... 62
5 Analisa sidik ragam ... 64
6 Skema proses pembuatan selulosa mikrobial ... 67
7 Skema proses pembuatan semikonduktor selulosa mikrobial .... 68
I.
PENDAHULUAAN
1.1Latar Belakang
Kemampuan menguasi bidang science teknologi tinggi merupakan
syarat mutlak bagi suatu negara, untuk memasuki negara industri baru. Salah
satu bidang teknologi tinggi yang sangat mempengaruhi peradaban manusia di
abad ini adalah teknologi material dan hampir semua peralatan didalam
kehidupan manusia bertumpu pada teknologi elektronika. Salah satu komponen
penting di dalam teknologi elektronika terbuat dari suatu material yang dikenal
sebagai semikoduktor.
Perkembangan teknologi elektronika maju sangat pesat dan telah menjadi
tulang punggung dalam dunia modern. Kemajuan sangat cepat ini terjadi
setelah ditemukan material semikonduktor yang memberikan banyak sifat listrik
yang unik dan hampir dapat memecahkan semua persoalan elektronika. Dengan
ditemukan material semikonduktor maka komponen elektronika menjadi sangat
ringan, kompak dan persatuan luas mempunyai kepadatan rangkaian yang
sangat tinggi.
Material semikonduktor dipergunakan pada industri komputer (57%),
peralatan komunikasi (17%), peralatan elektronik rumah tangga (15%) dan untuk
keperluan lain,seperti untuk peralatan militer, otomotif dan mesin industri sekitar
(11%) (Akhadi, 2004).
Menurut Akhadi (2004), material semikonduktor dapat dibuat dari
polimer yang didoping dengan suatu unsur pada golongan IA dan VIIA pada
sistem periodik. Dalam bidang energi polimer elektrolit padat (solid polymer
electrolyte) dapat digunakan untuk pembuatan sel fotoelektro kimia. Polimer ini
dibuat dari polietilen oksida yang di doping dengan kalium Iodida (KI) dan
Iodium(I2).
Selulosa merupakan bahan organik dan merupakan suatu polimer yang
mempunyai massa molekul besar. Selulosa mikrobial sebagai semikonduktor
dapat dibuat dari pemanfatan limbah cair tahu yang berupa whey. Limbah cair ini
ditinjau dari komposisi kimia, ternyata whey masih mengandung nutrien
(protein, karbohidrat dan bahan lainnya) serta juga mengandung vitamin B
terlarut dalam air.
Melalui proses fermentasi bakteri Acetobacter xylinum,selulosa mikrobial
yang didoping dengan suatu unsur yang terdapat pada sistem periodik seperti
polimer sintetik lain akan merupakan material biosemikonduktor dengan
beberapa keunggulan antara lain (1) tidak mencemari lingkungan (2) tidak
bersifat toksik (3) relatif lebih murni tidak seperti selulosa pada kayu (4)
mempunyai sifat mekanik yang kuat baik dalam keadaan basah maupun dalam
keadaan kering. Dengan melihat beberapa keunggulan tersebut
biosemikonduktor patut dikembangkan lebih lanjut, dikarenakan bahan bakunya
berlimpah dan terbuang sebagai limbah.
Biosemikonduktor telah menjadi perhatian dalam dunia penelitian sejak
50 tahun lalu. Bahan biosemikonduktor (fermentasi whey) dengan kandungan
karbon,hidrogen dan oksigen mempunyai ikatan molekul lemah (ikatan kovalen)
dalam keadaan solid, sehingga dapat menjadikan bahan organik sebagai bahan
isolator dan semikonduktor. Bahan organik semikonduktor juga bersifat
photoconductive dibawah sinar biasa.
Penelitian organik LED (Light Emitting Diode) mulai mendapat
perhatian sejak penelitian dari Eastman Kodak (1987) dengan molekul kecil
sebagai bahannya, kemudian peneliti dari Cambride (1990) dengan
menggunakan polymer sebagai bahannya. Peneliti dari Jepang (Fuke, et al, 1999)
atau berdasarkan hak paten United States 5,933,508 (1993), telah berhasil
membuat membran polimer dari selulosa mikrobial. Membran yang berkualitas
tinggi ini sedang dikembangkan nilai komersialnya untuk pembuatan sound
system dan alat musik bermutu tinggi.
Perusahaan Sony bekerjasama dengan Ajinomoto membangun pertama
kali diafragma untuk audio speaker dengan menggunakan mikrobial selulosa.
(hak paten United States 4,742,164 (1986). Penggunaan mikrobial selulosa ini
dapat memberikan perbaikan pada membran tranduser suara yang memberikan
Pembuatan selulosa mikrobial dari whey sebagai biosemikonduktor
mempunyai suatu nilai tambah dimana dari selulosa mikrobial ini banyak
digunakan tidak hanya dalam bidang elektronik, tapi juga dapat di manfaatkan
dalam bidang lain misalnya dalam bidang kedokteran (proses dialysis)
ultrafiltrasi, dan industri untuk pembuatan air tawar dari air laut (desalinasi air
laut).
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan Umum penelitian ini adalah memanfaatkan limbah tahu sehingga
menghasilkan suatu nilai tambah karena limbah cair tahu (whey) bagi produsen
tahu kebanyakan dibuang dan dapat mencemari lingkungan karena
menimbulkan bau yang kurang enak.
Tujuan khusus penelitian ini yaitu untuk mengetahui karakteristik
selulosa mikrobial (nata de soya) sebagai semikonduktor dengan melihat
kekuatan tarik, resistivitas listrik, bentuk struktur dan tipe semikonduktor
berdasarkan lama fermentasi dan penambahan unsur Iodium (I2).
1.3 Ruang Lingkup Penelitian
a. Mengetahui pengaruh lama fermentasi terhadap karakteristik selulosa
mikrobial antara lain kekuatan tarik (tensile strength), resistivitas listrik
menggunakan metode Van Der Pouw serta melihat struktur selulosa
mikrobial dengan menggunakan alat SEM (Scanning Electron
Microscop), FTIR (Fourier Transform Infra Red), dan XRD ( X-Ray
Difractometer).
b. Mengetahui pengaruh penambahan Iodium (I2) pada beberapa taraf
konsenterasi terhadap karakteristik semikonduktor (sifat resistivitas
listrik, bentuk struktur dan type semikonduktor).
Penelitian ini diharapkan dapat menjelaskan hubungan antara bentuk
struktur selulosa mikrobial dengan sifat resistivitas listrik sebelum dan
1.4 Hipotesis
a. Perbedaan lama fermentasi berpengaruh pada kekuatan tarik, bentuk
struktur dan sifat elatisitas suatu selulosa mikrobial (nata de soya).
b. Perbedaan konsentrasi unsur Iodium berpengaruh terhadap sifat
kelistrikan dan sifat mekanik.
1.5 Manfaat Penelitian
Semikonduktor yang sekarang banyak digunakan dalam bentuk
semikonduktor anorganik seperti: Boron Nitrid, Diamond, Germanium, Galium
Arsenide dan lain-lain. Semikonduktor organik mulai mendapat perhatian dari
kalangan peneliti maupun industri seperti: Polipropilen, Polianilin dan lain-lain.
Biosemikonduktor adalah material Semikonduktor yang dibuat melalui
fermentasi whey dengan menggunakan bakteri Acetobacter Xylinum dan
didoping dengan iodium. Whey merupakan limbah cair yang dibuang dan untuk
memberikan nilai tambah serta mengurangi pencemaran lingkungan maka dibuat
semikonduktor. Adapun biosemikonduktor yang dibuat ini mempunyai beberapa
keunggulan dalam arti sifatnya yang ramah lingkungan yaitu mudah hancur oleh
aktivitas mikroba tanah sehingga tidak merusak lingkungan serta bahan baku
(whey) yang tersedia dalam jumlah melimpah.
II.
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Kedelai, Tahu, dan Whey2.1.1 Kedelai
Saat ini kedelai merupakan salah satu tanaman multiguna karena dapat
digunakan sebagai pangan, pakan, maupun bahan baku berbagai industri
manufaktur dan olahan. Pada awalnya, kedelai dikenal dengan beberapa nama
botani, yaitu Glycine soja dan Soja max. Pada tahun 1948 telah disepakati bahwa
nama botani yang dapat diterima dalam istilah ilmiah, yaitu Glysine. Max L.
Merril. Kedelai merupakan tanaman dataran rendah dan daerah pertumbuhannya
sampai 500 m dari permukaan laut, tumbuh baik pada iklim panas dengan curah
hujan 20 mm/bulan.
Tanaman kedelai umumnya tumbuh tegak, berbentuk semak dan
merupakan tanaman semusim. Secara umum waktu tanam kedelai di lahan
kering dimulai pada awal musim hujan, yaitu antara bulan Oktober atau
November (musim tanam 1). Untuk musim tanam ke-2, dilakukan sekitar bulan
Februari atau Maret. Untuk lahan sawah, permulaan waktu tanam antara akhir
bulan Februari sampai pertengahan Maret (musim kemarau 1) dan untuk
penanaman ke-2 mulai awal bulan Juni sampai pertengahan Juli
(Adisarwanto,2005).
Saat panen ditentukan oleh umur sesuai varietas kedelai yang ditanam
dan ada perubahan warna polong, yaitu dari kehijauan menjadi coklat
kekuningan. Panen dilakukan jika lebih dari 95% polong kedelai sudah berubah
menjadi coklat kekuningan dan jumlah daun tersisa pada tanaman hanya sekitar
5 -10%. Waktu panen disesuaikan dengan varietas kedelai dan untuk setiap
daerah berbeda-beda. Penentuan waktu panen yang tepat sangat berpengaruh
terhadap kualitas biji yang dihasilkan. Pengunduran waktu panen 1-2 hari akan
mengakibatkan kadar air biji lebih rendah yaitu antara 12-13%, cuaca juga
Perkembangan tanaman kedelai selama 10 tahun terakhir
memperlihatkan penurunan yang cukup besar, lebih dari 50%, baik dalam luas
areal maupun produksinya. Pada tahun 1992, luas areal tanaman kedelai
mencapai 1,6 juta ha, sedangkan pada tahun 2003, luas areal hanya 600.000 ha.
Total produksi selama periode yang sama menurun dari 1,9 juta ton menjadi 700
ribu ton. Hal ini disebabkan oleh faktor teknis dan soasial ekonomi. Faktor
teknis antara lain kualitas benih, cara tanam, cara pemeliharaan tanaman, panen
dan penangan pascapanen. Sedangkan faktor sosial ekonomi antara lain luas
pemilikan lahan, status tanaman kedelai, modal dan risiko (Adisarwanto, 2005).
Jenis kedelai yang digunakan untuk memproduksi tahu ada 4 jenis yaitu kedelai
kuning, kedelai hitam, kedelai coklat dan kedelai hijau. Jenis kedelai yang
berwarna kuning banyak digunakan oleh produsen tahu, karena rasanya
disenangi oleh konsumen . Setiap 100 g biji kedelai mengandung protein lebih
besar dari 34,9 gr. Syarat untuk produksi tahu meliputi antara lain :
• Bebas dari kotoran ( batu, kerikil,ranting dll)
• Biji kedelai tidak luka atau bebas dari serangan hama
• Biji kedelai tidak memar
• Kulit biji kedelai tidak keriput
Sebagai bahan makanan yang relatif murah dan bergizi juga sangat
berkhasiat bagi pertumbuhan dan menjaga kondisi sel-sel tubuh. Kedelai banyak
mengandung unsur dan zat makanan penting seperti protein, lemak, karbohidrat
dan air seperti terangkum pada Tabel 1.
Tabel 1. Komposisi kedelai per 100 gram bahan
Komponen Kadar %
1. Protein
2. Lemak
3. Karbohidrat
4. Air
35 – 45
18 – 32
12 – 30
7
Menurut Liu (1997) Kedelai juga mengandung komponen minor seperti
fitat, isoflavon senyawa pencegah kanker dan penyakit lainnya, asam lemak
esensial (asam linoleat dan asam linolenat) dan asam lemak lainnya (asam
oleat,asam palmitat dan asam stearat). Kandungan asam amino pada kedelai
[image:30.595.120.447.236.652.2]dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Kandungan asam amino pada kedelai
Sumber: Considine and Considine,1982
Asam amino Kandungan (mg/100 g kedelai)
Kandungan asam amino esensial (leusin,lisin dan isoleusin) pada kedelai
cukup tinggi, sedangkan kandungan asam amino sulfur seperti metionin dan
sistein pada kedelai tergolong rendah. Metionin mempunyai kandungan asam
amino yang paling rendah pada kedelai diikuti dengan sistein dan triptofan (Liu,
1997).
2.1.2 Tahu
Tahu telah populer sejak 2000 tahun yang lalu selama Dinasti Han Barat,
kemudian diperkenalkan ke negara lain seperti Korea dan Jepang. Kemudian
kedua negara tersebut mengembang jenis tahu mereka sendiri yaitu tahu Korea
dan tahu Jepang (winarno,2002). Tahu adalah hasil koagulasi dari susu kedelai
yang dilanjutkan dengan proses pengepresan. Hasilnya menyerupai keju lunak
berwarna putih. Produk olahan nabati ini mempunyai kandungan protein cukup
tinggi. Menurut Winarno (2002) dalam setiap 100g tahu terdapat 89-90% air,
protein 5-8%, lemak 3-4%, karbohidrat 2-4 %.
Metode pembuatan tahu diperkirakan telah tercipta oleh Liu An dari
Dinasti Han di Cina sekitar 164SM. Baru 500 tahu kemudian, metode tersebut
disebarkan ke Jepang dan negara-negara lainnya (Liu,1997). Berbagai jenis tahu
dan tipe tahu dibuat berdasarkan dua tahapan yaitu pertama pembuatan susu
kedelai dan yang kedua susu kedelai diendapakan dan dipres sehingga
terbentuklah tahu. Perlakuan lebih lanjut terhadap gumpalan tahu tersebut dapat
beraneka ragam yang kemudian menghasilkan berbagai jenis tahu yang kini
telah banyak beredar dipasarkan (Winarno,2002).
2.1.3 Whey (limbah cair tahu)
Pada proses pembuatan tahu akan dihasilkan limbah berupa limbah padat
dan limbah cair. Limbah padat adalah ampas tahu yang merupakan sisa
penyaringan tahu waktu penggilingan kedelai. Limbah cair tahu atau whey tahu
adalah air buangan sisa pengendapan atau penggumpalan tahu waktu
Menurut Enie et al. (1993), ekstraksi protein kedelai dengan air panas
pada tahap pembuatan susu kedelai menyebabkan 79-82% (bb) kandungan
protein kedelai terekstrak. Protein yang terekstrak pada susu kedelai tidak
semuanya dapat menggumpal, sisa protein yang tidak menggumpal dan zat yang
tidak larut dalam air akan terdapat dalam whey tahu yang dihasilkan, termasuk
lesitin dan oligosakarida. Linaya dan Sangkanparan (1982) mengemukakan
bahwa whey tahu dapat digunakan sebagai konsentrat karena mengandung
padatan total 1% (bb), protein 0,22% (bb), karbohidrat 0,1 % (bb) , lemak 0,02
% (bb) dan abu 0,2% (bb).
Menurut Winarno (2002) dari 0,45 Kg kedelai dapat menghasilkan 3,6
Kg tahu dan limbah cair dari tahu (whey) sebanyak 3,78 liter. Menurut BPS
(2001) jumlah anggota produsen tahu di Indonesia sebanyak 10094, setiap
anggota membutuhkan kedelai 5000 ton pertahunnya, sehingga dapat
diperkirakan jumlah limbah cair tahu yang disebut juga whey dalam setiap
tahunnya dapat menghasilkan 40.000 m3 whey. Jika whey tahu tidak
dimanfaatkan akan dapat menyebabkan pencemaran lingkungan karena
membusuknya senyawa-senyawa organik tersebut, sedangkan pemanfaatannya
masih sangat terbatas. Apabila ke dalam whey ditambahkan Acetobacter
Xylinium akan terbentuk nata yang merupakan bahan baku untuk pembuatan
semikonduktor.
2.2. IODIN (I)
Iodin adalah salah satu unsur yang terdapat di dalam golongan VIIA,
mempunyai nomor atom 53 yang di dalam sistem periodik disebut sebagai unsur
halogen. Halogen adalah unsur non logam yang paling reaktif, berbau, berwarna,
beracun, serta tidak terdapat bebas di alam. Dalam keadaan bebas unsur halogen
terdapat sebagai molekul diatomik. Sifat iodine yang lain dapat dilihat pada
Tabel 3. Sifat – sifat Iodin
Nomor atom Massa atom Titik lelehOC
Massa jenis 25OC(gr cm-3) Warna
Konfigurasi electron Keelektonegatifan Jari-jari ion (Angstrom) Jari-jari atom (Angstrom) Kalor lebur (Kj mol-1)
53 126,90447
113,5 4,93 Ungu- hitam
[Kr]4d105s25p5 2,66 2,20 1,33 15,78
Sumber: Brady, 1994
Iodin digunakan sebagai doping dalam penentuan type semikonduktor.
Adapun sifat yang mempengaruhinya antara lain nomor atom untuk
menentukan elektron valensi atau elektron terluar dari suatu atom, titik didih
diperlukan untuk proses difusi pada selulosa mikrobial, sedangkan jari-jari ion
diperlukan untuk melihat kemungkinan substitusi unsur didalam struktur kristal.
Selain iodin dapat juga digunakan unsur lain dalam pendopingan, seperti
unsur Natrium, Kalium. Kedua unsur ini terletak dalam golongan IA dalam tabel
sistem periodik. Jika selulosa mikrobial didoping dengan unsur dari golongan IA
maka akan menghasilkan semikonduktor type - n, hal ini disebabkan unsur pada
golongan IA akan melepaskan satu elektron atau kelebihan satu elektron. Jika
Selulosa mikrobial didoping dengan menggunakan unsur golongan VIIA, seperti
unsur Iodin, Flour, Brom. Pada unsur golongan VIIA akan terjadi kekurangan
satu elektron maka semikonduktor yang dihasilkan adalah semikonduktor type-p.
2.3Selulosa Mikrobial
Selulosa mikrobial adalah jenis selulosa yang dihasilkan oleh bakteri
seperti Acetobacter Xylinum. Selulosa merupakan polimer linier glukosa yang
terikat dalam ikatan ß-1,4 glikosida. Selulosa ini bebas lignin, bobot molekulnya
tinggi, sifat kristalinnya tinggi, derajat polimerisasi tinggi, mempunyai kekuatan
Gambar 1. Struktur Molekul Selulosa (water structur and behavior / cellulose / home -http: // www.isbu.ac.uk / water / search)(11/04/05)
Bakteri Acetobacter Xylinum adalah bakteri Gram negatif yang dapat
menghasilkan serat-serat selulosa sehingga membentuk suatu jaringan yang tipis
diantara udara dan air/ cairan yang disebut pelikel. Ketebalan pelikel yang
terbentuk tergantung pada masa pertumbuhan mikroba. Pelikel yang berada pada
permukaan udara terdiri dari pita-pita yang mengandung kristalin yang tinggi
yang mempunyai lebar 40 – 100 nm, pita tersebut tersusun atas bagian
mikrofibril melalui ikatan hidrogen. Pembentukan pelikel dapat diperjelaskan
dari gambar 2 dibawah ini.
[image:34.595.116.494.469.709.2]Menurut Meshitsuka dan Isogai (1996), bahan yang mengandung
selulosa biasanya berbentuk struktur kristalin, sehingga air tidak dapat masuk ke
dalam daerah aktif kristalin pada suhu kamar. Selulosa mikrobial mengandung
dua struktur kristalin yaitu selulosa 1α dan selulosa 1β . Selulosa 1 α adalah
satu unit sel triklinat mengandung satu rantai selulosa yang mengandung
selulosa 60%, sedangkan selulosa 1β adalah satu unit sel monoklinat
mengandung dua rantai selulosa.
Pertumbuhan selulosa mikrobial terjadi karena terbentuknya serat yang
terus terjadi dari sel bakteri sehingga terbentuk jaringan serat yang sangat rapat
dan tebal. Serat yang bercabang-cabang dan tersusun rapat ini menyebabkan
selulosa mikrobial mempunyai sifat yang kenyal, alot dan tahan terhadap gaya
untuk merentangkan (Sidirjo,1996).
Selulosa mikrobial dapat dibuat menjadi lembaran dengan mengeringkan
di udara di atas tempat yang rata dengan luas tertentu. Mengeringkan selulosa
sampai kadar air kurang dari 1 % membutuhkan biaya yang besar, tetapi gugus
OH dalam air lebih reaktif daripada gugus OH yang terdapat pada komponen
lignoselulosa, sehingga hidrolisis berlangsung lebih cepat daripada substitusi.
Suhu (<150OC) yang dibutuhkan untuk reaksi sempurna harus cukup rendah
sehingga tidak terjadi degradasi serat (Rowel,1996).
2.4 Semikonduktor
Suatu material dapat mempunyai tiga sifat kelistrikan yaitu konduktor,
semikonduktor dan isolator. Bahan isolator tidak dapat mengalirkan arus listrik
sama sekali karena elektron valensinya tidak bebas bergerak di dalam material.
Keadaan ini disebabkan tingkat energi valensi dan tingkat energi konduksinya
berbeda jauh sehingga elektron untuk pindah memerlukan energi yang sangat
tinggi. Konduktor merupakan penghantar listrik yang baik karena tingkat energi
velensi dan tingkat energi konduksinya saling bertumpang tindih sehingga untuk
pindah tempat elektron hanya memerlukan energi yang sangat rendah.
Semikonduktor merupakan sifat kelistrikan suatu material diantara isolator dan
volt). Hambatan listrik suatu material merupakan suatu ukuran bagaimana
sulitnya elektron mengalir. Semikonduktor mempunyai hambatan listrik antara
[image:36.595.125.496.195.541.2]10-4<ρ< 108Ohm m (Runyan,1975).
Tabel 4. Spektrum Resistivitas (hambatan listrik) dalam ohm meter (Ω m )
10-8 Ag, Cu, Au
10-6 Fe,Al, Kawat Nichrom Konduktor
10-4
10-2 Se, Ge
1
102 Semikonduktor
104 Si,
106 CuO
108 Marmer
1010 Gelas
1012 Ebonit Isolator
1014 Keramik
1016 Gelas Silikon
Sumber: Rio., et al 1999
Dalam teori pita menjelaskan perbedaan sifat kelistrikan suatu material.
Elektron menduduki tingkat energi dari tingkat energi yang paling rendah
sampai tingkat energi yang paling tinggi. Beberapa tingkat energi ”terlarang”
ditempati oleh elektron. Tingkat energi yang diijinkan cenderung membentuk
suatu pita. Tingkatan yang paling tinggi terisi pada T= 0K dikenal sebagai pita
valensi. Elektron di dalam pita valensi tidak berpartisipasi pada proses
konduktivitas. Lebih dulu tingkatan kosong di atas pita valensi dikenal sebagai
elektron) karena pita valensi dan pita konduksi saling tumpang tindih sehingga
membiarkan elektron bebas untuk mengambil bagian proses konduktivitas.
Isolator mempunyai suatu sela energi yang jauh lebih besar dari energi termal
elektron, sedang material semikonduktor mempunyai sela energi sekitar 2,5 eV.
Pada gambar 3 di bawah menunjukkan perbedaan antara logam, semikonduktor
dan isolator dalam kaitan dengan pemisahan pita energi (Jacobs and
Kilduff. 1997).
Pita Konduksi Konduktor
Pita Valensi
Pita Konduksi Semikonduktor
Eg (energi gap/pita larangan)
Pita Valensi
Pita Konduksi Isolator
Eg (energi gap/pita larangan)
[image:37.595.118.483.83.585.2]Pita Valensi
Gambar 3 Teori Pita Energi dalam beberapa material (Jacobs and Kilduff, 1997)
Unsur semikonduktor murni terdiri dari atom yang sejenis seperti
Germanium (Ge) dan Silikon (Si). Atom ini terikat bersama-sama oleh ikatan
kovalen, sedemikian sehingga masing-masing atom berbagi suatu elektron
dengan tetangga terdekat dan membentuk ikatan yang kuat. Semikonduktor
Arsenide (GaAs) atau Indium Phosphide (InP). Semikonduktor campuran ini
terletak pada golongan III dan V dalam sistem periodik unsur kimia. Di dalam
semikonduktor campuran, perbedaan di dalam elektro-negatif merupakan suatu
kombinasi ikatan kovalen dan ikatan ionik. Ternary Semikonduktor dibentuk
oleh penambahan suatu unsur dengan kwantitas kecil (1/3) kepada campuran,
sebagai contoh AlxGa1-XAs. Tulisan di bawah garis x mengacu pada isi
campuran logam material, proporsi material yang ditambahkan dan proporsi
yang digantikan dengan material campuran logam. Penambahan mencampur
logam ke semikonduktor dapat diperluas meliputi quaternary material seperti
GaxIn(1-X)AsyP(1-Y) atau GaInNAs dan bahkan quinternary material seperti
GaInNAsSb. Tulisan di bawah garis menandakan unsur-unsur proporsi pembuat
campuran. Campuran logam semikonduktor dengan cara ini mengijinkan
kisi-kisi dan sela energi mengatur jarak kristal untuk dipilih sesuai penggunaan
(Jacobs and Kilduff, 1997).
Contoh semikonduktor :
• Aluminium Gallium Arsenide (AlxGa1-xAs)
• Diamod
• Gallium Arsenide
• Gallium Indium Arsenide Phosphide (Ga1-xInxAs1-yPy)
• Gallium Nitride
• Germanium
• Silikon
Tabel 5. Sifat Bahan Pada Susunan Berkala
Sumber: Brady,1995
Golongan
I
II Logam
III
IV
V Metaloid
VI
VII Non Logam
VIII
Sumber: Brady, 1994
Semikonduktor intrinsik merupakan material semi penghantar sangat
murni. Struktur material Semikonduktor ini tidak berisi atom lain.
Semikonduktor campuran dapat berupa semikonduktor intrinsik. Pada suhu
kamar, energi yang berkenaan dengan energi termal atom mengijinkan sejumlah
kecil elektron untuk mengambil bagian dalam proses. Tidak seperti konduktor
yang hambatan listrik akan naik karena temperatur naik, pada material
semikonduktor hambatan akan turun bila temperatur naik. Pada semikonduktor
ketika temperatur naik energi yang berhubungan dengan energi termal elektron
akan meningkat dan membiarkan lebih banyak elektron untuk melanggar pita
larangan didalam pita konduktor. Ketika suatu elektron memperoleh energi
cukup untuk lepas akan meninggalkan suatu lowongan di belakang yang
mungkin diisi oleh elektron lain. Lowongan ini sebagai pengangkut muatan
positif kedua dan dikenal sebagai suatu lubang/hole. Ketika elektron mengalir
sepanjang semikonduktor, membuat suatu lubang arus dengan arah kebalikan.
Jika ada n elektron bebas di (dalam) suatu semikonduktor intrinsik, maka harus
sebagai pembawa muatan intrinsik. Konsentrasi pembawa atau rapatan muatan
menggambarkan banyaknya pembawa muatan setiap unit volume. Hubungan ini
dapat dinyatakan seperti n = p dengan n adalah banyaknya elektron dan p
banyaknya lubang setiap unit volume t. Variasi di dalam pita larangan antara
material semikonduktor berbeda berarti kadar pembawa intrinsik pada
temperatur juga berbeda (Jacobs and.Kilduff, 1997).
Intrinsic p-type n-type
Gambar 4 Jenis dan tipe semikonduktor (Jacobs and.Kilduff, 1997)
Suatu semikonduktor ekstrinsik dapat dibentuk dari suatu semikonduktor
intrinsik oleh ketidakmurnian atom yang ditambahkan kepada kristal dalam
suatu proses pembuatan. Untuk mengambil contoh yang paling sederhana,
adalah Silisium. Silisium termasuk dalam golongan IV dalam daftar sistem
periodik kimia dan mempunyai elektron konduksi. Di dalam kristal
masing-masing atom berbagi suatu elektron dengan suatu atom tetangga. Di dalam suatu
semikonduktor intrinsik, unsur Boron, Aluminium dan Galium semua
mempunyai tiga elektron di dalam pita konduksi. Ketika suatu proporsi kecil dari
atom ini, (kurang dari 1 dalam 106), disatukan ke dalam kristal dopant atom mempunyai suatu jumlah tidak cukup ikatan untuk berbagi ikatan dengan
seluruh atom Silisium. Salah satu dari atom Silisium mempunyai suatu
lowongan untuk suatu elektron. Hal ini akan menciptakan suatu lubang yang
berperan dalam suatu proses. Dopant itu menciptakan lubang dikenal sebagai
akseptor. Semikonduktor ekstrinsik jenis ini dikenal sebagai p-type menciptakan
periodik unsur kimia seperti P, Sb mempunyai suatu elektron ekstra di dalam
pita konduksi. Ketika ditambahkan sebagai dopant ke Silisium intrinsik, dopant
atom memberi suatu elektron tambahan kepada kristal tersebut. Dopant itu
menambahkan elektron kepada kristal dikenal sebagai penderma dan
semikonduktor material disebut n-type (Jacobs and Kilduff, 1997).
Pembuatan semikonduktor campuran sedikit agak rumit. Efek dopant
atom tergantung lokasi yang diduduki oleh atom pada kisi-kisi. Di dalam
golongan III dan golongan V semikonduktor, atom dari golongan III bertindak
sebagai suatu akseptor ketika menduduki lokasi suatu golongan IV, sedang atom
di dalam golongan V bertindak sebagai penderma ketika mereka menggantikan
atom dari golongan IV. Ketidakmurnian ini dikenal sebagai ketidakmurnian ion
atom. Di dalam penyajian pita energi, penderma dan akseptor membentuk
tingkatan di dalam daerah energi larangan.
Pita Konduksi
Ed Tingkat Donor
Ea Tingkat Aseptor
Pita Valensi
Gambar 5 Teori pita energi semikonduktor ekstrinsik (Jacobs and.Kilduff, 1997)
Tingkat ketidakmurnian ini dikenal sebagai ketidak murnian dalam zat
cair. Donor merupakan suatu elektron yang mengorbit di suatu lokasi kisi-kisi,
sedang akseptor merupakan suatu orbit lubang di sekitar suatu lokasi kisi-kisi
dengan muatan positif. Energi yang diperlukan ke ionisasi pengangkut ini sangat
sedikit dibanding energi ikat atom hidrogen karena massa efektif lebih kecil dan
pada semikonduktor ekstrinsik tergantung pada banyaknya atom dopan dan
permitivitas material intrinsik yang dapat dirumuskan sebagai berikut:
) 4 (
2 2 2 2 0
4 πε ε n e m E e g h =
Eg = energi gap / celah energi / energi larangan (joule)
me = massa elektron ( 9,11x10-31 kg)
e = muatan elektron ( 1,6x 10-19 C)
ε = permitivitas listrik medium (C/V-m)
ħ = konstanta Planck ( 6,63x10-34 J-detik)
n = banyaknya atom dopant
εo = permitivitas listrik di ruang hampa (8,854x10-12 C/V-m)
Energi donor,Ed, merupakan pengurangan energi gap dari semikonduktor
intrinsik akibat adanya atom dopan
kbT ≈Ed kbT eV
40 1
≈
T = Temperatur kamar (K)
kb = konstanta Boltzman (1,38x10-23 J K-1 )
Suatu perkiraan kasar untuk temperatur ionisasi berada pada temperatur
-kamar. Pada awalnya ketika temperatur rendah, eksitasi dari penderma dan
akseptor merupakan satu-satunya sumber pengangkut yang mencakup daya
konduksi yang disebabkan oleh keadaan luar. Didalam kondisi ini pembuatan
semikonduktor menentukan apakah semikonduktor merupakan n-type atau
p-type.
2.4 Kegunaan Semikonduktor 2.4.1 Dioda
Penggunaan semikonduktor adalah untuk instrument atau komponen
komponen elektronika yang terbuat dari dua bahan semikonduktor yang berbeda
type yaitu type-p dan type-n disebut juga dengan P-N junction, mempunyai
fungsi yang unik yaitu hanya dapat mengalirkan arus satu arah seperti yang
ditunjukkan pada gambar dibawah ini.
Anoda Katoda
Depletion layer ++ ++P ++ ++ -- N -- --
--Gambar 6 Simbol dan struktur dioda (PN junction) (Rio., et al 1999)
Dari Gambar 6 menunjukkan sambungan PN dengan sedikit porsi kecil
yang disebut lapisan deplesi (depletion layer), dimana terdapat kesetimbangan
hole dan elektron. Pada posisi P banyak terbentuk hole- hole siap menerima
elektron, sedangkan di sisi N banyak terdapat elektron –elektron yang siap untuk
bebas. Lalu jika diberi bias positif, yaitu dengan memberi tegangan potensial
yang lebih besar dari sisi N, maka elektron dari sisi N dengan serta merta akan
bergerak untuk mengisi hole disisi P, maka akan terbentuk hole pada sisi N
karena ditinggal elektron, ini disebut aliran hole dari P menuju N, jika
menggunakan terminologi arus listrik, maka dikatakan terjadi aliran arus listrik
dari sisi P ke sisi N, seperti yang diperlihatkan dalam gambar 7.
-- + - ++ ++P ++ ++ -- N -- --
[image:43.595.138.330.173.323.2] [image:43.595.185.342.580.718.2]
Jika polaritas tegangan dibalik yaitu dengan memberikan bias negatif
(reverse bias), sisi N mendapat polaritas tegangan lebih besar dari sisi P.
Akibatnya tidak akan terjadi perpindahan elektron atau aliran hole dari P ke N
maupun sebaliknya. Baik hole maupun elektron masing-masing tertarik ke arah
kutub yang berlawanan, bahkan lapisan deplesi (depletion layer) semakin besar
dan menghalangi terjadinya arus. Dengan tegangan bias maju yang kecil dioda
sudah menjadi konduktor. Tidak diatas 0 volt tetapi memang tegangan beberapa
volt diatas nol baru bisa terjadi konduksi. Silikon mempunyai tegangan konduksi
diatas 0,7 volt yaitu kira-kira 0,2 volt batas minimum untuk dioda yang terbuat
dari bahan Germanium. Untuk bias negatif dioda tidak dapat mengalirkan arus,
namun memang ada batasnya sampai beberapa puluh bahkan ratusan volt baru
terjadi breakdown, dimana dioda tidak dapat lagi menahan aliran elektron yang
terbentuk di lapisan deplesi.
2.4.2. LED (Light Emiting Dioda)
LED (Light Emiting Dioda) merupakan komponen yang dapat
mengeluarkan emisi cahaya. LED merupakan produk temuan lain selain dioda.
Strukturnya juga sama dengan dioda tetapi elektron yang menerjang sambungan
P-N juga melepaskan energi berupa panas dan energi cahaya. Untuk
mendapatkan cahaya pada semikonduktor, doping yang dipakai adalah
germanium, arsenic dan phosporus. Jenis doping yang berbeda menghasilkan
warna cahaya yang berbeda pula ( Rio.,et al 1999 ).
Anoda Katoda
Gambar 8 Simbol LED (Rio., et al 1999)
Pada saat ini warna-warna cahaya LED yang banyak adalah warna
semua warna dihasilkan, namun akan menjadi sangat mahal dan tidak efisien.
Dalam memilih LED selain warna, yang juga perlu diperhatikan tegangan, arus
maksimum dan daya disipasi. Rumah (chasing) LED dan bentuknya juga
bermacam-macam, ada yang persegi empat, bulat dan lonjong.
2.4.3 Transistor
Transistor adalah alat semikonduktor yang digunakan sebagai penguat
(amplifier), pemotong (switching on/off), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal
atau fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik, dimana
berdasarkan arus input dan tegangan inputnya, memungkinkan pengaliran listrik
yang sangat akurat dari sumber listriknya (Rio., et al 1999).
Transistor merupakan dioda dengan dua sambungan (junction).
Sambungan itu membentuk transistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung
terminalnya berturut-turut disebut emitor, base dan kolektor. Base selalu berada
ditengah, diantara emitor dan kolektor. Transistor ini disebut transistor bipolar,
karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di
kutub negatif mengisi kekurangan elektron (hole) di kutub positif, bi =2 dan
polar = kutub.William Schockley pada tahun 1951 yang pertama kali
menemukan transistor bipolar.
C
B
E B C E
C
B
E
N P N
P N P
E B C
Dimana :
P = Ion positif (proton)
N = Ion negatif (elektron)
B = Base
C = Kolektor
E = Emitor
Transistor adalah komponen yang bekerja sebagai sakelar (switch on/off)
dan juga sebagai penguat (amplifier). Transistor bipolar adalah inovasi yang
menggantikan transistor tabung (vacum tube). Selain dimensi transistor bipolar
relatif kecil, disipasi dayanya juga lebih kecil sehingga dapat bekerja pada suhu
yang lebih dingin. Dalam beberapa aplikasi, transistor tabung masih digunakan
terutama pada aplikasi audio, untuk mendapatkan kualitas suara yang baik.
Namun konsumsi dayanya sangat besar terutama untuk dapat melepaskan
elektron, teknik yang digunakan adalah pemanasan filamen seperti lampu pijar
(Rio., et al 1999).
Transistor bipolar memiliki dua junction yang dapat disamakan dengan
penggabungan dua buah dioda. Emitor - base adalah satu junction dan
base-kolektor junction lainnya. Seperti pada dioda, arus akan mengalir jika diberi
bias positif, yaitu jika tegangan pada material P lebih positif daripada material N
(forward bias). Pada gambar 10 transistor NPN junction, junction base-emitor
diberi bias positif sedangkan base-kolektor mendapat bias negatif (reverse bias).
+ B = base
C = kolektor
- C E = emitor
B
+ E
-
N P N
E B C IB = Arus base
IB IC = Arus kolektor
IE ICBO IC IE = Arus emitor
- + - + ICBO = Arus base-kolektor
VEB = tegangan pada emitor
[image:47.595.165.499.102.442.2]VEB VCB VCB = tegangan pada kolektor
Gambar 10 Arus elektron transistor NPN (NPN junction)
Base-emitor mendapat bias positif seperti dioda, elektron mengalir dari
emitor menuju base. Kolektor pada rangkaian ini lebih positif sebab mendapat
tegangan positif. Oleh sebab itu kolektor ini lebih positif menuju base seperti
dioda. Lebar base tipis hanya sebagian elektron yang dapat bergabung dengan
hole yang ada pada base. Sebagian besar akan menembus lapisan base menuju
kolektor, dengan alasan ini mengapa jika dua dioda digabungkan tidak dapat
menjadi sebuah transistor, yang disebabkan lebar base harus sangat tipis
sehingga dapat diterjang oleh elektron.
Jika tegangan base-emitor dibalik (reverse bias), maka tidak terjadi aliran
elektron dari emitor menuju kolektor. Jika pelan-pelan keran base diberi bias
maju (forward bias), elektron mengalir menuju kolektor dan besarnya sebanding
elektron yang mengalir dari emitor menuju kolektor. Ini disebut efek penguat
transistor sebab arus base yang kecil menghasilkan arus emitor-kolektor yang
lebih besar (arus yang lebih kecil mengontrol aliran arus yang lebih besar). Base
mengatur pemebukaan dan penutupan aliran arus emitor-kolektor (switch
on/off) (Rio., et al 1999).
Pada transistor PNP, fenomena yang sama dapat dijelaskan dengan
memberikan bias seperti yang ditunjukkan pada gambar 11. Dalam hal ini yang
disebut perpindahan arus adalah arus hole.
B = base
- C = kolektor
C E = emitor
+ B
-
E
+
B
E P N P C IB = arus base
IC = arus kolektor
IB IC IE = arus emitor
IE VCB = tegangan pada kolektor
+ - + - VEB = tegangan pada emitor
[image:48.595.168.501.304.671.2]
VEB VCB
III.
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 BAHAN DAN ALAT
A. Bahan
Bahan yang digunakan untuk pembuatan nata de soya atau selulosa
mikrobial adalah whey tahu yang diambil dari produsen tahu di daerah Kelapa
Dua Cimanggis Depok. Adapun bahan lainnya adalah urea, gula pasir,
KH2PO4, MgSO4, asam asetat glasial. Nata de soya atau selulosa mikrobial di
inkubasi dengan bakteri Acetobacter xylinum dengan waktu fermentasi antara 5
; 7 ; 10 dan 15 hari. Iodium (I2) yang ditambahkan sebagai material doping
semikonduktor dengan konsentrasi 0,5 ; 0,75 ; 1,00 dan 1,25 % w/w.
B.Alat
Alat yang dipergunakan dalam penelitian adalah Neraca analitis
(Sartorius), pemanas listrik (hot plate) , alat penghancur , batang pengaduk,
mortal, oven, thermometer dan alat–alat instrumentasi Tensil Strength Tester
(ASTM D 638- 00), SEM (Scanning Electron Microscope)(Jeol JSM-5310 LV),
XRD (X-Ray Difractometer) (Phlips PW 3710), FTIR (Fourier Transform Infra
Red Spectroscopy) (Shimadzu DTA-50), adalah alat instrumentasi untuk
pengujian kekuatan tarik dan karakteristik selulosa mikrobial, sedangkan untuk
pengujian konduktivitas dan tipe semikonduktor dengan alat Four Point Probe
(Jandel 4410 j1 525378554) dan Hot Probe.
3.2 WAKTU DAN TEMPAT PENELITIAN
Penelitian ini dilaksanakan selama sembilan bulan dari persiapan sampai
penyusunan laporan akhir yaitu mulai bulan Januari 2005 sampai September
2005. Tempat penelitian dilakukan di beberapa laboratorium antara lain di
Laboratorium Fisika FMIPA UI di Depok dan di Salemba serta laboratorium
3.3 METODA PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan dalam dua tahap. Pertama fermentasi nata dari
whey yang berdasarkan perbedaan lamanya fermentasi dengan parameter uji
kekuatan tarik, sifat struktur molekul. Tahap kedua penambahan unsur Iodium
dalam selulosa mikrobial dengan parameter pengujian sifat resistivitas listrik,
type semikonduktor dan bentuk struktur selulosa mikrobial.
A.Pembuatan Selulosa Mikrobial
Selulosa mikrobial dapat dibuat dari bahan baku air kelapa dan limbah
cair produksi tahu (whey). Selulosa mikrobial dari air kelapa disebut nata de
coco dan yang dari whey disebut nata de soya. Bentuk, warna dan tekstur tidak
jauh berbeda. Selulosa mikrobial adalah biomassa yang sebagian besar terdiri
dari selulosa, berbentuk agar dan berwarna putih, yang berasal dari pertumbuhan
Acetobacter xylinum pada permukaan media cair yang asam dan mengandung
gula. Untuk pembuatan selulosa mikrobial dapat dilihat pada lampiran 6.
B. Pemurnian Selulosa mikrobial
Pemurnian selulosa mikrobial dilakukan berdasarkan US Patent 4742164
(Iguchi, et al) (1986). Nata de soya (selulosa mikrobial) diuji berdasarkan
lamanya fermentasi 5 ; 7 ; 10 dan 15 hari dengan ketebalan 5mm. Produk
dicuci dengan air beberapa kali, lalu dipres dengan pres hidraulik, dikeringkan
dalam oven pada temperatur 100OC selama 2 jam. Pengujian sifat karakteristik
produk dilakukan dengan alat Tensile Strength Tester metode ASTM D638-00
(American Society for Testing and Material), FTIR ,XRD Phlips PW 3710 dan
SEM.
C. Doping Dengan Iodium (I2)
Doping adalah memberikan atau penyusupan suatu unsur terhadap
material murni, sehingga material tersebut mengalami ketidakmurnian. Doping
dilakukan dengan menggunakan difusi sentering (Jacobs and Kilduff,1997),
kecil kemudian menjadi partikel yang besar sehingga mempunyai ikatan yang
kuat. Selulosa mikrobial (nata de soya) yang telah murni dengan ukuran partikel
50 mesh dilarutkan dalam larutan iodium dengan konsentrasi 0,5%w/w;
0,75%w/w ; 1,00%w/w dan 1,25%w/w. Larutan diaduk selama 2 jam
menggunakan magnetik Stirer, lalu dicetak diatas stainless steel dengan
ketebalan 0,5 mm, setelah itu dikeringkan dalam oven pada temperatur 100OC selama 5 jam .
3.4. Metode Pengujian dan Analisa A. Pengujian Kekuatan Tarik
Pengukuran kekuatan tarik dilakukan untuk mengetahui harga elastisitas
dari suatu bahan semikonduktor yang dibuat. Pengujian kekuatan tarik dilakukan
di Balai Besar Kemasan dan Kimia (BBKK) yang terletak di Pasar Rebo, Jakarta
Timur. Metode pengujian yang dilakukan menggunakan metode ASTM
(American Society for Testing and Material) D 638-00. Sampel dibentuk dengan
menggunakan ukuran standar yaitu panjang 20 cm , lebar 1,5 cm. Alat yang
dipergunakan yaitu tensile strength tester, dengan cara sampel ditarik hingga
putus.
A Fx
Modulus(%)=
Tegangan putus = A F Dimana % 100 . 1 x L L L putus an Perpanjang o o − =
Fx = beban yang diperlukan untuk menarik cuplikan sejauh x (Kgf)
F = beban yang diperlukan untuk menarik sehingga cuplikan putus (Kgf)
A = luas penampang kerja (m2)
Lo = panjang cuplikan awal (m)
B. Pengujian Resistivitas Listrik Selulosa Mikrobial
Resistivitas listrik suatu material dapat dianalisis dengan menggunakan
metode Van Der Pouw yaitu mengukur besar arus listrik yang mengalir dalam
suatu material dengan cara memberikan harga beda potensial berbeda-beda.
Dengan menggunakan hukum Ohm akan didapatkan nilai hambatan listrik
material yang nilainya tergantung pada geometri dan resistivitas listrik material
(Runyan,1975). Rangkaian Four Point Probe (metode Van Der Pouw)
ditunjukkan seperti pada gambar 12.
A l i iR
V = = ρ
Dimana :
V = beda potensial (volt)
i = arus listrik (amper)
ρ = resistivitas listrik (ohm-m)
l = panjang (m)
A = luas penampang kerja (m2)
Dari nilai resistivitas listrik ini dapat dihitung nilai koefisien konduktivitas
listrik material karena nilai resistivitas listrik ,ρ, berbanding terbalik dengan nilai
Material A
V
Gambar 12. Rangkaian Four Point Probe metode Van Der Pouw
(Runyan,1975)
Jajaran empat probe berjarak masing masing S dipasang diatas
semikonduktor. Sumber tegangan dipasang pada dua probe terluar untuk
menghasilkan arus I dan voltmeter dihubungkan pada dua probe yang ditengah
untuk mengukur tegangan jatuh V.
ρ = 2π S . V/I S = 0.5 mm atau 1mm Dimana :
V = beda potensial (volt)
I = arus listrik (amper)
S = jarak antara dua jarum (probe) (meter)
ρ = resistivitas listrik Ohm meter (Ω-m)
Keuntungan dari penentuan resistivitas listrik dengan metode ini adalah
(1) mudah dan cepat (2) tidak memperhatikan geometri sample (3) tidak
memerlukan kontak yang permanen. Untuk menentukan type n atau type p dari
suatu semikonduktor dapat digunakan metode dua probe panas dan dingin yang
disebut hot probe (gambar 13). Jika terjadi arus listrik, jarum galvanometer akan
bergerak ke arah positif atau negatif. Di tempat kontak antara probe panas dan
sampel akan terjadi peningkatan jumlah pembawa muatan, elektron untuk tipe n
dan hole untuk type p. Pembawa muatan akan bergerak kearah probe dingin
yang dihubungkan ke salah satu kutub galvanometer, sedangkan kutub yang lain
bergerak ke arah kutub positif galvanometer (ke kanan). Tempat kontak antara
probe panas dan sampel probe panas menjadi positif jika sampel adalah type n,
dan menjadi negatif jika sampel adalah type p.
+ -
B A
type p
µA
Gambar 13. Two Point Probe, A = Jarum Probe panas,
B = Jarum Probe dingin(Runyan,1975)
C. Karakteristik Struktur Selulosa Mikrobial
1. Fourier Transform Infra Red (FTIR) Spectroscopy
Fourier Transform Infra Red (FTIR) Spectroscopy merupakan
suatu alat analisis struktur material yang menggunakan sifat absorbsi energi
berdasarkan energi rotasi dan vibrasi atom dari molekul. Kedua energi
tersebut equivalent dengan energi elektromagnet pada daerah infra merah
(IR).
12
2
1
ω
I
v
=
h
untuk gerak rotasi atom22
2
2
1
ω
o
A
v
=
h
untuk gerak vibrasi atomDimana :
ħ = konstanta Planck (6,63x10-34 J - detik)
ν = frekuensi gelombang elektromagnet (hertz)
ω1 = kecepatan sudut putar (rad/detik)
ω2 = frekuensi sudut getar (hertz)
Ao = amplitudo getar (meter)
Peralatan FTIR menggunakan sifat interferensi dari dua gelombang yang
koheren (gelombang yang melalui cuplikan dan gelombang yang tidak melalui
cuplikan) dan dari hasil interferensi tersebut dapat diketahui ikatan karbon yang
terjadi pada cuplikan dengan cara mengukur panjang gelombang absorbsi atau
transmisi dari gelombang IR (Infra Red) yang dipergunakan. Disini dapat
dipergunakan cuplikan dalam bentuk cairan, membran atau dalam bentuk bubuk
yang dipadatkan ditambah dengan KBr.
2. X-Ray Difraktometer (XRD)
X – Ray Difraktometer (XRD) merupakan suatu alat analisis material
yang menggunakan teori difraksi dengan menggunakan sinar X. Sinar-X
mempunyai panjang gelombang yang sangat pendek (1 x 10-2 nm < λ < 10 nm)
dan lebih pendek dari jarak antar atom yang menyusun material sehingga
gelombang ini dapat menembus material atau terjadi pelenturan gelombang.
Panjang gelombang yang dipergunakan tergantung pada target material yang
berada dalam tabung sinar- X yang ditunjukkan seperti gambar 14. Didalam
analisis material disini dipergunakan hukum Bragg yaitu :
2 d sin θ = m λ
Dimana :
d = jarak antara bidang kisi (m)
θ = sudut difraksi (derajat)
m = orde (biasanya dipergunakan 1)
Gambar 14. Difraksi Sinar-X pada material (Cullity and Stock, 2001)
Peralatan XRD dipergunakan untuk menganalisis struktur material baik
secara kuantitatif maupun kualitatif. Sampel disini dapat langsung dalam bentuk
membran atau dalam bentuk bubuk yang dipadatkan. Di dalam penelitian ini
penggunaan XRD dilakukan pada suatu cuplikan untuk mengetahui struktur
selulosa mikrobial tersebut apakah merupakan polimer kristalin atau non
kristalin, disamping itu juga untuk mengetahui perubahan struktur yang terjadi
pada selulosa mikrobial setelah mengalami perubahan susunan atom.
3. Scanning Electron Microscope ( SEM )
Scanning Electron Microscope (SEM) merupakan suatu alat pembesar
untuk melihat benda yang sangat kecil. Alat ini menggunakan sifat difraksi
elektron terhadap suatu material dan hanya untuk melihat bentuk permukaan
suatu material. Perbesaran disini tergantung pada energi elektron yang
dipergunakan. Sifat dualisme partikel disini dipergunakan untuk merubah energi
elektron dengan energi gelombang elektromagnet, yang dapat dipergunakan
rumus sebagai berikut:
2
2 1
v m
hv =
Dimana :
h = konstanta Planck ( 6,63x10-34 J/det)
ν = frekuensi gelombang elektromagnet (hertz)
3.5 Rancangan Percobaan
Penentuan karakteristik membrane selulosa sebagai semikonduktor
dilakukan melalu
