ENVIPLAST :
STARCH
BASED BIOPLASTIK COMPOUND
Asmuwahyu Saptorahardjo PT Inter Aneka Lestari Kimia
ABSTRAK
Tinjauan dilakukan terhadap latar belakang tumbuhnya indsutri Bioplastik termauk masalah mikroplastic. Pemahaman pengertian Bioplastik dan tatacara standard pengujiannya diuraikan dari sudut praktis industri. Proses compounding sebagai satu dari proses produksi campuran biopolimer dengan polimer sintetis diuraikan dengan mempergunakan kasus bahan baku starch cassava. Enviplast sebagai resin bioplastik produk compounding diuraikan sifat mekanis, hasil biodegradasinya maupun aplikasinya.
dapat dibuat banyak sekali tipe produk, dipakai di transportasi, telekomunikasi, pakaian, kemasan, sekaligus mendorong kemajuan teknologi, penanganan kesehatan, penghematan energi dan berbagai kemaslahatan sosial seperti pemakaian kemasan untuk penyimpanan sumber makanan makanan jangka panjang. Plastik film untuk meningkatkan panen (Andrady dan Neal, 2009). Tak heran produksi plastik bertambah secara signifikan selama 60 tahun terakhir dari 0.5 ton di 1950 sampai lebih dari 260 juta ton di 2008 (Thompson et al, 2008).
Pada umumnya, untuk meningkatkan kemampuan proses maupun unjuk kerjanya, resin polimer dibubuhi berbagai additive. Additive ini termasuk filer anorganik, dan kadang untuk reinorcement, plasticizer, antioxydant, UV stabilizer, Fleme Retardant sampai pigment pewarna. Berbagai additive dibubuhkan dalam jumlah besar, seperti plasticizer di PVC sampai puluhan persen, namun antioxydan pada polyolefin dibubuhkan kurang dari 1% (Saptorahardjo, 2010). Riset masih harus dilakukan antara tipe dan jumlah additive di plastik dihubungkan dengan uptake dan akumulasinya pada organisme (Andrady dan Neal, 2009).
Bersama dengan berbagai material konsumer, berakumulasinya bekas kemasan berkontribusi pada berakumulasinya sampah yang perlu dikirim ke Tempat Pembuangan Akhir. Sampah yang tak tertangani tersebar di berbagai lokasi daerah urban. Sampah di daerah urban bertambah dan terdiri atas berbagai materi, termasuk diantaranya produk thermoplastik. Thermoplastik tidak dapat terbiodegradasi secepat material berasal usul biologis (Andrady, 2003). Seberapa lama plastik bertahan di tempat pembuangannya, tergantung pada struktur, perilaku kimia material dan karakteristik lingkungannya. Sebagian besar dari kemasan dari plastik terbuat dari Polyethylene, Polypropylene, Polystyrene dan Pethylene Terpthalate. Polimer-polimer tersebut bersifat hidrofobik dan praktis tak mengalami penguraian di pembuangannya.
Masalah sampah plastik, meskipun konsumsi plastik di Indonesia masih rendah 17 kg/kapita/tahun, namun karena masalah tanah utk TPA, masalah budaya dan tata kelola sampah, tak terdaur ulang plastik kemasan flexible multilayer yang tipis, maka akumulasi, utamanya plastik kemasan tipis, menjadi masalah lingkungan.
Suatu publikasi besarnya run off sampah plastik dari daerah daratan padat penduduk ke laut (Jambeck et al, 2015) dengan pendekatan perhitungan yang masih meragukan, namun telah terlanjur menjadi persepsi pembuat keputusan sehingga Indonesia dianggap sebagai satu dari pengotor plastik di lautan yang cukup dominan.
Gambar 1. Zooplankton dengan mikcoplastik Cole M, Lindeque P, Fileman E, Halsband C, Goodhead RM, et al. (2013) Microplastic ingestion by zooplankton. Environmental Science & Technology 47: 6646–6655. doi:10.1021/es400663f
Starch merupakan campuran makro molekul amylosa dan amylopectin, biopolimer tersusun dari molekul glukosa. Amylosa berstruktur linear, sampai 2000 sambungan 1,4 C gugusan glukosa dan sedikitnya 1,6 C titik cabang. Sedang amylosapectin justru 1,6 C titik cabangnya lebih utama. Dalam tanaman starch berada sebagai granul tuber atau granul roots. Rerata rasio amylosa 20-30% dan 70-80% amylosa pectin. Dan dapat berasosiasi dengan makro molekul lain dalam tanaman seperti protein dan lipda.
Sifat starch seperti gelatinisasi, retrogradasi, viskositas, kemudahan terfermentasi bervariasi pada rasio amylosa terhadap amylosa pectin, derajat substitusi, asosisasinya dengan komponen lipid dan protein dalam starch pada tanaman.
Ukuran granul starch heterogen, berkisar antara, dalam diemeternya: 5 - 100 pm.
Untuk menjadikan strach menjadi Bioplastik Enviplast dan Cassaplast diperlukan formulasi yang akurat dengan asam lemak dari tanaman, bidegradable sintetik plastik, additive lain sebagai suatu compound dengan tujuan menjadikannya dapat diproses dengan alat pemroses plastik namun dapat mengalami biodegradasi dalam proses composting.
Teknologi compound didasari pada formulasi kombinasi antara biopolymer seperti amylosa/amylosa pectin maupun polysacharida lain yang umumnya sudah tersedia di berbagai biomasa dengan biopolymer biodegradable dengan sifat viscoelastis yang sama dengan polymer synthetic, memerlukan takaran yang tepat dengan kadar air, plasticizer, compatibilizer-nya. Dan diproses dengan fasilitas compounder seperti Twin Screw Extruder.
BIOPLASTIK, BIODEGRADABLE DAN COMPOSTABLE
karena aktifitas mikroorganisme, sehingga dapat terurai menjadi CO2, air dan biomassa maka dinyatakan di
lingkungan disposalnya plastik tersebut mengalami biodegradasi. Berbagai standard internasional dapat digunakan untuk menguji secara simulatif, di lingkungan disposal komposting yang terkendali yang spesifik, apakah suatu plastik mengalami biodegradasi seperti ASTM D5538, ASTM 5988, ISO 17556, ISO 14851. Biodegradability merupakan satu dari syarat suatu kemasan plastik berperilaku sebagai kompos pada lingkungannya. Syarat-syarat spesifik lainnya tercantum pada standar composting untuk kemasan pada EN 13432, atau pada ASTM D6400.
STARCH
BASED BIOPLASTIC
Amylosa
Amylopectin
Gambar 2. Struktur Amylosa dan amylopectin
STARCH
COMPOUND DENGAN BIODEGRADABLE POLIMER
Masalah utama untuk menghomogenkan campuran starch dengan polimer lain seperti PLA (PolyLactic Acid) yang bersifat hidrofobik adalah interaksi antar-muka yang rendah. Mereka tidak kompatibel, dan ini ditunjukkan dengan rendahnya sifat mekanik campuran (Wang N.et al, 2008). Gliserol, sorbitol, urea, formamida dan air digunakan sebagai plasticizer, dan ini menurunkan interaksi intermolekular maupun intramolekuler, ikatan hidrogen untuk menurunkan Tg dan meningkatkan pproses dispersi Starch-PLA. Untuk memperbaiki kompatibilitas antara PLA dengan starch, kompatibliser yang tepat harus ditambahkan. Demikian pula proses blending harus menjamin bahwa starch bergabung dengan air yang cukup menghasilkan gelatin untuk meningkatkan afinitas interaksi dengan PLA, melalui pembentukan TPS, thermoplastic Starch.
Tabel 1. Memperlihatkan suhu ransisi gelas dan sifat mekanik TPS/PLA, (Martin and Averous 2001)
Content of TPS (wt %
Tg (C) Tensile Strength (Mpa)
Elongation at Break (%)
PLA TPS
100 (TPS1) - 10 3.4 152.0
90 (TPS1) 47 NF 2.9 48.8
75 (TPS1) 53 NF 4.8 5.7
100 (TPS2) - 43 19.5 2.8
90 (TPS2) NF NF 14.1 1.3
75 (TPS2) NF NF 12.0 2.4
Tabel 2. Blending TPS/PCL (Martin dan Averous, 2001)
Content of TPS (wt %
Tg (C) Tensile Strength (Mpa)
Elongation at Break (%)
PCL TPS
100 (TPS1) - 8.4 3.3 126.0
75 (TPS1) 31.0 5.9 62.6
100 (TPS2) - 43.4 21.4 3.8
75 (TPS2) 41.0 10.5 2.0
60 (TPS2) NF 9.0 1.3
0 -61.5 - 14.2 0.9
Masalah utama blending starch dengan biopolimer lainya adalah kompatibilitas, hal ini karena sifat hidrofilik starch, oleh karena itu diperlukan strategi menggunakan kompatibiliser dari starch yang dimodifikasi secara kimia. Modifikasi kimia umumnya dilakukan melalui reaksi kimia pada gugusan hidroksil. Dan teknik yang dilakukan adalah pencangkokan kopolimerisasi, atau graft copolymerization. Dengan cara ini PCL atau PLA dicangkokkan pada starch melalui substitusi H, pada gugusan –OH di makromolekul starch. Untuk menempelkan secara cangkok PLA, melalui pembukaan cincin L-lactida lansung pada substrat starch (Chois et al, 1999; Dubois et al 1999; Luu et al, 2009). Starch-g-poly (vinyl alcohol) dibuat dengan kopolimerisasi pencangkokan vinylasetat melalui pencangkokan dengan tehnik radiasi berkas elektron (Chen et al, 2008; Xu et al, 2008).
Compounding starch based dengan biodegradable plastik dilakukan dengan memplastisasi campuran tersebut dengan mengekstrudenya mempergunakan baik extruder twincrew maupun single screw.
Extruder screw tunggal terdiri atas satu screw yang berputar dalam rongga suatu barel. Friksi yang terjadi antara material dan material dengan dinding barel maupun sisi screw terdekat dengan barel merupakan dasar mekanisme proses extrusinya. Jika material licin terhadap dinding barel, maka putaran screw tidak menghasilkan dorongan maju pada material. Matarial hanya berputar ditempat mengikuti putaran screw. Fungsi dari alat pemroses ini sangat tergantung pada variasi yang dapat dilakukan terhadap perubahan friksi material terhadap dinding barel. Polimer pada umumnya berubah cukup significant koefisien friksinya terhadap suhu. Sedang starch karena banyak mengandung air, dan keberadaan air diperlukan sebagai plastiziser, koefisien friksinya sulit untuk diatur dengan perubahan suhu yang terbatas. Sehingga tipe extruder screw tunggal tipe normal ini tdak bisa digunakan untuk memproses starch. Tipe Screw tunggal dengan pin yang terdapat sepanjang dinding barel daerah mizing, dan kemampuan menggerakkan screw secara horizontal maju mundur (reciprocating) dapat memproses starch. Lihat Gambar 3 desain pin di dinding barel meningkatkan friksi. Selain itu juga meningkatnya kemampuan mixing saat screw dapat bergerak maju mundur selain berputar. Akibatnya aliran dari material berlangsung lebih stabil dibanding tipe screw tunggal normal. Tekanan extruder screw tunggal yang dilengkapi pin ini lebih kecil, karena membesarnya volume antara screw dan dinding barel. Tipe extruder ini dikenal sebagai kokneader.
Sedangkan screw ganda intermeshing corotting sebagai komponen utama Extruder Twin Screw, seperti terlihat di Gambar 4. Untuk memproses material seperti starch kenaikan search perlu dihindarkan, sehingga dibutuhkan screw dengan karakter conveying. Namun diperlukan tekanan untuk mengkompensasi masalah viskositas yang cukup besar dibanding plastik, sehingga tekanan perlu diberikan dalam bentuk ulir ganda maupun ulir multiple.
Gambar 4.Screw Ganda pada Extruder
ENVIPLAST,
STARCH
BASED BIOPLASTIK DARI CASSAVA
Pelet Resin yang terdiri atas Starch dari cassava, plasticiser dari jenis poliol, polimer non konvensional serta compatibiliser hasil compounding dalam Extruder Screw ganda, kemudian diproses dengan mesin blown film. Kantong film yang dihasilkan kemudian diuji sifat mekanik, kemampuan sealing, sifat bariernya sebagai kemasan, toksisitas dan sifat biodegradabilitasnya.
Satu dari keistimewaan kantong ini sebagai kemasan adalah laju transmisi oxygennya yang sangat rendah sekitar 0,024 ml/100 in2 hari (Saptorahardjo, A, 2014) dibanding BOPP (Bioriented Polypropylena), plastik
konvensional sering digunakan saat ini sekitar 103 ml/100 in2 hari. Sebagai film kekuatan tarik Enviplast
Density (g/cm³) 1.27 – 1.32 0.95
Tensile strength (MPa) 12 – 18 25
Elongation at break (%) 225 – 300 500 - 600
Surface resistivity (ohm/cm2) 10 7.5– 1010 1014 - 1015
Berdasar pada metode uji oral akut OECD no 423 dari komisi regulasi eropa (EC) no 440/2008, Kantong Enviplast tidak punya potensi toksisitas akut. Pengujian biodegradabilitasnya dengan mengacu pada EN 13432, Enviplast menunjukkan tingkat biodgredabilitas diatas 90%, sehngga lolos untuk uji biodegradablitas yang mensyaratkan tercapainya biodegradablitas 90% tidak lebih dari 180 hari pada uji komposting tersebut. Hasil dari uji respirometrik ini dapat dilihat pada Gambar 5. Harga resistivitas permukaan yang cukup rendah mengindikasikan bahwa material ini dapat digunakan pada situasi dimana sifat antistatic
bahkan sampai sifat disipatif muatan listrik dibutuhkan misal pada kemasan material elektronik.
Gambar 5. Hasil pengukuran % biodegradation Enviplast dibanding reference Selulosa secara respirometrik
Masalah yang perlu diperbaiki adalah sensitivitas sifat mekanisnya pada perubahan kelembaban, masalah retrogradasi, yakni kembalinya fasa kristal dari starch pada kelembaban rendah dan suhu relatif rendah.
KESIMPULAN
Pemakaian bioplastik mengacu pada pengertian sumber bahan baku yang didasari pada sumber biologis, dan diukur dengan kandungan biobasenya. Sedangkan ukuran biodegradable adalah seberapa besar kemampuanya terkonversi menjadi CO2, oleh proses degradasi akibat aktifitas mikroorganisme pada selang waktu yang dibakukan.
Komparteman lingkungan saat menyatakan suatu bioplastik mengalami biodegradabilitas perlu dinyatakan, karena suatu bioplastik yang terbiodegradasi pada kompartemen tanah, dapat sama sekali tak terbiodegradasi dalam lingkungan aquatik. Proses produksi bioplastik dengan compounding, mengandalkan pada kemampuan bioplastik engalami proses plastisasi pada mesin extruder. Proses lanjutan dari konversi bioplastik menjadi kemasan seperti Enviplast ditentukan oleh formulasi starch dan komponen plasticiser, compatibiliser dan hadirnya bidegradable material lainya.
DAFTAR PUSTAKA
Andrady, A.L. (2003). In Plastic and the environment (ed. A.L. Andradiy) West Sussex, England: John Wiley and Sons Andrady, A.L. (2011), Micriplastics in the marine environment, J.marpolbull.62, 1596-1605
Andrady, A.L. and Neal, M.A. 2009).Applications and societal benefits of Plastic. Phil.Trans. R.Soc.B.364
Chen L., Xie Z.G. Zhuang X.L., Chen X.S.,Jing X.B (2008): Controlled Released of urea encapsulated by starch g-poly(L-Lactide), Carbohydrate Polymer, 72,
Choi E-J., Kim C-H., Park J-K (1999). Structure-property relationship in PCL/starch blend compatibilized with starch-g- PCL copolymer. Journal of Polymer Science Part B; Polymer Physics, 37
Cole M, Lindeque P, Fileman E, Halsband C, Goodhead RM, et al. (2013) Microplastic ingestion by zooplankton. Environmental Science & Technology47: 6646–6655. doi:10.1021/es400663f
Dubois P., Krishna M.,Narayan R (1999).: Aliphatic polyesther grafted starch-like polysacharide by ring-opening polymerization. CarbohydratPolymer40
Jambeck J.R.Gryer R., Wilcox C., Siegler T.R., Perryman M., Andrady A., Narayan R., Law K.L. (2015) Plastic waste input from land into the ocean. Science 347, No 6223.
Lu, D.R., Xiao, C.M. dan Xu, S.J. (2009): Starch- based completely Biodegradable polymer material, eXPRESS Polymer Letter, 3, No 6
Martin O., Averous L. : Poly(lactic acid) (2001): Plastication and properties of biodegradable multiphase syatem. Polymer, 42,
Wang N., Yu J.G., Chang, P.R., Ma X (2008)..:Influence of formamide and water on the properties of thermoplastic starch/poly(lacyic acid) blend. Carbohydratre Polymer 71
Saptorahardjo A. (2016) : Masterbatch additive in thin walled thermoforming cups., Ami Plastic Asia Masterbatch Conference Singapore.
Saptorahardjo A., (2015), Cassava Starch-based Bioplastic, Conference In a Potential Solution for Microplastic Problem, Microplastic in the Environment, Source, Impact &Solution, Cologne.
