II.1. Dasar Teori
II.1.1. Kekentalan Dinamik dan Kekentalan Kinematik
Kekentalan zat cair dapat dibedakan menjadi dua yaitu kekentalan dinamik (μ) atau kekentalan absolute dan kekentalan kinematis (n). Kekentalan dinamik adalah sifat fluida yang menghubungkan tegangan geser dengan gerakan fluida. Kekentalan kinematik adalah perbandingan antara kekentalan atau kekentalan dinamik dengan densitas massa. Kekentalan kinematik dapat terlihat ketika fluida tersebut bergerak karena pergerakkan tersebut membuat fluida mampu mengalirkan energi karena kekentalan kinematik merupakan difusi momentum. Dalam beberapa masalah mengenai gerak zat cair, kekentalan dinamik dihubungkan dengan kekentalan kinematik sebagai berikut:
……….( 2.1 ) Dimana:
ν = kekentalan kinematic (Stokes, S) ρ = rapat massa (gram/cm3)
Kekentalan kinematik besarnya dipengaruhi oleh temperatur (T), pada temperatur yang tinggi kekentalan kenematik zat cair akan relatif kecil dan dapat diabaikan.
Dalam industri perminyakan khususnya minyak pelumas dikenal istilah kekentalan, karena kekentalan merupakan sifat paling penting bagi minyak pelumas khususnya dan bahan pelumas umumnya, karena sifat ini menunjukkan kemampuan untuk melumasi sesuatu dan kemampuan suatu fluida untuk mengalir. Pada gambar 1 menunjukkan pendefenisian kekentalan dinamik menurut Hukum Newton tentang aliran viskos. Suatu permukaan bergerak relatif dengan kecepatan u terhadap permukaan lain dimana diantara kedua permukaan ditempatkan
suatu lapisan tipis fluida. Kekentalan didefenisikan sebagai besarnya tahanan fluida untuk mengalir di bawah pengaruh tekanan yang dikenakan dan besarnya harga kekentalan merupakan perbandingan antara tegangan geser yang bekerja dengan kadar geseran (rate of shear).
Gambar II.1 Bidang paralel yang menggambarkan aliran viskos dari Fluida Newtonian.
Dari gambar 1 secara matematis dapat ditulis:
……….( 2.2 ) Dimana:
τ = tegangan geser fluida (N/m) π = kekentalan dinamik (Poise, P) u = kecepatan relatif permukaan (m/det) h = tebal lapisan pelumasan (m)
Sehingga kekentalan dinamik dapat ditulis:
………..( 2.3 )
Kekentalan dinamik disebut juga dengan kekentalan absolut, sementara kadar geseran adalah du/dy. Jika kekentalan dinamik dibagi dengan rapat massa pada temperatur yang sama hasilnya disebut kekentalan kinematik.
Formula untuk pengukuran viskositas menurut Hoeppler adalah : ..………...…. ( 2.4 )
µ = kekentalan dinamik (cP) ρ1 = massa jenis bola uji (gram/cm3) ρ1 = massa jenis fluida (gram/cm3) K = Konstanta bola uji (mPa.s. cm3/gr.s) Berdasarkan postulat Newton:
……….………….. ( 2.5 )
Catatan: ηo merupakan konstanta proporsional, disebut juga kekentalan absolut(μ) Dimana:
A = luas area, 2πrola u = kecepatan, ro.ω
………...…… ( 2.6 ) Maka torsi yang terjadi pada silinder bagian dalam adalah:
……….. ( 2.7 )
Didapat kekentalan dinamik/absolut:
………..( 2.8)
Dalam satuan cgs, tegangan geser adalah dalam dyne/cm2 dan kadar geseran dalam det-1, maka satuan kekentalan dinamik adalah poise disingkat P. Sedangkan satuan rapat massa gram/cm3 sehingga satuan kekentalan kinematik adalah stokes disingkat St. Satuan yang paling
umum dalam industri perminyakan adalah centipoise disingkat cP dan centistoke disingkat cSt, dimana 1 P = 100 cP dan 1 St =100 cSt. Dalam satuan SI, untuk kekentalan dinamis adalah N det/m2 atau kg/m det dan satuan kekentalan kinematik adalah m2/det. Dengan demikian diperoleh hubungan satuan-satuan:
1 P = 10-1 N det/m2 1 cP = 10-3 N det/m2 1 St = 10-4 m2/detik 1 cST = 10-6 m2/detik
Dalam satuan British untuk kekentalan dinamik dikenal satuan lbf.s/in2 (pound-force second per square inch) yang disebut juga dengan reyn, yang diberikan untuk penghormatan terhadap Sir Osborne Reynolds. Hubungan antara reyn dan centipoise:
1 reyn = 1 lbf.s/in2 = 7,03 kgf.s/m2 1 reyn = 6,9 . 106 cP
Kekentalan juga dapat/pernah dinyatakan dengan unit sebagai berikut:
• Kekentalan Redwood
Secara teknis Redwood viscosity bukanlah satuan untuk kekentalan melainkan waktu alir. Itu adalah jumlah waktu yang diperlukan 50 ml minyak untuk mengalir melalui cerobong saluran berbentuk mangkuk (cup-shaped funnel) akibat gaya beratnya sendiri.
• Kekentalan Saybolt (Saybolt viscosity)
Saybolt viscosity secara teknis adalah waktu alir dan hal tersebut juga bukan satuan kekentalan, karena memiliki cara yang sama dalam pengukurannya dengan Redwood viscosity. Metode ini pernah menjadi metode standar pada ASTM.
• Kekentalan Engler (Engler viscosity)
Engler viscosity juga merupakan waktu alir dengan metode hampir sama dengan Redwood viscosity, tetapi hasilnya dinyatakan dengan derajat, waktu alir sampel minyak terhadap yang diukur air pada temperatur yang sama. Hal ini diterapkan hanya di hampir seluruh Eropa, tetapi secara berangsur-angsur mulai ditinggalkan.
II.1.2. Contoh klasifikasi viskositas pada minyak pelumas. 1. Klasifikasi Kekentalan Menurut ISO
Sistem klasifikasi kekentalan minyak pelumas menurut ISO (International Standard Organization) adalah berdasarkan kekentalan kinematik, dalam satuan centistokes (cSt), pada daerah (range) kekentalan pada temperatur 40. Setiap daerah kekentalan diidentifikasi dengan angka ISO VG (Viscosity Grade) atau derajat kekentalan ISO, dimana kekentalan tersebut merupakan kekentalan kinematik rata-rata pada daerah tersebut (midpoint kinematic viscosity). Untuk mendapatkan nilai kekentalannya , harus dihitung 10% dari nilai rata-rata kekentalan kinematiknya. Misalnya ISO VG 100 mempunyai kekentalan rata-rata 100 cSt, dimana batas kekentalannya adalah 90 cSt untuk minimum dan 110 cSt untuk maksimum. Nilai kekentalan menurut ISO untuk minyak pelumas dapat dilihat pada gambar grafik dan tabel berikut, yang dikutip dari dokumen ISO 3448 ”Industrial Liquid Lubricants – ISO Viscosity Classification”.
Gambar II.2 Kekentalan minyak pelumas menurut dokumen ISO 3448 pada tekanan atmosfer.
(sumber: Lubrication and Reliability Handbook, by M.J.Neale)
Nilai kekentalan pada gambar diatas dapat dilihat pada tabel di bawah, untuk nilai kekentalan pada suhu 40 °C. Nilai untuk harga kekentalan kinematik minyak pelumas pada 40 °C menurut dokumen ISO 3448.
Angka derajat kekentalan ISO
Harga tengah kekentalan, cSt pada 40°C
Batas kekentalan kinematik, cSt pada 40°C Minimum Maksimum ISO VG2 2,2 1,98 2,42 ISO VG3 3,2 2,88 3,52 ISO VG5 4,6 4,14 5,06 ISO VG7 6,8 6,12 7,48 ISO VG10 10 9 11 ISO VG15 15 13,5 16,5 ISO VG22 22 19,8 24,2 ISO VG32 32 28,8 35,2 ISO VG46 46 41,4 50,6 ISO VG68 68 61,2 74,8 ISO VG100 100 90 110 ISO VG150 150 135 165 ISO VG220 220 198 242 ISO VG320 320 288 352 ISO VG460 460 4174 506 ISO VG680 680 612 748 ISO VG1000 1000 900 1100 ISO VG1500 1500 1350 1650
(sumber: Prinsip pelumasan dan minyak pelumas mineral, A. Halim Nasution)
2. Klasifikasi Kekentalan Menurut SAE
Sistem klasifikasi ini disusun oleh SAE (Society of Automotive Engineers), dalam SAE J300 SEP80 pertama kali dilaporkan Divisi Anekaragam (Miscellaneous Division), disetujui pada Juni 1911, dan direvisi kembali oleh suatu komite pada September 1980. Walaupun sistem kekentalan ini disusun oleh SAE, klasifikasi kekentalan minyak pelumas bukan hanya untuk otomotif, melainkan semua tipe penggunaan minyak pelumas termasuk industri, kapal laut dan pesawat udara. Klasifikasi SAE merupakan klasifikasi untuk minyak pelumas mesin-mesin secara rheologi saja. Karakteristik lain dari minyak pelumas tidak termasuk. Praktek yang dianjurkan ini ditujukan untuk penggunaan oleh pabrik pembuat mesin-mesin dalam menentukan derajat kekentalan minyak pelumas yang akan direkomendasikan untuk penggunaan mesin-mesin yang diproduksi, dan oleh perusahaan minyak dalam merumuskan dan memberi label produksi mereka.
II.1.3 Bahan yang digunakan
MESRAN SUPER SAE 20W-50 adalah pelumas mesin bensin yang diproduksi dari bahan dasar pelumas berkualitas tinggi. Mengandung aditif detergent dispersant, anti oksidasi, anti aus dan mempunyai sifat-sifat melindungi dan memelihara kebersihan torak,mencegah terbentuknya sludge (endapan lumpur), mampu mengurangi keausan pada bagian-bagian yang bergerak terutama pada katup dengan baik. MESRAN SUPER SAE 20W-50 mengandung bahan aditif khusus sehingga memiliki kekentalan ganda (multigrade), menjadikan pelumas ini mudah bersirkulasi. Mesin mudah dihidupkan pada waktu mesin dingin dan suhu rendah serta tetap mempunyai kekentalan yang sangat baik saat pengoperasian pada suhu dan kecepatan tinggi.
• TINGKATAN MUTU
MESRAN SUPER SAE 20W-50 memenuhi persyaratan API SG/CD dan JASO MA.
• KEMAMPUAN KERJA
Keistimewaan Mesran Super ini ditunjukkan dengan kemampuan kerjanya yang telah memenuhi persyaratan API Service SG/CDdan tidak perlu tambahan aditif.
• PENGGUNAAN
MESRAN SUPER SAE 20W-50 ini dianjurkan dipakai pada mesin kendaraan dan sepeda motor yang diproduksi dalam tahun 90an yang membutuhkan pelumas dengan kualifikasi kinerja yang tinggi. Pelumas ini juga cocok untuk melumasi sistem transmisi sepeda motor 2 Tak.
• Mesran Super memiliki keunggulan-keunggulan :
•Memiliki kekentalan ganda, mantap pada suhu tinggi dan rendah sehingga mesin mudah dihidupkan pada suhu rendah dan pelumasan yang baik pada suhu tinggi.
•Mampu mengurangi keausan pada bagian-bagian yang bergerak terutama pada katup dengan baik.
•Mempunyai sifat-sifat melindungi dan memelihara kebersihan torak, mencegah terbentuknya sludge(endapan lumpur).
•Memiliki ketahanan terhadap degradasi.
•Mempunyai karakteristik tingkat penguapan yang sangat kecil sehingga konsumsi pelumasnya lebih hemat.
Tabel II.2 Karakteristik Mesran Super
Characteristics Test Method MESRAN SUPER SAE
20W-50 SAE Viscosity Grade
Density at 15°C, kg/l Kinematic Viscosity : - at 40°C, cSt - at 100°°C, cSt Viscosity index ASTM Colour
Flash Point (COC), °C Pour Point, °C
Total Base Number, mgKOH/g ASTM D – 4052 ASTM D – 445 ASTM D – 445 ASTM D – 2270 ASTM D – 1500 ASTM D – 92 ASTM D – 5950 ASTM D - 2896 20W – 50 0.8896 158.4 17.58 122 L 3.0 240 -18 7.25 (http://www.pertamina.com/download/lubricants/Passenger%20Car%20Motor%20Oils/MESRAN %20SUPER%20SAE%2020W-50.pdf)
II.1.4 Indeks Viskositas
Kepekaan suhu terhadap viskositas merupakan hal yang sangat penting. Kenaikan suhu atau penurunan tekanan akan berakibat melemahkan ikatan molekul fluida serta menurunkan viskositasnya. Untuk `menerangkan hubungan ini biasanya digunakan angka empiris yang dinamakan indeks viskositas atau IV. Angka tersebut menunjukkan bahwa bertambah besarnya angka IV akan bertambah kecil perubahan viskositasnya terhadap perubahan suhu.
Pada mulanya penentuan indeks viskositas ini dilakukan oleh Dean dan Davis pada tahun 1929 di Amerika Serikat. Caranya ialah dengan mengambil 2 grup minyak bumi yaitu jenis Pennsylvania dan jenis Gulf Coast. Jenis Pennsylvania merupakan jenis yang kecil perubahan viskositasnya terhadap perubahan suhu dan jenis ini ditentukan sebagai grup pembanding yang IV-nya = 100. Sedangkan untuk Gulf Coast yang sangat besar perubahan viskositasnya terhadap perubahan suhu sebagai grup pembanding yang terkecil yaitu dengan IV
= 0. Kemudian IV dihitung dari ketiga minyak ini dengan harga viskositas pada 400C dengan persamaan : ) ( H -L H -U 100 = IV ………. ( 2.4 ) ) ( D H -U 100 = IV ... ( 2.5 ) Dimana : IV = Indeks Viskositas
U = Viskositas kinematika (cST) pada 40oC dari minyak yang dicari IV-nya
L = Viskositas kinematika (cST) pada 40oC dari minyak yang IV = 0, yang mempunyai viskositas pada 100oC dengan minyak yang IV-nya dicari
H = Viskositas kinematika (cST) pada 40oC dari minyak yang IV = 100, yang mempunyai viskositas pada 100oC dengan minyak yang IV-nya dicari D = L-H
• Metode dan Peralatan Uji Viskositas 1. Viskometer Bola Jatuh Menurut Hoeppler
Viskometer bola jatuh menurut Hoeppler dapat dilihat pada gambar diatas. Salah satu keuntungan viskometer bola jatuh menurut Hoeppler dibandingkan dengan menurut hukum Stokes adalah peralatan yang relatif lebih kecil dan adanya kontrol temperatur, artinya pengukuran dapat dilakukan dengan temperatur yang bervariasi.
2. Viskometer Rotasional
Viskometer rotasional (Rotational Cylindrical Viscometer) terdiri dari dua silinder konsentris dengan fluida yang terdapat diantara keduanya. Silinder terluar diputar dan torsi diukur pada silinder yang terdapat di dalam.
Gambar II.4 Viskometer Rotasional
3. Viskometer Pipa Kapiler
Pengukuran kekentalan pada viskometer pipa kapiler Capillary Viscometers) didasarkan pada pengukuran rata-rata aliran fluida melalui tabung berdiameter kecil/pipa kapiler. Ada banyak tipe/varian viscometer yang menggunakan prinsip aliran fluida melalui pipa kapiler, dan viskometer pipa kapiler merupakan viskometer yang memiliki varian paling banyak dibandingkan dengan tipe viskometer yang lain. Beberapa diantaranya dapat dilihat seperti pada gambar di bawah.
Gambar II.5 Beberapa jenis tipe viscometer pipa kapiler.
Gambar II.6 Penampang pipa kapiler.
4. Viskometer tipe lain
Selain dari viscometer diatas, masih banyak lagi viscometer tipe lain, beberapa diantaranya dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Alat stormer viskometer banyak digunakan untuk mengukur viskositas susu kental manis, produk tomat dan lainnya. Prinsip alat ini berdasarkan atas waktu yang diperlukan. Air merupakan komponen penting dalam bahan makanan karena air dapat mempengaruhi penampakan, tekstur serta cita rasa makanan. Viskositas air adalah 8.90 × 10−4 Pa•s atau 8.90 × 10−3 dyn•s/cm² pada suhu sekitar 25 °C
Gambar II.8 MacMichael Viscometers. II.2 Aplikasi Industri
VISKOSITAS DAN BERAT MOLEKUL KITOSAN HASIL REAKSI ENZIMATIS KITIN DEASETILASE ISOLAT
Penelitian ini bertujuan menganalisis viskositas dan berat molekul kitosan yang dideasetilasi oleh enzim kitin deasetilase termostabil isolat Bacillus papandayan K29-14 hasil presipitasi ammonium sulfat 80% jenuh dengan aktivator MgCl 1 mM. Larutan kitosan 1% diinkubasi dengan kitin deasetilase berkekuatan 0.04 U/mg pada 55oC selama 1 jam. Viskositas kitosan diukur dengan viskometer Ubbelohde, dan berat molekul berdasarkan persamaan MarkHouwink.
Hasil penelitian menyimpulkan bahwa deasetilasi enzimatis dapat meningkatkan derajat deasetilasi lebih dari 90% jika derajat easetilasi awalnya lebih dari 70%. Namun, deasetilasi enzimatis menurunkan viskositas intrinsic dan berat molekul kitosan dari 6.93 ml/g menjadi 4,87 ml/g dan dari 6.06 x 103 menjadi 4.13 x 103.
Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Mikrobiologi dan Biokimia PP Bioteknologi Institut Pertanian Bogor mulai bulan Januari sampai dengan Desember 2004.
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: kitin dari limbah pengolahan rajungan asal Cirebon. Untuk produksi kitosan digunakan bahan NaOH, HCl, Na-bikarbonat, asam asetat. Bahan lainnya adalah isolat Bacillus papandayan K29-14 hasil skrining koleksi Laboratorium Mikrobiologi dan Biokimia PAU Institut Pertanian Bogor, akuades, buffer borat pH 8, Nabikarbonat 2%, 1 mM EDTA, K2HPO4, NaCl, (NH4)2SO4, MgS, ekstrak kamir, bacto tripton, bacto agar, glikol kitosan, dan kitin komersial. Untuk pengukuran aktivitas enzim digunakan glikol kitin sebagai substrat, buffer dengan
pH optimum, NaNO 5%, asam asetat 33%, amonium sulfamat 12.5%, HCI 5%, Indol 0,1%, etanol absolut, glukosamin standar. Alat yang digunakan adalah inkubator goyang, centrifuge, pH-meter, alat timbang, pipet mikro, bulb, peralatan gelas, evendorph, fraction collector, kolom kromatografi DEAE Sephadex A-50, spektrofotometer FDUV, oven, desikator, viskometer Ubbelohde.
Penelitian pendahuluan dimaksudkan untuk menentukan kondisi optimum proses deasetilasi yang menghasilkan kitosan dengan derajat deasetilasi minimal 50% dengan perlakuan perendaman kitin dalam larutan NaOH 50% pada suhu dan waktu perendaman yang bervariasi yaitu perendaman pada suhu 60°C selama 0,5; 1, 3, dan 24 jam, serta suhu 80°C selama 0,25; 1, 2, 3 jam. Kitin yang telah direndam dibilas dengan air sampai pH netral dan dikeringkan kemudian ditentukan derajat deasetilasinya.
Kultur Bacillus papandayan K29-14 diinkubasi dalam media termus pada 55oC selama dua hari, hasilnya dipanen dengan disentrifugasi 10.000 rpm selama 20 menit. Filtrat bebas sel diuji unit aktivitas CDA dengan metode Tokuyasu et al. 1996 dan kadar protein dengan metode Bradford 1976.
Amonium sulfat ditambahkan sedikit demi sedikit ke dalam ekstrak kasar enzim sambil distirrer sampai kejenuhan 80% (konsentrasi 50-60% b/v). Campuran diendapkan semalam pada suhu 4oC lalu disentrifugasi pada 8000 rpm selama 15 menit. Pellet yang diperoleh dilarutkan dalam 0.02 M buffer borat sesuai pH optimum enzim lalu disimpan pada suhu 4°C.
Deasetilasi enzimatis menggunakan enzim hasil presipitasi amonium sulfat 80%. Sebanyak 1 ml soluble kitosan 1% diinkubasi dengan enzim sebanyak 0.005 U/ml dengan kekuatan 0.04 U/mg kitosan lalu diinkubasi pada 55°C selama
24 jam.
Viskositas kitosan diukur menggunakan Ubbelohde dilution viscometer. Viskositas terbagi tiga jenis yaitu viskositas spesifik, kinematik, dan intrinsik. Viskositas spesifik dihitung berdasarkan perbandingan antara kecepatan aliran suatu larutan dengan pelarutnya. Caranya dengan membuat variasi konsentrasi mulai 20-100% dalam pelarut asam asetat aqueous 0.1 M dan sodium klorida 0.2 M lalu dimasukkan ke dalam viskometer. Waktu yang dibutuhkan sampel untuk mengalir antara dua level dalam viskometer dicatat. Sebagai blanko, digunakan pelarut asam asetat aqueous 0.1 M dan sodium klorida 0.2 M dengan cara yang sama.
Viskositas kinematik diperoleh dengan mempertimbangkan densitas larutan. Viskositas spesifik dan kinematik dipengaruhi oleh konsentrasi larutan. Viskositas intrinsik dihitung dari perbandingan antara viskositas spesifik dengan konsentrasi larutan yang diekstrapolasi sehingga nilai konsentrasi larutan mendekati nol. Dengan demikian nilai kelarutan tidak berpengaruh terhadap viskositas intrinsik.
Berat molekul kitosan diukur berdasarkan viskositas instrinsik. Larutan kitosan dibuat dalam variasi konsentrasi 20-100% dalam pelarut asam asetat aqueous 0.1 M dan sodium klorida 0.2 M lalu dimasukkan ke dalam viskometer.
Data yang diperoleh dipetakan pada grafik terhadap C. Viskositas intrinsic adalah titik pada grafik yang menunjukkan nilai C=0. Berat molekul ditentukan berdasarkan persamaan Mark-Houwink (Hwang et al, 1997) yaitu:
[_] = kM Keterangan: [_] = viskositas intrinsik k = konstanta pelarut _ = konstanta M = berat molekul
Viskositas intrinsik kitosan menurun dari 6.93 sampai 4.87 ml/g, demikian pula berat molekul kitosan dari 6.05 sampai 4.13 x 103 karena deasetilasi enzimatis oleh kitin deasetilase
berkekuatan 0,04 U/mg isolat Bacillus papandayan K29-14. Deasetilasi enzimatis dapat meningkatkan derajat deasetilasi di atas 90% apabila derajat deasetilasi awal di atas 70%.
