I. PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Salah satu permasalahan ketahanan pangan di Indonesia adalah masalah produktivitas tanaman pangan yang masih cukup rendah (DRN, 2006). Produktivitas lahan umumnya relatif rendah sebagai akibat kandungan humus yang sudah sangat rendah, terutama yang sudah cukup lama dimanfaatkan untuk budidaya tanaman pangan. Pupuk merupakan sarana produksi yang sangat penting dalam upaya meningkatkan produktivitas tanaman pangan dengan kontribusi sebesar 32% dari biaya produksi. Pemberian pupuk anorganik merupakan cara yang efektif untuk memenuhi kebutuhan hara esensial bagi tanaman. Akan tetapi, harga pupuk anorganik sangat berfluktuasi mengikuti harga energi di pasaran global. Harga pupuk yang tinggi dapat menjadi beban bagi petani dan dapat menurunkan pendapatan petani.
Tidak semua pupuk yang diberikan pada tanaman dapat diserap oleh tanaman tersebut. Sebagian akan terbawa hanyut oleh air tanah atau mengalami degradasi, sehingga pemupukan tidak efisien dan akan mencemari lingkungan dengan kandungan N, P, dan K. Seiring dengan perkembangan teknologi, kini telah ditemukan pupuk yang dapat terlepas perlahan dan terkendali dalam tanah atau disebut pupuk pelepasan terkendali atau Controlled Release Fertilizer atau CRF (Talaat et al., 2008; Puoci et al., 2008). Keuntungan dari pupuk ini adalah pupuk akan tersedia dalam tanah dalam waktu yang lebih lama daripada menggunakan pupuk pada umumnya (fast release fertilizer), dapat mengatasi masalah penguapan, kehilangan karena terlarut dan terbawa air hujan, serta infiltrasi terbakarnya akar serabut karena over dosis. Petani tidak harus berulang-ulang memberikan pupuk pada tanaman mereka sehingga dapat mengurangi biaya produksi. Sebagian besar jenis controlled release fertilizer akan terurai pada kondisi tanah tertentu, umumnya pada tanah yang hangat. Secara umum akar tanaman lebih aktif pada kondisi tanah yang hangat. Jadi saat akar aktif maka pupuk akan terurai dengan otomatis sehingga tanaman tidak mendapatkan pupuk secara berlebihan.
CRF yang berada di pasaran sekarang menggunakan polimer atau resin non-biodegradable sebagai pelapis sehingga nutrisi di dalam pupuk tersebut
akrilamida (Hekmat et al., 2009), Poly(Alkyl Methacrylate) (Kilian, 2004), polimer lapis belerang (Dietrick et al., 2002), parafin (Asrar et al., 2005), resin sintetis dan alami (Pursell et al., 2005), kopolimer, aspal, dan polyolefin (Ibrahim and Jibril, 2005). Polimer non-biodegradable merupakan senyawa yang tidak ramah lingkungan sehingga perlu dipilih senyawa yang memiliki kemampuan sebagai matrik pupuk dan ramah lingkungan.
Pengembangan penelitian CRF telah banyak dilakukan oleh peneliti yang pada umumnya berfokus pengembangan material CRF yang ekonomis dan ramah lingkungan. Beberapa penelitian pembuatan CRF yang telah dikembangkan ditunjukkan pada Tabel 1.1.
Tabel 1.1 Studi pembuatan CRF
No Nama Bahan dan metode proses pembuatan 1 Saraydin et al.
(2000)
CRF berbasis kopolimer ikatan silang Acrylamide/Itaconic Acid menggunakan metode radiasi
2
Detrick et al. (2002) CRF berbasis enkapsulasi menggunakan sulfur3
Shavit et al. (2003) CRF berbasis matriks hidrogel menggunakan polimer poliakrilamida dengan polimerisasi secara kimia4
Bajpai et al. (2003) CRF potassium nitrat berbasis matriks hidrogel menggunakan kopolimer grafting Carboxy Methylcellulose-Polyacrylamide dengan metode kimia5
Pursell et al. (2005) CRF urea berbasis urea tablet6
Ibrahim and Jibril(2005)
CRF berbasis enkapsulasi meggunakan polimer resin parafin
7
Helaly et al. (2005) SRF urea berbasis hidrogel akrilamida-asam akrilat8
Rahman et al. (2008)CRF urea berbasis matriks hidrogel kopolimer grafting Poly (Acrylamide-Maleic Acid)
10 Puoci et al. (2008)
CRF berbahan Urea-Formaldehida menggunakan metode polimerisasi kimia11 Tong et al. (2009)
CRF berbasis matriks hidrogel menggunakanpoliakrilat dengan polimerisasi secara kimia
12 Liang et al. (2009)
CRF berbasis matriks hidrogel menggunakankopolimer grafting serat gandum-poliakrilat dengan metode inisiator kimia ammonium perokdisulfat
13 Mahdavinia et al. (2009)
SRF potassium nitrat berbasis matriks hidrogel poliakrilamida berpori
14 Tyliszczak et al.
(2009)CRF ammonium sulfat berbasis matriks komposit hidrogel poliakrilat-carbamide dengan metode iradiasi mikrowave
15 Bortolin et al.
(2012)CRF potassium fosfat-amonium sulfat berbasis matriks hidrogel kopolimer grafting methylcellulose-poliakrilamida dengan metode radikal kimia
16 Enriquez et al. (2012)
CRF urea berbasis enkapsulasi menggunakan membrane dari bahan biopolymer tepung gandum
17 Liang et al. (2013) CRF urea berbasis matriks komposit hidrogel selulosa dari mulberry dengan akrilat-akrilamida
Pada umumnya harga controlled release fertilizer di Indonesia masih tergolong mahal sehingga masih sulit terjangkau petani. Hal ini disebabkan biaya pengembangan dan produksi yang relatif lebih tinggi. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian tentang pembuatan bahan matrik controlled release fertilizer berbasis polimer alam yang memiliki sifat semipermeable, mudah dimodifikasi dengan proses yang sederhana, ketersediaan bahan baku yang melimpah sehingga ekonomis dan ramah lingkungan di antaranya penggunaan polimer hidrogel.
Dalam satu dekade terakhir ini, penelitian mengenai hidrogel telah mengalami berbagai kemajuan. Hidrogel merupakan bahan polimer hidrofilik yang mempunyai kemampuan menggembung dalam air dan membentuk keadaan kesetimbangan (swelling), serta memiliki permeabilitas air yang tinggi sehingga hidrogel dapat digunakan sebagai matriks pelepasan obat dan pupuk (Hekmat et al., 2009; Shavit et al., 2003). Sifat hidrofilik hidrogel dipengaruhi oleh gugus -OH, -COOH, -CONH2, -NH2 dan -SO3H. Sifat tidak larut dan kemampuan
mempertahankan bentuk dipengaruhi oleh adanya ikatan silang atau crosslinking dalam struktur tiga dimensi hidrogel. Penggunaan hidrogel sangat banyak di antaranya digunakan sebagai bahan pengolahan limbah, media tumbuh tanaman, bahan untuk mengurangi friksi dalam pipa, bahan pelapis anti bocor, pelindung jaringan kabel bawah tanah, bahan pembuatan kemasan barang, bahan pemadam kebakaran, smart polymer sebagai bahan sensor dan sebagai bahan delivery system untuk berbagai produk seperti pupuk serta obat (Gao, 2003; Kumara et al., 2007; Suka et al., 2008). Berbagai jenis polimer hidrogel dengan kepekaan yang tinggi terhadap perubahan karakteristik tertentu dari lingkungannya atau bersifat responsif terhadap stimulus lingkungannya telah banyak dihasilkan yang dikenal juga sebagai polimer cerdas (smart polymer) (Suka et al., 2008; Bhardway et al., 2005).
Hidrogel dari bahan biopolimer memiliki beberapa kelemahan di antaranya kapasitas absorpsi yang terbatas, selektifitas yang terbatas, karakteristik fisik yang kurang kuat, tidak stabil terhadap perubahan suhu dan pH. Banyak penelitian yang dilakukan untuk memodifikasi biopolimer dengan bahan lain dalam bentuk komposit untuk meningkatkan kemampuan absorpsi dan ketahanan sifat fisiknya.Penelitian pendahuluan mengenai pembuatan komposit polimer superabsorben poliakrilamida-zeolit dengan Mesin Berkas Elektron telah dilakukan (Swantomo et al., 2008). Berdasarkan hasil penelitian tersebut penambahan zeolit pada jumlah tertentu dan pada dosis yang optimum dapat meningkatkan swelling hidrogel.
Pemerintah saat ini sedang menggalakkan penelitian material maju yang salah satu di antaranya adalah pengembangan material maju untuk memberikan dukungan bagi pelaksanaan program teknologi pangan. Salah satu fokus
pengembangan teknologi budidaya tanaman yang hemat pupuk dalam rangka mendukung teknologi pengelolaan lahan suboptimal menjadi produktif. Dalam penelitian ini akan dilakukan proses pembuatan hidrogel biodegradable selulosa-akrilamida dan penambahan fillers SiO2 untuk bahan matrik hidrogel sebagai
controlled release fertilizer dengan metode grafting simultan menggunakan radiasi Gamma. Metode grafting mempunyai kelebihan di antaranya selulosa sebagai polimer backbond dapat difungsionalisasikan berdasarkan karakteristik yang dimiliki oleh monomer yang terikat secara kovalen tanpa mempengaruhi struktur dasar dan sifat kimia selulosa. Komposit hidrogel biodegradable ini merupakan salah satu teknologi material maju.
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah monomer akrilamida yang memiliki sifat dapat larut dalam air, biokompatibel, biodegradable, tidak berbahaya dan mudah menggembung (swelling) (Song et al., 2008 dan
Previtera
et al., 2012). Swelling berlebihan akan mengurangi selektivitas hidrogel maka perlu dilakukan modifikasi melalui proses grafting dengan selulosa. Selulosa yang digunakan berasal dari limbah jerami padi yang merupakan limbah pertanian yang cukup besar jumlahnya dan belum banyak dimanfaatkan. Pada tahun 2010 produksi jerami diperkirakan mencapai 84 juta ton. Sebagian besar jerami padi di Indonesia dibakar saja menjadi abu dan sebagiannya lagi untuk makanan ternak. Jerami padi mengandung selulosa yang di dalam struktur molekulnya mengandung gugus hidroksil atau gugus OH sehingga mudah dimodifikasi strukturnya. Penggunaan selulosa dari jerami padi diharapkan dapat meningkatkan nilai ekonomis bagi petani.Penambahan bahan pengisi (filler) seperti SiO2, CaCO3, atau TiO2
bertujuan untuk meningkatkan sifat penghalang (barrier resistance) matrik hidrogel, meningkatkan sifat mekanik, atau mencampur matrik polimer dengan sesuatu yang lebih murah dibandingkan dengan polimer sendiri (Ismariny, 2007). Pada penelitian ini akan menggunakan filler SiO2 yang berasal dari abu sekam
padi. Menurut Widowati (2001) dan Christina (2006) pemilihan abu sekam padi sebagai sumber silika dikarenakan merupakan salah satu biomassa yang tersedia melimpah di Indonesia yaitu 7,5 – 10 juta ton per tahun. Hal ini juga merupakan salah satu agenda kegiatan Dewan Riset Nasional yang berkaitan dengan pengembangan teknologi pemanfaatan limbah pertanian. Kadar silika
Proses pembuatan komposit hidrogel biodegradable selulosa-akrilamida akan dilakukan dengan metode grafting secara simultan menggunakan radiasi gamma. Metode ini mempunyai beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan metode kimia, yaitu: proses grafting dapat dilakukan pada polimer fase padat, cair, atau gas; tidak membutuhkan penambahan bahan kimia seperti inisiator, crosslinker, maupun aktivator sehingga produk yang diperoleh lebih murni; tidak memerlukan penambahan panas dan reaksinya mudah dikendalikan (Bhardwaj et al., 2005; Swantomo et al., 2008; Darsono et al., 2000; Safrany and Beiler, 2005). Hal ini juga sejalan dengan program BATAN yang mendorong aplikasi iptek nuklir untuk pembuatan material maju yang bermanfaat di bidang lain khususnya ketahanan pangan.
I.2. Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan mengembangkan pemanfaatan selulosa dari jerami padi menjadi matriks hidrogel, yaitu dengan memodifikasi dengan proses kopolimerisasi grafting menggunakan akrilamida secara simultan dengan radiasi Gamma. Matriks hidrogel yang dihasilkan diharapkan dapat berfungsi sebagai matriks controlled release fertilizer. Tujuan khusus penelitian ini dapat dirinci sebagai berikut:
a. Mempelajari pembuatan dan menentukan parameter kinetika grafting hidrogel selulosa-akrilamida menggunakan radiasi Gamma sebagai controlled release fertilizer,
b. mempelajari pengaruh dosis radiasi terhadap karakteristik proses grafting, struktur jaringan matriks hidrogel, loading pupuk urea, koefisien difusi dan mekanisme pelepasan,
c. mempelajari pengaruh konsentrasi monomer akrilamida terhadap karakteristik proses grafting, struktur jaringan matriks hidrogel, loading pupuk urea, koefisien difusi dan mekanisme pelepasan,
d. mempelajari pengaruh penambahan filler silika dari bahan abu sekam padi terhadap karakteristik proses grafting, struktur jaringan matriks hidrogel, loading pupuk urea, koefisien difusi dan mekanisme pelepasan,
e. memodelkan pelepasan pupuk urea dari matriks hidrogel, pengujian pelepasan pada media inkubasi tanah dan pengujian biodegradasi matriks
I.3. Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah :
a. Dalam bidang ilmu pengetahuan, penelitian ini diharapkan dapat memberikan perkembangan baru pada teknologi pembuatan material hidrogel dari biopolimer sebagai material pupuk sistem kendali (controlled release fertilizer) yang lebih efisien dan ramah lingkungan.
b. Dalam dunia industri, hasil penelitian ini diharapkan dapat dimanfaatkan pihak industri dalam menangani permasalahan pupuk khususnya teknologi pembuatan pupuk yang dapat menghasilkan pupuk sistem kendali sehingga dapat meningkatkan produktifitas dan mutu lingkungan serta mengurangi dampak negatif terhadap ekologi lingkungan.
