BAB II TINJAUAN PUSTAKA

(1)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Polihidroksialkanoat (PHA)

Polihidroksialkanoat merupakan salah satu contoh polimer poliester, diperoleh dari hasil sintesis sumber karbon oleh berbagai macam bakteri. Polihidroksialkanoat berpotensi menggantikan polimer dari minyak bumi. Terdapat lebih dari 90 monomer berbeda dari polihidroksialkanoat yang telah ditemukan sebagai bahan dasar acuan biosintetis. Beberapa contoh polihidroksialkanoat yang sudah diproduksi secara komersial ialah homopolimer polihidroksibutirat atau PHB dan copolimer polihidroksibutirat-co-3-hidroksivalerat. (Lee, 1996)

Polihidroksialkanoat diklasifikasikan berdasarkan rantai monomernya menjadi homopolimer dan copolimer.

Struktur PHAs dengan monomer homopolimer ialah sebagai berikut :

n = 1 R = hidrogen poli (-3-hidroksipropionat) metil poli (-3-hidroksibutirat)

etil poli (-3-horoksivalerat)

propil poli (-3-hidroksiheksanoat) pentil poli (-3-hidroksioktanoat) nonil poli (-3-hidroksidekanoat) n = 2 R = hidrogen poli (-4-hidroksibutirat) n = 3 R = hidrogen poli (-5-hidroksivalerat)

Gambar 2. 1 Jenis Polihidroksialkanoat

Sedangkan contoh polihidroksialkanoat yang rantai pembentuknya copolimer ialah sebagai berikut :

PHBV (Biopol®) - CH3 & CH2CH3

PHBHx - CH3 & - CH2CH2CH3

(2)

Gambar 2.2 . Proses Degredasi polihidroksibutirat-co-valerat (P(3HB-3HV)) pada . selama 0, 2, 4, 6, 8, and 10 weeks (dari kiri ke kanan)

2.2 Proses Pembuatan Polihidroksibutirat (PHB)

Polihidroksibutirat (PHB) merupakan salah satu jenis polihidroksialkanoat yang paling umum ditemukan pada bakteri. PHB pertama kali ditemukan dan dipelajari oleh Lemoigne pada tahun 1920.

(3)

2.2.1 Alternatif Sumber Karbon dan Bakteri

Berikut adalah beberapa sumber karbon dan bakteri yang digunakan dalam proses pembuatan PHB.

Tabel 2.1 Beberapa jenis bakteri dan sumber karbon pada pembuatan PHB

Bakteri Alcaligenes Eutrophus Alcaligenes Lactus Recombinant E. Coli M. Organophilum Sumber

Karbon Glukosa Sukrosa Glukosa Metanol

Nutrisi

Pembatas Nitrogen - Potassium -

Moetode Fermentasi Kontrol Konsentrasi Glukosa PH-stat PH-stat Kontrol Konsentrasi Methanol Waktu

Fermentasi 50 jam 28.45 jam 39 jam 70 jam

Konsentrasi Sel (g/l) 164 143 110 250 Konsentrasi PHB (g/l) 121 71.4 85 130 Kandungan PHB (%) 76 50 77.3 52 Yield PHB (g PHB / g Substrat) 0.3 0.17 0.19 0.19

Referensi Kim, dkk 1994 Yamane,dkk 1996

Unpublished

Result Kim, dkk 1996

Karakteristik yang dimiliki oleh PHB hampir sama dengan karakteristik polipropilen, sehingga PHB berpotensi menggantikan plastik sintetik misalnya Polipropilena (PP). Dimana PP diperoleh dengan bahan baku minyak bumi. Adapun perbandingan karakteristik tersebut dijabarkan dalam tabel dibawah ini:

(4)

Tabel 2.2 Perbandingan Sifat – sifat fisika dan kimia PHB dan PP Karakteristik Polihidroksibutirat Polipropilena Titik Leleh (0C)

Suhu Glass-transition (0C) Berat Molekul

Distribusi berat molekul Densitas (g/cm3)

Crystallinity (%)

Modulus Young (GPa)

Tensile Strength (MPa) Extension to Break (%) Solvent Reistance Ultraviolet Resistnace Oxygen Permeabelity Biodegradability 175-182 4 5 x 105-1 x 106 2.2 – 3 1.25 65-80 3.5 – 4 40 6 – 8 Poor Good 45 Excellent 171-186 -10 2 x 105 5 – 12 0.92 65-70 1.7 38 400 Good Poor 1700 Poor

Sumber: Biotechnology Bioprocess Engineering, Choi, 1997

2.2.2 Alternatif Proses Fermentasi

Proses pembuatan PHA secara umum ialah dengan proses fermentasi untuk memperoleh kandungan PHA pada sel bakteri dan dilanjutkan dengan proses pemisahan PHA dari sel. Pada proses fermentasi terjadi sintesa substrat menjadi PHA. Jenis PHA yang dihasilkan dipengaruhi oleh jenis mikroba, sumber karbon dan substrat pembatas.

PHA diperoleh dari hasil akumulasi karbon dengan kondisi pembatas N, P, Mg atau O2 (Anderson dkk, 1990). Saat ini telah diketahui banyak bakteri yang dapat

mengakumulasi sumber karbon menjadi PHA. Terdapat 2 alternatif fermentasi yang umum digunakan untuk memproduksi PHA yaitu :

 Fed-Batch

Fermentor di isi dengan nutrisi secukupnya untuk pertumbuhan sel.  Multi-stage Continuous Cultivation

Pada proses fermentasi ini, nutrisi dimasukkan secara kontiniu pada masing – masing fermentor. Fermentor yang pertama merupakan tempat pertumbuhan sel. Sedangkan fermentor yang kedua digunakan untuk proses akumulasi PHA.

(5)

2.2.3 Alternatif Proses Ekstraksi

Pada proses pemisahan PHA dari sel bakteri diketahui beberapa metode yang intinya adalah untuk memecahkan dinding sel bakteri dan memisahkan kandungan PHA yang terdapat pada bakteri tersebut. Beberapa metode yang dapat digunakan dalam proses pemisahan ialah sebagai berikut :

Gambar 2.3 Metode – metode pemisahan PHB dari sel bakteri

Untuk memperoleh jenis PHA yang diinginkan perlu diperhatikan mikroba yang dipergunakan, sumber karbon, nutrient pembatas dan metode pemisahan sel yang digunakan. Dalam beberapa penelitian telah diklasifikasikan beberapa mikroba yang dapat mensintesa berbagai macam sumber karbon pada proses sintesa PHA.

Pada table 2.3 telah diberikan beberapa contoh bakteri yang dapat menghasilkan PHA. PHA yang dihasilkan ini tergantung dari bakteri yang mensintesa dan sumber karbon yang dipergunakan dengan lama waktu fermentasi yang sesuai untuk memperoleh yield optimum.

Metode Pemisahan Solvent Extraction Digestion Methods Mechanical Treatment Supercritical CO2 Extraction

Using cells fragility

(6)

Sedangkan proses pemisahan bakteri dari PHB yang sudah tersintesa didalam sel bakteri terdapat beberapa metode pemisahan. Berikut ini adalah beberapa metode yang pada umumnya dipergunakan oleh industri maupun riset :

 Solvent Extraction

Metode ini adalah salah satu metode tertua dalam pemisahan PHA. Biasanya menggunakan pelarut seperti: kloroform, 1,2 – dikloroetana dan metilene klorida. Dalam beberapa percobaan ekstraksi menggunakan pelarut, diketahui dapat menghancurkan dinding sel. Kemurnian PHA dengan menggunakan pelarut ini dapat mencapai 98%. Salah satu yang menjadi masalah pengunaan method ini ialah limbah cair yang dihasilkan. Sehingga diperlukan solvent recovery untuk mengurangi pencemaran lingkungan.  Digestion Method

Metode ini memiliki prinsip yang sama dengan metode solvent

extraction. Namun pada metode ini menggunakan pelarut seperti: surfaktan, chelate dan enzim.

 Mechanical Treatment

Metode ini sering digunkan untuk memisahkan intraseluler protein (Timer, dkk. 1998). Contoh metode ini antara lain: Bead Mill Disruption dan

High Pressure Homogenization.

 Supercritical CO2

Sedangkan pada metode pemisahan dengan Supercritical CO2

memerlukan tekanan yang tinggi untuk proses ekstraksi dan kemurnian hanya mencapai 89%

 Using cells fragility

Pada metode Using cells fragility tidak bisa digunakan untuk setiap mikroba. Pada metode ini bakteri yang digunakan ialah E. Coli dan A. Vineandi sehingga jarang dipergunakan pada saat extraksi ( Choi, 2009)

Dalam Pra-rancangan pembuatan Pabrik Polyhydroxybutyrate (PHB) ini dipilih proses fermentasi dengan menggunakan bakteri (strain) Alcaligenes Eutrophus (Ralstonia Eutrophus) dengan sumber karbon glukosa dan nutrient

(7)

pembatas Amoniak (N). Sedangkan proses pemisahan PHB dari sel menggunakan metode solvent extraction.

Pemilihan proses dilakukan dengan memperhatikan:

Pengoperasiannya mudah karena proses yang sederhana dengan control yang lebih efisien.

Polyhydroxybutyrate yang diperoleh memiliki daya jual yang tinggi karena memeiliki sifat – sifat yang lebih bagus.

Dengan menggunakan bakteri A. Eutrophus sebagai strain dan glukosa sebagai sumber karbon diperoleh yield PHB yang cukup tinggi yaitu 0.3 gr PHB / gr substrat.

Kebutuhan Utility Plant lebih sedikit.

2.3 Bahan Baku

Bahan baku yang digunakan pada PHB plant terdiri dari bahan glukosa, NaOH, culture medium, chloroform dan trace element.

2.3.1 Glukosa (C6H12O6)

PHB plant menggunakan bahan baku utama yaitu glukosa. Sifat Fisik glukosa

Berat Molekul : 180.16 g/mol Densitas : 1.54 g/cm3

Kelarutan dalam Air : 91 g/100 ml pada 250 C Kelarutan dalam Metanol : 0.037 M

Entalpi Pembakaran : -1271 kJ/mol Entalpi Pembentukan : -2805 kJ/mol

Titik Leleh : 1460C

2.3.2 Culture Medium

Culture medium ialah komposisi nutrisi sintetik dalam pengembangbiakan

bakteri yang digunakan. Berikut adalah komposisi perbandingan yang digunkan dalam sebagai medium pengembangbiakan Alcaligenes Eutrophus.

Tabel 2.3 Komposisi culture medium sintetik sebagai cultivasi Alcaligenes

(8)

Tabel 2.3 Komposisi Kultur Medium Sintetik No Komposisi Konsentrasi (g/L) 1 Na2HPO4 3.8 2 KH2PO4 2.7 3 NH4Cl 2.0 4 Glukosa 20.0 5 MgSO4 0.2 6 Trace Element* 1.0 ml

* Trace Element : FeCl3 : 9.7 ; CaCl2: 7.8 ; CuSO4: 0.156 ; CoCl2:

0.119 ; NiCl2: 0.118 ; CrCl2 : 0.062 g/L

2.3.3 Kalium Hidroksida (KOH)

Natrium Hidroksida (KOH) digunakan untuk mengatur PH saat terjadi fermentasi berada diantara 6.8 ± 0.1. Sifat-sifat dari KOH tersebut yaitu :

Berat Molekul : 56,1056 g/mol

Fasa : white solid

Titik didih : 13270C Titik leleh : 420 oC Densitas : 2.1 g/cm3

Kelarutan dalam Air : 110 g/100ml pada 250C Bersifat Basa

2.3.4 Kloroform (CHCl3)

Sifat – sifat dari kloroform yaitu : Berat Molekul : 119.38 g/mol

Fasa : Cair

Titik didih : 61.2 oC Titik leleh : -63.5 oC Densitas : 1.48 g/cm3

(9)

2.4 Deskripsi Proses

Secara umum, proses produksi polihidroksibutirat (PHB) dari glukosa meliputi 2 tahap yaitu (Flickinger, 1999):

1. Fermentasi 2. Ekstraksi

Proses pembuatan polihidroksibutirat adalah sebagai berikut:

2.4.1 Fermentasi

Proses produksi polihidroksibutirat (PHB) dari glukosa dengan menggunakan bakteri Alcaligenes Eutrophus dapat dilakukan secara fed-batch. Dimana bakteri A.

Eutrophus dari tangki V-101 dimasukkan secara manual ke dalam fermentor (R-101)

untuk proses fermentasi. Kemudian ditambahkan nutrisi pembatas (NH4)2SO4 dari

tangki V-102 secara manual. Ke dalam fermentor tersebut diumpankan kultur medium sintetik dengan komposisi seperti pada Tabel 1.

Fermentor ini dilengkapi dengan 3 buah impeller dan 4 baffle dimana kecepatan impeller sebesar 20 rpm. Pada saat inokulasi, suhu dijaga antara 32±20C dengan mengalirkan air pemanas ke dalam jaket fermentor, sedangkan tekanan pada 1 atm (Robin A. Henderson, 1999). Pada fermentor ini juga dilengkapi dengan pH

Control untuk menjaga pH 6.8 ± 0.1 dengan penambahan KOH 2 M dari tangki

V-103 (Henderson, 1999). Selama proses fermentasi berlangsung dilakukan proses aerasi 0.5 v/v menit-1 dengan mengalirkan udara melalui kompressor (C-101). Setelah waktu fermentasi mencapai 48 - 50 jam bakteri yang mengandung PHB siap untuk dipanen (Henderson, 1999).

Tabel 2.4 Komposisi Kultur Medium Sintetik

No Komposisi Konsentrasi (g/L) 1 Na2HPO4 1.7 2 KH2PO4 1.3 3 Glukosa 20.0 4 MgSO4 7H2O 1.2 5 Trace Element* 10 ml

* Trace Element : FeCl3, 9.7, CaCl, 7.8, CuSO4: 0.156 ; CoCl2:

0.119 ; NiCl2: 0.118 ; CrCl2 : 0.062 g/L

Sumber : El-Sayed, dkk 2009

Reaksi sintesis yang terjadi selama proses fermentasi berlangsung dapat digambarkan pada diagram berikut:

(10)

Gambar 2.4 Biosintesis PHB pada Alcaligenes eutrophus

Adapun tahapan sintesis yang berlangsung pada biosintesis PHB pada bakteri

A. Eutrophus ialah sebagai berikut :

• 2 gugus acetyl-CoA diubah menjadi acetoacetyl -CoA oleh enzim

ketothiolase (phaA).

• acetoacetyl -CoA direduksi menjadi (D)-3-hydroxybutyryl-CoA oleh

acetoacetyl -CoA reductase (phaB).

• Enzim PHB synthase (phaC) menghubungkan (D)-3-hydroxybutyryl-CoA menjadi rangkaian PHB. (Lee, 1997)

2.4.2 Ekstraksi

Bakteri yang mengandung polihidroksibutirat (PHB) dipompakan bersama substrat yang bersisa dengan menggunakan pompa (E-103) ke dalam disk centrifuge (CF-101). Bakteri yang mengandung PHB ini dipisahkan dari substrat sisa dengan kecepatan disk centrifuge sebesar 24,000 rpm (Chaijamrus,.2008). Bakteri yang berbentuk slurry kemudian di bawa ke tangki pencuci (V-105) dan dicuci menggunakan air destilasi. Kemudian bakteri tersebut dipisahkan dari air pencuci dengan menggunkan disk centrifuge (CF-102) dan dimasukkan ke tangki ekstraksi (V-105). Ke dalam tangki ekstraksi ini ditambahkan kloroform (CHCl3) untuk

(11)

r.p.m. Proses ekstraksi berlangsung selama 1 jam pada suhu 600C, dimana pada suhu tersebut dinding sel bakteri lebih mudah dihancurkan (Flickinger, 1999).

Campuran antara larutan kloroform dan PHB dipisahkan dari dinding sel (sel yang tidak mengandung PHB) dimasukkan kedalam tangki pengendapan (V-107). Kemudian kedalam tangki tersebut diatas ditambahkan air panas bersuhu 900C, sehingga kloroform akan larut dalam air sedangkan PHB akan membentuk slurry. Dengan menggunakan alat dekanter (DC-101), PHB dipisahkan dari kloroform dan air. Larutan kloroform dan air ini akan dipompakan ke vaporizer (VE-101) untuk memisahkan air dengan kloroform. Kloroform yang sudah dipisahkan dari air akan ditampung kedalam tangki penampung (V-108) untuk diproses di utilitas. Sedangkan PHB dimasukkan ke dalam spray dryer (SPD -101) melalui conveyor (SC-101). Dimana suhu pada pengeringan ialah 1300 C dan tekanan 0,987 atm. Media pengering yang digunakan dalam spray dryer adalah superheated steam. Produk PHB yang berupa powder dimasukkan ke dalam tangki penampung (V-109).

(12)

BAB III

NERACA MASSA

Neraca massa pada pra-rancangan pabrik pembuatan Polihidroksibutirat (PHB) pada Alcaligenes Eutrophus dihitung berdasarkan:

Kapasitas produksi : 4.500 ton/tahun atau 568,182 kg.jam-1 Waktu kerja per tahun : 330 hari

Satuan operasi : kg.jam-1 untuk alat – alat lainnya Kemurnian Produk : 98 %

Peralatan – peralatan yang mengalami perubahan massa adalah : - Fermentor (R-101) - Disk Centrifuge (CF-101) - Tangki Pencuci (V-105) - Disk Centrifuge (CF-102) - Tangki Ekstraksi (V-106) - Disk Centrifuge (CF-103) - Tangki Pengendapan (V-107) - Dekanter (DC-101) - Spray Dryer (SPD-101)

(13)

3.1 Fermentor (R-101)

Tabel 3.1 Neraca Massa pada Fermentor (R-101)

Komponen Masuk (kg.jam-1) Keluar (kg.jam-1)

Alur 1 Alur 2 Alur 3 Alur 4 Alur 5 Alur 6 Alur 7

Udara 0,895 0,895 A. Eutrophus 662,216 Na2HPO4 160,824 0,160 KH2PO4 122,983 0,122 MgSO4 7H2O 113,523 0,113 C6H12O6 1.892,298 189,229 FeCl3 9,176 0,009 CaCl2 7,379 0,007 CuSO4 0,147 0,0002 CoCl2 0,112 0,0001 NiCl2 0,111 0,0001 CrCl2 0,023 0,00002 KOH 90,061 (NH4)2SO4 378,409 PHB 568,182 Non-PHB 179,426 H2O 92.872,037 95.371,798 Total 96.309,944 96.309,944 3.2 Disk Centrifuge (CF-101)

Tabel 3.2 Neraca Massa pada Disc Centrifuge (CF-101) Komponen Masuk (kg.jam

-1

) Keluar (kg.jam-1)

Alur 7 Alur 8 Alur 9

PHB 568,182 568,182 Non-PHB 179,426 179,426 Na2HPO4 0,160 KH2PO4 0,122 MgSO4 7H2O 0,113 C6H12O6 189,229 3,784 185.444 FeCl3 0,009 CaCl 0,007 CuSO4 0,0002 CoCl2 0,0001 NiCl2 0,0001 0,002 CrCl2 0,00002 0,001 H2O 95.371,798 11,464 95.371,798 Pengotor* 0,008 3,784 5.334.450,797 Total 96.309,049 96.309,049

(14)

3.3 Tangki Pencuci (V-105)

Tabel 3.3 Neraca Massa pada Tangki Pencuci (V-105)

Komponen Masuk (kg.jam-1) Keluar (kg.jam-1)

PHB 568,182 568,182 Non-PHB 179,426 179,426 Air Pengotor 15,257 15,257 Air 18.690,200 18.690,200 Total 19.453,065 19.453,065 3.4 Disk Centrifuge (CF-102)

-1

) Keluar (kg.jam-1)

PHB 568,182 568,182

Non-PHB 179,426 179,426

Air 18.705,457 18.690,200 15,257

Total 19.453,065 19.453,065

3.5 Tangki Ekstraksi (V-106)

Tabel 3.5 Neraca Massa pada Tangki Ekstraksi (V-106)

Komponen Masuk (kg.jam

-1

) Keluar (kg.jam-1) Alur 13 Alur 14 Alur 15 Alur 16

PHB 568,182 568,182 Non-PHB 179,426 179,426 CHCl3 13.830,748 13.830,748 Air 15,257 9.345,100 9.360,357 Total 23.938,713 23.938,713 3.6 Disk Centrifuge (CF-103)

-1

) Keluar (kg.jam-1)

PHB 568,182 568,182

Non-PHB 179,426 167,830 11,595 CHCl3 13.830,748 13.830,748

Air 9.360,357 3,425 9.363,782

(15)

3.7 Tangki Pengendapan (V-107)

Tabel 3.7 Neraca Massa pada Tangki Pengendapan (V-107)

Komponen Masuk (kg.jam

-1

) Keluar (kg.jam-1)

PHB 568,182 568,182 Non-PHB 11,595 11,595 CHCl3 13.830,748 13.830,748 Air 9.363,782 27.661,496 37.025,278 Total 51.435,804 51.435,804 3.8 Dekanter (DC-101)

Tabel 3.8 Neraca Massa pada Dekanter (DC-101) Komponen Masuk (kg.jam

-1

) Keluar (kg.jam-1)

PHB 568,182 568,182 Non-PHB 11,595 11,595 CHCl3 13.830,748 13.830,748 Air 37.025,278 11,832 37.013,446 Total 51.435,804 51.435,804 3.9 Spray Dryer (SPD-101)

Tabel 3.10 Neraca Massa pada Spray Dryer (SPD-101) Komponen Masuk (kg.jam

-1

) Keluar (kg.jam-1)

Alur 25 Alur Steam Alur 20

PHB 568,182 568,182

Non-PHB 11,595 11,595

Air 11,832 11,832